周象賢，王少華，童杭偉，王 謙，李 特，蔣愉寬，曹俊平

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；2.國(guó)網(wǎng)溫州供電公司，浙江溫州 325000）

0 引言

對(duì)于我國(guó)東部沿海省份，雷擊是引起高壓輸電線路跳閘的最重要原因，嚴(yán)重威脅到了電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，因此輸電線路防雷是輸電線路建設(shè)和運(yùn)行中的重要工作之一[1-2]。在出現(xiàn)輸電線路雷擊故障時(shí)，運(yùn)維部門(mén)會(huì)結(jié)合雷電定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)和輸電線路基礎(chǔ)臺(tái)賬數(shù)據(jù)，采用輸電線路雷擊分析方法對(duì)雷擊故障原因和性質(zhì)進(jìn)行分析，以區(qū)分故障責(zé)任歸屬和為后期防雷改造提供依據(jù)，因此雷擊故障分析是輸電線路防雷工作的重要組成部分。

由于雷電的物理過(guò)程難以在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行重現(xiàn)，加之雷電存在較強(qiáng)的隨機(jī)性，人類(lèi)對(duì)雷電的物理原理的掌握一直不全面。但隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，研究人員對(duì)雷電的物理過(guò)程的研究正在不斷進(jìn)步。以雷電通道的落點(diǎn)為例，Thottappillil等人的研究已經(jīng)證明約有1/3到1/2的地面落雷中有2個(gè)及以上的落點(diǎn)，并且不同落點(diǎn)間的距離最高可達(dá)8 km[3-4]。

現(xiàn)有防雷規(guī)程一般假設(shè)一次雷電活動(dòng)僅有一個(gè)落點(diǎn)，并未包含多落點(diǎn)雷電的情況，其雷擊故障分析過(guò)程均基于這一假設(shè)進(jìn)行[5-6]。為了分析多落點(diǎn)雷電對(duì)輸電線路的影響，本文首先對(duì)多落點(diǎn)雷電的物理過(guò)程進(jìn)行了介紹，然后提出了針對(duì)多落點(diǎn)雷擊過(guò)電壓的計(jì)算方法，最后針對(duì)一起多落點(diǎn)雷擊導(dǎo)致的多回輸電線路跳閘的故障進(jìn)行了仿真分析。

1 多落點(diǎn)雷電機(jī)理

雷電放電屬于一種長(zhǎng)間隙放電，云層下方首先產(chǎn)生電暈放電，電暈放電轉(zhuǎn)化為流注，在達(dá)到一定溫度的情況下，流注會(huì)匯合成先導(dǎo)，先導(dǎo)從云層逐漸往地面發(fā)展，逐漸形成雷電放電通道[7-8]。對(duì)于雷電擊中地面物體的過(guò)程，目前通常認(rèn)為地面物體上產(chǎn)生了上行先導(dǎo)，當(dāng)上行先導(dǎo)和下行先導(dǎo)匯合時(shí)，雷電通道完成貫穿，隨后產(chǎn)生首次回?fù)鬧4，9]。在首次回?fù)艉?，一次雷電放電過(guò)程通常會(huì)有2～4次后續(xù)回?fù)簦煌負(fù)糸g平均時(shí)間差為60 ms[4]。

在電氣幾何模型等輸電線路的繞擊分析方法中，通常假設(shè)雷電通道是垂直于地面的單根放電通道[6]。但該假設(shè)是一種簡(jiǎn)單化的處理方法，實(shí)際上自然界的雷電常常包含多個(gè)落地點(diǎn)[1，10]，也即雷電通道存在分叉現(xiàn)象。多落點(diǎn)雷電又可分為兩類(lèi)，第一類(lèi)是一次雷電過(guò)程的不同回?fù)粝群髶糁胁煌孛嫖矬w，第二類(lèi)是同一次回?fù)敉瑫r(shí)擊中不同地面物體[1]。

多落點(diǎn)雷電對(duì)輸電線路有嚴(yán)重影響，第一類(lèi)多落點(diǎn)雷電先后繞擊同一線路不同相導(dǎo)線時(shí)，由于不同回?fù)糸g的時(shí)間差小于線路單相重合閘時(shí)間，此時(shí)輸電線路可能會(huì)出現(xiàn)多相接地故障，第二類(lèi)多落點(diǎn)雷電同時(shí)繞擊同一線路不同相導(dǎo)線時(shí)，見(jiàn)圖1（a），由于不存在回?fù)糸g的時(shí)間差，輸電線路更易出現(xiàn)多相接地故障。當(dāng)?shù)谝活?lèi)或第二類(lèi)多落點(diǎn)雷電反擊不同回線路地線或者塔頂時(shí)，見(jiàn)圖1（b），可能導(dǎo)致不同回線路出現(xiàn)單相或者多相接地故障。

