賈 茹，魯志偉，王藝霖，宋慶秋

(1.東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.國(guó)網(wǎng)吉林省電力有限公司 通化供電公司，吉林 通化 134001)

?

220kV同塔雙回線路雷擊雙回同跳防雷改造

賈 茹1，魯志偉1，王藝霖1，宋慶秋2

(1.東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.國(guó)網(wǎng)吉林省電力有限公司 通化供電公司，吉林 通化 134001)

同塔雙回輸電線路雙回同跳嚴(yán)重威脅電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。某地區(qū)220 kV同塔雙回輸電線路發(fā)生過(guò)2次雷擊造成雙回同跳事故，采用EMTP軟件對(duì)事故進(jìn)行仿真復(fù)現(xiàn)。仿真計(jì)算結(jié)果表明：一定幅值的雷電流擊中塔頂時(shí)，可能造成與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際吻合的雙回線路C相同跳。通過(guò)比較絕緣子串兩端雷電過(guò)電壓中幾個(gè)分量對(duì)最終閃絡(luò)電壓的貢獻(xiàn)度得知，220 kV線路工頻相位是影響雙回輸電線路ABC三相閃絡(luò)順序的主要原因。降低桿塔沖擊接地電阻和安裝線路避雷器是提高耐雷水平和降低雷擊跳閘率最簡(jiǎn)單可行的措施。當(dāng)非全相安裝避雷器時(shí)，若每回路安裝一支避雷器，建議安裝在下相；若每回路安裝兩支避雷器，建議安裝在中相和下相。

同塔雙回輸電線路；防雷保護(hù)；ATP-EMTP；耐雷水平；工頻電壓；線路避雷器

電網(wǎng)建設(shè)的規(guī)模越來(lái)越大，在人口稠密經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)輸電線路走廊資源日趨緊張，面對(duì)線路走廊用地和土地利用的矛盾，我國(guó)開(kāi)始采用多回線路同塔并架技術(shù)[1]。2004年國(guó)內(nèi)首條220 kV同塔四回水平架設(shè)輸電線路在江蘇地區(qū)投入運(yùn)行，線路全長(zhǎng)5.417 km。截至2010年8月，廣東電網(wǎng)運(yùn)行的220 kV及以上線路共計(jì)786回，其中全部同塔或部分段同塔的線路605回，占總輸電線路比例的76.9%[2-3]。

由于同塔多回輸電線路桿塔更高，雷擊暴露面積較大，使其比單回線路更易發(fā)生雷擊跳閘事故，而且相比于單回線路，雙回線路可能發(fā)生雙回同跳的故障，對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生較大沖擊，引起各地電力部門(mén)的高度重視[4-5]。因此，避免220 kV同桿雙回線路發(fā)生同跳事故成為保證電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

1 反擊計(jì)算模型

1.1 閃絡(luò)分析模型

雷擊線路分為反擊和繞擊，一般來(lái)說(shuō)繞擊只能引起一相導(dǎo)線閃絡(luò)，而反擊則可能導(dǎo)致線路發(fā)生多相閃絡(luò)。目前，計(jì)算雷電反擊耐雷水平的方法主要是采用EMTP軟件對(duì)線路及桿塔建模，模擬雷擊時(shí)的電磁暫態(tài)過(guò)程。

1.2 桿塔多波阻抗模型

本文的EMTP仿真計(jì)算桿塔模型采用多波阻抗模型[6-8]。故障35#塔和37#塔塔型如圖1所示。

1.3 雷電流模型

根據(jù)雷電性質(zhì)，運(yùn)用彼德遜法則對(duì)其等效，將雷電流等效為一個(gè)電流源和一個(gè)雷電通道波阻抗的并聯(lián)，電流源采用2.6/50 μs負(fù)極性斜角波，雷電通道波阻抗取300 Ω。

1.4 絕緣子串閃絡(luò)模型

本文通過(guò)IEC60071-4推薦的相交法判據(jù)判斷絕緣子串是否閃絡(luò)，即認(rèn)為雷電過(guò)電壓的曲線和絕緣沖擊放電伏秒特性曲線相交為閃絡(luò)。根據(jù)Matlab對(duì)220 kV絕緣子串正極性放電的伏秒特性Ue1的指數(shù)函數(shù)擬合，可得[9]：

