彭向陽，金 亮，王 銳，黃 振，周 原， 郭泉輝

（1.廣東電網(wǎng)公司電力科學研究院，廣州 510080；2.廣東電網(wǎng)公司研究生工作站，廣州 510080；3.國網(wǎng)江西省電力公司，南昌 330077）

0 引言

隨著我國國民經(jīng)濟迅速發(fā)展，用電需求不斷增大，對供電安全和質(zhì)量要求不斷提高[1]。超特高壓輸電技術(shù)解決了經(jīng)濟快速發(fā)展對電力供應的要求，我國也建成超特高壓輸電網(wǎng)，這些主干網(wǎng)絡(luò)源源不斷為我國工業(yè)化發(fā)展提供能源，保證其安全可靠運行具有重要意義。

雷擊是引發(fā)架空輸電線路跳閘停電的最主要的原因[2-6]，架空線路暴露在大氣中，往往處于突出暴露地形，遭受雷擊的概率較大。同時，為節(jié)約線路走廊占地，110 kV及以上線路往往采用同塔雙回或多回架設(shè)，相互間有較強耦合作用，其中一回發(fā)生雷擊跳閘，往往導致多回同跳[7-9]。同塔線路跳閘可能造成單供變電站、鐵路牽引站或重要用戶失壓，對電網(wǎng)供電可靠性造成較大危害。

廣東電網(wǎng)地處我國東南部，屬于雷暴多發(fā)區(qū)，對于同塔多回線路防雷的要求更加迫切[10]。廣東電網(wǎng)在2010—2015年期間，110 kV、220 kV同塔線路遭雷擊發(fā)生同時跳閘事件占雷擊跳閘總數(shù)的15%～30%，更發(fā)生多起220 kV同塔線路雷擊同跳且重合閘失敗的“N-2”事件，對供電安全具有極大影響，產(chǎn)生經(jīng)濟損失。近年來，廣東電網(wǎng)公司為解決同塔線路雷擊同跳事件，大力推行差異化防雷措施[11]，同塔線路同跳事件逐年減少。500 kV及以上同塔多回線路由于線路耐雷水平較高，很少發(fā)生雷擊同跳情況。

筆者研究220 kV同塔多回線路雷擊同跳故障及防護措施，總結(jié)和對比分析廣東電網(wǎng)近年來同塔線路雷擊同跳情況，采用差異化防雷改造措施前、后線路雷擊跳閘情況，分析各種差異化防雷措施對防治雷擊同時跳閘的效果，為多雷區(qū)、強雷區(qū)同塔多回線路防雷保護提供參考。

1 220 kV線路雷擊跳閘分析

1.1 雷擊跳閘總體情況

2013年以來，廣東電網(wǎng)220 kV架空線路雷擊跳閘情況見表1，其中同塔線路發(fā)生雷擊同跳76次，重合閘成功54次，重合成功率71.1%，重合成功率較低原因主要是220 kV及以上線路重合閘配置一般為單相重合閘方式，當線路出現(xiàn)兩相或三相故障時，重合閘為閉鎖狀態(tài)。

表1 220 kV同塔線路雷擊跳閘情況Table 1 Lightning trip of 220 kV multi-circuit line

1.2 雷擊同時跳閘情況

2016年6—7月，220 kV同塔線路發(fā)生雷擊同時跳閘14次，重合閘成功9次，重合閘閉鎖5次，跳閘情況見表2，雷電定位系統(tǒng)顯示，故障雷電流幅值均大于130 kA，故障原因為雷電反擊導致同塔雙回線路絕緣同時閃絡(luò)。

表2 220 kV線路2016年6-7月雷擊同時跳閘情況Table 2 Simultaneous lightning trip-out of 220 kV lines from June 2016 to July

1.3 雷擊跳閘與雷電活動相關(guān)性分析

2016年6月廣東省地閃219266次，正負極性雷電流平均值分別為23.48 kA、-34.26 kA。2015年同期地閃279800次，正負極性雷電流平均值分別為17.65 kA、-26.54 kA。2016年6月地閃次數(shù)與2015年同期基本處于同等水平，但雷電流幅值水平明顯高于2015年，正極性雷電流均值比2015年高33%，負極性雷電流均值比2015年高30%。此外，2016年100 kA及以上雷電流幅值累積概率為3.14%，為2015年1.35%的2倍以上。

