（广东电网有限责任公司阳江供电局）
摘要：由雷击引起的输电线路跳闸在线路故障中所占比例最高，尤其是超强型雷电导致同塔多回线路同跳故障，直接影响了电力系统的安全稳定运行。本文针对阳江地区220kV春凌甲线、乙线因雷电反击引起的同跳故障，对导致双回线路同时跳闸的特殊性进行分析，计算验证了导致两回线路同时反击跳闸的故障原因。最后结合该线路的实际状况和现有防雷措施技术特点，制定了该线路的差异化防雷改造方案。
关键词：输电线路；跳闸；雷电反击；差异化；改造
一、引言
广东省为雷电活动高发区，其中阳江地区的平均雷暴日为93，其中最大的年雷暴日超过120，雷电活动密度远远高出全国平均水平。历年运行日志故障分析结果表明：阳江地区的输电线路从每年4月份开始进入雷害季节，在雷害高峰季节的5-9月，雷击造成的输电线路故障率高达71.5%。
220kV春凌甲线、春凌乙线位于阳春东北部地区，全线同塔架设，是220kV凌霄站唯一的220kV电源线路，连接着110kV龙宫站等4个110kV变电站，以及阳春钢铁厂、华润水泥厂等重要用电客户。若以上线路发生同跳故障将直接导致以上变电站全部失压。
本文通过对2014年7月12日220kV春凌甲线、春凌乙线雷击同跳故障的分析，找到了该线路发生反击跳闸的原因，针对故障塔的实际现状再结合现有防雷措施的各自特点，提出解决220kV春凌甲线、春凌乙线同跳问题的差异化防雷措施。
二、220kV春凌甲线、春凌乙线雷击同跳故障概况
2014年7月12日12时26分37秒，220kV春凌甲线、乙线在同一秒内发生A、B相相间故障跳闸。因以上线路采用单相重合闸，在相间故障情况下，两回线路重合闸均未动作，导致220kV凌霄站侧220kV母线失压。
故障发生后，输电管理所结合继保动作及雷电系统信息，初步判断跳闸为雷电造成，随即向地调申请对两回线路强送。13时38分，220kV春凌甲线强送成功；13时40分，220kV春凌乙线强送成功。
经查阅220kV春城站侧保护信息表明，故障瞬间220kV春凌甲线电流差动、距离I段保护动作跳闸，重合闸无动作，故障相A、B相，故障测距20.1km，最大故障电流5.064kA（2400/1），二次值为2.11A；同一时间220kV春凌乙线电流差动、距离I段保护动作跳闸，重合闸无动作，故障相A、B相，故障测距17.3km，最大故障电流5.952kA（2400/1），二次值为2.48A。
后经登塔检查确认41号塔为本次跳闸的故障点，220kV春凌甲线A、B相和220kV春凌乙线A、B相的合成绝缘子均压环、伞群上均发现明显的放电痕迹，220kV春凌甲线、春凌乙线41号塔A、B相合成绝缘子下均压环均有击穿痕迹（见图1）。而且41号塔周围并无危及线路安全运行的高杆植物，塔上亦未发现鸟类建巢的痕迹，且跳闸当日该区域普降大雨，不符合污闪跳闸的天气条件。可判断220kV春凌甲线、乙线同跳原因为超过线路反击耐雷水平（75-110kA）的强雷电流反击造成。
图1 合成绝缘子的均压环击穿痕迹
三、220kV春凌甲线、春凌乙线雷击同跳故障分析
（1）220kV春凌甲线、春凌乙线线路参数
220kV春凌甲线、乙线为同塔双回线路，架设双地线，其41号塔呼高42米，全高59.10米。绝缘子采用FXBW4-220/100–2490型合成绝缘子，干弧距离2150mm，冲击雷电耐受电压1269kV。
设计说明书标注该线路防雷反击耐雷水平极值为110kA；查询雷电定位系统，导致本次故障的雷电流高达-170kA。
220kV春凌甲线、春凌乙线41号塔故障后现场实测接地电阻为13.2Ω，低于设计要求的25Ω。