Ue1=1 085+5 98e-t/4+2 256e-t/0.83，

(1)

絕緣子串的負(fù)極性放電電壓近似取正極性的1.2倍。在EMTP仿真軟件中，用TACS模塊將絕緣子串伏秒特性讀入電磁暫態(tài)計(jì)算中，EMTP計(jì)算模型如圖2所示。

圖1 故障塔塔型圖2 故障桿塔與絕緣子串模型

2 事故復(fù)現(xiàn)

某地區(qū)Ⅰ回、Ⅱ回220 kV同桿雙回線路全長(zhǎng)29.45 km。全線共95基桿塔，其中鐵塔76基，鋼管塔19基。于2008年4月投入運(yùn)行。運(yùn)行至今發(fā)生過(guò)2次雷擊造成雙回同跳事故，雙回同跳雷擊跳閘率高達(dá)0.970 2次·(100k m·a)-1。

2.1 線路跳閘情況

2009年8月14日11：14時(shí)分該線路Ⅰ回、Ⅱ回縱差保護(hù)動(dòng)作跳閘，重合成功，故障相均為C相。故障錄波器測(cè)距：Ⅰ回257斷路器13.9 km、Ⅱ回258斷路器14.6 km。原因是當(dāng)天雷雨天氣，雷擊造成Ⅰ回、Ⅱ回35#塔C相絕緣子閃絡(luò)。

2011年7月11日8：17時(shí)分Ⅰ回、Ⅱ回兩端RCS-931B、CSC-103B縱差保護(hù)動(dòng)作跳閘，C相故障，重合成功，測(cè)距分別為14.7和15.5 km，輸電管理處查線原因?yàn)椋孩窕?、Ⅱ?7#塔C相絕緣子雷擊閃絡(luò)。該線路Ⅰ回、Ⅱ回相序示意圖如圖3所示。

圖3 相序示意圖

2.2 事故復(fù)現(xiàn)仿真結(jié)果

由于35#、37#塔均為C相同跳，故這里只復(fù)現(xiàn)37#塔的雷擊閃絡(luò)事故，35#塔同理。使用如上計(jì)算模塊組成的電磁暫態(tài)仿真模型，用EMTP計(jì)算該塔的一相、兩相、三相和四相閃絡(luò)耐雷水平(雷擊瞬間A相工頻相位為0°)。在模擬計(jì)算中，桿塔接地電阻取14 Ω。圖4至圖7為在不同雷電流下，37#塔雙回線路發(fā)生1-4相絕緣子閃絡(luò)波形圖(絕緣子兩端電壓差降為零絕緣閃絡(luò))。

由仿真閃絡(luò)波形可知，當(dāng)A相工頻相位為0°，125 kA的雷電流擊中桿塔頂端時(shí)將造成雙回同跳故障，且同跳相為Ⅰ回C相(中層相)和Ⅱ回C相(下層相)。

圖4 107kA雷電流時(shí)單相閃絡(luò)波形圖5 125kA雷電流時(shí)兩相閃絡(luò)波形圖6 176kA雷電流時(shí)三相閃絡(luò)波形圖7 194kA雷電流時(shí)四相閃絡(luò)波形

3 同跳機(jī)理分析

3.1 閃絡(luò)原因

當(dāng)雷電流擊中某一桿塔的塔頂時(shí)，該桿塔的絕緣子串會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓，過(guò)電壓包括以下四個(gè)分量[10-11]：

Vins(t)=Vcr(t)+Vpf(t)+Vi(t)-Vco(t) ，

(2)

式中:Vins(t)為絕緣子串兩端過(guò)電壓；Vcr(t)為雷電流流經(jīng)桿塔在橫擔(dān)上產(chǎn)生的過(guò)電壓；Vpf(t)為導(dǎo)線上工頻電壓；Vi(t)為感應(yīng)過(guò)電壓；Vco(t)為避雷線對(duì)未閃絡(luò)導(dǎo)線的耦合過(guò)電壓。而在利用EMTP軟件進(jìn)行暫態(tài)計(jì)算時(shí)，線路模型的計(jì)算包含耦合電壓的計(jì)算。因此，對(duì)Vins(t)做主要貢獻(xiàn)的是Vcr(t)、Vpf(t)和Vi(t)。

