220 kV同塔线路雷击同跳故障分析及防治措施

彭向阳，金 亮，王 锐，黄 振，周 原， 郭泉辉

（1.广东电网公司电力科学研究院，广州 510080；2.广东电网公司研究生工作站，广州 510080；3.国网江西省电力公司，南昌 330077）

0 引言

随着我国国民经济迅速发展，用电需求不断增大，对供电安全和质量要求不断提高[1]。超特高压输电技术解决了经济快速发展对电力供应的要求，我国也建成超特高压输电网，这些主干网络源源不断为我国工业化发展提供能源，保证其安全可靠运行具有重要意义。

雷击是引发架空输电线路跳闸停电的最主要的原因[2-6]，架空线路暴露在大气中，往往处于突出暴露地形，遭受雷击的概率较大。同时，为节约线路走廊占地，110 kV及以上线路往往采用同塔双回或多回架设，相互间有较强耦合作用，其中一回发生雷击跳闸，往往导致多回同跳[7-9]。同塔线路跳闸可能造成单供变电站、铁路牵引站或重要用户失压，对电网供电可靠性造成较大危害。

广东电网地处我国东南部，属于雷暴多发区，对于同塔多回线路防雷的要求更加迫切[10]。广东电网在2010—2015年期间，110 kV、220 kV同塔线路遭雷击发生同时跳闸事件占雷击跳闸总数的15%～30%，更发生多起220 kV同塔线路雷击同跳且重合闸失败的“N-2”事件，对供电安全具有极大影响，产生经济损失。近年来，广东电网公司为解决同塔线路雷击同跳事件，大力推行差异化防雷措施[11]，同塔线路同跳事件逐年减少。500 kV及以上同塔多回线路由于线路耐雷水平较高，很少发生雷击同跳情况。

笔者研究220 kV同塔多回线路雷击同跳故障及防护措施，总结和对比分析广东电网近年来同塔线路雷击同跳情况，采用差异化防雷改造措施前、后线路雷击跳闸情况，分析各种差异化防雷措施对防治雷击同时跳闸的效果，为多雷区、强雷区同塔多回线路防雷保护提供参考。

1 220 kV线路雷击跳闸分析

1.1 雷击跳闸总体情况

2013年以来，广东电网220 kV架空线路雷击跳闸情况见表1，其中同塔线路发生雷击同跳76次，重合闸成功54次，重合成功率71.1%，重合成功率较低原因主要是220 kV及以上线路重合闸配置一般为单相重合闸方式，当线路出现两相或三相故障时，重合闸为闭锁状态。

表1 220 kV同塔线路雷击跳闸情况Table 1 Lightning trip of 220 kV multi-circuit line

1.2 雷击同时跳闸情况

2016年6—7月，220 kV同塔线路发生雷击同时跳闸14次，重合闸成功9次，重合闸闭锁5次，跳闸情况见表2，雷电定位系统显示，故障雷电流幅值均大于130 kA，故障原因为雷电反击导致同塔双回线路绝缘同时闪络。

表2 220 kV线路2016年6-7月雷击同时跳闸情况Table 2 Simultaneous lightning trip-out of 220 kV lines from June 2016 to July

1.3 雷击跳闸与雷电活动相关性分析

2016年6月广东省地闪219266次，正负极性雷电流平均值分别为23.48 kA、-34.26 kA。2015年同期地闪279800次，正负极性雷电流平均值分别为17.65 kA、-26.54 kA。2016年6月地闪次数与2015年同期基本处于同等水平，但雷电流幅值水平明显高于2015年，正极性雷电流均值比2015年高33%，负极性雷电流均值比2015年高30%。此外，2016年100 kA及以上雷电流幅值累积概率为3.14%，为2015年1.35%的2倍以上。

线路雷击跳闸次数与地闪密度相关性见图1。可见每年线路雷击跳闸次数与地闪密度存在较为一致的变化规律，即雷击跳闸次数与雷电强度存在较强的相关性。

图1 线路雷击跳闸与地闪密度关系Fig.1 Relationship between lightning stroke trip and ground lightning density

雷击跳闸率与高幅值雷电流（大于100 kA）的对应关系见图2。可见二者变化规律基本一致，个别年份变化趋势不一致，原因为雷击跳闸率除与雷电流幅值水平有关外，还与线路防雷措施实施情况以及不同投运年限线路绝缘配置存在差异等因素有关。

图2 雷击跳闸率与大于100 kA雷电流概率关系Fig.2 Relationship between lightning trip probability and lightning current probability greater than 100 kA

2 220 kV同塔线路典型雷击同跳故障分析

2.1 雷击跳闸情况

220kV康睦线由220kV康州站至220kV睦岗站，220 kV都睦线由220 kV都杨站至220 kV睦岗站，康睦线44—136号与都睦线27—119号为同塔双回架设。

