220 kV 同塔双回线路雷击同跳事故仿真与闪络相分布

施纪栋，邓旭，周浩，沈志恒，龚坚刚，姜文东

(1.浙江大学电气工程学院，杭州市310027; 2.浙江省电力公司，杭州市310007)

220 kV 同塔双回线路雷击同跳事故仿真与闪络相分布

施纪栋1，邓旭1，周浩1，沈志恒1，龚坚刚2，姜文东2

(1.浙江大学电气工程学院，杭州市310027; 2.浙江省电力公司，杭州市310007)

220 kV线路广泛采用同塔双回架设方式，在遭受雷击时容易引起2回线路同时跳闸，严重影响电力系统的可靠运行。首先分析了发生在丽水和宁波地区的2起220 kV线路雷击同跳事故的全过程，进而在EMTP程序上搭建了考虑接地电阻、感应电压分量等因素的计算模型。仿真研究结果表明:丽水象鹤/象睦线在幅值为-179 kA的雷电流下发生四相闪络事故和宁波晓昌/晓洲线在-140 kA的雷电流下发生的三相闪络事故均得到准确复现，雷电流幅值、工频电压相位与闪络发生相可以很好地吻合，模型的计算结果与实际情况一致。基于上述仿真模型，进一步研究了220 kV同塔双回线路同跳事故的闪络相分布规律，结果表明工频电压是决定同跳事故闪络相最关键的因素。

同塔双回;同跳事故;仿真复现;工频电压;闪络相分布;雷击

0 引言

同塔双回输电线路具有走廊占地小、单面积传输容量大的特点，是220 kV输电线路广泛采用的输电方式。同杆并架的布置方式与同电压等级单回线路相比，杆塔高度增加，雷击面积增大，雷击时发生两回线路同时闪络时重合闸成功率不高，造成的损失十分严重［1-4］。近年来，广东、浙江等省都发生过多起220 kV同塔双回线路雷击同跳事故，广东省2009年总雷击跳闸次数达500余次，其中同时跳闸事故110余次，占21.0%，严重影响电力系统的可靠运行。

目前同塔双回线的雷击闪络研究主要针对500 kV超高压线路。由于绝缘水平较高，500 kV线路发生同跳事故的概率很低，而绝大部分威胁电网安全的同跳事故发生在110 kV和220 kV线路，尤以220 kV线路影响最严重。常规分析认为，雷电反击杆塔时，上层横担与下层横担之间有一定的高度差，雷电沿杆塔传播到接地装置时所引起的负反射波返回到塔顶或上层横担所需的时间更长，反射波对塔顶电位的限制作用较弱，使得上层导线形成较另外两相更高的过电压值，更加容易发生闪络事故［5-14］。但是实际发生的一起宁波晓昌/晓洲同塔双回线路雷击同跳事故中，闪络相都在中下相;另一起发生在丽水象鹤/象睦同塔双回线的雷击同跳事故则闪络相都在中上相。浙江省电力公司相关技术人员对此进行了讨论，难以给出合理解释［15］。而且现有文献很少针对220 kV电压等级下的同跳事故进行仿真研究，一般的同塔双回线路研究也多着眼于雷击跳闸率，缺乏对闪络相与闪络顺序规律的总结。因此，对220 kV同塔双回线路同跳事故进行研究十分重要［16-19］。

本文立足于丽水象鹤/象睦线与宁波晓昌/晓洲线实际发生的2次同塔双回线路同跳事故，建立EMTP模型进行仿真，实现事故复现，针对工频电压对耐雷水平与闪络发生相的影响进行研究，以期得出可供我国同塔多回线路设计应用参考的计算方法和结果［20-26］。

1 参数模型与计算方法

1.1 线路参数

1.1.1 丽水象鹤/象睦线

发生同跳事故的丽水220 kV象鹤4P28线/象睦4P27线同杆并架段，所使用导线是型号为2×LGJ-300/40的钢芯铝绞线。避雷线布置采用双根避雷线系统，2根避雷线采用不同材料，1根为JLB35-100铝包钢绞线与1根为OPGW1(28芯20B1+8B4)光缆。线路暂时安装耦合地线与避雷器用于防雷保护。

故障杆塔为直线型塔，塔型为SZS32A，呼称高为24 m，塔头采用4层横担布置形式，最上层横担悬挂避雷线，其结构如图1所示。

根据线路结构图，丽水线故障塔两侧水平档距分别为595 m和358 m。2回线的绝缘水平相同，均使用单联悬垂串，型号为LXHP4-70，单片绝缘子爬距146 cm，单串绝缘子片数为15片。综合考虑土壤电阻率等因素，计算时杆塔接地电阻均取15 Ω。

