王銳，金亮，彭向陽，王朋

(1. 廣東電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院，廣東 廣州510080；2. 廣東電網(wǎng)有限責任公司佛山供電局，廣東 佛山528000)

近年來，隨著我國經(jīng)濟深入發(fā)展，各地區(qū)用電需求不斷攀升，電網(wǎng)規(guī)模進一步擴大，保障供電安全可靠意義重大[1-4]。統(tǒng)計資料表明，雷擊是影響輸電線路供電安全的主要原因之一[5-6]。在施工建設時，考慮線路走廊占地的因素，110 kV及以上電壓等級線路多采用同塔雙回或同塔多回架設，各相導線之間空間位置較近，存在較強耦合作用[7-8]，遭受雷擊時，容易發(fā)生雷擊同跳故障，造成重要負荷停電，嚴重影響供電可靠性。

相比之下，我國東南部地區(qū)電網(wǎng)規(guī)模大，雷暴活動頻繁，對于同塔線路的防雷要求更加迫切[9-10]。以廣東電網(wǎng)為例，在2010—2015年期間，每年110 kV及以上電壓等級同塔線路遭受雷擊發(fā)生同跳事件占雷擊跳閘總數(shù)的15%～30%，發(fā)生多起220 kV同塔線路雷擊同跳且重合閘失敗的事件[11-12]，110 kV同塔雙回線路雷擊同時跳閘的比例要高于220 kV同塔雙回線路。由于500 kV同塔線路的耐雷水平較高，雷擊同跳事件很少發(fā)生。因此，針對多雷區(qū)同塔雙回輸電線路雷擊同跳防治措施的研究十分必要，特別是在防治措施的標準化設計和工程應用實踐方面需重點考慮。

本文針對發(fā)生雷擊同跳比例較高的110 kV和220 kV同塔雙回線路進行研究，按照實際桿塔搭建仿真模型，計算采用常規(guī)絕緣配置時同塔雙回線路單回和雙回閃絡耐雷水平和跳閘率，對比分析采用降低接地電阻及不平衡絕緣配置方式防治效果。計算結果和研究結論為新建和在運同塔雙回線路雷擊同跳防治措施的選取提供設計參考。

1 多雷區(qū)同塔雙回線路防雷技術

1.1 同塔雙回線路防雷技術要求

輸電線路防雷應在設計、建設、運行等各階段采取措施，根據(jù)線路重要程度、雷電強度、地形地貌、桿塔結構，以及線路不同地域、電壓等級、不同設計、運行條件等，采取差異化防雷措施，提高防雷措施的針對性和有效性。

對運行可靠性要求較高的同塔線路，如核電廠出線、換流站出線、鐵路牽引站供電、自同一電源送出或向同一負荷供電線路，以及其他重要輸電線路，應在設計階段就采取有效的防雷措施[13-14]。

對同塔線路，宜在不降低單回耐雷水平的基礎上，減少多回線路雷擊同跳事件，避免雷擊導致整個輸電通道供電中斷；注重降低接地電阻、加強絕緣配置、減小保護角等基礎防雷措施應用，并對110 kV、220 kV線路重點采取不平衡絕緣配置，將雷擊同跳次數(shù)占雷擊跳閘總次數(shù)比例控制在10%以內(nèi)[15]。同塔線路不平衡絕緣防雷措施包括：在不同回路間，采取增加絕緣子片數(shù)(或各回路采用不同材質、不同電弧距離的盤形懸式絕緣子或復合絕緣子)、安裝線路避雷器、安裝并聯(lián)間隙等方式。

1.2 同塔雙回線路雷擊同跳防治原則

同塔線路防治雷擊同時跳閘技術原則如下[15]：

a) 雷電反擊是同塔線路同跳的主要原因，強雷暴過程中連續(xù)雷電繞擊也會導致同跳；因此，除采取不平衡絕緣和降低接地電阻、加強絕緣等防反擊措施外，也應采取減小保護角等防繞擊措施。

b) 110 kV、220 kV線路應兼顧雷電反擊和繞擊防護，500 kV線路應以雷電繞擊防護為主。

c) 110 kV、220 kV同塔線路宜采用不平衡高絕緣配置，絕緣不平衡度宜大于20%，不宜低于15%，110 kV同塔線路不平衡度宜大于220 kV同塔線路；500 kV同塔線路宜采用平衡高絕緣配置。

2 仿真計算模型及參數(shù)