由上述模擬計(jì)算可知，當(dāng)雷電流達(dá)到107 kA時(shí)，37#塔發(fā)生Ⅰ回C相閃絡(luò)。表1給出了106 kA雷電流擊于塔頂時(shí)(雷擊瞬間A相工頻相位為0°)，絕緣子串未閃絡(luò)時(shí)各分量對(duì)Vins(t)的貢獻(xiàn)度。由表1可見(jiàn)：

(1)三個(gè)分量中，Vcr(t)對(duì)Vins(t)貢獻(xiàn)最大，占沖擊耐壓水平68%以上；

(2)C相(中層相)絕緣子串兩端實(shí)際電壓最大(1 507 kV)，當(dāng)雷電流提高到耐雷水平-107 kA時(shí)，C相將首先發(fā)生閃絡(luò)，與現(xiàn)場(chǎng)事故一致；

表1 三個(gè)分量對(duì)的貢獻(xiàn)比較

圖8 一個(gè)周期內(nèi)ABC三相電壓變化

3.2 工頻相位影響

若不考慮Vcr(t)和Vi(t)的影響，僅考慮導(dǎo)線上工頻電壓的變化對(duì)絕緣子的影響，實(shí)際的閃絡(luò)順序?yàn)槿嘀兴矔r(shí)電壓最大值出現(xiàn)的順序[12]，即圖8中的實(shí)線。一個(gè)周期內(nèi)單相閃絡(luò)順序，如表2所示。

表2 導(dǎo)線閃絡(luò)順序

為了討論工頻電壓對(duì)桿塔耐雷水平和閃絡(luò)相的影響，分別計(jì)算各工頻相位角下的耐雷水平以及其閃絡(luò)相。由于發(fā)生三相、四相同跳的相序組合繁多，且兩次現(xiàn)場(chǎng)事故均發(fā)生兩相閃絡(luò)跳閘事故，本文只討論單回、雙回閃絡(luò)的情況。表3為在不同相位(以A相導(dǎo)線為基準(zhǔn))下，37#桿塔發(fā)生單相閃絡(luò)和兩相閃絡(luò)的耐雷水平及其閃絡(luò)相。圖9給出了單相閃絡(luò)和兩相閃絡(luò)的耐雷水平隨相位的變化。

由表3和圖9可見(jiàn)：

(1)在A相工頻相位為0°，300°，330°時(shí)會(huì)出現(xiàn)兩回C相同跳的情況，與現(xiàn)場(chǎng)故障一致；

(2)無(wú)論單相還是兩相耐雷水平與圖8實(shí)線變化規(guī)律大體一致，成周期性起伏；

(3)兩相的耐雷水平比單相耐雷水平高，這是因?yàn)橐幌嚅W絡(luò)后，給部分雷電流提供從相導(dǎo)線泄流的通道而降低塔頂電位，且在相鄰相上產(chǎn)生耦合電位，使絕緣兩端電位差降低[13-14]。

4 防止雙回線路同跳的措施

線路建成運(yùn)行后相序無(wú)法更改，一般提高線路耐雷性能的手段是安裝線路避雷器和降低桿塔沖擊接地電阻。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和理論分析均表明，線路避雷器可確保不發(fā)生雷擊閃絡(luò)。如同塔雙回線路每相安裝1支避雷器，則1基桿塔需6支避雷器，而高電壓等級(jí)線路避雷器昂貴，造成防雷改造費(fèi)用很高。另由于導(dǎo)線垂直排列使各相耐雷水平相差較大，在保證線路具有較高耐雷水平的條件下，技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較建議采用非全相安裝線路避雷器[15-17]。因此需要對(duì)避雷器安裝位置進(jìn)行研究。

該地區(qū)220 kV同塔雙回線路相序布置具有對(duì)稱(chēng)性，上層相均為B相，下兩層A相與C相從工頻相位角度來(lái)看是一致的，即兩回C相同跳與兩回A相同跳兩種情況從物理本質(zhì)上講一致(桿塔橫擔(dān)電位一致，感應(yīng)電壓一致，工頻電位都成周期性變化)。