1.1.2 宁波晓昌/晓洲线

宁波220 kV晓昌4R19线/晓洲4R20线同杆并架段，导线型号为2×JL/LB20A-400/35。避雷线布置采用双根避雷线系统，2根避雷线均使用型号为OPGW-200(24芯)的光缆。线路未安装耦合地线和避雷器等防雷保护装置。

宁波晓昌/晓洲线发生故障的杆塔塔型为SZS42A，杆塔结构见图2，呼称高为36 m，塔头为4层横担布置形式。

故障塔两侧档距为544 m和333 m。按照同杆并架段2回线绝缘水平相同的原则，2回线均使用有效绝缘长度2 050 mm的复合绝缘子，且加装有均压环以改善绝缘子串上的电压分布。杆塔接地电阻与丽水线相同，从严考虑取15 Ω。

2条线路的相序布置情况如表1所示。

1.2 计算模型

1.2.1 雷击闪络判据

本文所进行的仿真试验中，雷电流采用2.6/50 μs斜角波。根据现行规程，防雷设计推荐使用的雷电流波头时间为2.6 μs，幅值为I，陡度取为I/2.6。仿真模型中使用IEC 60071-4中推荐的相交法作为绝缘子闪络判据，利用ATP中的TACS模块构造绝缘子闪络的伏秒特性曲线。

1.2.2 杆塔的波阻抗

杆塔的波阻抗与离地高度有关，随着高度的降低有相当的衰减，同塔双回线路杆塔的塔头布置也更加复杂。采用常规的规程法计算反击耐雷水平时，将线路所在杆塔用一等效电感代替，显然不能适用于同塔双回线路雷电性能的研究。采用改进多波阻抗模型将双回线路杆塔分段，对杆塔的水平横担、主干与支架分别计算波阻抗，使用Sargent波阻抗计算公式，即

式中:h为相应杆塔段高度，m;r为杆塔的等效半径，m。波在塔身及横担上的传播速度均为光速。

1.2.3 雷击塔顶时导线上的感应电压分量

我国规程规定雷击塔顶时导线上的感应过电压Ui为

式中:a为雷电流陡度;hc为导线对地平均高度;hg为避雷线对地平均高度;k0为导线和避雷线间的耦合系数。

采用式(2)计算线路感应过电压，尤其是对于高杆塔和特高杆塔线路(如同塔多回线路和大跨越线路)，其计算结果将远远大于实际值。而在欧美的部分国家和日本计算反击跳闸时，计算的感应电压要比我国规程法计算的小得多，甚至忽略感应电压的影响。综合考虑，本文仿真模型中计算感应电压分量时，采用武汉大学与国网武汉高压研究所提出的感应电压计算式:

1.3 计算原理

雷电分为绕击与反击，一般绕击雷由于避雷线的屏蔽作用，幅值一般不超过30 kA，只能引起一相闪络，因此同跳主要考虑的是反击雷。

雷电反击杆塔塔顶时，在双回线路6相绝缘子两端都形成幅值较大的电压差。当绝缘子的伏秒特性曲线与绝缘子两端电压差随时间变化的曲线相交时，绝缘子承受的电压达到了其50%雷电冲击放电电压，即发生闪络。模拟雷电反击杆塔的过程，即是通过不断改变雷电流幅值，观察各相绝缘子的闪络情况与雷电流幅值的关系。对于220 kV同塔双回线路，一回线路跳闸时部分雷电流能量通过跳闸的一回线路释放，增加了对正常运行线路的屏蔽作用。当雷电流幅值足够大时，仍然会在另一回线路绝缘薄弱点发生绝缘闪络，造成两回线路闪络跳闸，发生同跳。考虑自然界中的雷电流幅值一般为100～200 kA，不断增加雷电流幅值，记录发生一相闪络到四相闪络时的雷电流幅值与闪络发生相。在220 kV同塔双回线路发生的同跳事故中，工频电压对闪络相的影响至关重要。由于雷击发生瞬间导线上工频电压的随机性较大，为了考虑不同雷击时刻工频电压相位可能会有很大差异，将工频电压的1个周期划分为若干等分，每隔一定相位进行1次仿真计算。

2 两起同跳事故分析

结合事故调查资料以及线路运行参数，分析并推测出事故发生全过程，确定引起事故的雷电流幅值等数据，作为后文与仿真结果进行比较的依据。

2.1 丽水象鹤/象睦线同跳事故

根据丽水市电力局调度部门的故障情况报告: 2010年8月19日17:22，丽水象鹤/象睦线同杆并架段发生故障，开关动作，三相跳闸，重合闸不动作，17:58试送成功，线路恢复正常运行。