2.1 耐雷水平計算

雷電反擊耐雷水平計算采用ATP-EMTP對線路建模，通過連續(xù)仿真計算得到[16-19]。雷電流波形采用2.6/50 μs雙斜角波沖擊電流源，雷電通道波阻抗取300 Ω，雷電流注入點在桿塔頂部中間。雷暴日數(shù)取40，對應地閃密度為2.78次/(km2·a)。線路桿塔采用分段多波阻抗模型，桿塔接地電阻采用集中參數(shù)電阻進行等值，阻值取桿塔沖擊接地電阻值，可采用桿塔工頻接地電阻折算。假設桿塔塔頭空氣間隙足夠，不考慮空氣間隙擊穿。

研究采用先導法作為絕緣閃絡判據(jù)，即通過絕緣間隙中先導發(fā)展長度來判斷絕緣是否發(fā)生閃絡，如先導貫穿間隙，先導長度大于或等于間隙長度時，認為閃絡發(fā)生[20-22]。先導發(fā)展根據(jù)式(1)計算：

(1)

式中：L為先導已發(fā)展長度，m；k為經(jīng)驗系數(shù)，m2/(s·kV2)；E0為先導起始場強，E0取500 kV/m時，k=1.1 m2/(s·kV2)；u(t)為絕緣間隙承受的電壓，kV；D為絕緣間隙長度，m。

2.2 跳閘率計算

雷電反擊跳閘率采用GB/T 50064—2014《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合設計規(guī)范》規(guī)定的方法進行計算，計算公式如式(2)—式(6)：

N=NLηgP1,

(2)

(3)

η=(4.5E0.75-14)×10-2,

(4)

(5)

(6)

式中：N為雷電反擊跳閘率，次/(100 km·a)；NL為每年百公里線路落雷次數(shù)，次/(100 km·a)；η為建弧率，即絕緣子和空氣間隙在雷電流沖擊后轉為穩(wěn)定工頻電弧的概率；g為擊桿率，平原為1/6，山區(qū)為1/4；P1為雷電流i超過雷擊桿塔頂部反擊耐雷水平I1的概率；Ng為地閃密度，次/(km2·a)；ht為桿塔高度，m；b為2根地線間的距離，m；E為絕緣子串平均運行電壓(有效值)梯度，kV/m；Un為線路標稱電壓，kV；li為絕緣子串的放電距離，m。

2.3 計算塔型

由于110 kV和220 kV同塔雙回線路的規(guī)模較大，且在實際運行中二者雷擊同跳的情況較嚴重，因此本節(jié)主要研究110 kV和220 kV同塔雙回線路。桿塔塔型、各部分參數(shù)及各回線路相序排列如圖1所示。圖中H為桿塔的呼稱高度，A、B、C分別表示導線相別。

圖1 同塔雙回線路Fig.1 Double-circuit lines on the same tower

3 防治雷擊同跳措施研究

3.1 降低接地電阻

依照GB/T 50064—2014的規(guī)定，在雷雨季節(jié)干燥條件下，每基桿塔不連架空地線的工頻接地電阻，高度40 m以下桿塔，土壤電阻率超過2 000 Ω·m時不宜超過30 Ω，高度40 m以上桿塔在相同土壤電阻率條件下不宜超過25 Ω。在土壤電阻率低于500 Ω·m時，變電站進線段桿塔工頻接地電阻不宜超過5 Ω。因此，分別選擇接地電阻值為30 Ω、15 Ω、10 Ω、7 Ω、5 Ω，研究降低接地電阻方式防治雷擊同跳效果，絕緣配置情況為110 kV同塔雙回線路為兩側8片絕緣子，220 kV同塔雙回線路為兩側14片絕緣子，結果如圖2—圖5所示。

圖2 110 kV同塔雙回線路接地電阻對耐雷水平的影響Fig.2 Effect of grounding resistance to lightning withstand level for 110 kV double-circuit transmission line

圖3 110 kV同塔雙回線路接地電阻對跳閘率的影響Fig.3 Effect of grounding resistance to trip-out rate for 110 kV double-circuit transmission line

圖4 220 kV同塔雙回線路接地電阻對耐雷水平的影響Fig.4 Effect of grounding resistance to lightning withstand level for 220 kV double-circuit transmission line

圖5 220 kV同塔雙回線路接地電阻對跳閘率的影響Fig.5 Effect of grounding resistance to trip-out rate of 220 kV double-circuit transmission line