由上述分析可知，多落點(diǎn)雷電對(duì)輸電線路的危害在于容易導(dǎo)致多相接地故障和多回線路接地故障。單落點(diǎn)雷擊多數(shù)為繞擊，繞擊通常會(huì)引起線路單相跳閘，單相跳閘后輸電線路會(huì)自動(dòng)進(jìn)行一次重合閘。雷擊后的重合閘成功率較高，因而對(duì)電網(wǎng)的影響相對(duì)較小。而多落點(diǎn)雷擊繞擊可能會(huì)造成多相跳閘，此時(shí)輸電線路重合閘功能將不會(huì)動(dòng)作，因此將導(dǎo)致輸電線路停運(yùn)。多落點(diǎn)雷電反擊可能導(dǎo)致不同回線路同時(shí)跳閘，進(jìn)而可能造成變電站全部進(jìn)線停運(yùn)。

多落點(diǎn)雷擊具有較強(qiáng)的隨機(jī)性，其防范措施還有待進(jìn)一步研究。但從輸電線路防雷原理來(lái)看，加裝線路避雷器、減小架空地線保護(hù)角等防繞擊措施和桿塔接地改造等防反擊措施理論上有一定的防多落點(diǎn)雷擊故障效果，而加裝絕緣子并聯(lián)間隙會(huì)增加輸電線路雷擊跳閘率，不利于防范多落點(diǎn)雷擊故障。

圖1 多落點(diǎn)雷電擊中輸電線路示意圖Fig.1 Attachment of multiple terminated lightning to transmission lines

2 分析方法

多落點(diǎn)雷擊故障與單落點(diǎn)雷擊故障的最重要區(qū)別在于存在雷電分支通道，分支通道擊中輸電線路的過(guò)程具有較強(qiáng)的隨機(jī)性，目前沒(méi)有成熟的物理模型可進(jìn)行分析計(jì)算。但從雷擊故障分析的角度，可認(rèn)為雷電在輸電線路上的落點(diǎn)是已知的，因而只需分析雷擊過(guò)電壓水平和輸電線路雷擊故障過(guò)程。

對(duì)于第一類(lèi)多落點(diǎn)雷擊故障，如果不同雷電回?fù)魮糁械牟煌鼐€路為同走廊架設(shè)，那么線路間的耦合作用可以忽略，不同回線路過(guò)電壓可分別進(jìn)行計(jì)算分析，故其故障分析方法與單落點(diǎn)雷擊故障相同。如果不同回?fù)魮糁械木€路為同塔架設(shè)或者擊中的是同一回線路的不同導(dǎo)線，那么其雷電通道可采用多組電流源與電阻并聯(lián)電路的方式進(jìn)行建模。如圖2（a）所示，不同的分支通道采用時(shí)控開(kāi)關(guān)控制雷電流進(jìn)入仿真電路中的時(shí)間。雷電流幅值以及不同回?fù)糸g的時(shí)間間隔可直接采用雷電定位系統(tǒng)中記錄值，雷電通道并聯(lián)電阻值可取400 Ω[11]。

對(duì)于第二類(lèi)多落點(diǎn)雷擊故障，由于是同一雷電回?fù)魮糁辛瞬煌矬w，如圖2（b）所示，雷電通道可通過(guò)一組電流源與電阻并聯(lián)電路進(jìn)行建模，不同分支通道間的分流關(guān)系可通過(guò)仿真計(jì)算獲得。

圖2 雷電分支通道等效電路示意圖Fig.2 Illustration of lightning branch channel equivalent circuit

本文的多落點(diǎn)雷擊過(guò)電壓計(jì)算在EMTP軟件中進(jìn)行，其中桿塔采用分層傳輸線模型進(jìn)行建模，計(jì)算中假設(shè)同一高度橫擔(dān)位置處的電壓相等[11-12]，絕緣子絕緣性能采用伏秒特性進(jìn)行建模，并采用相交法作為絕緣閃絡(luò)判據(jù)、雷電流波形采用2.6 μs/50 μs雙指數(shù)波[5]、導(dǎo)地線采用EMTP軟件中的JMarti模型進(jìn)行建模。

3 分析方法應(yīng)用

3.1 故障線路情況

本文采用所提出的多落點(diǎn)雷擊故障分析方法對(duì)一起雷擊導(dǎo)致三回線路跳閘的故障進(jìn)行了分析。故障線路結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。