由表3可知，220 kV同桿雙回線路的同跳閃絡(luò)順序與工頻相位有關(guān)，在12個(gè)相位情況中，同名相跳的有9種情況，其中只有180°和210°時(shí)，兩回線路的上層B相閃絡(luò)，其余7種情況為兩回中層和下層相閃絡(luò)，即兩回C相或A相同跳，占12種情況的58.3%；另三種異名相閃絡(luò)情況，即150°是1A2B閃、240°是1C2B閃和270°是1B2C閃。12種雙回同跳事故中，包含中層或者下層相閃絡(luò)的情況共10種，占12種情況83.3%。兩相閃絡(luò)的仿真結(jié)果表明，中相和下相更易閃絡(luò)，原因是下層和中層相離避雷線較遠(yuǎn)，耦合電壓較低，而耦合電壓低會(huì)增加絕緣子串兩端電位差，更易造成閃絡(luò)。所以兩回線路中的C相和A相更容易閃絡(luò)。若只加一組避雷器(2支，兩回各一支)，建議加在A相或者C相；若加兩組避雷器(4支，兩回各兩支)，建議加在A相和C相。

表3 耐雷水平及跳閘相

注：跳閘相1C代表Ⅰ回C相閃絡(luò)，1C2C代表Ⅰ回C相Ⅱ回C相同時(shí)閃絡(luò)。

采用EMTP仿真計(jì)算(只討論A相工頻相位為0°時(shí)的情況)線路避雷器提高線路耐雷水平的作用。表5和表6分別為兩種避雷器安裝方式時(shí)線路雙閃耐雷水平與不安裝避雷器時(shí)線路雙閃耐雷水平之比，表7和表8為對(duì)應(yīng)的跳閘率。不同的安裝方式220 kV同桿雙回輸電線路對(duì)應(yīng)的雙閃耐雷水平與接地電阻的關(guān)系，如圖10所示。

圖9 工頻相位對(duì)耐雷水平的影響圖10 三種避雷器安裝方案下的雙閃耐雷水平

根據(jù)耐雷水平以及跳閘率的仿真結(jié)果可知：

(1)安裝線路避雷器是提高輸電線路耐雷水平和降低雷擊跳閘率最有效的措施。雙回線路安裝4支避雷器比安裝2支避雷器以及安裝2支避雷器比不安裝避雷器，雙閃耐雷水平均能提高40 kA左右；

(2)若桿塔沖擊接地電阻可以降到10 Ω以下，可以兩回路各安裝一支避雷器，且安裝在下層相防雷效果最好；

(3)若桿塔所處區(qū)域土壤電阻率很高，接地電阻難以降低，可以兩回路各安裝兩支避雷器，安裝在中層相和下層相的防雷效果好。

5 結(jié) 論

本文通過(guò)EMTP電磁暫態(tài)計(jì)算軟件對(duì)某地區(qū)220 kV同塔雙回輸電線路的兩次雷擊同跳事故進(jìn)行故障復(fù)現(xiàn)。仿真結(jié)果表明工頻相位是造成同塔雙回線路導(dǎo)線閃絡(luò)順序的主要原因。降低桿塔沖擊接地電阻和安裝線路避雷器是提高耐雷水平有效的措施。桿塔接地電阻較低時(shí)，每回路各安裝一支避雷器，安裝在下層相防雷效果好；桿塔接地電阻較高時(shí)，每回各安裝兩支避雷器，安裝在中層相和下層相防雷效果好。

[1] 張嘉旻.同塔多回輸電技術(shù)特點(diǎn)及其應(yīng)用分析[J].華東電力，2005，33(7)：23-26.

[2] 李俊華，黃福勇.同塔雙回線路防雷綜述[J].湖南電力，2008，8(6)：22-25.

[3] 崔吉峰，劉亞新.山西電網(wǎng)220kV及以上輸電線路雷擊跳閘分析[J].山西電力，2004，119(6)：1-3.

[4] 賈振宏，林致添. 同塔多回路輸電線路的設(shè)計(jì)[J]. 電力建設(shè)，2005，26(1)：43-46.

