110 kV輸電線路雷擊故障分析及防雷改造研究

張 滔，魯 岱，王紅斌，范偉男，欒 樂

（1.廣州供電局有限公司電力試驗研究院，廣東 廣州 510080；2.武漢大學 電氣與自動化學院，湖北 武漢 430072）

0 引 言

高壓架空輸電線路是我國電力系統的重要組成部分，相對于配電線路，輸電線路分布廣、縱橫交錯，綿延數百乃至上千公里，往往處于突出暴露地形，極易遭受雷擊。當前，雷擊已經成為引發輸電線路跳閘停電的最主要原因。為了應對雷擊對電力系統造成的危害，國內學者對輸電線路防雷進行了多方面研究[1-3]。彭向陽[4]等針對廣東電網220 kV輸電線路雷擊多回同跳問題提出了不平衡絕緣配置的差異化防雷措施；宣迪凱[5]等針對包頭地區某輸電線路，利用EMTP計算，研究雷擊同桿線路的反擊過程，通過仿真模擬復現事故，從而為后續的防雷改造提供理論支撐。

本文針對雷害活動頻繁的某地區110 kV輸電線路，通過規程法、Atp仿真和電氣幾何模型，分別計算了故障線路的繞擊耐雷水平，并通過對歷史雷擊地閃及跳閘情況的統計，針對性地提出了防雷改造建議。

1 線路及故障基本信息

1.1 線路基本信息

該110 kV輸電線路全線17.63 km，共54基桿塔，線路設計風速折算至10 m高為28.1 m/s。雷擊故障發生前，該110 kV線路供a變電站全站，并串供b線和c線。故障的#38塔塔型為ZM1-21，地線保護角為10°。設計工頻接地電阻30 Ω，實測工頻接地電阻18 Ω，#38塔無歷史雷擊跳閘記錄。

1.2 故障發生時的雷電活動情況

2019年04月11日16時00分35秒，該110 kV線路發生B相接地故障。經雷電定位數據[6]重算，該線路在故障時刻前后線路5 km半徑范圍內有密集地閃，但幅值（不考慮極性）整體在22.6 kA以下。故障跳閘時刻，在#13～#14桿塔段約3 981 m位置有幅值為-9.4 kA的地閃，而該時刻在#38號桿塔處無地閃。統計該線路歷史落雷情況，線路走廊300 m半徑范圍內的結果如圖1所示。該處地閃主要以負極性雷電為主，出現小幅值地閃較多，最大值地閃幅值-94.5 kA。

1.3 雷擊影響情況

經現場故障查線，發現該110 kV線路#38塔B相合成絕緣子沿面有放電痕跡，暫不影響線路正常運行。經查看，某變電站與該110 kV線路間隔避雷器動作情況，發現A相和C相動作次數為2次，B相動作次數為1次，如圖2所示。

2 雷擊故障分析

2.1 規程法

規程上，繞擊耐雷水平計算方法為：

其中，U50%為絕緣子50%時的擊穿電壓，單位kV。110 kV絕緣子雷電50%擊穿電壓按600 kV考慮時，繞擊耐雷水平為6 kA，即大于等于6 kA雷電流繞擊時發生擊穿。

圖1 #38塔300 m半徑范圍歷史落雷情況統計

圖2 某變電站與該110 kV線路間隔避雷器動作情況

2.2 EMTP仿真計算

絕緣子閃絡判據采用流行的先導法[7-9]，建立包含桿塔、沖擊接地電阻以及絕緣子閃絡等綜合模型。先導法相對于伏秒特性法更加精準，模型見圖3。絕緣子干弧距離取0.9 m，繞擊B相，施加7 kA雷電流時，僅B相閃絡，此時三相絕緣子電流見圖4；施加4 kA雷電流時無閃絡發生，三相絕緣子電流見圖5。經計算，繞擊耐雷水平為4.5 kA，略低于規程法。

圖3 根據本次雷擊故障建立的EMTP模型

圖4 4 kA雷電流幅值下的受雷擊桿塔的三相絕緣子電流

圖5 7 kA雷電流幅值下的受雷擊桿塔的三相絕緣子電流

對于反擊，從雷擊發生時刻到間隙擊穿需要時間，在時間段內大部分雷電流沿桿塔經接地電阻入地（即桿塔接地端負極性反射波會迅速到達塔頂，與原雷電波疊加），而繞擊不存在.在間隙擊穿前，桿塔、接地電阻等并不參與雷擊瞬態過程，因此絕緣子間隙擊穿與桿塔、接地電阻等無關，繞擊耐雷水平僅與絕緣子絕緣強度有關。絕緣子干弧距離取0.9 m、1.2 m、1.5 m時，繞擊耐雷水平分別為4.5 kA、6.5 kA、8 kA。

2.3 電氣幾何模型（EGM）

電氣幾何模型（Electrogeometric Model，EGM）法是用幾何模型分析地線對直擊雷的屏蔽作用的一種方法。它是以擊距rs的概念為基礎建立的一種屏蔽理論，雷電流與擊距的關系如表1所示。國際電氣與電子工程師協會防雷工作組（IEEE Working Group）在1985年給出的擊距公式為：