線路雷擊跳閘次數(shù)與地閃密度相關(guān)性見圖1?？梢娒磕昃€路雷擊跳閘次數(shù)與地閃密度存在較為一致的變化規(guī)律，即雷擊跳閘次數(shù)與雷電強度存在較強的相關(guān)性。

圖1 線路雷擊跳閘與地閃密度關(guān)系Fig.1 Relationship between lightning stroke trip and ground lightning density

雷擊跳閘率與高幅值雷電流（大于100 kA）的對應關(guān)系見圖2?？梢姸咦兓?guī)律基本一致，個別年份變化趨勢不一致，原因為雷擊跳閘率除與雷電流幅值水平有關(guān)外，還與線路防雷措施實施情況以及不同投運年限線路絕緣配置存在差異等因素有關(guān)。

圖2 雷擊跳閘率與大于100 kA雷電流概率關(guān)系Fig.2 Relationship between lightning trip probability and lightning current probability greater than 100 kA

2 220 kV同塔線路典型雷擊同跳故障分析

2.1 雷擊跳閘情況

220kV康睦線由220kV康州站至220kV睦崗站，220 kV都睦線由220 kV都楊站至220 kV睦崗站，康睦線44—136號與都睦線27—119號為同塔雙回架設(shè)。

2016年7月5日16時00分28秒，都睦線A、C相接地故障，三相跳閘，重合閘閉鎖；同時，康睦線A、C相接地故障，三相跳閘，重合閘閉鎖。

查線發(fā)現(xiàn)都睦線69號塔A、C相復合絕緣子均壓環(huán)有閃絡(luò)痕跡；康睦線86號塔A、C相復合絕緣子均壓環(huán)有閃絡(luò)痕跡（都睦線69號塔與康睦線86號塔為同塔），見圖3。故障桿塔接地電阻實測值為12.3 Ω（設(shè)計值30 Ω）；都睦線和康睦線三相異相序垂直排列，都睦線上中下相分別為B、A、C相，康睦線上中下相分別為B、C、A相。

圖3 故障桿塔雷擊放電情況Fig.3 Lightning discharge of fault tower

兩條線路近3年雷擊跳閘情況見表3，共發(fā)生7次雷擊跳閘，線路雷擊跳閘率高于廣東電網(wǎng)220 kV線路平均值。

表3 都睦線和康睦線近3年雷擊跳閘情況Table 3 Lightning trip of Doumu line and Kangmu line in the last three years

2.2 雷擊同跳故障分析

2.2.1 線路雷擊情況

雷電定位系統(tǒng)顯示，故障時刻故障桿塔附近（都睦線68—69號塔、康睦線85號—86號塔）發(fā)生一次地閃，雷電流幅值-132.1 kA，高于一般220 kV同塔線路雙回閃絡(luò)耐雷水平。

康睦線故障桿塔為87號塔，故障相為A、C相。都睦線故障桿塔為70號塔，故障相為A、C相。因此，可確認雷擊故障性質(zhì)為雷電反擊。

2.2.2 故障錄波分析

故障錄波見圖4，為睦崗站220 kV都睦線、康睦線故障錄波，兩條線路為同一時刻發(fā)生雷擊跳閘（短路電流起始時刻一致），故障相均為A、C相，故障時刻A、C相電壓在0.5倍的相電壓正峰值附近，B相在相電壓負峰值附近。

圖4 線路故障錄波情況Fig.4 Line fault waveform recording

2.2.3 故障原因分析

220 kV都睦線69號（康睦線86號）桿塔遭受較強雷電流（-132.1 kA）直擊，造成都睦線和康睦線雷電反擊跳閘。都睦線和康睦線均為A、C相（均處于中相和下相）閃絡(luò)原因，與都睦線和康睦線三相導線的排列方式、故障時刻的導線電位有關(guān)，即A、C相絕緣子兩端的電位差比B相大，A、C相先發(fā)生閃絡(luò)，引起故障跳閘。

220 kV都睦線和康睦線部分桿塔進行了差異化防雷改造，其中在康睦線84—136號（都睦線67—119號）選擇9基桿塔安裝了線路避雷器（采取回路間差絕緣方式），而故障桿塔康睦線69號塔（都睦線86號塔）未安裝線路避雷器。

