黃振，程夢凌，張航博，金超亮，李化，周原

(1.強電磁工程與新技術(shù)國家重點實驗室(華中科技大學(xué))，湖北 武漢430074;2.東南大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京211189; 3.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣東 廣州510080)

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220 kV嘉應(yīng)-長沙甲、乙線雷擊同跳閃絡(luò)相分布及導(dǎo)線布置方式影響研究

黃振1，程夢凌1，張航博2，金超亮1，李化1，周原3

(1.強電磁工程與新技術(shù)國家重點實驗室(華中科技大學(xué))，湖北 武漢430074;2.東南大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京211189; 3.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣東 廣州510080)

同塔雙回線路已成為主干網(wǎng)架發(fā)展的必然選擇，由于桿塔高度較高，同塔架設(shè)線路面臨更加嚴(yán)苛的防雷保護問題，一旦發(fā)生雙回同時跳閘將對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性造成極大威脅。針對220 kV嘉應(yīng)-長沙(以下簡稱“嘉長”)甲、乙線同跳故障案例，綜合考慮雷電流幅值、運行相位、導(dǎo)線排列方式、線路避雷器等因素對線路耐雷水平的影響，采用電磁暫態(tài)程序(elector-magnetic transient program, EMTP)和ATP(the alternative transients program, ATP)計算軟件對線路單相、兩相閃絡(luò)發(fā)生規(guī)律及閃絡(luò)相分布特征進行了分析,可提高同塔雙回線路的安全性。

嘉長甲、乙線；耐雷水平；仿真計算；導(dǎo)線布置方式

同塔多回線路雷擊同跳對系統(tǒng)穩(wěn)定運行影響較大，廣東地區(qū)電網(wǎng)密集、雷電活動強烈，以2015年為例，共發(fā)生雷擊跳閘640次，占全部跳閘次數(shù)的74.9%，各電壓等級線路雷擊跳閘、同跳次數(shù)統(tǒng)計：110 kV 分別為516、107次；220 kV分別為103、6次；500 kV 分別為21、0次，從中可見雷擊同跳主要發(fā)生在220 kV及以下電壓等級[1]。雷擊同跳造成線路失去較大負荷，極大影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定性[2-4]。本文結(jié)合220 kV嘉應(yīng)-長沙(以下簡稱“嘉長”)甲、乙線路雙回同跳案例，在閃絡(luò)先導(dǎo)發(fā)展模型、桿塔多波阻抗模型、線路避雷器模型的基礎(chǔ)上，采用電磁暫態(tài)程序(elector-magnetic transient program, EMTP)和ATP(the alternative transients program, ATP)計算軟件建立同塔雙回輸電線路反擊計算模型，并考慮系統(tǒng)運行電壓及導(dǎo)線布置方式對耐雷水平的影響，對本次跳閘過程及原因進行了深入分析。

1 事故情況

220 kV嘉長甲、乙線全長19.92 km，共47基桿塔，全線同塔架設(shè)。2016年4月13日嘉長甲、乙線跳閘，甲、乙線兩側(cè)故障電流均分別為8.27 kA、3.23 kA。巡查現(xiàn)場后，發(fā)現(xiàn)220 kV嘉長甲線18號塔L2相(下相)合成絕緣子串均壓環(huán)有閃絡(luò)痕跡；220 kV嘉長乙線18塔號L2(下相)合成絕緣子串下均壓環(huán)有閃絡(luò)痕跡。嘉長甲、乙線電流波形及母線電壓波形如圖1(a)、(b)所示。

圖1 嘉長甲、乙線故障錄波曲線

從圖1(a)、(b)可看到，嘉長甲線和嘉長乙線同時發(fā)生單相(L2相)接地故障，短路電流持續(xù)時間0.5 s。查詢雷電定位系統(tǒng)，線行周圍1 km，前后3 min有雷電活動，記錄17—18號鐵塔線行附近有1次82.5 kA的正極性落雷。