圖3 故障線路結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Illustration of grounding fault transmission lines

圖3 中，左側(cè)為500 kV線路，右側(cè)為同塔雙回200 kV線路，線路中心間距離248 m。左側(cè)的500 kV線路桿塔為ZMS1B型直線塔、導(dǎo)線型號(hào)為4×LGJ-630/45，導(dǎo)線采用三角形排列。左側(cè)地線型號(hào)為JL/LB1A-95/55、右側(cè)地線為OPGW-180。絕緣子型號(hào)為雙串26片F(xiàn)C21P/170U。右側(cè)的220 kV線路桿塔為SZSB型雙回路直線塔，導(dǎo)線型號(hào)2×LGJ-400/35，導(dǎo)線采用垂直排列。地線左線OPGW，右側(cè)地線型號(hào)為JLB20A-80。絕緣子型號(hào)為雙串FC100P/146。

故障過(guò)程為220 kV I回線路ABC三相故障跳閘，重合閘不投入；220 kV II回線路BC相故障跳閘，重合閘不投入；500 kV線路B相跳閘，重合閘成功。三回線路保護(hù)測(cè)距均顯示故障發(fā)生在圖3所示的兩基桿塔附近。

3.2 通道落雷情況

故障時(shí)通道內(nèi)落雷情況見(jiàn)表1。表1中，查詢(xún)雷電定位系統(tǒng)顯示故障時(shí)刻線路通道內(nèi)有一次落雷，該落雷包含一次主放電和2次后續(xù)回?fù)簦渲兄鞣烹娎纂娏鞣颠_(dá)到-331.4 kA，第1次后續(xù)回?fù)衾纂娏鞣狄哺哌_(dá)-192.8 kA，主放電通道距離220 kV線路603 m，距離500 kV線路851 m。

表1 故障時(shí)通道內(nèi)落雷情況Table 1 Lightning in the corridor during the fault

3.3 雷擊過(guò)電壓計(jì)算

通過(guò)對(duì)故障時(shí)間的分析，本次500 kV線路和220 kV線路雷擊故障應(yīng)是由同一次回?fù)粼斐?，因此本次故障屬于第二?lèi)多落點(diǎn)雷擊故障。按照本文第二部分提出的計(jì)算方法，在EMTP軟件中建立了雷擊過(guò)電壓仿真模型。仿真模型中的雷電流幅值采用主放電的雷電流幅值，假設(shè)主放電同時(shí)擊中500 kV線路和220 kV線路桿塔頂部。

圖4所示為雷電主通道和分支通道間的分流關(guān)系計(jì)算結(jié)果，可見(jiàn)在主通道電流幅值為331.4 kA時(shí)，擊中500 kV線路的分支通道1和擊中220 kV線路的分支通道2的通道雷電流幅值差異不大，分別為167 kA和176 kA。

圖5和圖6所示分別為500 kV線路和220 kV線路橫擔(dān)位置處對(duì)地電壓計(jì)算結(jié)果，可見(jiàn)橫擔(dān)高度越高，則反擊過(guò)電壓越大。其中500 kV線路上層和下層橫擔(dān)過(guò)電壓峰值分別達(dá)到7941 kV和4880 kV，220 kV線路上層、中層和下層橫擔(dān)過(guò)電壓峰值分別達(dá)到5919 kV、5338 kV和4113 kV。500 kV線路和220 kV線路各層橫擔(dān)位置處過(guò)電壓水平均已超過(guò)絕緣子間隙的耐雷水平，從而導(dǎo)致了本次多回線路同時(shí)跳閘的故障。

圖4 主通道與分支通道雷電流波形Fig.4 Lightning current of main channel and branch channels

圖5 500 kV線路橫擔(dān)對(duì)地電壓Fig.5500 kV transmission line cross arm voltage

圖6 220 kV線路橫擔(dān)對(duì)地電壓Fig.6220 kV transmission line cross arm voltage

4 結(jié)論

1）分析了輸電線路多落點(diǎn)雷擊故障的物理機(jī)理，并提出了多落點(diǎn)雷擊故障可以分為單次回?fù)敉瑫r(shí)擊中不同輸電線路設(shè)備和不同回?fù)粝群髶糁胁煌旊娋€路設(shè)備兩類(lèi)。

2）提出了多落點(diǎn)雷擊故障分析雷電通道的建模方法。

3）應(yīng)用所提出的方法對(duì)一起多落點(diǎn)雷擊故障進(jìn)行了分析，計(jì)算得到了分支通道與主通道分流關(guān)系和雷擊過(guò)電壓水平。