2.4 雷擊故障仿真分析

2.4.1 計算模型

為評估故障桿塔實際耐雷水平，重現(xiàn)故障過程，考慮故障時刻運行條件，利用ATP-EMTP軟件進行電磁暫態(tài)仿真[12-13]。故障桿塔呼稱高度31 m，采用多波阻抗模型等效，復合絕緣子電弧距離2200 mm，絕緣子模型采用先導傳播模型作為閃絡(luò)判據(jù)，雷擊點桿塔前后檔距取400 m，線路用LCC傳輸線模型，仿真模型見圖5。

圖5 ATP仿真模型Fig.5 Simulation model of ATP

根據(jù)故障時刻三相電壓波形，設(shè)置三相導線電壓相位，B相處于負峰值，導線排列順序為都睦線（甲線）上、中、下相分別為B、A、C相，康睦線（乙線）上、中、下相分別為B、C、A相，同塔線路導線排列相序見圖6。

圖6 同塔線路導線排列相序Fig.6 The phase conductor arrangement of multi-circuit line

2.4.2 計算結(jié)果

研究中選取1.2/50 μs和2.6/50 μs兩種雷電流波形，計算接地電阻為8 Ω、12.3 Ω（實測值）、16 Ω、20 Ω和24 Ω時，220 kV雙回線路四相閃絡(luò)耐雷水平和閃絡(luò)相別見表4和表5。

表4 雷電流波頭1.2 ms的計算結(jié)果Table 4 Result of lightning current wavefront of 1.2 ms

表5 雷電流波頭2.6 ms的計算結(jié)果Table 5 Result of lightning current wavefront of 2.6 ms

計算表明，雷電反擊導致同塔線路雙回四相閃絡(luò)時，都睦線（甲線）A、C相及康睦線（乙線）A、C相首先發(fā)生閃絡(luò)，這與實際雷擊故障閃絡(luò)相別一致，說明仿真結(jié)果可信度較高。

本次線路雷擊雙回四相閃絡(luò)時，實測桿塔工頻接地電阻12.3 Ω、雷電流-132.1 kA，計算表明，雷電流波頭1.2 μs時，耐雷水平為-93 kA，雷電流波頭2.6 μs時，耐雷水平為-109 kA，均低于本次線路實際雷擊電流幅值。因此，220 kV都睦線和康睦線雷電反擊同時跳閘不可避免[14-15]。

3 同塔線路防雷措施及防雷有效性

3.1 同塔線路防雷策略

為防治同塔多回線路雷擊同跳事件，編寫了110～500 kV交流架空同塔多回輸電線路防雷技術(shù)導則，對同塔線路防雷工作進行規(guī)范，根據(jù)地形地貌差異、桿塔結(jié)構(gòu)、雷電活動情況、電壓等級、運行條件等差異，采取差異化防雷措施。

主要防雷策略：在繼續(xù)重視降低接地電阻、加強線路絕緣、減小地線保護角等基礎(chǔ)防雷措施基礎(chǔ)上，重點采取回路間不平衡絕緣方案。110 kV、220 kV同塔線路規(guī)模較大、反擊耐雷水平較低，雷擊同跳現(xiàn)象嚴重，宜采用不平衡絕緣配置降低雷擊同跳率；500 kV同塔線路反擊耐雷水平較高，雷擊同跳很少，宜采用平衡高絕緣配置[16]。

3.2 同塔線路防雷改造

截至2016年，廣東電網(wǎng)共完成110 kV及以上14053基同塔線路桿塔的防雷改造，其中220 kV線路5330基，110 kV線路8043基。計劃2017年完成23068基同塔線路桿塔防雷改造。

主要防雷措施及改造規(guī)模：1）加裝線路避雷器，改造220 kV桿塔4368基、110 kV桿塔5199基；2）增加絕緣子片數(shù)或采用較長干弧距離復合絕緣子，改造220 kV桿塔867基、110 kV桿塔2744基；3）加裝絕緣子并聯(lián)間隙，改造220 kV桿塔95基，110 kV桿塔100基。

3.3 同塔線路防雷措施有效性

3.3.1 防雷改造整體效果

目前線路差異化防雷改造，大多數(shù)采取選點（個別桿塔）或區(qū)段進行改造，針對全線逐基桿塔進行改造的情況較少。故選取較為集中實施了差異化防雷改造的109條110 kV及以上同塔線路進行防雷改造成效分析。其中包括采取加裝線路避雷器改造線路69條，采取增加絕緣子不平衡絕緣改造線路30條，同時采取增加絕緣子及線路避雷器改造線路10條。

