220kV同塔双回线路雷击双回同跳防雷改造

贾 茹，鲁志伟，王艺霖，宋庆秋

(1.东北电力大学 电气工程学院，吉林 吉林 132012；2.国网吉林省电力有限公司 通化供电公司，吉林 通化 134001)



220kV同塔双回线路雷击双回同跳防雷改造

贾 茹1，鲁志伟1，王艺霖1，宋庆秋2

(1.东北电力大学 电气工程学院，吉林 吉林 132012；2.国网吉林省电力有限公司 通化供电公司，吉林 通化 134001)

同塔双回输电线路双回同跳严重威胁电网的安全稳定运行。某地区220 kV同塔双回输电线路发生过2次雷击造成双回同跳事故，采用EMTP软件对事故进行仿真复现。仿真计算结果表明：一定幅值的雷电流击中塔顶时，可能造成与现场实际吻合的双回线路C相同跳。通过比较绝缘子串两端雷电过电压中几个分量对最终闪络电压的贡献度得知，220 kV线路工频相位是影响双回输电线路ABC三相闪络顺序的主要原因。降低杆塔冲击接地电阻和安装线路避雷器是提高耐雷水平和降低雷击跳闸率最简单可行的措施。当非全相安装避雷器时，若每回路安装一支避雷器，建议安装在下相；若每回路安装两支避雷器，建议安装在中相和下相。

同塔双回输电线路；防雷保护；ATP-EMTP；耐雷水平；工频电压；线路避雷器

电网建设的规模越来越大，在人口稠密经济发达地区输电线路走廊资源日趋紧张，面对线路走廊用地和土地利用的矛盾，我国开始采用多回线路同塔并架技术[1]。2004年国内首条220 kV同塔四回水平架设输电线路在江苏地区投入运行，线路全长5.417 km。截至2010年8月，广东电网运行的220 kV及以上线路共计786回，其中全部同塔或部分段同塔的线路605回，占总输电线路比例的76.9%[2-3]。

由于同塔多回输电线路杆塔更高，雷击暴露面积较大，使其比单回线路更易发生雷击跳闸事故，而且相比于单回线路，双回线路可能发生双回同跳的故障，对系统产生较大冲击，引起各地电力部门的高度重视[4-5]。因此，避免220 kV同杆双回线路发生同跳事故成为保证电网稳定运行亟待解决的关键问题。

1 反击计算模型

1.1 闪络分析模型

雷击线路分为反击和绕击，一般来说绕击只能引起一相导线闪络，而反击则可能导致线路发生多相闪络。目前，计算雷电反击耐雷水平的方法主要是采用EMTP软件对线路及杆塔建模，模拟雷击时的电磁暂态过程。

1.2 杆塔多波阻抗模型

本文的EMTP仿真计算杆塔模型采用多波阻抗模型[6-8]。故障35#塔和37#塔塔型如图1所示。

1.3 雷电流模型

根据雷电性质，运用彼德逊法则对其等效，将雷电流等效为一个电流源和一个雷电通道波阻抗的并联，电流源采用2.6/50 μs负极性斜角波，雷电通道波阻抗取300 Ω。

1.4 绝缘子串闪络模型

本文通过IEC60071-4推荐的相交法判据判断绝缘子串是否闪络，即认为雷电过电压的曲线和绝缘冲击放电伏秒特性曲线相交为闪络。根据Matlab对220 kV绝缘子串正极性放电的伏秒特性Ue1的指数函数拟合，可得[9]：

Ue1=1 085+5 98e-t/4+2 256e-t/0.83，

(1)

绝缘子串的负极性放电电压近似取正极性的1.2倍。在EMTP仿真软件中，用TACS模块将绝缘子串伏秒特性读入电磁暂态计算中，EMTP计算模型如图2所示。

图1 故障塔塔型图2 故障杆塔与绝缘子串模型

2 事故复现

某地区Ⅰ回、Ⅱ回220 kV同杆双回线路全长29.45 km。全线共95基杆塔，其中铁塔76基，钢管塔19基。于2008年4月投入运行。运行至今发生过2次雷击造成双回同跳事故，双回同跳雷击跳闸率高达0.970 2次·(100k m·a)-1。

2.1 线路跳闸情况

2009年8月14日11：14时分该线路Ⅰ回、Ⅱ回纵差保护动作跳闸，重合成功，故障相均为C相。故障录波器测距：Ⅰ回257断路器13.9 km、Ⅱ回258断路器14.6 km。原因是当天雷雨天气，雷击造成Ⅰ回、Ⅱ回35#塔C相绝缘子闪络。