2016年7月5日16时00分28秒，都睦线A、C相接地故障，三相跳闸，重合闸闭锁；同时，康睦线A、C相接地故障，三相跳闸，重合闸闭锁。

查线发现都睦线69号塔A、C相复合绝缘子均压环有闪络痕迹；康睦线86号塔A、C相复合绝缘子均压环有闪络痕迹（都睦线69号塔与康睦线86号塔为同塔），见图3。故障杆塔接地电阻实测值为12.3 Ω（设计值30 Ω）；都睦线和康睦线三相异相序垂直排列，都睦线上中下相分别为B、A、C相，康睦线上中下相分别为B、C、A相。

图3 故障杆塔雷击放电情况Fig.3 Lightning discharge of fault tower

两条线路近3年雷击跳闸情况见表3，共发生7次雷击跳闸，线路雷击跳闸率高于广东电网220 kV线路平均值。

表3 都睦线和康睦线近3年雷击跳闸情况Table 3 Lightning trip of Doumu line and Kangmu line in the last three years

2.2 雷击同跳故障分析

2.2.1 线路雷击情况

雷电定位系统显示，故障时刻故障杆塔附近（都睦线68—69号塔、康睦线85号—86号塔）发生一次地闪，雷电流幅值-132.1 kA，高于一般220 kV同塔线路双回闪络耐雷水平。

康睦线故障杆塔为87号塔，故障相为A、C相。都睦线故障杆塔为70号塔，故障相为A、C相。因此，可确认雷击故障性质为雷电反击。

2.2.2 故障录波分析

故障录波见图4，为睦岗站220 kV都睦线、康睦线故障录波，两条线路为同一时刻发生雷击跳闸（短路电流起始时刻一致），故障相均为A、C相，故障时刻A、C相电压在0.5倍的相电压正峰值附近，B相在相电压负峰值附近。

图4 线路故障录波情况Fig.4 Line fault waveform recording

2.2.3 故障原因分析

220 kV都睦线69号（康睦线86号）杆塔遭受较强雷电流（-132.1 kA）直击，造成都睦线和康睦线雷电反击跳闸。都睦线和康睦线均为A、C相（均处于中相和下相）闪络原因，与都睦线和康睦线三相导线的排列方式、故障时刻的导线电位有关，即A、C相绝缘子两端的电位差比B相大，A、C相先发生闪络，引起故障跳闸。

220 kV都睦线和康睦线部分杆塔进行了差异化防雷改造，其中在康睦线84—136号（都睦线67—119号）选择9基杆塔安装了线路避雷器（采取回路间差绝缘方式），而故障杆塔康睦线69号塔（都睦线86号塔）未安装线路避雷器。

2.4 雷击故障仿真分析

2.4.1 计算模型

为评估故障杆塔实际耐雷水平，重现故障过程，考虑故障时刻运行条件，利用ATP-EMTP软件进行电磁暂态仿真[12-13]。故障杆塔呼称高度31 m，采用多波阻抗模型等效，复合绝缘子电弧距离2200 mm，绝缘子模型采用先导传播模型作为闪络判据，雷击点杆塔前后档距取400 m，线路用LCC传输线模型，仿真模型见图5。

图5 ATP仿真模型Fig.5 Simulation model of ATP

根据故障时刻三相电压波形，设置三相导线电压相位，B相处于负峰值，导线排列顺序为都睦线（甲线）上、中、下相分别为B、A、C相，康睦线（乙线）上、中、下相分别为B、C、A相，同塔线路导线排列相序见图6。

图6 同塔线路导线排列相序Fig.6 The phase conductor arrangement of multi-circuit line

2.4.2 计算结果

研究中选取1.2/50 μs和2.6/50 μs两种雷电流波形，计算接地电阻为8 Ω、12.3 Ω（实测值）、16 Ω、20 Ω和24 Ω时，220 kV双回线路四相闪络耐雷水平和闪络相别见表4和表5。

表4 雷电流波头1.2 ms的计算结果Table 4 Result of lightning current wavefront of 1.2 ms

表5 雷电流波头2.6 ms的计算结果Table 5 Result of lightning current wavefront of 2.6 ms

计算表明，雷电反击导致同塔线路双回四相闪络时，都睦线（甲线）A、C相及康睦线（乙线）A、C相首先发生闪络，这与实际雷击故障闪络相别一致，说明仿真结果可信度较高。

本次线路雷击双回四相闪络时，实测杆塔工频接地电阻12.3 Ω、雷电流-132.1 kA，计算表明，雷电流波头1.2 μs时，耐雷水平为-93 kA，雷电流波头2.6 μs时，耐雷水平为-109 kA，均低于本次线路实际雷击电流幅值。因此，220 kV都睦线和康睦线雷电反击同时跳闸不可避免[14-15]。

3 同塔线路防雷措施及防雷有效性

3.1 同塔线路防雷策略

为防治同塔多回线路雷击同跳事件，编写了110～500 kV交流架空同塔多回输电线路防雷技术导则，对同塔线路防雷工作进行规范，根据地形地貌差异、杆塔结构、雷电活动情况、电压等级、运行条件等差异，采取差异化防雷措施。