研究發(fā)現(xiàn)接地電阻較大時，同塔線路單回閃絡和雙回閃絡耐雷水平接近，容易發(fā)生雷擊同跳事件。110 kV和220 kV同塔雙回線路的耐雷水平和跳閘率隨接地電阻變化趨勢大體一致。以110 kV同塔雙回線路為例，接地電阻為30 Ω時，單回閃絡耐雷水平為45 kA，雙回閃絡耐雷水平為47 kA。降低接地電阻對單回閃絡耐雷水平提升效果不如雙回閃絡效果明顯。以110 kV同塔雙回線路為例，接地電阻從15 Ω降低至10 Ω時，單回閃絡耐雷水平提高11.86%，雙回閃絡耐雷水平提高14.29%，接地電阻從10 Ω降低至5 Ω時，單回閃絡耐雷水平提高12.12%，雙回閃絡耐雷水平提高23.61%。工頻接地電阻較小時，難以單獨通過降低接地電阻來提升同塔雙回線路單回和雙回閃絡耐雷水平，需考慮采用不平衡絕緣配置對線路進行防雷改造。

3.2 增加絕緣子片數(shù)

以接地電阻為10 Ω為例，研究加強絕緣配置對110 kV和220 kV同塔雙回線路單回閃絡和雙回閃絡耐雷水平和跳閘率的影響。110 kV同塔雙回線路絕緣配置為兩側絕緣子片數(shù)(常規(guī)絕緣/高絕緣)為8/8、8/9、8/10、9/9和7/9這5種情況，220 kV同塔雙回線路絕緣配置為兩側絕緣子片數(shù)為14/14、14/16、14/17、16/16和13/16這5種情況(單片絕緣子的結構高度為146 mm)。計算得到不同絕緣配置下單回和雙回閃絡耐雷水平及跳閘率見表1和表2。

表1 110 kV同塔雙回線路加強絕緣配置對耐雷性能影響Tab.1 Effect of enhancing insulation configuration on lightning withstand performance for 110 kV double-circuit transmission line

表2 220 kV同塔雙回線路加強絕緣配置對耐雷性能影響Tab.2 Effect of enhancing insulation configuration to lightning withstand performance for 220 kV double-circuit transmission line

研究發(fā)現(xiàn)：在常規(guī)絕緣配置基礎上，改變一側絕緣子片數(shù)時，同塔雙回線路單回閃絡耐雷水平保持不變，雙回閃絡耐雷水平明顯提高。以110 kV同塔雙回線路為例，兩側絕緣子片數(shù)差從0變化至2時，單回閃絡耐雷水平保持在65 kA，而雙回閃絡耐雷水平從72 kA增加至110 kA。同時發(fā)現(xiàn)：兩側同時增加絕緣子片數(shù)，線路單回和雙回耐雷水平均有所提高，但提升效果不明顯，雙回閃絡耐雷水平明顯低于差絕緣配置時雙回閃絡耐雷水平；減少一側絕緣子片數(shù)，增加另一側絕緣子片數(shù)時，單回閃絡耐雷水平降低，雙回閃絡耐雷水平提升。因此，選擇改變絕緣子片數(shù)提升同塔雙回線路耐雷水平時，應考慮實際線路情況，合理選擇絕緣子配置方式。

3.3 安裝避雷器

對于110 kV同塔雙回、220 kV同塔雙回線路，可以選擇雷擊跳閘率較高的一回或易擊段安裝避雷器來提高線路耐雷水平，優(yōu)先順序為上相→中相→下相。研究時以接地電阻為10 Ω為例，分析加強安裝避雷器對110 kV和220 kV同塔雙回線路單回閃絡和雙回閃絡耐雷水平和跳閘率的影響。選擇1條回路，依次在上相、中相和下相安裝避雷器，計算安裝0～3個避雷器時同塔雙回線路單回和雙回閃絡耐雷水平及跳閘率，結果見表3和表4。其中，110 kV線路避雷器的標稱放電電流為10 kA，標稱放電電流下的殘壓值為260 kV；220 kV線路避雷器的標稱放電電流為10 kA，標稱放電電流下的殘壓值為520 kV。

表3 110 kV同塔雙回線路安裝避雷器對耐雷性能影響Tab.3 Effect of surge arrester on lightning withstand performance for 110 kV double-circuit transmission line

表4 220 kV同塔雙回線路安裝避雷器對耐雷性能影響Tab.4 Effect of surge arrester on lightning withstand performance for 220 kV double-circuit transmission line

研究發(fā)現(xiàn)，通過安裝線路避雷器可以同時提高線路單回和雙回閃絡耐雷水平。在一回線路上相安裝避雷器可明顯提高雙回閃絡耐雷水平，安裝上、中相避雷器時雙回閃絡耐雷水平達到2～3片絕緣子不平衡配置效果；在上、中、下相同時安裝避雷器時，沒有同跳事件發(fā)生。安裝避雷器成本較高，但防治雷擊同跳效果明顯，因此在雷害嚴重地區(qū)可以考慮采用在其中一回安裝避雷器方式提升雙回閃絡耐雷水平。

