黄明亮 陈谋捷 赖丁财 陈秋敏 蔡志坚

(国网泉州供电公司,福建 泉州 362000)

1 概述

输电线路是电力系统的大动脉,是电力系统能量流动的重要部件。雷电是雷雨云中的正负电荷不断积累,当电位差大于击穿空气介质需要的电场强度时产生的放电现象[1]。雷电发生时会产生强大的雷电流,这是造成输电线路跳闸的主要原因。目前,由于输电线路大多在高海拔、地形复杂地区,雷电灾害成为输电线路最为主要的外力灾害之一,占所有故障的50%左右[1]。因此,对输电线路雷击故障进行分析,对电力系统安全稳定运行有重要意义。

输电线路雷击故障主要为雷电绕击和反击,郑茂然等[2]分析了雷电绕击和反击的发生机制,并基于ATP-EMT建立110 kV输电线路雷电仿真模型,构建特征量来判断不同故障类型;路永玲等[3]基于背景平台提供的大数据处理集群技术,以朴素贝叶斯算法结合时间序列相似性故障匹配建立输电线路故障预警模型;陈家宏等[4]整理江苏省2005—2013年架空输电线路雷击跳闸案例,分析雷电活动、地形地貌、杆塔结构等因素对雷击跳闸的影响,并根据分析结果提出相应的防雷措施。

目前,针对220 kV双回路雷击同时跳闸的研究较少。本文对一起220 kV输电线路雷击故障案例进行分析与研讨,并提出针对性改进措施,以期对220 kV输电线路防止双回路雷击同时跳闸有一定的指导意义。

2 案例概况

2020年9月7日,某变电站的某220 kV线路发生Ⅰ、Ⅱ路纵联距离动作,距离Ⅰ段保护动作、纵联差动保护动作,开关三相跳闸,重合闸闭锁未动作,BC相间接地故障。220 kV某线路Ⅰ路故障测距6.36 km,故障电流18.429 kA;Ⅱ路故障测距6.03 km,故障电流15.886 kA。该线路全线同塔,单回线路长8.136 km,共有33个基塔,线路投运至本次故障前运行平稳,未发生跳闸事件。在故障发生后,根据当地气象台显示,故障时线路周边为雷雨天气,雷电活动迹象频繁。经调查,该线路#12塔、#19～#20塔、#30塔附近在故障发生时有落雷,线路有火光。查找雷电智能监测系统,2020年9月7日16时03分22.312秒,通道距线路539 m处有一幅值为239.3 kA的主落雷,并含有2次后续回击,距离最近塔段为#19～#20塔。经过分析后,安排人员重点排查线路#12～#23塔,发现Ⅰ路#19塔,Ⅱ路#20塔BC相绝缘子及均压环有雷击闪络痕迹(图1)。综合以上判断,此次故障为雷击造成的线路跳闸。

3 原因分析

经过现场查看,线路Ⅰ、Ⅱ路#19塔塔高57.1 m,周边无高大建筑,大号侧100 m处跨越一个小型水库,小号侧500 m处跨越高速公路。线路Ⅰ、Ⅱ路#20塔塔高57.0 m,周边无高大建筑,小号侧120 m处跨越一个小型水库。所处地形有水系,上方易形成雷云。两基塔塔身及导地线均明显高于周边地势,雷电发生时极易遭受雷击。查找雷电智能监测系统(图2),该两基塔附近有一幅值为239.3 kA的主落雷,并含有2次后续回击。结合查找结果,判断此次跳闸原因为雷击Ⅰ路#19塔、Ⅱ路#20塔导致线路跳闸:Ⅰ路#19塔和Ⅱ路#20塔相关信息如表1所示。

图2 雷电智能监测系统

表1 故障杆塔基本信息

4 计算分析

反击闪络和绕击闪络是输电线路发生雷击闪络故障的两种形式[5],若雷电击于杆塔、避雷线等除导线外的部件上,因雷击而导致的线路闪络称为反击闪络故障,在雷电直接击中导线或避雷线屏蔽失败的情况下引起的线路闪络称为绕击闪络故障。依据现行电力行业标准《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》(DL /T 620—1997)的规定,绕击耐雷水平计算公式如下:

(1)

反击耐雷水平计算公式如下:

(2)

式(1)～式(2)中,U50%为绝缘子串的50%冲击放电电压;hg为地线平均高度;ha为杆塔横担高度;ht为杆塔平均高度;hc为导线悬挂点平均高度;Ri为杆塔冲击接地电阻;β为杆塔分流系数;Lgt为杆塔等值电感;k为电晕修正后耦合系数;k0为避雷线与导线间的几何耦合系数;I2单位为kA。反击耐雷水平计算参数如图3所示。

