一起220 kV雙回路輸電線路雷擊故障案例分析

黃明亮 陳謀捷 賴丁財 陳秋敏 蔡志堅

(國網泉州供電公司,福建 泉州 362000)

1 概述

輸電線路是電力系統的大動脈,是電力系統能量流動的重要部件。雷電是雷雨云中的正負電荷不斷積累,當電位差大于擊穿空氣介質需要的電場強度時產生的放電現象[1]。雷電發生時會產生強大的雷電流,這是造成輸電線路跳閘的主要原因。目前,由于輸電線路大多在高海拔、地形復雜地區,雷電災害成為輸電線路最為主要的外力災害之一,占所有故障的50%左右[1]。因此,對輸電線路雷擊故障進行分析,對電力系統安全穩定運行有重要意義。

輸電線路雷擊故障主要為雷電繞擊和反擊,鄭茂然等[2]分析了雷電繞擊和反擊的發生機制,并基于ATP-EMT建立110 kV輸電線路雷電仿真模型,構建特征量來判斷不同故障類型;路永玲等[3]基于背景平臺提供的大數據處理集群技術,以樸素貝葉斯算法結合時間序列相似性故障匹配建立輸電線路故障預警模型;陳家宏等[4]整理江蘇省2005—2013年架空輸電線路雷擊跳閘案例,分析雷電活動、地形地貌、桿塔結構等因素對雷擊跳閘的影響,并根據分析結果提出相應的防雷措施。

目前,針對220 kV雙回路雷擊同時跳閘的研究較少。本文對一起220 kV輸電線路雷擊故障案例進行分析與研討,并提出針對性改進措施,以期對220 kV輸電線路防止雙回路雷擊同時跳閘有一定的指導意義。

2 案例概況

2020年9月7日,某變電站的某220 kV線路發生Ⅰ、Ⅱ路縱聯距離動作,距離Ⅰ段保護動作、縱聯差動保護動作,開關三相跳閘,重合閘閉鎖未動作,BC相間接地故障。220 kV某線路Ⅰ路故障測距6.36 km,故障電流18.429 kA;Ⅱ路故障測距6.03 km,故障電流15.886 kA。該線路全線同塔,單回線路長8.136 km,共有33個基塔,線路投運至本次故障前運行平穩,未發生跳閘事件。在故障發生后,根據當地氣象臺顯示,故障時線路周邊為雷雨天氣,雷電活動跡象頻繁。經調查,該線路#12塔、#19～#20塔、#30塔附近在故障發生時有落雷,線路有火光。查找雷電智能監測系統,2020年9月7日16時03分22.312秒,通道距線路539 m處有一幅值為239.3 kA的主落雷,并含有2次后續回擊,距離最近塔段為#19～#20塔。經過分析后,安排人員重點排查線路#12～#23塔,發現Ⅰ路#19塔,Ⅱ路#20塔BC相絕緣子及均壓環有雷擊閃絡痕跡(圖1)。綜合以上判斷,此次故障為雷擊造成的線路跳閘。

3 原因分析

經過現場查看,線路Ⅰ、Ⅱ路#19塔塔高57.1 m,周邊無高大建筑,大號側100 m處跨越一個小型水庫,小號側500 m處跨越高速公路。線路Ⅰ、Ⅱ路#20塔塔高57.0 m,周邊無高大建筑,小號側120 m處跨越一個小型水庫。所處地形有水系,上方易形成雷云。兩基塔塔身及導地線均明顯高于周邊地勢,雷電發生時極易遭受雷擊。查找雷電智能監測系統(圖2),該兩基塔附近有一幅值為239.3 kA的主落雷,并含有2次后續回擊。結合查找結果,判斷此次跳閘原因為雷擊Ⅰ路#19塔、Ⅱ路#20塔導致線路跳閘:Ⅰ路#19塔和Ⅱ路#20塔相關信息如表1所示。

圖2 雷電智能監測系統

表1 故障桿塔基本信息

4 計算分析

反擊閃絡和繞擊閃絡是輸電線路發生雷擊閃絡故障的兩種形式[5],若雷電擊于桿塔、避雷線等除導線外的部件上,因雷擊而導致的線路閃絡稱為反擊閃絡故障,在雷電直接擊中導線或避雷線屏蔽失敗的情況下引起的線路閃絡稱為繞擊閃絡故障。依據現行電力行業標準《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》(DL /T 620—1997)的規定,繞擊耐雷水平計算公式如下:

(1)

反擊耐雷水平計算公式如下:

(2)

式(1)～式(2)中,U50%為絕緣子串的50%沖擊放電電壓;hg為地線平均高度;ha為桿塔橫擔高度;ht為桿塔平均高度;hc為導線懸掛點平均高度;Ri為桿塔沖擊接地電阻;β為桿塔分流系數;Lgt為桿塔等值電感;k為電暈修正后耦合系數;k0為避雷線與導線間的幾何耦合系數;I2單位為kA。反擊耐雷水平計算參數如圖3所示。

