两起220 kV同塔双回线路雷击跳闸故障分析及防雷措施

孔令雪，费藤答

(1.国网长春供电公司，长春 130021; 2. 国网吉林省电力有限公司电力科学研究院，长春 130021)

电力作为国民经济的重要能源，供电的可靠性关系到国家的政治、经济、文化和民生等方面。随着社会文明化程度的不断提高，对电网的安全运行和电能质量要求日趋提高[1]。依据国内外多年对雷电活动的观测统计，高压输电线路跳闸事故中40%～70%是由雷击引起的，日本的雷击故障跳闸率占到了50%[2]。国家电网公司220 kV线路由于雷击造成的跳闸故障占故障总数的近40%，成为影响输电线路安全稳定运行的最大因素[3]。

本文基于ATP-EMTP电磁暂态仿真软件，对两起220 kV同塔双回输电线路雷击跳闸故障进行仿真计算(以下使用线路1和线路2代指)，研究分析雷击跳闸原因和过程，提出改进意见，为今后同塔双回输电线路差异化防雷提供依据。

1 同塔双回线路雷电绕击故障分析

1.1 故障基本情况

20190619T16：41：00，220 kV线路1乙线双套纵联保护动作，断路器跳闸，重合成功，故障相为A相，故障测距在170号杆塔附近，故障区段为雷雨天气。通过现场勘察，在位于山顶的170号杆塔发现中线A相玻璃绝缘子有明显雷击闪络痕迹。 2019年6月20日测量故障杆塔接地电阻结果为19.6 Ω，而2018年6月测量该杆塔接地电阻值为7.2 Ω。

根据雷电定位系统查询，故障时间点前后1 min内故障线路周边范围1 km内有3处雷电活动记录，其中雷电流为-9.4 kA，与故障时间重合，落雷点距故障杆塔170号为39 m，并结合保护测距和现场巡视情况，确定本次造成线路1乙线故障区段为170号，雷电流为-9.4 kA。

1.2 绕击仿真计算

故障区段基本情况：线路全长69.109 km，故障杆塔号170，故障杆塔型号SZ2-24，地面倾角40°，边相导线保护角21.4°，接地电实测值19.6 Ω，导线型号LGJQ-400/50，地线型号GJ-50、光纤复合架空地线(OPGW)，绝缘子型号U70BP/146D，绝缘子片数13片，绝缘子串长1 898 mm。 根据雷电定位系统查询到的落雷记录，-9.4 kA的雷电流和故障发生时刻较吻合，结合实际故障情况，基本排除雷电反击，建立绕击模型进行仿真计算。

在雷电过电压计算过程中，DL/T 620—1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》推荐采用2.6/50 μs标准雷电流进行模拟。在雷电模拟时，还要考虑雷电通道波阻抗的影响。通过观测和计算得出雷电通道波阻抗Z0在300～3 000 Ω：雷电流I<10 kA时，Z0约为几千欧；I在10～30 kA时，Z0为2 100～700 Ω；I在30～100 kA时，Z0为700～300 Ω；I>100 kA时，Z0稳定在300 Ω左右[4]。本文雷电绕击电流为-9.4 kA，雷电通道波阻抗Z0取3 000 Ω。利用电气几何模型分析方法进行仿真计算，170号杆塔绕击耐雷水平为8.6 kA，最大绕击雷电流为12.1 kA。当-9.4 kA的雷电流绕击170号杆塔B相(中线)时，雷电流抬升该相导线电压，各相绝缘子两端电压差值曲线见图1。雷击瞬间乙线B相绝缘子两端电压明显升高，最终造成绝缘子沿面闪络，乙线B相雷击跳闸。

图1 -9.4 kA雷电流绕击杆塔时各相电压幅值

综合分析，本次故障为雷电绕击故障，就故障杆塔而言，接地电阻值偏大，可以考虑采用降阻措施来提高杆塔绕击耐雷水平。

2 同塔双回线路雷电反击故障分析

2.1 故障基本情况

20190830T15：30：00，220 kV线路2甲乙线均分相差动保护动作，断路器跳闸，重合成功，甲、乙线故障相别均为A相(中相)，故障区段为雷雨天气。通过现场勘察，在位于山顶的23号杆塔发现甲、乙线的中线A相玻璃绝缘子有明显雷击闪络痕迹并在导线处有明显雷击放电痕迹。2019年8月31日测量故障杆塔接地阻抗结果为3.0 Ω。根据雷电定位系统查询，故障时间点前后1 min内，故障线路周边范围1 km内有4处雷电活动记录，其中与故障时间吻合的落雷点距23号故障杆塔1.632 km，雷电流为-192.1 kA，结合保护测距和现场巡视情况，确定本次造成220 kV线路2甲乙线故障区段为23号，雷电流为-192.1 kA。