3.4 安裝并聯(lián)間隙

以接地電阻為10 Ω為例，研究安裝并聯(lián)間隙對110 kV和220 kV同塔雙回線路單回閃絡和雙回閃絡耐雷水平和跳閘率的影響。其中110 kV同塔雙回線路分別研究絕緣子片數(shù)為8、9、10時單側安裝并聯(lián)間隙的影響，220 kV同塔雙回線路分別研究絕緣子片數(shù)為14、16、17時單側安裝并聯(lián)間隙的影響。計算結果見表5、表6，其中括弧內(nèi)數(shù)據(jù)為并聯(lián)間隙距離與絕緣子電弧距離的比值。

表5 110 kV同塔雙回線路并聯(lián)間隙對耐雷性能影響Tab.5 Effect of parallel gap on lightning withstand performance for 220 kV double-circuit transmission line

表6 220 kV同塔雙回線路并聯(lián)間隙對耐雷性能影響Tab.6 Effect of parallel gap on lightning withstand performance for 220 kV double-circuit transmission line

研究發(fā)現(xiàn)：在常規(guī)絕緣配置基礎上，在一側安裝并聯(lián)間隙，線路單回閃絡耐雷水平降低，雙回閃絡耐雷水平提高。由于并聯(lián)間隙時，絕緣子串部分長度被短接，導致單回閃絡耐雷水平降低；因此，在采用并聯(lián)間隙時，應首先增加絕緣子以提高絕緣水平。在高絕緣單側安裝并聯(lián)間隙時，相比常規(guī)絕緣配置，單回耐雷水平基本沒有變化，雙回閃絡耐雷水平提高。

4 防治同塔雙回線路雷擊同跳案例分析

4.1 加強絕緣配置防雷擊同跳案例

220 kV上方甲、乙線全長20.363 km，全線同塔雙回架設，于2016年12月13日建成投運，采用加強絕緣的差異化設計，乙線14片玻璃絕緣子(正常絕緣)，甲線17片玻璃絕緣子(加強絕緣)，絕緣子型號為U100BLP-1。

2017年9月7日4時23分，乙線A、C相故障，重合閘閉鎖，造成線路故障停運。根據(jù)保護測距信息和現(xiàn)場故障查找，乙線28號塔A、C相玻璃絕緣子有閃絡痕跡，玻璃絕緣子和金具輕微損傷。根據(jù)雷電定位系統(tǒng)查詢到故障時刻的落雷信息：故障時刻前后1 min，線路走廊左右3 km存在18次落雷，最大雷電流為04：23：43.308時刻的-133.8 kA雷電，位于29號塔附近，該落雷信息與故障時刻相吻合。分析可知：-133.8 kA的雷電流造成28號塔反擊，引起乙線A、C相故障和線路停運；由于甲線為17片絕緣子配置，未發(fā)生故障。本案例表明：采用了加強絕緣配置的差異化措施后，避免了1次雷擊同塔線路同時跳閘問題。

4.2 安裝線路避雷器防雷擊同跳案例

220 kV硯后甲、乙線全長20.766 km，1號—40號塔同塔雙回架設，41號—51號塔為同塔四回架設，于2009年12月25日建成投運，甲、乙線懸垂絕緣子串均采用FXBW4-220/160-A型復合絕緣子，部分桿塔安裝線路避雷器時采取差異化配置原則，即只在其中一回線路進行三相安裝。

2015年8月15日14時33分，甲線B、C相故障跳閘，重合閘閉鎖，造成線路故障停運。根據(jù)保護測距和現(xiàn)場查線，發(fā)現(xiàn)甲線23號塔B相、C相復合絕緣子表面和均壓環(huán)均有放電痕跡。查詢雷電定位系統(tǒng)，故障時刻前后2 min，線路走廊左右3 km范圍內(nèi)共有13次雷電信息，其中在23號—24號塔的落雷幅值最大，為-303.0 kA，落雷時間與故障時刻相吻合。分析可知：-303.0 kA的強雷電流造成23號塔反擊，引起甲線B、C相故障和線路停運；由于同塔架設的乙線三相安裝了線路避雷器，在本次強雷電流(超過300 kA)作用下，乙線未發(fā)生跳閘，成功避免了1次同塔線路同時故障停運的“N-2”事件。

