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        1 000 kV特高壓輸電線路特殊形式雷擊故障案例分析

        2022-02-26 08:35:30趙俊杰
        電瓷避雷器 2022年1期
        關鍵詞:耐雷分形桿塔

        趙俊杰,虞 馳,任 華,顧 浩

        (1.國網浙江省電力有限公司金華供電公司,浙江 金華 321000;2.國網電力科學研究院武漢南瑞有限責任公司,武漢 430074)

        0 引 言

        雷電災害為聯合國認定的10種最嚴重自然災害之一,線路雷電防護為電網防災減災的重要部分。特高壓輸電線路連綿數千公里,縱橫交錯,所處的地形復雜多變,雷電對特高壓線路威脅巨大。國內外運行經驗表明,特高壓線路絕大多數的雷擊跳閘為繞擊,對于相應的防雷電繞擊工作已取得了較多的研究成果。

        由雷電發(fā)展的先導法(LPM)得知,雷電先導發(fā)展過程具有隨機性及確定性。文獻[1]開展了自然雷云放電路徑的分形特性以及雷電先導分形發(fā)展模擬方法的研究,文獻[2]運用盒維數法對雷電模擬路徑的分形維數進行計算,結果表明這種分析方法能夠高效反應出空間分布對雷電發(fā)展過程的影響,能夠更準確地、全面地對雷擊進行分析,文獻[3]基于分形理論,對輸電線路先導發(fā)展情形開展研究,同時給出了超、特高壓輸電線路繞擊耐雷性能評估方法,文獻[4]采用分形模型模擬了先導的發(fā)展過程,分形模型不僅能夠給出先導通道圖形,而且能夠解釋側面繞擊的機理。

        帶有分形特性的雷電先導發(fā)展過程如圖1所示,雷電發(fā)展過程中可以存在多個末端,進而對地面形成多個雷擊點。據統(tǒng)計,80%以上的雷電在發(fā)展過程中均存在不同程度的分形特性[1],本研究將這類帶有分形特性的雷電稱為“分叉雷”。

        圖1 基于分形特性的雷電先導發(fā)展過程Fig.1 Development of lightning channel based on fractal characteristics

        隨著線路監(jiān)測技術發(fā)展,大都重要線路上安裝了視頻監(jiān)測裝置,同時我國電網結構不斷完善,輸電線路里程不斷增長,雷擊跳閘樣本數量不斷增大,區(qū)別于傳統(tǒng)的繞擊和反擊,雷擊跳閘正呈現出新的特性[5-12]。針對1 000 kV特高壓線路的一次特殊雷擊故障案例進行分析,通過獲取故障相關影像資料并激進型研究,結果表明分叉雷擊中輸電線路造成特殊類型故障發(fā)生,同時提出了相應的防雷應對措施。

        1 線路故障情況

        1.1 故障概述

        2019年04月09日17時50分56秒,1 000 kV某線路B相(單回路右相)故障跳閘,重合成功。保護測距距離安吉站171.91公里,距離蘭江站23.15公里。氣象數據顯示,故障發(fā)生時相關區(qū)段天氣為強雷陣雨天氣,氣溫在22 ℃~32 ℃間,西南風6級,相對濕度86%。

        1.2 線路故障診斷系統(tǒng)查詢情況

        根據1 000 kV該線路上安裝的故障診斷儀信息反饋,2019年04月09日17時50分56秒870毫秒1 000 kV該線路發(fā)生雷擊跳閘,重合閘成功,故障相為B相,位置在301號桿塔和346號桿塔之間,距離301號桿塔大號方向17.179公里,故障測距桿塔是340號桿塔附近。

        1.3 故障巡視及處理

        經組織人工地面特巡、無人機高空巡視及登桿檢查,最終發(fā)現該線路341號塔B相導線側均壓環(huán)處有輕微放電融斑(見圖2)。該線路337號-343號段地處高山地段,不存在外力破壞情況。實測341號塔接地電阻為7.1 Ω,均滿足設計及運行要求。

        圖2 絕緣子串小均壓環(huán)放電痕跡Fig.2 Flashover trace on vice-grading ring of insulator

        故障桿塔341號塔塔型為ZBC271514(呼稱高為79.5 m),導線、左側地線、右側地線型號分別為8*JL/G1A-500/45、JLB20A-170、OPGW-175,絕緣子配置為復合絕緣子雙聯串,接地形勢為左側地線分段接地、右側光纜逐塔接地。故障區(qū)段雷害等級為D1區(qū),主要地形為山地,地面傾斜角為30°,邊導線防雷保護角為-7.29°,現場位置為高山山頂。該地區(qū)氣候類型為亞熱帶氣候,常年平均氣溫在16.6 ℃~18.2 ℃之間,降水量963 mm~1 918 mm。