查設(shè)計圖紙，220 kV嘉長甲、乙線18號塔塔型為2ASZC232-28，設(shè)于山頂位置，保護角為0°。導(dǎo)線型號2×LGJX-300/40，地線型號LGJX-95/55。嘉長甲、乙線18號塔合成絕緣子型號FXBW3-220/100。干弧距離2 000 mm。 雙回采用了同相序垂直排列，兩回線路排列為L3(上)、L1(中)、L2(下)。經(jīng)設(shè)計院計算，線路反擊耐雷水平電流為93.5 kA。18號塔與相鄰兩側(cè)17號塔、19號塔之間的檔距分別為626 m、441 m，其中19號塔雙回線路L1、L3相安裝4支HY10CX1-192/500型避雷器，支撐間隙型。桿塔所處土壤電阻率為2 000 Ω·m，設(shè)計接地電阻不小于30 Ω，復(fù)測接地電阻10.2 Ω。

2 故障分析及仿真建模

2.1 故障初步分析

事故發(fā)生時，雷電定位系統(tǒng)顯示雷擊電流幅值為82.5 kA，考慮定位系統(tǒng)測量存在15%的誤差，仍比一般繞擊耐雷水平電流10 kA高很多[5-6]，繞擊跳閘可能性極小，此外跳閘前后僅有一個落雷，不能同時造成雙回繞擊；如果故障為反擊跳閘，本次雷電流幅值為82.5 kA，低于桿塔設(shè)計參考耐雷水平電流93.5 kA，計及系統(tǒng)測量誤差，認為反擊的可能較大。分析電流和電壓錄波曲線(見圖1)可知，雷擊時刻，L2相運行電壓處于電壓負半周，且雷電流為正極性，雷擊時刻導(dǎo)線電壓瞬時值對故障相別影響較大，因此有必要研究桿塔在較嚴(yán)重情況下耐受反擊雷的能力。

2.2 桿塔模型

為精確起見采用T.Hara提出的等值分布模型為基礎(chǔ)的桿塔多波阻抗模型[7]，根據(jù)桿塔不同位置參數(shù)計算得出對應(yīng)的波阻模擬線路桿塔。18號桿塔設(shè)置參數(shù)見表1。線路終端取10 km的長線模擬，保證仿真時長內(nèi)反射波未到達閃絡(luò)點。

表1 18號桿塔參數(shù) m

內(nèi)容數(shù)值內(nèi)容數(shù)值避雷線橫擔(dān)長度l15.65避雷線懸掛點高度H155.1上橫擔(dān)長度l25.2上相導(dǎo)線懸掛點高度H252.1中橫擔(dān)長度l35.65中相導(dǎo)線懸掛點高度H345.4下橫擔(dān)寬度l45.25下相導(dǎo)線懸掛點高度H439塔基底長l59.81橫坦Z1與塔身連接處寬度b1.5支架寬度l61.5

2.3 雷電模型及閃絡(luò)判據(jù)

雷電過程是一個很復(fù)雜的過程，從雷電的實際觀測效果和防雷保護的工程角度出發(fā)，將其抽象為數(shù)學(xué)模型后再等值為簡單電路[8]。仿真模型計算選擇了波頭、波尾時間分別為1.2 μs、50 μs的雙指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)雷電波[5]，其表達式為

(1)

式中：i為雷擊電流；I0為雷擊電流幅值，對應(yīng)的時間α=68.5 μs,β=0.404 μs。為便于比較，雷電流均與設(shè)置與本次落雷極性相同的正極性，通道波阻抗取400 Ω[9]。為了保證仿真的準(zhǔn)確性，建立了發(fā)生閃絡(luò)的18號桿塔及其兩側(cè)相鄰2基桿塔(其中19號桿塔裝設(shè)有4只避雷器)的模型。

雷擊閃絡(luò)時，絕緣子串等效為空氣間隙，絕緣子閃絡(luò)可采用空氣間隙作為閃絡(luò)判據(jù)[10]，本文采用先導(dǎo)法作為絕緣子閃絡(luò)判據(jù)，通過EMTP 中TACS(transient analysis of control systems, TACS)子程序進行控制，認為在沖擊電壓下的絕緣的擊穿發(fā)展時間段可分為5個[11-12]：電暈起始時間t1(單位μs，下同)，流注發(fā)展時間t2，離子波傳播時間t3，先導(dǎo)發(fā)展時間t4和氣體加熱時間t5，即擊穿發(fā)展時間