（2）220kV春凌甲线、春凌乙线雷击反击同跳故障分析
从线路参数及接地电阻实测值可以看出，杆塔接地电阻满足设计要求。雷电定位系统查询结果，导致本次故障的雷电流高达-170kA，远大于线路设计说明书标注的反击耐雷水平极值-110kA。使用的合成绝缘子冲击雷电耐受电压1269kV。为了更好地做出判断，下面计算实际情况下41号塔的反击耐雷水平。据公式[2]：
（1）式中：
—间隙50%冲击雷电耐受电压；
—架空地线对雷电流的分流系数，取值0.88；
—接地电阻测量值，现场测量值13.2Ω；
—杆塔塔身电感值，取值0.5μH/m；
—架空地线平均高度，查图纸后计算取值为45.37米；
—为电晕作用下对耦合系数k0的修正系数，取值为1.25；
—地线对导线的耦合感应系数，经计算41号塔取值0.5021。
由公式（1）计算表明，在接地电阻为13.2Ω的情况下，41号塔反击耐雷水平约为-116.9kA，是符合运行要求的。
以正常运行情况下最容易受到雷击而放电的下相为计算对象，计算在-170kA和-116.9kA下，杆塔本体与导线间的电位差。据公式[2]：
该过电压幅值（-1747.6kV）已经远大于合成绝缘子冲击耐受电压（1269kV），从而导致了这次雷击同跳故障。
四、解决220kV春凌甲线、乙线雷击同跳的方案比较
雷电绕击跳闸，只能导致单回线路单一相发生故障跳闸，不可能导致同塔架设线路同跳故障，因此防绕击措施本文不作赘述。
本文将着重分析降、计算低杆塔接地电阻、架设耦合地线、改变绝缘子配置、安装避雷器等措施对于防止类似故障的有效性。
本次故障发生后实测接地电阻为13.2Ω，满足设计要求，改造意义不大；因以上线路在建设之初并未考虑加装耦合地线的可能，如强行加装则不能保证线路杆塔的结构安全，也不能满足设计安全距离要求，因此对降低接地电阻和架设耦合地线这两种防雷措施予以排除。
不平衡绝缘法就是在相间或者是线路间采取不同强度的绝缘，在强雷击情况下，牺牲绝缘强度弱的一相或一回线路，确保同塔架设其它线路的安全。具体工程实施无非是两种思路：提高（或降低）一回线路绝缘水平，另一回保持不变；或采用线路避雷器，通过一回线路安装避雷器，另一回则不安装线路避雷器，确保不发生同跳故障[4]。
以下就差异化防雷方案进行计算分析：
（1）改变绝缘子串配置
根据《广东电网公司110kV～500kV交流架空同塔多回输电线路防雷技术导则》的要求，不建议使用降低绝缘水平和并联间隙等方法改造线路[1]。
对线路而言，提高绝缘水平无非就是增加绝缘子片数或增加合成绝缘子串长，但这种方法也受到诸多因素的制约，在现有杆塔基础上绝缘水平不可能无限加长。它需要考虑三个方面的问题，一是塔头尺寸的限制，二是导线挂点的变化引起的弧垂对地和跨越物的安全距离，三是与变电的绝缘匹配问题。
以本次故障点41号塔为例，其塔头间隙最小值为下层横担与中层横担的6.1米。根据《设计规程》要求，在220kV线路上带电作业停留区域最小间隙为2.3米。而根据本塔的金具组装图，在采用FXBW4-220/100–2490型合成绝缘子情况下，绝缘子串全长为3.38米，仅预留0.42米可加长的空间。
如更换为FXBW4-220/100–2790型合成绝缘子时，绝缘子串增加0.3米，小于0.42米预留空间（FXBW4-220/100–2940型合成绝缘子过长），整体绝缘强度增加约13.95%，以下是两型合成绝缘子仿真曲线对比。
从以上对比图形可以看出，如将41号塔其中一回线路更换为FXBW4-220/100–2790型合成绝缘子，其耐雷水平可以提升至131.38kA，但是仍然低于导致本次故障-170kA雷电流。可以看出，在原设计没有考虑差异化绝缘的双回路线路上，通过加长绝缘子长度的防雷效果是有限的。