2011年7月11日8：17时分Ⅰ回、Ⅱ回两端RCS-931B、CSC-103B纵差保护动作跳闸，C相故障，重合成功，测距分别为14.7和15.5 km，输电管理处查线原因为：Ⅰ回、Ⅱ回37#塔C相绝缘子雷击闪络。该线路Ⅰ回、Ⅱ回相序示意图如图3所示。

图3 相序示意图

2.2 事故复现仿真结果

由于35#、37#塔均为C相同跳，故这里只复现37#塔的雷击闪络事故，35#塔同理。使用如上计算模块组成的电磁暂态仿真模型，用EMTP计算该塔的一相、两相、三相和四相闪络耐雷水平(雷击瞬间A相工频相位为0°)。在模拟计算中，杆塔接地电阻取14 Ω。图4至图7为在不同雷电流下，37#塔双回线路发生1-4相绝缘子闪络波形图(绝缘子两端电压差降为零绝缘闪络)。

由仿真闪络波形可知，当A相工频相位为0°，125 kA的雷电流击中杆塔顶端时将造成双回同跳故障，且同跳相为Ⅰ回C相(中层相)和Ⅱ回C相(下层相)。

图4 107kA雷电流时单相闪络波形图5 125kA雷电流时两相闪络波形图6 176kA雷电流时三相闪络波形图7 194kA雷电流时四相闪络波形

3 同跳机理分析

3.1 闪络原因

当雷电流击中某一杆塔的塔顶时，该杆塔的绝缘子串会产生过电压，过电压包括以下四个分量[10-11]：

Vins(t)=Vcr(t)+Vpf(t)+Vi(t)-Vco(t) ，

(2)

式中:Vins(t)为绝缘子串两端过电压；Vcr(t)为雷电流流经杆塔在横担上产生的过电压；Vpf(t)为导线上工频电压；Vi(t)为感应过电压；Vco(t)为避雷线对未闪络导线的耦合过电压。而在利用EMTP软件进行暂态计算时，线路模型的计算包含耦合电压的计算。因此，对Vins(t)做主要贡献的是Vcr(t)、Vpf(t)和Vi(t)。

由上述模拟计算可知，当雷电流达到107 kA时，37#塔发生Ⅰ回C相闪络。表1给出了106 kA雷电流击于塔顶时(雷击瞬间A相工频相位为0°)，绝缘子串未闪络时各分量对Vins(t)的贡献度。由表1可见：

(1)三个分量中，Vcr(t)对Vins(t)贡献最大，占冲击耐压水平68%以上；

(2)C相(中层相)绝缘子串两端实际电压最大(1 507 kV)，当雷电流提高到耐雷水平-107 kA时，C相将首先发生闪络，与现场事故一致；

表1 三个分量对的贡献比较

图8 一个周期内ABC三相电压变化

3.2 工频相位影响

若不考虑Vcr(t)和Vi(t)的影响，仅考虑导线上工频电压的变化对绝缘子的影响，实际的闪络顺序为三相中瞬时电压最大值出现的顺序[12]，即图8中的实线。一个周期内单相闪络顺序，如表2所示。

表2 导线闪络顺序

为了讨论工频电压对杆塔耐雷水平和闪络相的影响，分别计算各工频相位角下的耐雷水平以及其闪络相。由于发生三相、四相同跳的相序组合繁多，且两次现场事故均发生两相闪络跳闸事故，本文只讨论单回、双回闪络的情况。表3为在不同相位(以A相导线为基准)下，37#杆塔发生单相闪络和两相闪络的耐雷水平及其闪络相。图9给出了单相闪络和两相闪络的耐雷水平随相位的变化。

由表3和图9可见：

(1)在A相工频相位为0°，300°，330°时会出现两回C相同跳的情况，与现场故障一致；

(2)无论单相还是两相耐雷水平与图8实线变化规律大体一致，成周期性起伏；

(3)两相的耐雷水平比单相耐雷水平高，这是因为一相闪络后，给部分雷电流提供从相导线泄流的通道而降低塔顶电位，且在相邻相上产生耦合电位，使绝缘两端电位差降低[13-14]。

4 防止双回线路同跳的措施

线路建成运行后相序无法更改，一般提高线路耐雷性能的手段是安装线路避雷器和降低杆塔冲击接地电阻。运行经验和理论分析均表明，线路避雷器可确保不发生雷击闪络。如同塔双回线路每相安装1支避雷器，则1基杆塔需6支避雷器，而高电压等级线路避雷器昂贵，造成防雷改造费用很高。另由于导线垂直排列使各相耐雷水平相差较大，在保证线路具有较高耐雷水平的条件下，技术经济比较建议采用非全相安装线路避雷器[15-17]。因此需要对避雷器安装位置进行研究。