(1)

由于t3、t5可忽略不計，在極不均勻場中，電暈起始電壓遠低于閃絡(luò)電壓，因此t1也可忽略不計。當(dāng)間隙達到流注起始場強時，流注開始發(fā)展，流注起始場強E0=350kV/m， 則

(2)

式中:E0為絕緣子擊穿的平均場強，kV/m；E為絕緣上最大電場梯度，kV/m。

流注發(fā)展完后，先導(dǎo)開始產(chǎn)生。Rizkd認為先導(dǎo)的起始電壓U0(kV)與間隙長度L(單位為m )應(yīng)滿足下列關(guān)系，即

(3)

先導(dǎo)的發(fā)展速度

(4)

式中：U為間隙承受電壓，kV；x為先導(dǎo)發(fā)展長度，m；Eex為先導(dǎo)通道電場強度，kV/m；E2為流注平均場強，kV/m；k為先導(dǎo)速度發(fā)展系數(shù)。在負極性沖擊下,k=0.8、E2=500 kV /m的同時

(5)

隨著先導(dǎo)的不斷發(fā)展，間隙L減小，先導(dǎo)速度v加快，當(dāng)先導(dǎo)長度x發(fā)展到一定時，會發(fā)生躍變過程，引起L直接擊穿。最終躍變長度(m)

(6)

故障雙回導(dǎo)線為同相序豎直排列方式，為此，探討了雙回采用逆向序排列時的反擊耐雷水平，在兩種布置方式下，雷擊位置位于甲線上方避雷線懸掛點。導(dǎo)線相序排列方式如圖2(a)、(b)所示。

圖2 導(dǎo)線相序排列方式

3 線擊耐雷水平分析

3.1 雷電反擊時桿塔電位分布

當(dāng)不考慮輸電線路運行電壓時，影響反擊耐雷水平的桿塔結(jié)構(gòu)因素主要有橫擔(dān)高度、導(dǎo)線與避雷器的耦合系數(shù)[12-13]，220 kV典型雙回桿塔的反擊耐雷水平電流是75～110 kA。選取幅值為100 kA的雷電流作用于避雷線時，各層橫擔(dān)上產(chǎn)生的電壓波形如圖3所示。

上相、中相、下相分別指桿塔從上到下橫擔(dān)，也即上橫擔(dān)、中橫擔(dān)、下橫擔(dān)處電壓位置。圖3 桿塔電位分布

由圖4的仿真波形可知，三相桿塔橫擔(dān)沖擊電壓波形相同，出現(xiàn)的振蕩是兩基桿塔之間的折返射形成的。改變雷電流幅值，各層橫擔(dān)及導(dǎo)線電位值見表2。

表2 不同雷電流幅值對應(yīng)的橫擔(dān)電位

雷電流幅值/kA橫擔(dān)各位置的電位/V上中下903.33×1063.01×1062.69×1061003.66×1063.31×1042.96×106

由表2可見，反擊雷電流幅值越大，橫擔(dān)間電壓越大，90 kA雷電流對應(yīng)的相鄰橫擔(dān)間電壓差為300 kV；100 kA雷電流對應(yīng)的相鄰橫擔(dān)間電壓約為350 kV。如用集中電感對電位差進行計算，將塔材等效電感取0.5 μH/m，相鄰橫擔(dān)高度差取6.5 m，雷電流幅值取100 kA，波頭時間為1.2 μs，得出相鄰橫擔(dān)電位差為270 kV，與表2的仿真計算值350 kV相比則更小。