        2 故障原因分析

        2.1 故障原因排查

        根據雷擊定位系統(tǒng)查詢、變電站故障錄波測距結果及線路故障診斷裝置提供的參數,初步判斷故障范圍為338號-342號桿塔,該區(qū)段為高山,線路鐵塔較高,不太可能發(fā)生外力破壞事故。4月9日17時50分左右金華地區(qū)為雷雨天氣,338號-342號桿塔一帶雷電活動較強。因此,初步判斷雷擊跳閘的可能性較大。

        2.2 雷電定位系統(tǒng)數據分析

        根據雷電定位系統(tǒng)查詢(綜合浙江、江西等鄰近省份站點數據),故障時刻前后1分鐘內,1 km線路走廊半徑內共有4次雷電,綜合考慮故障發(fā)生時間及離開線路的距離遠近,序號3雷電與341號塔跳閘相關性最大,雷電流幅值為-14.7 kA,如表1所示。

        表1 地閃查詢統(tǒng)計結果Table 1 List of cloud-to-ground lightning flash

        2.3 線路雷擊故障分析

        2.3.1 繞擊耐雷水平計算

        利用ATP-EMTP進行桿塔繞擊耐雷水平計算,對故障桿塔進行建模如圖3所示。根據仿真結果,仿真電壓相角不同時,B相的繞擊耐雷水平如表2所示??梢钥闯觯珺相耐雷水平隨電壓相角呈現波動,總體來說,B相平均繞擊耐雷水平約為25.4 kA,當電壓相角為300°時,B相繞擊耐雷水平為24.5 kA,此時繞擊耐雷水平最低。

        表2 繞擊耐雷水平仿真結果Table 2 Lightning withstand level of shielding failure

        圖3 故障桿塔仿真圖Fig.3 Simulation of target tower

        根據桿塔繞擊跳閘率電氣幾何模型(EGM)計算方法[7],計算該基桿塔的最大繞擊雷電流,電氣幾何模型計算示意圖如圖4所示。

        圖4 電氣幾何模型示意圖Fig.4 Sketch of EGM

        依據公式(1)和公式(2),得到該基桿塔B相的最大繞擊雷電流約為80.67 kA。匯總前述計算可知,故障桿塔的繞擊雷電流幅值范圍為24.5 kA~80.67 kA。

        rs=8I0.65

        (1)

        (2)

        式中,rs為導線擊距,單位為m;I為雷電流幅值,單位為kA;rsk為臨界擊距,單位為m;β為對地擊距與對導線擊距比值;Y0為導線與地線中點高度,單位為m;α為地面傾角;d為導線與地線連線長度的一半,單位為m。

        2.3.2 反擊耐雷水平計算

        根據現場實測接地電阻7.1 Ω,對故障桿塔進行反擊耐雷水平計算,結果如表3所示。可以看出,當電壓相角位于180°~240°時,B相將發(fā)生反擊閃絡,平均反擊耐雷水平約為297 kA。

        表3 反擊耐雷水平計算結果Table 3 Lightning withstand level of lightning back-flashover

        2.3.3 耐雷水平分析

        故障桿塔的反擊耐雷水平約為297 kA,本次雷電幅值僅為-14.7 kA,接地電阻滿足設計要求,故排除反擊雷的可能。

        故障桿塔的繞擊雷電流幅值范圍為24.5 kA~80.67 kA,發(fā)生在2019年04月09日17時50分56秒870毫秒時刻的雷電流發(fā)生時間、地點等信息和故障發(fā)生時間及故障桿塔位置相吻合,幅值為-14.7 kA,未達到故障相繞擊耐雷水平??紤]到雷電定位系統(tǒng)探測的電磁波沿地表傳播,其受土壤電磁參數及地形起伏影響,易發(fā)生衰減和畸變,存在一定偏差(一般偏差率小于20%),故此次實際雷電流幅值最大可能為-14.7×1.2=-17.64 kA,仍小于桿塔繞擊耐雷水平,無法使線路發(fā)生繞擊跳閘,排除繞擊雷的可能。