表1 雷電流與擊距關系

由上述計算可知，考慮ZM1-21型塔左右避雷線間距為5.55 m遠小于表1擊距，可以對B相起到充分的屏蔽保護作用，即便是較小幅值的雷電流也難以從避雷線之間繞擊到B相。

2.4 故障跳閘原因分析

經#38塔B相繞擊耐雷水平的仿真計算可知，正常絕緣條件下，該處不應發生雷電繞擊B相導線的情況。由某變電站與該110 kV線路間隔避雷器的動作情況可知，A相和C相避雷器相比B相避雷器動作計數多1次，可能因線路雷擊過電壓傳播至站內引起，而近110 kV線路#48塔裝有線路避雷器，可推測該過電壓幅值在站內線路避雷器動作值之上，在線路避雷器動作值之下。在上述過電壓沿線路傳播過程中，在線路絕緣弱點處可能引起絕緣子的閃絡，而#38塔B相絕緣子的閃絡可能由此引起。建議考慮對#38塔相鄰桿塔B相絕緣子進行紅外測溫，分析是否存在異常發熱現象，必要時可考慮停電拆換進行雷電沖擊對比試驗。

3 線路歷史地閃及跳閘情況分析及防雷改造建議

3.1 線路歷史雷電地閃統計分析

該110 kV線路自2010年至2019年3月的線路走廊300 m半徑范圍內地閃空間分布如圖6所示。累計地閃次數1 149次，其中802次地閃集中于25 kA以下，占比69.7%；幅值在-5～-10 kA的地閃101次，占比8.8%。其中，60 kA及以上危險雷電流[10]分布如圖7所示，共66次，占比4.7%。具體地，#48～#54塔段19次，#8～#10塔段10次，#15～#16塔段5次，#36～#38塔段4次。圖6中大氣泡表示相對雷電流幅值的大小，實心點表示沿線桿塔；圖7中氣泡分布表示負極性和正極性雷電流幅值的相對大小。

圖6 110 kV線路走廊300 m半徑范圍雷電地閃空間分布圖

圖7 60 kA以上危險雷電流分布圖

該110 kV線路走廊300 m半徑范圍地閃密度及最大正負極性雷電流歷史統計，如圖8所示。其中，#1、#2、#7、#11、#12、#14、#22、#23、#27、#29、#31、#32、#34、#37、#39、#42、#44 以及 #46 塔附近歷史上未出現幅值超60 kA的地閃。

圖8 110 kV300 m線路走廊半徑內雷電地閃歷史統計

從地閃次數上看，排序前十的桿塔如表2所示。

3.2 線路歷史跳閘統計分析

該110 kV自2005年至2019年3月歷史跳閘情況共計6次，主要為雷擊引起。可查到對應跳閘時刻的雷擊故障跳閘位置分別為#35塔C相（距#22塔172.683 m處有-24.4 kA地閃）、#28塔AB相（距#32塔1481.349 m處有-130.3 kA地閃）、#08塔B相、#15塔B相（距#16塔201.187 m處有-107.4 kA地閃）和#32塔A相。

表2 桿塔地閃次數排序

3.3 線路防雷方案

根據該線路歷史跳閘情況和地閃統計，線路采取防雷措施、雷擊跳閘及反擊跳閘危險區段[11]的對比情況如圖9所示。線路防雷的主要薄弱區段集中于#8～#10和#28～#35塔段，應考慮加裝線路避雷器防范雷電反擊。鑒于該線路為水平布置，線路走廊以平原與山地丘陵為主，所用塔型避雷線保護角較大，沿線小幅值雷擊電流占比高，繞擊風險較高，應全線整體考慮進行繞擊耐雷水平校核和絕緣配合，避免雷電繞擊后沿導線傳播，并在線路局部絕緣弱點處引起絕緣子閃絡致線路跳閘。

圖9 110 kV線路避雷器、歷史故障、危險反擊塔段分布圖

4 結 論

（1）分析該110 kV故障線路的避雷器動作信息，結合故障發生時#38塔周圍雷電活動情況，初步確定了故障發生原因。

（2）通過規程法、ATP-EMTP仿真計算及電氣幾何模型3種方法，計算該線路的繞擊耐雷水平分別為6 kA、4.5 kA和遠小于4.5 kA，從而得出正常絕緣下#38塔B相絕緣子不應該發生閃絡的結論。究其原因，應該是過電壓幅值在線路避雷器之下，但在傳播過程中發生折反射產生的疊加波超過了線路絕緣薄弱處的耐雷水平，從而引起了此次的B相絕緣閃絡。

（3）為了提出針對性的合理防雷措施，統計2010—2019年該線路300 m走廊范圍內的地閃空間分布情況，結合線路歷史跳閘情況，篩選出需要重點防范的易擊塔段，并且考慮加裝線路避雷器防范雷電反擊。由于該線路走廊地形復雜，所用塔型避雷器保護角較大，繞擊風險很高，后面將對全線進行繞擊耐雷水平校核和絕緣配合，避免出現繞擊后過電壓波疊加引起絕緣弱點閃絡導致線路跳閘。