不考慮系統(tǒng)運行電壓時的桿塔反擊耐雷水平電流見表3。

表3 不考慮系統(tǒng)運行電壓情況下的桿塔反擊耐雷水平

閃絡(luò)形式閃絡(luò)電流/kA閃絡(luò)相位單相閃絡(luò)113乙線L3相兩相閃絡(luò)117乙線L3相、乙線L1

由表3可見：

a) 在不考慮運行電壓相位情況下，上相耐雷水平最低，最容易發(fā)生絕緣子閃絡(luò)；其次是中相和下相。這是由于上相所處桿塔位置高、桿塔等效電感上壓降最大所導(dǎo)致。

b) 閃絡(luò)發(fā)生在避雷線對側(cè)，表明避雷器對導(dǎo)線屏蔽受距離影響，導(dǎo)致閃絡(luò)電壓。事故線路中甲線上方設(shè)置避雷線，因此只在乙線發(fā)生單相閃絡(luò)。

以上分析為不考慮系統(tǒng)運行電壓的情況，如果考慮系統(tǒng)運行電壓影響，220 kV線路相鄰兩層間可能出現(xiàn)的最高電壓為系統(tǒng)最高線電壓356 kV，大大高于橫擔(dān)高度在相鄰導(dǎo)線上形成的電位差，說明考慮系統(tǒng)運行電壓后，單相閃絡(luò)不一定再出現(xiàn)在頂層，這與故障中下相導(dǎo)線(L2相)處于反極性電壓時閃絡(luò)的情況一致。只有當(dāng)雷電流幅值繼續(xù)增大到一定程度，橫擔(dān)間電位差高于系統(tǒng)運行電壓在兩相間形成的差異，表現(xiàn)為頂層最容易閃絡(luò)的特性。

3.2 正序時的反擊耐雷水平

系統(tǒng)運行電壓對反擊耐雷水平電流影響大，由于導(dǎo)線上的交流周期電壓具有很大的隨機性，考慮運行電壓對耐雷水平電流的影響必然需要考慮導(dǎo)線排列布置方式及雷擊時所處相位[14]。以L1相處于負峰值時刻為時間起點，在1個周期內(nèi)每隔10°選取一個點，共對36個點的最小單相和雙相閃絡(luò)雷電流進行計算，發(fā)現(xiàn)12個點中最小的單相、兩相反擊雷電流出現(xiàn)時刻均對應(yīng)于某相導(dǎo)線系統(tǒng)運行電壓與雷電反極性峰值時刻，即每個周期有3個時刻(此時L1、L2、 L3三相處于負峰值)線路的反擊耐雷水平電流最低。表4列出了1個周期內(nèi)18號桿塔3個最低反擊雷電流對應(yīng)的單相、雙相閃絡(luò)相和雷電流幅值。

表4 正序閃絡(luò)電流 kA

雷擊時刻運行電壓相位單相閃絡(luò)雷電流雙相閃絡(luò)雷電流L1相91(乙線)103(甲線、乙線)L2相91(乙線)103(甲線、乙線)L3相94(乙線)111(甲線、乙線)

注：雷擊時刻，甲線、乙線的L1、L2、L3三相都處于負峰值(下同)。

從表4可以看出：

a) 1個周期內(nèi)3個最不利條件下的單相閃絡(luò)均發(fā)生在受雷擊避雷線的對側(cè)導(dǎo)線，閃絡(luò)相即為電壓反峰值相，說明閃絡(luò)與橫擔(dān)位置無關(guān)。

b) 3個點中最小的單相耐雷水平電流為91 kA，比忽略運行電壓時的113 kA降低了22 kA，說明考慮系統(tǒng)運行電壓，耐雷水平電流計算更嚴(yán)格。

c) 36個點中引起雙相閃絡(luò)的最小雷電流為103 kA，均為異回線路的同名相，這與本例故障中雙回下相閃絡(luò)情況一致，文獻[13]也指出兩相閃絡(luò)多為異回線路同名相閃絡(luò)。

d) 其他非最不利時刻(例如兩相運行電壓處于反峰且相近時)也出現(xiàn)了異回線路非同名相閃絡(luò)。由于雙相閃絡(luò)比單相閃絡(luò)更為復(fù)雜，理論上不排除在一個周期內(nèi)其他特定時刻出現(xiàn)幅值更低的雙相閃絡(luò)反擊雷電流。

