冯志强，李籽剑，周学明，熊文欢，毛晓坡，刘正云，付剑津

（1.国网湖北省电力有限公司电力科学研究院，湖北 武汉 430077；2.国网湖北送变电工程有限公司，湖北 武汉 430077）

0 引言

在输电线路向超高压、特高压方向发展的行业背景下，输送容量随之增大，电力系统对供电可靠性要求也随之提升，输电线路的安全运行是基础［1-3］。输电线路运行环境恶劣，绵延数百至上千公里，极易遭受雷击。雷害是造成输电线路跳闸最多的故障类型之一，湖北地区近5 年雷害跳闸占比高达33%。同时，大量山区线路投运，同塔并架线路的大量架设，虽然降低了建设征地成本，但是增加了输电线路雷击造成同塔双跳的风险［4］。

输电线路遭受雷击容易使绝缘子发生损坏，引发线路跳闸故障，某些情况下还会直接造成断线事故，不利于实现安全稳定地供电。雷击线路过程中释放出来的雷电侵入波若未得到及时处理，那么势必会以非常快的速度传输至变电站，若其过电压幅值非常高，极易造成站内设备损坏，可能会引发非常严重的设备事故，导致大范围停电，会造成严重的经济损失。降低或者规避雷击跳闸能够显著减少输电线路故障，有助于整个电网系统保持稳定、可靠、安全地运行［4-9］。

2019年，湖北电网某500 kV同塔双回线A相同跳，故障相均为中相，且其中Ⅰ回为中相跳线对下相横担放电。为查明故障原因，对上相、中相的绝缘子和跳线串、空气间隙的雷电冲击放电电压进行了计算，并对上相、中相和中相接地后上相的几何耦合系数进行了计算，对比了考虑/不考虑线路运行电压下线路反击耐雷水平，剖析了本次线路故障跳闸的原因。通过对比考虑/不考虑线路运行电压的耐雷水平，超高压线路考虑运行电压的耐雷水平比不考虑运行电压时低约13.6%，表明运行电压对线路耐雷水平的影响不容忽略。

1 故障基本情况

2019 年6 月21 日15：25：28.238，某500 kV 同塔双回线A 相发生同时跳闸，重合成功。Ⅰ回线故障录波测距为111 号-153 号塔；Ⅱ回线故障录波测距为118号-153号塔。

故障线路Ⅰ回线全长141.38 km，Ⅱ回线全长140.912 km，故障区段位于B1 级雷区，未安装其他防雷设施，故障时刻为雷雨天气，气温在20 ℃～28 ℃间，东北风，风速2 m/s。故障杆塔为136 号塔，导线垂直排列，处于B1 级雷害区；接地形式为TT22，接地电阻设计值为10 Ω，实测接地电阻为4.8 Ω，小于设计值；小号侧档距355 m，大号侧档距598 m；Ⅰ回线中相保护角为4.94°，Ⅱ回线中相保护角为6.16°。故障区段平均海拔高度为760 m，主要地形为山地，故障塔位于山顶，大小号侧通道良好，无超高树障，如图1 所示。

图1 故障塔136号塔大、小号侧通道Fig.1 Large and small side channels of fault tower No.136

通过人员登塔巡视和空中无人机相互配合，发现故障杆塔136 号塔的Ⅰ回下横担上平面及中相引流线、Ⅱ回中相大号侧第一片绝缘子及中相引流线、地线放电间隙有明显的闪络痕迹，初步判定该塔为故障位置如图2-图5所示。

图2 故障塔136号塔全景图Fig.2 Panorama of fault tower No.136

图3 故障塔Ⅰ回放电痕迹Fig.3 Discharge trace of line one of the fault tower

图4 故障塔Ⅱ回放电痕迹Fig.4 Discharge trace of line two of the fault tower

图5 地线间隙放电痕迹Fig.5 Discharge trace of ground electrode gap

根据雷电定位系统查询结果［10-13］，故障时刻故障区段附近有多次落雷，附近落雷的最大雷电流幅值为-279.4 kA，对应最近杆塔为134 号-135 号塔，与故障区段较为吻合，详见表1。

表1 故障区段附近落雷情况Table 1 Lightning strike around the fault section

查询故障录波图可知Ⅰ回故障电流为1.664 kA，Ⅱ回故障电流为3.84 kA。故障阻抗为4.987+j17.357 Ω，阻抗角为73.96°，表现为金属性接地。