事故发生后，为了确定雷电流的幅值以便于同仿真结果进行比较，查询了雷电定位监测系统关于2次事故发生地附近雷电活动情况的记录，得出反击丽水线故障杆塔的雷电流约为-179 kA。

线路所连接变电站内安装有录波器，根据故障录波图记录下的线路各相电压、电流，可以推导出故障时刻的工频电压相位以及闪络发生相。图3为丽水同塔双回线路故障录波图，图中1、2、3分别代表A、B、C三相对地电流，4代表零序电流，5、6、7则分别代表三相对地电压。

雷击导致绝缘子闪络时，闪络相会产生接地短路电流，对应相的母线电压同时下降。从图3(a)中可见，0时刻之前三相对地电流很小，近似为0，零序电流值也很小，三相电压为正常的正弦波形。0时刻故障发生点之后，A、B两相出现频率与工频接近的对地电流，C相产生微小的感应电流，其幅值不大，而A、B两相的电压幅值有明显下降，C相电压几乎无变化。这说明在雷击导致的接地短路故障发生时，闪络相为A、B两相。观察0时刻A相电压的幅值，可以得出故障发生时工频电压相位在150°～180°。图3(b)中，由于象鹤线与象睦线为同一变电站的出线，二者工频电压相位完全相同，因而发生故障时的工频电压相位均为150°到180°之间。在0时刻三相电压、电流呈现与图3(a)象鹤线相同的特性，因此象睦线闪络相同样为A、B相。

2.2 宁波晓昌/晓洲线同跳事故

根据宁波市电力局调度部门的故障情况报告: 2011年8月27日7:14，宁波晓昌/晓洲线同塔并架段发生三相跳闸，重合闸不动作，08:03晓昌4R19线强送成功，晓洲4R20线一相跳闸，重合闸重合成功。雷电定位监测系统记录结果表明反击故障杆塔的雷电流约为-140 kA。

故障录波图的分析方法与丽水象鹤/象睦线相同，限于篇幅在此不予赘述。雷击分别导致晓昌线A、C相闪络和晓洲线A相闪络。短路发生瞬间工频电压A相的相位约为30°。

3 EMTP仿真结果对比

仿真结果与实际故障记录的对比共包括3方面。第一，在仿真实验中工频电压相位与实际雷击杆塔时的工频电压相位比较;第二，仿真得出的耐雷水平与实际引起故障的雷电流幅值比较;第三，仿真得出的闪络相与实际发生闪络相是否相同。比较结果显示，仿真模型的结果与实测结果吻合度很高，模型的可靠性与准确性得到验证。

3.1 丽水象鹤/象睦线双回同跳事故复现

使用EMTP程序仿真实现了丽水象鹤/象睦线四相闪络事故复现，计算结果中闪络相与杆塔横担对应关系如图4所示，计算结果如表2所示。

根据表2可知，在一个工频电压周期中，工频电压相位为150°～180°时，杆塔的四相闪络耐雷水平为174～180 kA，而雷电定位系统测得的实际引起事故的雷电流为-179 kA，二者能够较好地吻合。仿真实验中发生闪络的1上1中2上2中，即两回线的中上层导线，根据表1中线路的相序布置情况，上、中两相分别与B、A相对应，因此仿真闪络相也与线路实际跳闸情况完全一致。

3.2 宁波晓昌/晓洲线双回同跳事故复现

宁波晓昌/晓洲线发生的是三相闪络事故，杆塔布置情况与图4所示相同，仿真计算结果如表3所示。

根据表3可知，当工频电压相位为30°时，仿真结果显示可以引起杆塔发生三相闪络的最小雷电流幅值为142 kA，与实际故障中测得的-140 kA雷电流十分接近。仿真中发生闪络相为1中1下2中，结合相序布置即晓昌线A、C相和晓洲线A相，也与实际情况能够较好地吻合，进而从模拟仿真的角度证明了实际雷击同跳事故中，完全可能出现闪络相集中在中下相，而上相并未闪络的情况。

4 基于事故复现模型的闪络相分布研究

建立的仿真模型计算结果与实际事故情况吻合度很高，不仅引起同跳事故的雷电流幅值基本一致，而且事故发生时的工频电压相位、闪络发生相也相同，因此模型的准确性得到验证。基于此进一步研究了绝缘子两端电压差的各分量构成，经过比较得出对于220 kV同塔双回线路，工频电压分量是影响闪络相分布的关键因素。然后计算了不同工频相位、不同雷电流幅值下的闪络发生相，总结了闪络相的分布规律。