3.3 逆序時的耐雷水平

事故雙回線路采用同相序排列，文獻[15]指出同相序排列強調(diào)了回路間的平衡，但犧牲了防雷性能。因此，仿真中，保持甲線三相位置不變，將乙線上、下橫擔(dān)導(dǎo)線互換，模擬了三基桿塔逆序排列的情況如圖2(b)所示。在1個周期內(nèi)每隔10°選取1個點，共對36個點對逆向序排列情況的單相和雙相閃絡(luò)電流進行了計算，得出結(jié)論與同相序類似，36個取樣點中最小的單相、兩相反擊雷電流出現(xiàn)時刻均對應(yīng)于某相導(dǎo)線系統(tǒng)運行電壓與雷電反極性峰值時刻，即每個周期有3個時刻的反擊耐雷水平最低。表5給出了18號桿塔逆向序排列情況下反擊的3個單相、雙相最小雷電流幅值及對應(yīng)閃絡(luò)相。

表5 逆序閃絡(luò)電流 kA

從表5可以看出：

a) 在1個周期內(nèi)，3相處于負峰值的3個最不利時刻中，發(fā)生單相閃絡(luò)的最小雷電流為91 kA，該數(shù)值與正序排列情況相同。閃絡(luò)相即是系統(tǒng)運行電壓負峰值相，與導(dǎo)線所處高度無關(guān)，表明相序排列方式對耐雷水平電流影響不大。

b) 雙相閃絡(luò)的最小雷電流為102 kA，與同相序相比略低。

3.4 故障工況相位時(電源相位-18°)

事故發(fā)生時，導(dǎo)線的系統(tǒng)運行電壓并非處于最不利的時刻，為了重現(xiàn)故障時刻反擊發(fā)生過程，設(shè)置L2相電壓處于電壓負半波相位-18°，得出電壓波形如圖4(a)、(b)所示。

1—乙線L2相；2—乙線L3相；3—乙線L1相；4—甲線L2相；5—甲線L1相；6—甲線L3相。圖4 故障時刻的耐雷情況

仿真發(fā)現(xiàn)：當(dāng)18號桿塔塔頂遭受幅值為82.5 kA的正極性雷電流作用時，三相均不發(fā)生閃絡(luò)；如果雷電流幅值進一步上升達到96 kA時發(fā)生單相(L2相)閃絡(luò)，105 kA發(fā)生雙相(雙回L2相)閃絡(luò)。對比實際閃絡(luò)情況，仿真得出的耐雷水平電流比實測值高出13.5 kA，由于雷電流實際測量數(shù)據(jù)誤差為15%～20%，實際落雷電流幅值可能比82.5 kA高，此外仿真采用的標(biāo)準(zhǔn)雷電流模型也可能與實際波形存在差異。

3.5 19號桿塔線路避雷器對仿真結(jié)果的影響

仿真測試考慮了臨近桿塔裝設(shè)避雷器對本桿塔的影響。實際上19號塔安裝了帶并聯(lián)間隙的線路避雷器(精確出發(fā)，忽略間隙擊穿而將避雷器本體直接并聯(lián)在絕緣子兩端)，計算仿真結(jié)果表明，19號桿塔線路是否安裝避雷器對18號桿塔耐雷水平測試結(jié)果基本無影響。

4 結(jié)束語

對220 kV嘉長甲、乙線雷擊導(dǎo)致雙回同跳事故進行了仿真計算，考慮系統(tǒng)運行電壓及導(dǎo)線排列方式，分析線路單跳及同跳分布規(guī)律，得出以下結(jié)論：

a) 不考慮系統(tǒng)運行電壓， 18號桿塔上相比下相更易發(fā)生反擊跳閘；考慮系統(tǒng)運行電壓，小于100 kA的雷電流，相鄰橫擔(dān)間雷擊引起電位差小于導(dǎo)線間系統(tǒng)線電壓峰值，因此不是每次閃絡(luò)都發(fā)生在上相，而是受掛點高度和系統(tǒng)運行電壓的共同作用；大于100 kA的雷電流，相鄰橫擔(dān)電位差增大，掛點高度才起決定性作用。