2.2 反击仿真计算

故障区段基本情况：线路全长63.84 km，故障杆塔号23，故障杆塔型号SZ2-21，接地电实测值3.0 Ω，地面倾角30°，边相导线保护角18.1°，导线型号LGJQ-400/50，地线型号GJ-50，甲线绝缘子型号U70BP/146-1，乙线绝缘子型号XP-70，绝缘子串长1 898 mm。 根据雷电定位系统查询到的落雷记录，-192.1 kA的雷电流和故障发生时刻较吻合，结合实际故障情况，基本排除雷电绕击，故建立反击模型进行仿真计算，且采用DL/T 620—1997中推荐的2.6/50 μs标准雷电流进行模拟，雷电通道波阻抗取300 Ω。

经计算，23号杆塔反击耐雷水平为91 kA，当-192.1 kA的雷电流反击23号杆塔时，各相绝缘子两端电压差值曲线见图2。雷击杆塔或地线瞬间，大幅抬升杆塔电压，导致甲、乙线A相绝缘子两端电压明显升高，最终造成绝缘子沿面闪络，甲、乙线A相雷击跳闸。

图2 -192.1 kA雷电流反击杆塔时各相电压幅值

综合分析，本次故障为雷电反击故障，虽然杆塔接地电阻仅为3.0 Ω，但因雷电流幅值远高于杆塔反击耐雷水平，最终造成线路2甲乙线A相同时跳闸，可以考虑差异化防雷手段，提升同塔双回线路防雷水平。

3 同塔双回线路差异化防雷仿真

以“差异化防雷”的思想指导线路防雷，找出线路中防雷性能薄弱的杆塔，对这些杆塔进行有针对性的防雷设计、改造，提高输电线路的防雷工程的技术性和经济性[4-6]。

线路1乙线发生雷电绕击跳闸故障，主要原因为接地电阻值偏大，因此，可以考虑采用降阻措施来提高杆塔反击耐雷水平。当故障杆塔接地电阻值降至7 Ω时，170号杆塔绕击耐雷水平可提高至11.3 kA。模拟-9.4 kA雷电流绕击170号杆塔A相(中线)时，各相电压幅值曲线见图3，线路未发生跳闸故障。此外，采用安装线路避雷器方式，在线路1乙线170号杆塔安装一组线路避雷器。模拟-9.4 kA雷电流绕击170号杆塔A相(中线)时，各相电压幅值曲线见图4，线路未发生跳闸故障。

图3 降低接地电阻时各相电压幅值

图4 设置不平衡绝缘时各相电压幅值

4 同塔双回线路差异化防雷措施

对于易击雷区在运同塔双回线路的差异化防雷改造，建议从降低接地电阻、提升绝缘子绝缘强度和加装线路避雷器等几个方面着手。

a.当杆塔接地装置不符合规定电阻值时，针对周围的环境条件、土壤和地质条件，因地制宜，结合局部换土、电解离子接地系统、扩网、引外、利用自然接地体、增加接地网埋深、垂直接地极等降阻方法的机理和特点，进行经济技术比较，选用合适的降阻措施，甚至组合降阻措施，以降低接地电阻。

b.220 kV及以下同塔多回线路宜采用不平衡高绝缘措施降低线路的多回路同时跳闸率，较高绝缘水平的一回线路宜比另一回线路高出15%。

c.优先选择雷害风险评估结果中风险等级最高或雷区等级最高的杆塔安装线路避雷器，220 kV及以下同塔双回线路宜在一回线路三相绝缘子串旁安装。

5 结论

a.220 kV线路1乙线跳闸故障为雷电绕击故障，可以考虑采用降阻或加装线路避雷器措施提高雷电绕击耐雷水平。

b.220 kV线路2甲乙线跳闸故障为雷电反击故障，虽然杆塔接地电阻仅为3.0 Ω，但因雷电流幅值远高于杆塔反击耐雷水平，最终造成甲乙线同时跳闸，宜采用不平衡绝缘措施，降低该线路多回路同时跳闸率。

c.对于易击雷区在运同塔双回线路的差异化防雷改造，宜综合采取降低接地电阻、提升绝缘子绝缘强度和加装线路避雷器等措施提高架空输电线路耐雷水平，降低多回线路同时跳闸率。