黃明亮 陳謀捷 賴丁財(cái) 陳秋敏 蔡志堅(jiān)

(國網(wǎng)泉州供電公司,福建 泉州 362000)

1 概述

輸電線路是電力系統(tǒng)的大動(dòng)脈,是電力系統(tǒng)能量流動(dòng)的重要部件。雷電是雷雨云中的正負(fù)電荷不斷積累,當(dāng)電位差大于擊穿空氣介質(zhì)需要的電場強(qiáng)度時(shí)產(chǎn)生的放電現(xiàn)象[1]。雷電發(fā)生時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)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(fù)雜地區(qū),雷電災(zāi)害成為輸電線路最為主要的外力災(zāi)害之一,占所有故障的50%左右[1]。因此,對(duì)輸電線路雷擊故障進(jìn)行分析,對(duì)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)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(fā)生機(jī)制,并基于ATP-EMT建立110 kV輸電線路雷電仿真模型,構(gòu)建特征量來判斷不同故障類型;路永玲等[3]基于背景平臺(tái)提供的大數(shù)據(jù)處理集群技術(shù),以樸素貝葉斯算法結(jié)合時(shí)間序列相似性故障匹配建立輸電線路故障預(yù)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(dòng)、地形地貌、桿塔結(jié)構(gòu)等因素對(duì)雷擊跳閘的影響,并根據(jù)分析結(jié)果提出相應(yīng)的防雷措施。

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

2 案例概況

2020年9月7日,某變電站的某220 kV線路發(fā)生Ⅰ、Ⅱ路縱聯(lián)距離動(dòng)作,距離Ⅰ段保護(hù)動(dòng)作、縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作,開關(guān)三相跳閘,重合閘閉鎖未動(dòng)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(gè)基塔,線路投運(yùn)至本次故障前運(yùn)行平穩(wěn),未發(fā)生跳閘事件。在故障發(fā)生后,根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀笈_(tái)顯示,故障時(shí)線路周邊為雷雨天氣,雷電活動(dòng)跡象頻繁。經(jīng)調(diào)查,該線路#12塔、#19～#20塔、#30塔附近在故障發(fā)生時(shí)有落雷,線路有火光。查找雷電智能監(jiān)測系統(tǒng),2020年9月7日16時(shí)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(xù)回?fù)?距離最近塔段為#19～#20塔。經(jīng)過分析后,安排人員重點(diǎn)排查線路#12～#23塔,發(fā)現(xiàn)Ⅰ路#19塔,Ⅱ路#20塔BC相絕緣子及均壓環(huán)有雷擊閃絡(luò)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(jīng)過現(xiàn)場查看,線路Ⅰ、Ⅱ路#19塔塔高57.1 m,周邊無高大建筑,大號(hào)側(cè)100 m處跨越一個(gè)小型水庫,小號(hào)側(cè)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(hào)側(cè)120 m處跨越一個(gè)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(dǎo)地線均明顯高于周邊地勢,雷電發(fā)生時(shí)極易遭受雷擊。查找雷電智能監(jiān)測系統(tǒng)(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(xù)回?fù)?。結(jié)合查找結(jié)果,判斷此次跳閘原因?yàn)槔讚簪衤?19塔、Ⅱ路#20塔導(dǎo)致線路跳閘:Ⅰ路#19塔和Ⅱ路#20塔相關(guān)信息如表1所示。

圖2 雷電智能監(jiān)測系統(tǒng)

表1 故障桿塔基本信息

4 計(jì)算分析

反擊閃絡(luò)和繞擊閃絡(luò)是輸電線路發(fā)生雷擊閃絡(luò)故障的兩種形式[5],若雷電擊于桿塔、避雷線等除導(dǎo)線外的部件上,因雷擊而導(dǎo)致的線路閃絡(luò)稱為反擊閃絡(luò)故障,在雷電直接擊中導(dǎo)線或避雷線屏蔽失敗的情況下引起的線路閃絡(luò)稱為繞擊閃絡(luò)故障。依據(jù)現(xiàn)行電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合》(DL /T 620—1997)的規(guī)定,繞擊耐雷水平計(jì)算公式如下:

(1)

反擊耐雷水平計(jì)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(dān)高度;ht為桿塔平均高度;hc為導(dǎo)線懸掛點(diǎn)平均高度;Ri為桿塔沖擊接地電阻;β為桿塔分流系數(shù);Lgt為桿塔等值電感;k為電暈修正后耦合系數(shù);k0為避雷線與導(dǎo)線間的幾何耦合系數(shù);I2單位為kA。反擊耐雷水平計(jì)算參數(shù)如圖3所示。

圖3 反擊耐雷水平計(jì)算參數(shù)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(chǔ)數(shù)據(jù)代入公式,得到繞擊耐雷水平與反擊耐雷水平,結(jié)果如表2所示。

表2 輸電線路耐雷水平計(jì)算(雙避雷線)