4.1 绝缘子两端电压差

雷电反击引起绝缘子闪络，是因为绝缘子两端电压差超过了其所能承受的最大耐压值。一般认为，影响线路绝缘子两端的电压差主要有以下4个分量:(1)雷电流分流经由杆塔入地时，在横担以下的塔身电感和杆塔冲击接地电阻上造成电压降，使横担与大地之间产生电压差，称为塔顶电压分量;(2)塔顶电压沿着避雷线传播而在导线上感应出来的耦合电压分量;(3)雷云放电瞬间，导线上产生与雷云极性相反的感应电压分量;(4)导线上的工频电压分量。绝缘子两端的电压差为绝缘子一端连接的导线电位减去另一端连接的杆塔的电位，而杆塔的对地电位取决于塔顶电压分量，另3个分量之和共同决定了导线的对地电位。

仿真实验基于丽水线故障复现成功的模型，将4个电压分量分为工频电压与非工频电压2类，显然非工频电压分量受雷电流幅值影响很大。考虑实际反击雷电流幅值一般在-100 kA至-200 kA之间，仿真中以-120 kA为例，比较各电压分量在绝缘子两端电压差中所占的比例。在雷击发生时刻工频电压相位是随机的，考虑工频电压的周期性，可以代表性地选取上相导线工频电压相位0°为计算条件。计算结果如表4所示。

表4中给出的数值均为对地电位，其中雷电流为负极性，因而塔顶电压对地电位为负值;耦合电压分量与塔顶电压同极性，对地电位为负值;感应电压与雷云极性相反，故对地电位为正值;工频电压则周期性变化。

由于同塔双回线路的杆塔呈对称结构，而雷电反击时考虑雷击点为塔顶中央，因此两回线路绝缘子电压差中的塔顶电压分量是相同的。耦合电压分量则会受到避雷线材质的影响，本次仿真中2条避雷线分别为铝包钢绞线与OPGW材料，两回线的耦合电压分量稍有不同。感应电压分量只与离地高度以及雷电流幅值有关，因此两回线的感应电压也相同。因为相序布置相同，两回线的工频电压分量也是相同的。

将非工频电压分量与工频电压分量对比，可以发现塔顶电压分量、耦合电压分量、感应电压分量的幅值较大，但是非工频电压分量之和相差不多。以表4中一回线为例，非工频电压之和最大的为中相1 639 kV，最小的为下相1 583 kV，相差56 kV。相比之下，上相与下相的工频电压分量相差了312 kV，远超过非工频电压分量。虽然塔顶电位幅值远远高于其他3个分量，同时呈现出上相＞中相＞下相的规律，而由塔顶电位感应出的耦合电压分量也有随高度增加幅值上升的规律。但是决定是否闪络的根本因素是绝缘子两端电压差值是否超过其耐压值，而雷电反击220 kV线路杆塔时，工频电压对绝缘子两端电压差的影响显然大于非工频电压分量，发生雷击时刻工频电压的相位是决定闪络发生相的最重要因素。

4.2 闪络相变化规律

受工频电压的影响，一条220 kV同塔双回线路遭受雷击时，即使是同样幅值的雷电流在不同时刻反击杆塔所引起的闪络相也会发生变化。为进一步研究同跳事故发生闪络相的变化规律，本文使用丽水线的仿真模型，工频电压相位以A相为基准，每30°为1种工况，进行仿真模拟。在每个工频电压相位下，通过不断调整雷电流幅值，对发生一相闪络至四相闪络的情况均进行了计算，结果记录如表5所示。

根据表5可知，同层横担的两相容易相继发生闪络。线路采用同塔双回架设方式时，两回线路采用了相同的相序布置方式，因此同名相的耐雷水平十分接近。为了减小雷击同跳事故引起双回线路同跳的概率，两回线路最好采取不同相序布置。为了进一步研究闪络相分布，统计分布概率如表6所示。

雷击220 kV同塔双回线路时，不同横担各相发生闪络的概率总体相差不大。根据4.1节中绝缘子两端电压差的分析，塔顶电压分量、耦合电压分量与感应电压分量综合作用，采用对一个工频电压周期进行计算排除工频电压分量影响。一相发生闪络后，雷电流经过击穿的绝缘子流经杆塔入地，雷电流分流后各相绝缘子两端电压差发生变化，计算结果显示:两相闪络中，同层横担的另一回线路同名相紧接着发生闪络的概率较高。当发生三相与四相闪络时，上相的闪络概率明显高于中下相，但是考虑雷击不同时刻工频电压相位的差异，闪络完全可能发生在中下相。220 kV线路雷击闪络分析应重视工频电压的影响，不能直接认为上层横担导线绝缘子应最先发生闪络。