该地区220 kV同塔双回线路相序布置具有对称性，上层相均为B相，下两层A相与C相从工频相位角度来看是一致的，即两回C相同跳与两回A相同跳两种情况从物理本质上讲一致(杆塔横担电位一致，感应电压一致，工频电位都成周期性变化)。

由表3可知，220 kV同杆双回线路的同跳闪络顺序与工频相位有关，在12个相位情况中，同名相跳的有9种情况，其中只有180°和210°时，两回线路的上层B相闪络，其余7种情况为两回中层和下层相闪络，即两回C相或A相同跳，占12种情况的58.3%；另三种异名相闪络情况，即150°是1A2B闪、240°是1C2B闪和270°是1B2C闪。12种双回同跳事故中，包含中层或者下层相闪络的情况共10种，占12种情况83.3%。两相闪络的仿真结果表明，中相和下相更易闪络，原因是下层和中层相离避雷线较远，耦合电压较低，而耦合电压低会增加绝缘子串两端电位差，更易造成闪络。所以两回线路中的C相和A相更容易闪络。若只加一组避雷器(2支，两回各一支)，建议加在A相或者C相；若加两组避雷器(4支，两回各两支)，建议加在A相和C相。

表3 耐雷水平及跳闸相

注：跳闸相1C代表Ⅰ回C相闪络，1C2C代表Ⅰ回C相Ⅱ回C相同时闪络。

采用EMTP仿真计算(只讨论A相工频相位为0°时的情况)线路避雷器提高线路耐雷水平的作用。表5和表6分别为两种避雷器安装方式时线路双闪耐雷水平与不安装避雷器时线路双闪耐雷水平之比，表7和表8为对应的跳闸率。不同的安装方式220 kV同杆双回输电线路对应的双闪耐雷水平与接地电阻的关系，如图10所示。

图9 工频相位对耐雷水平的影响图10 三种避雷器安装方案下的双闪耐雷水平

根据耐雷水平以及跳闸率的仿真结果可知：

(1)安装线路避雷器是提高输电线路耐雷水平和降低雷击跳闸率最有效的措施。双回线路安装4支避雷器比安装2支避雷器以及安装2支避雷器比不安装避雷器，双闪耐雷水平均能提高40 kA左右；

(2)若杆塔冲击接地电阻可以降到10 Ω以下，可以两回路各安装一支避雷器，且安装在下层相防雷效果最好；

(3)若杆塔所处区域土壤电阻率很高，接地电阻难以降低，可以两回路各安装两支避雷器，安装在中层相和下层相的防雷效果好。

5 结 论

本文通过EMTP电磁暂态计算软件对某地区220 kV同塔双回输电线路的两次雷击同跳事故进行故障复现。仿真结果表明工频相位是造成同塔双回线路导线闪络顺序的主要原因。降低杆塔冲击接地电阻和安装线路避雷器是提高耐雷水平有效的措施。杆塔接地电阻较低时，每回路各安装一支避雷器，安装在下层相防雷效果好；杆塔接地电阻较高时，每回各安装两支避雷器，安装在中层相和下层相防雷效果好。

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Lightning Protection for the Flashover of 220kV Double-Circuit Transmission Line on The Same Tower

Jia Ru1，Lu Zhiwei1，Wang Yilin1，Song Qingqiu2

(1.Electrical Engineering College，Northeast Electric Power University，Jilin Jilin 132012；2.State Grid Jilin Electric Power Company Limited Tonghua Power Supply Company，Tonghua Jilin 134001)

Double-circuit transmission line double-circuit flashover is a big accident，which is bad for the stability of the power system.There were two double-circuit transmission line double-circuit flashover hitting in a certain region，the paper use EMTP lightning flashover model to simulate.The results shows that when the lightning hit the top of the tower will cause the C-phase flashover，which is consistent with actual running situation.Through the comparison of the contribution of several components in lightning overvoltage to the final overvoltage on the insulator，we learn that power frequency voltage is the main reason affecting double-circuit transmission line flashover’s order.Reducing the impulse grounding resistance and installing line lightning arrester is the most effective ways of improving the lightning resisting level and reduce lightning trip-out rate.According to the result analysis，if only one-phase line arresters are installed on 220kV double-circuit transmission line，they should be installed on middle-phases or bottom-phase；if two line surge arresters are installed on two phase on every circuit，they should be mounted on two middle and two bottom phases.

Double-circuit transmission line；Lightning Protection；ATP-EMTP；Lightning withstand level；Power frequency voltage；Line arrester

2017-03-12

贾 茹(1992-)，女，在读硕士研究生，主要研究方向：高电压与绝缘技术.

1005-2992(2017)03-0007-06

TM863

A

电子邮箱： 980016810@qq.com(贾茹)；1443958749@qq.com(鲁志伟)；85066625@qq.com(王艺霖)；13943592950@163.com(宋庆秋)