        2.4 在線監(jiān)測視頻圖像分析

        為了進一步查清線路跳閘原因,運維人員調取了當天雷擊故障發(fā)生時段的線路附近通道可視化視頻。從安裝于該線路341號桿塔小號側的在線監(jiān)測視頻球機觀測,當跳閘故障發(fā)生的瞬間,故障桿塔附近出現一次閃電,閃電以一個主通道向下發(fā)展,產生兩個分支后以相對均衡的速度向地面發(fā)展,其放電路徑的形狀類似倒“Y”字形(見圖5,最終兩個閃電分支相繼接地,形成分叉雷[4]。

        圖5 視頻監(jiān)控中分叉雷截圖Fig.5 Image of “bifurcate lightning”in monitoring system

        通過觀察天氣良好情況下的視頻畫面(見圖6),可確認分叉雷放電路徑的一個末端位于靠近341號桿塔,另一個末端位于山體,該雷電連通了故障桿塔和山體。

        圖6 視頻監(jiān)控顯示時間為17:50:56時截圖Fig.6 Image at 17:50:56 in monitoring system

        為驗證分叉雷的存在,根據視頻畫面中的分叉雷放電路徑在山體側的接地位置,采用無人機進行探查,發(fā)現山體側一棵樹木存在雷電燒傷痕跡(見圖7)。由于雷電流較小,僅部分樹枝被燒傷,現場情況與本次-14.7 kA較小的雷電流幅值相吻合。

        圖7 本次雷擊樹木燒傷痕跡Fig.7 Burn mark on the tree struck by lightning

        2.5 雷擊原因分析

        根據相關研究[13],分叉雷這類具有多接地點的雷電并不是罕見現象,部分地區(qū)50%的地閃雷電具有多接地現象,當分叉雷的某一支先導通道先接地后,地面零電位波以接近光速向上傳輸,如果零電位沒有趕上另一支分叉通道的向下發(fā)展,則可能形成多接地先導。

        結合雷電特點,根據線路跳閘故障情況、雷電定位信息、現場視頻圖像分析等情況分析,可判定此次雷擊故障為特殊的閃電在線路附近分叉,形成倒“Y”字形的分叉雷,兩分叉末端分別擊中341號桿塔和山體,這兩個分支之間形成了導線對地的放電通道。此過程在該線路B相導線上形成的短時放電脈沖,進而引起保護動作跳閘。

        根據故障分析過程,分叉雷引起線路跳閘的發(fā)生機理與傳統(tǒng)的繞擊、反擊存在較大差異,具體對比分析見表4。

        表4 分叉雷、繞擊與反擊對比Table 4 Comparison with bifurcate lightning,shielding and lightning back-flashover

        3 結論與建議

        通過以上分析,本次該線路跳閘是由分叉雷直接導致341號塔B相導線對地接地所致,并非由常見的繞擊雷或反擊雷引起。這表明特高壓架空輸電線路雖然具有較高的耐雷水平,但受復雜自然環(huán)境影響,可能遭受具有產生多點接地點特點的分叉雷,仍存在較大的雷電防護難度。筆者根據該線路發(fā)生的一起特殊雷電跳閘故障,結合雷電特點,根據線路跳閘故障情況、雷電定位信息、現場視頻圖像分析等情況分析,得出以下結論。

        1)此次雷擊故障為國網轄區(qū)內首次獲取分叉雷擊中輸電線路相關影像資料,為輸電線路分叉雷擊故障形式的存在提供了直接證據,同時為雷擊故障研判技術完善提供了重要支撐。今后可選擇易發(fā)區(qū)段安裝視頻裝置進行監(jiān)測,積累分叉雷等特殊雷擊故障形式的防護經驗。

        2)分叉雷的不同分支之間可直接形成導線對地的放電通道,因此此類情況下線路是否跳閘與雷電流幅值、桿塔耐雷水平等因素無關。

        3)引起線路跳閘故障的分叉雷,其不同分支將在線路導線側和地面?zhèn)攘粝吕讚艉圹E;可根據現場排查情況,結合雷電定位系統(tǒng)、故障點現場視頻圖像等輔助信息,判定是否為分叉雷引起的線路跳閘故障。

        4)根據故障發(fā)生機理,分叉雷引起線路跳閘時需直接擊中導線,因此采用減小地線保護角、加裝側向避雷器等防雷措施,可提高對導線的屏蔽性能,起到預防分叉雷的作用。

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