主要防雷策略：在继续重视降低接地电阻、加强线路绝缘、减小地线保护角等基础防雷措施基础上，重点采取回路间不平衡绝缘方案。110 kV、220 kV同塔线路规模较大、反击耐雷水平较低，雷击同跳现象严重，宜采用不平衡绝缘配置降低雷击同跳率；500 kV同塔线路反击耐雷水平较高，雷击同跳很少，宜采用平衡高绝缘配置[16]。

3.2 同塔线路防雷改造

截至2016年，广东电网共完成110 kV及以上14053基同塔线路杆塔的防雷改造，其中220 kV线路5330基，110 kV线路8043基。计划2017年完成23068基同塔线路杆塔防雷改造。

主要防雷措施及改造规模：1）加装线路避雷器，改造220 kV杆塔4368基、110 kV杆塔5199基；2）增加绝缘子片数或采用较长干弧距离复合绝缘子，改造220 kV杆塔867基、110 kV杆塔2744基；3）加装绝缘子并联间隙，改造220 kV杆塔95基，110 kV杆塔100基。

3.3 同塔线路防雷措施有效性

3.3.1 防雷改造整体效果

目前线路差异化防雷改造，大多数采取选点（个别杆塔）或区段进行改造，针对全线逐基杆塔进行改造的情况较少。故选取较为集中实施了差异化防雷改造的109条110 kV及以上同塔线路进行防雷改造成效分析。其中包括采取加装线路避雷器改造线路69条，采取增加绝缘子不平衡绝缘改造线路30条，同时采取增加绝缘子及线路避雷器改造线路10条。

针对上述109条同塔线路改造前3年（2011—2013）及改造后3年（2014—2016）雷击跳闸数据进行统计分析，分析结果见表6。改造前3年，雷击跳闸293条次，雷击同跳128条次，雷击同跳占比43.7%；改造后3年，雷击跳闸57条次，雷击同跳20条次，雷击同跳占比35.1%。可见，改造后雷击跳闸总数以及同塔线路同跳次数明显减少，绝大部分雷击同跳发生在未改造区段，安装了线路避雷器的杆塔未发生同跳事件。

表6 不同防雷措施防治雷击同跳效果Table 6 Effect of different lightning protection measures

不同电压等级线路进行防雷改造后防雷效果见表7。可见，220 kV线路采取差异化防雷措施后雷击同跳比例下降52.7%，110 kV线路雷击同跳比例下降18.3%；220 kV线路比110 kV线路雷击同跳比例下降更明显，原因为220 kV线路防雷改造区段长度占线路总长度比例更大。

表7 不同电压等级线路防治雷击同跳效果Table 7 Effect of different voltage lines

因此，上述同塔线路改造前后雷击跳闸及雷击同跳数据能够说明防雷改造对线路整体防雷效果十分显著。由于缺少具体到杆塔的更详细统计数据，尚不能具体到杆塔对防治雷击同跳效果进行更加客观说明；如果按实施防雷改造的杆塔统计，防雷及防同跳效果会更好及更客观。

3.3.2 防雷改造典型案例

220 kV海河甲乙线于2013年11月21日投产，全线同塔架设，甲线相序上中下分别为C、B、A相，乙线为A、B、C相。为单独供厦深高铁牵引站的同塔双回架空线路，牵引站利用A、C取电，为高铁接触网供电，而B相不带电，处于悬浮状态。地线采用负的保护角。线路靠电源侧为丘陵、山地，且附近曾经有锡矿开采，雷电活动强烈。

主要采取了以下防雷改造措施：1）闲置B相导线置于上相作为耦合地线使用；2）全线普查，采取降低接地电阻措施；3）优化线路避雷器的配置，重点在其中一回安装；4）调整耐张塔跳线，增加跳线串绝缘子或加装防风偏绝缘子。

2014年9月底完成改造至今，共发生雷击跳闸2次，无同跳发生，相比2014年跳闸次数显著减少，且均为雷电绕击乙线，因故障杆塔甲线安装了线路避雷器，确保甲线未跳闸。改造前后线路雷击跳闸情况见表8。

表8 防雷改造前后雷击跳闸对比Table 8 Lightning trip comparison of before and after lightning protection

4 结论

对广东电网220 kV同塔多回线路雷击闪络及雷击同时跳闸事件进行研究分析，线路雷击跳闸次数与雷电地闪及高幅值雷电流频次密切相关，连续强雷暴过程中，高幅值雷电流超过同塔线路双回闪络耐雷水平，产生雷电反击，是导致雷击同跳故障的直接原因，具体闪络相别决定于雷击时刻同塔线路各相的工频电压相位。

采取加装线路避雷器、增加绝缘子片数等基于不平衡绝缘配置的防雷措施，对广东电网110 kV、220 kV同塔多回线路进行防雷改造，改造前、后各3年线路雷击跳闸及雷击同跳数据对比分析表明，采取差异化防雷措施可有效降低同塔线路雷击跳闸和雷击同跳故障，为我国多雷区、强雷区同塔线路防雷保护提供了运行经验。