計(jì)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(shè)計(jì)桿塔75～110 kA的耐雷水平。由于桿塔的反擊耐雷水平遠(yuǎn)大于繞擊耐雷水平,當(dāng)雷電流幅值較小且接近繞擊耐雷水平時(shí),發(fā)生繞擊閃絡(luò)的概率比較大;當(dāng)雷電流幅值較大且接近或大于反擊耐雷水平時(shí),發(fā)生反擊閃絡(luò)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(dǎo)致正負(fù)電荷分離,負(fù)電荷位于云層下部,在大地上感應(yīng)正電荷,在云層與大地之間形成強(qiáng)大的電場,當(dāng)電場強(qiáng)度大于空氣絕緣強(qiáng)度時(shí)會(huì)發(fā)生擊穿。雷電放電主要分為先導(dǎo)放電和主放電[6],當(dāng)先導(dǎo)放電向下發(fā)展時(shí),地面的高聳物體如輸電鐵塔等會(huì)引起電場的畸變,引起周圍發(fā)生電離,產(chǎn)生上行先導(dǎo),當(dāng)上行先導(dǎo)與下行先導(dǎo)碰撞中和時(shí)會(huì)產(chǎn)生大電流,稱之為主放電。主放電后,由于主放電通道的電導(dǎo)率會(huì)小于周圍電導(dǎo)率,臨近電荷聚集中心將繼續(xù)沿此次通道進(jìn)行自上而下的先導(dǎo)放電,也就是可觀測到的雷電流回?fù)衄F(xiàn)象,如圖4所示。

圖4 雷擊主放電與回?fù)羰疽鈭D

根據(jù)雷電系統(tǒng)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(xù)回?fù)?兩基塔均為鼓形塔,避雷線保護(hù)角為0°,在線路#19、#20塔B、C相導(dǎo)線的側(cè)均壓環(huán)上均發(fā)現(xiàn)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(dǎo)線產(chǎn)生。

5 改進(jìn)措施

根據(jù)線路設(shè)計(jì)運(yùn)行參數(shù)及現(xiàn)場運(yùn)行環(huán)境提出以下改進(jìn)措施。

①線路避雷器可以提高線路的抗雷能力。根據(jù)公司已裝線路避雷器的雷擊跳閘故障統(tǒng)計(jì)來看,裝設(shè)避雷器可以有效減小雷擊故障導(dǎo)致的跳閘發(fā)生概率。根據(jù)運(yùn)行實(shí)踐證明,線路易發(fā)生雷擊的區(qū)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(qū)域和較為潮濕的山丘盆地等。此次發(fā)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(yīng)該加入裝設(shè)避雷器的范疇之內(nèi)。在裝設(shè)避雷器時(shí),應(yīng)該根據(jù)現(xiàn)場實(shí)地考察擴(kuò)大裝設(shè)點(diǎn)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(cuò)綜復(fù)雜環(huán)境的影響。

②在一定范圍內(nèi),線路保護(hù)角越小,避雷線對(duì)線路起到的保護(hù)作用就越大,在一些山區(qū)多雷地區(qū)可以采用負(fù)保護(hù)角,同桿雙回線使用 0°～-5°,山區(qū)同桿雙回路可使用-8°～-12°[7]。考慮到經(jīng)濟(jì)性,對(duì)多年運(yùn)行線路整體進(jìn)行改造會(huì)浪費(fèi)資源,因此對(duì)新建線路或在山區(qū)等多雷區(qū)的保護(hù)可采用負(fù)保護(hù)角設(shè)計(jì)。

③本次故障因雷電定位信息數(shù)據(jù)延時(shí)將近2 h,在一定程度上影響了故障查找的效率。應(yīng)完善雷電監(jiān)測系統(tǒng),更加及時(shí)、完整地反映雷電發(fā)生的準(zhǔn)確定位及雷電流幅值,提高輸電檢修工作的效率。輸電運(yùn)維人員應(yīng)根據(jù)歷年雷電監(jiān)測系統(tǒng)的信息,對(duì)雷電發(fā)生和活動(dòng)規(guī)律的進(jìn)行總結(jié)分析,對(duì)不同雷電進(jìn)行等級(jí)劃分,提出更符合實(shí)際的防雷措施。

④此次故障原因是雷電反擊閃絡(luò),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(huì)導(dǎo)致桿塔橫擔(dān)電位增大,從而絕緣子兩端通過的電壓也將增大,導(dǎo)致反擊閃絡(luò)變大。因此,在線路設(shè)計(jì)初期,可以在滿足安全運(yùn)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(duì)歷年發(fā)生雷電故障的桿塔,可以針對(duì)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(fù)合接地裝置等新型材料。

6 結(jié)束語

針對(duì)220 kV輸電線路雷擊防護(hù)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(qū)減小避雷線保護(hù)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(jìn)措施。由于雷電具有不穩(wěn)定性和難預(yù)測性,并且對(duì)輸電線路的破壞性極大,輸電線路防雷措施是一項(xiàng)需要長期探索、持續(xù)改進(jìn)的工作,應(yīng)通過分析歷次線路雷擊故障,總結(jié)規(guī)律,不斷積累運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),從而提高輸電線路整體耐雷水平。