針對上述109條同塔線路改造前3年（2011—2013）及改造后3年（2014—2016）雷擊跳閘數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，分析結(jié)果見表6。改造前3年，雷擊跳閘293條次，雷擊同跳128條次，雷擊同跳占比43.7%；改造后3年，雷擊跳閘57條次，雷擊同跳20條次，雷擊同跳占比35.1%?？梢?，改造后雷擊跳閘總數(shù)以及同塔線路同跳次數(shù)明顯減少，絕大部分雷擊同跳發(fā)生在未改造區(qū)段，安裝了線路避雷器的桿塔未發(fā)生同跳事件。

表6 不同防雷措施防治雷擊同跳效果Table 6 Effect of different lightning protection measures

不同電壓等級線路進行防雷改造后防雷效果見表7?？梢?，220 kV線路采取差異化防雷措施后雷擊同跳比例下降52.7%，110 kV線路雷擊同跳比例下降18.3%；220 kV線路比110 kV線路雷擊同跳比例下降更明顯，原因為220 kV線路防雷改造區(qū)段長度占線路總長度比例更大。

表7 不同電壓等級線路防治雷擊同跳效果Table 7 Effect of different voltage lines

因此，上述同塔線路改造前后雷擊跳閘及雷擊同跳數(shù)據(jù)能夠說明防雷改造對線路整體防雷效果十分顯著。由于缺少具體到桿塔的更詳細統(tǒng)計數(shù)據(jù)，尚不能具體到桿塔對防治雷擊同跳效果進行更加客觀說明；如果按實施防雷改造的桿塔統(tǒng)計，防雷及防同跳效果會更好及更客觀。

3.3.2 防雷改造典型案例

220 kV海河甲乙線于2013年11月21日投產(chǎn)，全線同塔架設(shè)，甲線相序上中下分別為C、B、A相，乙線為A、B、C相。為單獨供廈深高鐵牽引站的同塔雙回架空線路，牽引站利用A、C取電，為高鐵接觸網(wǎng)供電，而B相不帶電，處于懸浮狀態(tài)。地線采用負的保護角。線路靠電源側(cè)為丘陵、山地，且附近曾經(jīng)有錫礦開采，雷電活動強烈。

主要采取了以下防雷改造措施：1）閑置B相導線置于上相作為耦合地線使用；2）全線普查，采取降低接地電阻措施；3）優(yōu)化線路避雷器的配置，重點在其中一回安裝；4）調(diào)整耐張塔跳線，增加跳線串絕緣子或加裝防風偏絕緣子。

2014年9月底完成改造至今，共發(fā)生雷擊跳閘2次，無同跳發(fā)生，相比2014年跳閘次數(shù)顯著減少，且均為雷電繞擊乙線，因故障桿塔甲線安裝了線路避雷器，確保甲線未跳閘。改造前后線路雷擊跳閘情況見表8。

表8 防雷改造前后雷擊跳閘對比Table 8 Lightning trip comparison of before and after lightning protection

4 結(jié)論

對廣東電網(wǎng)220 kV同塔多回線路雷擊閃絡(luò)及雷擊同時跳閘事件進行研究分析，線路雷擊跳閘次數(shù)與雷電地閃及高幅值雷電流頻次密切相關(guān)，連續(xù)強雷暴過程中，高幅值雷電流超過同塔線路雙回閃絡(luò)耐雷水平，產(chǎn)生雷電反擊，是導致雷擊同跳故障的直接原因，具體閃絡(luò)相別決定于雷擊時刻同塔線路各相的工頻電壓相位。

采取加裝線路避雷器、增加絕緣子片數(shù)等基于不平衡絕緣配置的防雷措施，對廣東電網(wǎng)110 kV、220 kV同塔多回線路進行防雷改造，改造前、后各3年線路雷擊跳閘及雷擊同跳數(shù)據(jù)對比分析表明，采取差異化防雷措施可有效降低同塔線路雷擊跳閘和雷擊同跳故障，為我國多雷區(qū)、強雷區(qū)同塔線路防雷保護提供了運行經(jīng)驗。