根据故障发生时刻的天气情况、放电痕迹及其通道、大小号侧通道，以及现场地形、外部环境等，可排除外力破坏、山火、异物、污闪、鸟害、风偏、树（竹）线放电等故障原因，结合雷电定位系统，初步判断本次故障为雷击故障。由于本次故障为两回同跳，且雷电流幅值较大，为雷电反击。

2 故障原因分析

2.1 放电路径及其放电电压

为了对比两回线路的各相导线耐张串、跳线串、跳线与横担的空气间隙等可能放电路径的耐雷水平，对上、中相的各类间隙距离进行了测量，详见表2，其中故障塔136号塔Ⅰ回中相引流线对下横担上平面的空气间隙距离为4.1 m，Ⅱ回大号侧第一片绝缘子钢帽对中相引流线的空气间隙距离为4.0 m。

根据过电压保护和绝缘配合标准［14］，绝缘子串的雷电冲击放电电压按照式（1）计算：

按照上述公式分别计算得到故障塔各个绝缘子串和空气间隙的雷电冲击放电电压，详见表2。

表2 间隙距离及其雷电冲击放电电压Table 2 Clearance distance and lightning impulse discharge voltage

2.2 反击耐雷水平

导地线的几何耦合系数［15］计算公式如式（3）：

按照式（3）分别计算上相导线、中相导线的耦合系数分别为0.356和0.218；当中相导线反击击穿后接地，相当于是上相导线的耦合地线，此时上相导线的耦合系数为0.538。

由于本次故障相均为中相，故障时刻中相运行电压位于峰值附近，计算导线的耐雷水平是需要考虑导线的运行电压［16-22］，如式（4）：

当跳线对下相横担放电时，空气间隙的电位应该为下相横担电压，应将式（4）的ha更改为下相横担的高度h'a。

根据故障时刻的录波图，中相运行电压为300 kV，上相运行电压为-150 kV，如图6，分别计算上相、中相的耐雷水平，见表3。当不考虑线路运行电压时，Ⅰ回上相引流线的空气间隙和绝缘子串的耐压均为最低，为175.8 kA，放电通道的耐雷水平比上相的耐雷水平高10.2%；若考虑线路运行电压，Ⅰ回中相引流线对下横担的耐雷水平降为最低，为167.5 kA，耐雷水平降低了13.6%，并且比上相的耐雷水平低9.8%，因此发生雷电反击击穿。同理，考虑线路运行电压时，Ⅱ回中相未安装跳线串，空气间隙距离较小，耐雷水平为145.5 kA，比不考虑运行电压时降低了13.5%，为放电通道，如表3。依据输电线路防雷标准和文件，500 kV双回线路宜在中相安装线路避雷器［23-25］。

图6 故障录波图Fig.6 Fault oscillogram

表3 反击耐雷水平Table 3 Back-flashover withstand level

当Ⅰ、Ⅱ回中相发生击穿接地后，相当于上相的两根耦合地线，再次校核上相的耐雷水平达到315.3 kA，因此上相未发生反击击穿。

3 结语

以某500 kV 同塔双回线路雷电反击同跳故障为例，对上相、中相的绝缘子和跳线串、空气间隙的雷电冲击放电电压进行了计算，并对上相、中相和中相接地后上相的几何耦合系数进行了计算，对比了考虑/不考虑线路运行电压下线路反击耐雷水平，剖析了本次线路故障跳闸的原因。

通过对比考虑/不考虑线路运行电压的耐雷水平，超高压线路考虑运行电压的耐雷水平比不考虑运行电压时低约13.6%，表明运行电压对线路耐雷水平的影响不容忽略。当Ⅰ、Ⅱ回中相发生击穿接地后，相当于上相的两根耦合地线，上相耐雷水平大幅上升，因此上相未发生反击击穿。依据输电线路防雷标准和文件，500 kV双回线路宜在中相安装线路避雷器。

由于Ⅰ回中相对下相的空气间隙较小，考虑线路运行电压时该相耐雷水平最低，发生反击击穿。因此，根据绝缘配合标准，同塔双回线路上相、中相对下相横担空气间隙距离的正极性雷电冲击50%放电电压不宜低于绝缘子串干弧距离。