[5] 普子恒，阮江軍，杜志葉，等. 同塔雙回500kV高壓直流線路感應(yīng)過(guò)電壓研究[J]. 高壓電器，2012，48(10)：52-57.

[6] 梁義明，葛棟.同塔多回線路防雷計(jì)算中的桿塔模型[J].高電壓技術(shù)，2006，32(1)：76-77，87.

[7] 莫付江，陳允平，阮江軍. 輸電線路桿塔模型與防雷性能計(jì)算研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2004，28(21)：80-84.

[8] 王東舉，周浩，陳稼苗.特高桿塔的多波阻抗模型設(shè)計(jì)及雷擊暫態(tài)特性分析[J].電網(wǎng)技術(shù)，2007，31(23)：11-16.

[9] 徐政.免費(fèi)使用的電磁暫態(tài)分析程序ATP-EMTP程序介紹[J].電網(wǎng)技術(shù)，1999，23(7)：64-65.

[10] 侯牧武，曾嶸.感應(yīng)過(guò)電壓對(duì)輸電線路耐雷水平的影響[J].電網(wǎng)技術(shù)，2004，28(12)：46-49.

[11] 趙淳，阮江軍.輸電線路綜合防雷措施技術(shù)經(jīng)濟(jì)性評(píng)估[J].高電壓技術(shù)，2011，37(2)：290-297.

[12] 孫義豪，司馬文獻(xiàn).1000kV/500kV同塔混壓4回輸電線路的防雷性能[J].高電壓技術(shù)，2011，37(9)：2102-2110.

[13] 汲亞飛，鄒軍.同塔多回線路垂直排列最優(yōu)相序布置方式[J].高電壓技術(shù)，2008，34(1)：172-175.

[14] 趙珩，張嘉輝，單良，等.高壓電暈放電后孔洞與微米功能電介質(zhì)材料的表面電荷動(dòng)態(tài)衰減特性分析[J].東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，33(5)：36-38.

[15] 李凡，施圍.線路避雷器的絕緣配合[J].高電壓技術(shù)，2005，31(8)：18-23.

[16] 陳水明，何金良，吳維韓.采用氧化鋅避雷器提高220kV線路耐雷水平的研究[J].高電壓技術(shù)，1998，24(3)：77-79.

[17] 魯志偉，馬文婧，宋文國(guó)，等.新立變電站接地系統(tǒng)安全性能研究[J].東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，32(6)：28-32.

Lightning Protection for the Flashover of 220kV Double-Circuit Transmission Line on The Same Tower

Jia Ru1，Lu Zhiwei1，Wang Yilin1，Song Qingqiu2

(1.Electrical Engineering College，Northeast Electric Power University，Jilin Jilin 132012；2.State Grid Jilin Electric Power Company Limited Tonghua Power Supply Company，Tonghua Jilin 134001)

Double-circuit transmission line double-circuit flashover is a big accident，which is bad for the stability of the power system.There were two double-circuit transmission line double-circuit flashover hitting in a certain region，the paper use EMTP lightning flashover model to simulate.The results shows that when the lightning hit the top of the tower will cause the C-phase flashover，which is consistent with actual running situation.Through the comparison of the contribution of several components in lightning overvoltage to the final overvoltage on the insulator，we learn that power frequency voltage is the main reason affecting double-circuit transmission line flashover’s order.Reducing the impulse grounding resistance and installing line lightning arrester is the most effective ways of improving the lightning resisting level and reduce lightning trip-out rate.According to the result analysis，if only one-phase line arresters are installed on 220kV double-circuit transmission line，they should be installed on middle-phases or bottom-phase；if two line surge arresters are installed on two phase on every circuit，they should be mounted on two middle and two bottom phases.

Double-circuit transmission line；Lightning Protection；ATP-EMTP；Lightning withstand level；Power frequency voltage；Line arrester

2017-03-12

賈 茹(1992-)，女，在讀碩士研究生，主要研究方向：高電壓與絕緣技術(shù).

1005-2992(2017)03-0007-06

TM863

A

電子郵箱： 980016810@qq.com(賈茹)；1443958749@qq.com(魯志偉)；85066625@qq.com(王藝霖)；13943592950@163.com(宋慶秋)