图3 反击耐雷水平计算参数示意图

将线路Ⅰ路#19故障相B、C和Ⅱ路#20故障相B、C的基础数据代入公式,得到绕击耐雷水平与反击耐雷水平,结果如表2所示。

表2 输电线路耐雷水平计算(双避雷线)

计算得出杆塔线路Ⅰ、Ⅱ路B、C相绕击耐雷水平均为12.65 kA,反击耐雷水平均满足220 kV典型设计杆塔75～110 kA的耐雷水平。由于杆塔的反击耐雷水平远大于绕击耐雷水平,当雷电流幅值较小且接近绕击耐雷水平时,发生绕击闪络的概率比较大;当雷电流幅值较大且接近或大于反击耐雷水平时,发生反击闪络的概率比较大。线路杆塔#19与#20之间跨越小型水库,在线路上易积累水汽形成云层,云层中的冰晶、水滴等相互碰撞导致正负电荷分离,负电荷位于云层下部,在大地上感应正电荷,在云层与大地之间形成强大的电场,当电场强度大于空气绝缘强度时会发生击穿。雷电放电主要分为先导放电和主放电[6],当先导放电向下发展时,地面的高耸物体如输电铁塔等会引起电场的畸变,引起周围发生电离,产生上行先导,当上行先导与下行先导碰撞中和时会产生大电流,称之为主放电。主放电后,由于主放电通道的电导率会小于周围电导率,临近电荷聚集中心将继续沿此次通道进行自上而下的先导放电,也就是可观测到的雷电流回击现象,如图4所示。

图4 雷击主放电与回击示意图

根据雷电系统显示,该两基塔附近有一幅值为239.3 kA的主落雷,并含有2次后续回击,两基塔均为鼓形塔,避雷线保护角为0°,在线路#19、#20塔B、C相导线的侧均压环上均发现雷击痕迹。由于主落雷幅值较大且大于反击耐雷水平,并满足反击雷多相同跳的特征,因此,可以判定此次故障跳闸为雷电反击导线产生。

5 改进措施

根据线路设计运行参数及现场运行环境提出以下改进措施。

①线路避雷器可以提高线路的抗雷能力。根据公司已装线路避雷器的雷击跳闸故障统计来看,装设避雷器可以有效减小雷击故障导致的跳闸发生概率。根据运行实践证明,线路易发生雷击的区域主要集中在山顶、高差较大的杆塔之间、土壤电阻率较高的区域和较为潮湿的山丘盆地等。此次发生雷击的#19、#20塔虽然处于平原地带,但由于线路跨越一小型水池,容易聚集水汽,因此,应该加入装设避雷器的范畴之内。在装设避雷器时,应该根据现场实地考察扩大装设点范围,甚至在一些重要通道线路全线安装,并采用差异化防雷措施,这样可以避免线路受到错综复杂环境的影响。

②在一定范围内,线路保护角越小,避雷线对线路起到的保护作用就越大,在一些山区多雷地区可以采用负保护角,同杆双回线使用 0°～-5°,山区同杆双回路可使用-8°～-12°[7]。考虑到经济性,对多年运行线路整体进行改造会浪费资源,因此对新建线路或在山区等多雷区的保护可采用负保护角设计。

③本次故障因雷电定位信息数据延时将近2 h,在一定程度上影响了故障查找的效率。应完善雷电监测系统,更加及时、完整地反映雷电发生的准确定位及雷电流幅值,提高输电检修工作的效率。输电运维人员应根据历年雷电监测系统的信息,对雷电发生和活动规律的进行总结分析,对不同雷电进行等级划分,提出更符合实际的防雷措施。

④此次故障原因是雷电反击闪络,在相同幅值雷电流反击条件下,杆塔增高,主材波阻抗增大,将会导致杆塔横担电位增大,从而绝缘子两端通过的电压也将增大,导致反击闪络变大。因此,在线路设计初期,可以在满足安全运行的前提下考虑降低杆塔高度。

⑤减小杆塔冲击接地电阻可以提高线路反击耐雷水平。针对历年发生雷电故障的杆塔,可以针对性地减小杆塔接地电阻,在一些重要输电通道上可以考虑采用石墨烯复合接地装置等新型材料。

6 结束语

针对220 kV输电线路雷击防护措施可以采取单回路全线安装避雷器的差异化防雷措施、在特定地区减小避雷线保护角和接地电阻、完善雷电定位信息、使用新型接地材料等改进措施。由于雷电具有不稳定性和难预测性,并且对输电线路的破坏性极大,输电线路防雷措施是一项需要长期探索、持续改进的工作,应通过分析历次线路雷击故障,总结规律,不断积累运行经验,从而提高输电线路整体耐雷水平。