（2）安装线路避雷器
避雷器选型原则[5]：
①线路避雷器（不管是无间隙抑或有间隙）u-t曲线必须低于绝缘子间隙的u-t曲线，且不能有交点；
②线路避雷器与线路各类工况下匹配，在最恶劣的运行情况下（即线路出现2.5倍操作过电压），避雷器不能动作。
据此原则和线路参数，选择输电管理所库存型号为YH10CX2-192/560的线路避雷器进行核算。该型避雷器10s最大允许工频电压有效值281kV，10A放电电流下的残压560kV；避雷器高压端与导线间距为900±50mm。
图3是该避雷器生产厂家提供的线路用同类型氧化锌避雷产品的试验u-t特性曲线以及不同空气间隙下的u-t特性曲线。
图3避雷器和绝缘子空气间隙的u-t曲线
从上图可以看出不管是何种形式的空气间隙，其u-t特性曲线均高于避雷器的u-t曲线，且无交点。这就意味着在FXBW4-220/100–2490型合成绝缘子两端达到-1186.44kV冲击耐受电压之前，该配合间隙已发生放电，而线路避雷器业已可靠动作，完成了对雷电流的灭弧。
在220kV线路发生2.5倍操作过电压情况下，相对地过电压幅值为317.55kV。900mm空气间隙的工频耐受电压达到440kV，冲击耐受电压达到910kV，串联空气间隙尚未击穿，避雷器不会动作；而317.55kV仅略大于避雷器的额定电压281kV，且根据氧化锌避雷器伏安特性曲线，该电压值尚未进入非线性区（该避雷器直流1mA参考电压不小于318kV），避雷器也不会动作。因此，在2.5倍操作过电压下，避雷器不会误动。
经过以上的计算验证，增加绝缘子片数或合成绝缘子串长的做法是有效的，但考虑塔头尺寸限制，且提高的效果不大，因此不可取。加装线路避雷器则能有效抑制线路反击过电压，能有效防止线路同跳故障，是较为有效的措施。
五、220kV春凌甲乙线差异化防雷改造技术方案及效果
通过以上技术分析。安装避雷器是该线路差异化防雷改造的最佳方案，YH10CX2-192/560型避雷器也符合需求。在综合考虑了经济性和可维护性后，我所确定了220kV春凌甲乙线防雷改造实施方案：220kV春凌甲线全线各塔的顶相（B相）和底相（A相）各安装YH10CX2-192/560型避雷器一支，中相（C相）及临近的220kV春凌乙线放空。
这种安装配置方案中，在不改变现有重合闸方式情况下，220kV春凌甲线都也不发生相间调整故障，使得线路能可靠重合，从而保证了220kV凌霄站在最极端情况下也不存在失压的可能。同时也在最大程度上兼顾了经济性和可维护性，减少了改造费用和后期的维护工作量。
220kV春凌甲乙线差异化防雷改造于2014年底完工，截至2016年9月，该线路再未发生雷击同跳故障，说明了该方案的有效性。
参考文献：
[1] 广东电网公司110kV～500kV交流架空同塔多回输电线路防雷技术导则.
[2] 赵智大.高电压技术.中国电力出版社[M]，2006.
[3] 白俊峰，等.输电线路运行维护理论与技术[M].中国电力出版社，2009.
[4] 陈家宏，等.输电线路差异化防雷技术与策略[J].高电压技术，2009（12）.
[5] 李凡，施围.线路避雷器的绝缘配合[J].高电压技术，2005（8）.
论文作者:黎扬文
论文发表刊物:《电力设备》2016年第17期
论文发表时间:2016/11/9
标签：线路论文; 避雷器论文; 绝缘子论文; 故障论文; 雷电论文; 防雷论文; 间隙论文; 《电力设备》2016年第17期论文;