5 结论

(1)仿真得出丽水线在工频电压相位180°左右时，174 kA的雷电流引起2回线的上中共四相线路绝缘子闪络，宁波线在工频电压相位30°左右时，142 kA的雷电流引起两中一下共三相线路绝缘子闪络，雷电流幅值、工频电压相位、闪络发生相都与实际情况吻合度很高，成功复现了220 kV同塔双回线路同跳事故，证明了所建仿真模型的正确性。

(2)雷击220 kV同塔双回线路时，绝缘子两端电压差分为工频电压分量与非工频电压分量。非工频电压分量包括塔顶电压分量、耦合电压分量和感应电压分量，且呈现出从上相到中相、下相随高度下降而减小的规律，这也是常规分析通常推测上相闪络可能性更高的原因，但实际上这样的分析是片面的。

(3)基于复现成功的模型，计算雷电反击杆塔时各相绝缘子两端电压差，并对工频与非工频电压分量进行了分析比较。结果显示，每一相的非工频电压分量虽然幅值较大，但是非工频电压分量之和相差不多，仅为56 kV，而工频电压分量差值可达312 kV。因此在研究雷击220 kV同塔双回线同跳事故时，工频电压分量是影响闪络相的首要因素，不同雷击时刻工频电压的相位是导致闪络发生在不同相的真正原因。

(4)分析随雷电流幅值的增加，同塔双回线路发生同跳事故的闪络相与工频电压的关系。当同塔双回线路2条线的相序布置相同时，同层横担的两相的耐雷水平比较接近，容易发生相继闪络。第二闪络相多为第一闪络相的同层横担相。多相闪络时闪络相存在依次增加的特性。因此，从尽量避免雷击引起同塔双回线路2回线同时跳闸的角度考虑，2回线路宜采用不同的相序布置。

(5)通过对不同的工频电压相位下同跳事故闪络相分布的概率进行分析，指出雷击引起三相绝缘子闪络的概率总体相差不多。传统理论中认为中上层导线闪络概率更高的分析，并不适用于220 kV同塔双回线路。在针对220 kV同塔双回线路的防雷保护中，中下相的保护措施同样不容忽视。

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(编辑:张媛媛)

Lightning Multi-Tripping Accidents and Flashover Phases Distribution in 220 kV Double-Circuit Transmission Lines

SHI Jidong1，DENG Xu1，ZHOU Hao1，SHEN Zhiheng1，GONG Jiangang2，JIANG Wendong2
(1.College of Electrical Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China; 2.Zhejiang Electric Power Corporation，Hangzhou 310007，China)

The multi-tripping accidents often occur in 220 kV double-circuit transmission lines under lightning，which has serious influence on the reliability of power system.Firstly，two lightning multi-tripping accidents that happened in Lishui and Ningbo were analyzed.Then，the model with considering grounding resistance，induced voltage component and other factors was built based on EMTP program.The simulation results show that it can realize the accurate reappearance of the four-phase flashover accident caused by the lightning current with-179 kA amplitude in Lishui Xianghe/Xiangmu line，as well as the three-phase flashover accident caused by the lightning current with-140 kA amplitude in Ningbo Xiaochang/Xiaozhou line. The lightning current amplitude and the phase of power frequency voltage can be good match with flashover phases，and their values derived from the model match the real data perfectly.Based on the simulation model，this paper further studied the flashover phase distribution law of multi-tripping accidents in 220 kV double-circuit transmission lines.The results show that the power frequency voltage is the key issue that decides the flashover phases of multi-tripping accidents.

double circuit transmission line;multi-tripping accidents;simulation reappearance;power frequency voltage;flashover phase distribution;lightning

TM 863

A

1000－7229(2014)01－0050－07

10.3969/j.issn.1000－7229.2014.01.010［HT］

2013-08-26

2013-09-22

施纪栋(1991)，男，硕士研究生，主要从事输电线路防雷与配电网过电压方面的研究工作，E-mail:jidong_shi@163.com;

邓旭(1990)，男，硕士研究生，研究方向为高压、特高压直流输电的过电压与绝缘配合;

周浩(1963)，男，教授，博士生导师，主要从事电力系统过电压、直流输电等方面的研究工作;

沈志恒(1988)，男，硕士研究生，主要从事输电线路防雷方面的研究工作;

龚坚刚(1964)，男，高级工程师，线路主管，研究方向为提高输电线路的可靠性和巡视效率;

姜文东(1978)，男，高级工程师，从事输电线路运行管理工作。