b) 考慮系統(tǒng)運行電壓時的反擊耐雷水平電流降低，18號桿塔最小單相反擊耐雷水平電流出現(xiàn)時刻對應(yīng)于某相導(dǎo)線與運行電壓反峰相位時刻，閃絡(luò)相為導(dǎo)線相，與導(dǎo)線所處橫擔(dān)位置及相序布置方式無關(guān)；對比左右兩側(cè)線路，閃絡(luò)發(fā)生在在落雷避雷線對側(cè)的一回導(dǎo)線。從幅值上看，造成單相閃絡(luò)的最小雷電流幅值分別為正序91 kA，逆序91 kA。

c) 18號桿塔雙相閃絡(luò)，在仿真選取的1個周期36個采樣點中，最小的雙相反擊耐雷水平電流出現(xiàn)時刻同樣對應(yīng)于某相導(dǎo)線與運行電壓反峰時刻，閃絡(luò)相均為雙回線路的同名相導(dǎo)線，與導(dǎo)線所處橫擔(dān)位置及相序布置方式無關(guān)，在其他非最不利時刻的雙相閃絡(luò)(例如兩相電壓處于反相且幅值接近時)，也可能出現(xiàn)異回線路非同名相閃絡(luò)。此外，雙相閃絡(luò)的影響因素復(fù)雜，通過對采樣點進行計算方式可能無法體現(xiàn)最低幅值。

d) 相鄰桿塔是否安裝線路避雷器對落雷桿塔耐雷水平?jīng)]有明顯影響。根據(jù)文獻[16]的規(guī)定：豎直排列時使用懸垂絕緣子串桿塔的最小垂直線間距離220 kV為5.5 m。實際運行中220 kV雙回豎直排列桿塔各層橫擔(dān)間高度差在6.0～6.7 m范圍內(nèi)，本例中18號桿塔在此范圍，由于閃絡(luò)相分布主要受到橫擔(dān)高度差及系統(tǒng)運行電壓幅值兩方面影響，可以推斷所得出的閃絡(luò)相分布規(guī)律結(jié)論對其他典型220 kV雙回豎直排列桿塔具有一定的適用性，有必要進行深入研究。

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張航博(1994年)，男，廣東珠海人。在讀本科生，主要研究方向為事電磁干擾與電磁屏蔽。

(編輯 王夏慧)

Flashover Phase Distribution due to Simultaneous Tripping and Influence of Conductor Arrangement of 220 kV Jiachang Lines

HUANG Zhen1, CHEN Mengling1, ZHANG Hangbo2, JIN Chaoliang1, LI Hua1, ZHOU Yuan3

(1.State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology (Huazhong University of Science and Technology), Wuhan, Hubei 430074, China; 2. School of Electronic Science and Engineering, Southeast University, Nanjing, Jiangsu 211189, China;3.Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co.,Ltd., Guangzhou, Guangdong 510080,China)

Double-circuit on the same tower has become necessary for development of the main network, but due to higher depth of the tower, it faces with more rigorous problem of lightning protection. Once double-circuit is in simultaneous tripping, there will be great menace to stability of the power system. In allusion to one case of simultaneous tripping fault on 220 kV Jiachang lines, this paper considers influence of lightning current amplitude, operational phases, conductor arrangement modes and arrestors on lightning resistant level, and uses electromagnetic transient program (EMTP) and the alternative transient program (ATP) to analyze regularities of outbreak of single phase and double phases flashover and flashover distribution features, which can improve security of double-circuit on the same tower.

Jiachang lines; lightning resistant level; simulating calculation; conductor arrangement

2016-07-01

10.3969/j.issn.1007-290X.2016.10.023

TM863

A

1007-290X(2016)10-0133-06

黃振(1990)，男，湖北漢川人。在讀碩士研究生，主要研究方向為高電壓技術(shù)。

程夢凌(1991)，男，湖北襄陽人。在讀碩士研究生，主要研究方向為高電壓技術(shù)。