圖3 反擊耐雷水平計算參數示意圖

將線路Ⅰ路#19故障相B、C和Ⅱ路#20故障相B、C的基礎數據代入公式,得到繞擊耐雷水平與反擊耐雷水平,結果如表2所示。

表2 輸電線路耐雷水平計算(雙避雷線)

計算得出桿塔線路Ⅰ、Ⅱ路B、C相繞擊耐雷水平均為12.65 kA,反擊耐雷水平均滿足220 kV典型設計桿塔75～110 kA的耐雷水平。由于桿塔的反擊耐雷水平遠大于繞擊耐雷水平,當雷電流幅值較小且接近繞擊耐雷水平時,發生繞擊閃絡的概率比較大;當雷電流幅值較大且接近或大于反擊耐雷水平時,發生反擊閃絡的概率比較大。線路桿塔#19與#20之間跨越小型水庫,在線路上易積累水汽形成云層,云層中的冰晶、水滴等相互碰撞導致正負電荷分離,負電荷位于云層下部,在大地上感應正電荷,在云層與大地之間形成強大的電場,當電場強度大于空氣絕緣強度時會發生擊穿。雷電放電主要分為先導放電和主放電[6],當先導放電向下發展時,地面的高聳物體如輸電鐵塔等會引起電場的畸變,引起周圍發生電離,產生上行先導,當上行先導與下行先導碰撞中和時會產生大電流,稱之為主放電。主放電后,由于主放電通道的電導率會小于周圍電導率,臨近電荷聚集中心將繼續沿此次通道進行自上而下的先導放電,也就是可觀測到的雷電流回擊現象,如圖4所示。

圖4 雷擊主放電與回擊示意圖

根據雷電系統顯示,該兩基塔附近有一幅值為239.3 kA的主落雷,并含有2次后續回擊,兩基塔均為鼓形塔,避雷線保護角為0°,在線路#19、#20塔B、C相導線的側均壓環上均發現雷擊痕跡。由于主落雷幅值較大且大于反擊耐雷水平,并滿足反擊雷多相同跳的特征,因此,可以判定此次故障跳閘為雷電反擊導線產生。

5 改進措施

根據線路設計運行參數及現場運行環境提出以下改進措施。

①線路避雷器可以提高線路的抗雷能力。根據公司已裝線路避雷器的雷擊跳閘故障統計來看,裝設避雷器可以有效減小雷擊故障導致的跳閘發生概率。根據運行實踐證明,線路易發生雷擊的區域主要集中在山頂、高差較大的桿塔之間、土壤電阻率較高的區域和較為潮濕的山丘盆地等。此次發生雷擊的#19、#20塔雖然處于平原地帶,但由于線路跨越一小型水池,容易聚集水汽,因此,應該加入裝設避雷器的范疇之內。在裝設避雷器時,應該根據現場實地考察擴大裝設點范圍,甚至在一些重要通道線路全線安裝,并采用差異化防雷措施,這樣可以避免線路受到錯綜復雜環境的影響。

②在一定范圍內,線路保護角越小,避雷線對線路起到的保護作用就越大,在一些山區多雷地區可以采用負保護角,同桿雙回線使用 0°～-5°,山區同桿雙回路可使用-8°～-12°[7]?？紤]到經濟性,對多年運行線路整體進行改造會浪費資源,因此對新建線路或在山區等多雷區的保護可采用負保護角設計。

③本次故障因雷電定位信息數據延時將近2 h,在一定程度上影響了故障查找的效率。應完善雷電監測系統,更加及時、完整地反映雷電發生的準確定位及雷電流幅值,提高輸電檢修工作的效率。輸電運維人員應根據歷年雷電監測系統的信息,對雷電發生和活動規律的進行總結分析,對不同雷電進行等級劃分,提出更符合實際的防雷措施。

④此次故障原因是雷電反擊閃絡,在相同幅值雷電流反擊條件下,桿塔增高,主材波阻抗增大,將會導致桿塔橫擔電位增大,從而絕緣子兩端通過的電壓也將增大,導致反擊閃絡變大。因此,在線路設計初期,可以在滿足安全運行的前提下考慮降低桿塔高度。

⑤減小桿塔沖擊接地電阻可以提高線路反擊耐雷水平。針對歷年發生雷電故障的桿塔,可以針對性地減小桿塔接地電阻,在一些重要輸電通道上可以考慮采用石墨烯復合接地裝置等新型材料。

6 結束語

針對220 kV輸電線路雷擊防護措施可以采取單回路全線安裝避雷器的差異化防雷措施、在特定地區減小避雷線保護角和接地電阻、完善雷電定位信息、使用新型接地材料等改進措施。由于雷電具有不穩定性和難預測性,并且對輸電線路的破壞性極大,輸電線路防雷措施是一項需要長期探索、持續改進的工作,應通過分析歷次線路雷擊故障,總結規律,不斷積累運行經驗,從而提高輸電線路整體耐雷水平。