4.3 絕緣不平衡度不夠防雷擊同跳失效案例

220 kV海河甲、乙線全長19.023 km，全線同塔雙回架設，于2013年11月21日建成投產(chǎn)，甲、乙線雖然采用了加強絕緣的差異化設計，但并不滿足本文推薦的“絕緣不平衡度宜大于20%、不宜低于15%”配置原則。其中，乙線采用加強絕緣，甲線為正常絕緣，在耐張串中，乙線16片絕緣子，甲線15片絕緣子；在懸垂串中，乙線采用FXBW4-220/100-D型復合絕緣子(干弧距離2 350 mm)，甲線采用FXBW4-220/100-C型型復合絕緣子(干弧距離2 200 mm)，乙線絕緣相對甲線增加了6%左右。

2014年6月20日19時48分，甲線、乙線主I、主Ⅱ零序保護動作跳閘，均為C相故障，造成甲、乙線同時跳閘故障。根據(jù)保護測距信息和現(xiàn)場故障查找，發(fā)現(xiàn)甲、乙線26號塔C相跳線絕緣子和均壓環(huán)有放電痕跡。根據(jù)雷電定位系統(tǒng)查詢到故障時刻的落雷信息：故障時刻前后1 min，線路走廊左右3 km存在4次落雷，最大雷電流為19:48:35.303時刻的-233.1 kA雷電，位于26號—27號塔附近，該落雷信息與故障時刻相吻合。甲線和乙線同時跳閘原因為：-233.1 kA的雷電流造成26號塔反擊，引起甲、乙線的C相故障，導致一起雷擊同跳事件。本案例表明：甲、乙線未按要求采用足夠的絕緣不平衡度配置，造成不平衡絕緣措施未能發(fā)揮應有的防雷擊同跳功效。

4.4 桿塔間隙距離不夠防雷擊同跳失效案例

220 kV玉四甲、乙線全長21.356 km，全線雙回同塔架設，于2012年10月7日建成投運，采用加強絕緣的差異化設計，甲線采用17片玻璃絕緣子(加強絕緣)，乙線采用15片玻璃絕緣子(正常絕緣)，絕緣子型號為U100BLP(W)。

2016年6月11日16時57分，甲線和乙線主I差動保護動作、主Ⅱ縱聯(lián)距離、縱聯(lián)零序方向保護動作，均為B相故障，造成甲、乙線同時跳閘故障。根據(jù)保護測距信息和現(xiàn)場故障查找，發(fā)現(xiàn)35號塔甲線B相(中相)防振錘和下相橫擔有放電痕跡，乙線B相絕緣子有閃絡痕跡。查詢雷電定位系統(tǒng)，故障時刻前后1 min，線路走廊左右2 km范圍內(nèi)共有15次雷電信息，其中在36號—37號塔的落雷幅值最大，為-145.7 kA，落雷時間與故障時刻相吻合。分析可知：-145.7 kA的雷電流造成35號塔反擊，引起甲、乙線的B相故障，導致雷擊同跳事件。雖然甲線采取了加強絕緣設計，絕緣子未閃絡，但是，在防雷改造設計校核中未考慮足夠的塔頭空氣間隙裕度，造成甲線B相導線防振錘與下相橫擔空間間隙放電。本案例表明：在實施加強絕緣的差異化防雷措施時，除應保證足夠的絕緣不平衡度外，還應確保足夠的塔頭空間間隙裕度，這樣才能充分發(fā)揮加強絕緣措施的防雷作用。

5 結論

a) 桿塔工頻接地電阻較大時，同塔雙回線路容易發(fā)生雷擊同跳事件，此時可采用降低接地電阻的方式來提高同塔雙回線路雷擊同跳耐雷水平；在接地電阻較小時考慮采用不平衡絕緣的方式來提升同塔雙回線路雷擊同跳耐雷水平。

b) 對于采用增加絕緣子的不平衡絕緣方式：一側增加絕緣子時，單回閃絡耐雷水平不變，雙回閃絡耐雷水平明顯提高；兩側同時增加絕緣子可以同時增加單回閃絡和雙回閃絡耐雷水平；一側增加絕緣子時防治雷擊同跳效果更好，同時應確保塔頭足夠的空氣間隙裕度。

c) 通過在線路一側增加線路避雷器可以提升線路單回和雙回閃絡耐雷水平，通過在一側回路三相均安裝避雷器可以避免雷擊同跳發(fā)生。全線安裝避雷器價格較高，在雷害嚴重的重點線路區(qū)段可以考慮采用該方式。

d) 選擇并聯(lián)間隙防治雷擊同跳時，需要增加線路絕緣子數(shù)量，提高線路絕緣性能，以保證線路單回閃絡耐雷水平不受影響，同時提高線路雙回閃絡耐雷水平。