同杆塔双回输电线路因节约线路走廊用地而被广泛使用，因其杆塔高度较高，雷击塔顶时塔顶电位以及输电导线上的感应过电压较高，在遭受雷击时，双回线路同时跳闸率较高，对系统冲击较大，必须采取措施防止雷击输电线路时双回线路同时跳闸，避免因多回线路同时故障导致电网系统瓦解和崩溃^{[1, 2]}。因此，研究同杆塔双回输电线路的防雷，降低雷击时双回线路同时跳闸率，提高线路的防雷性能，对于确保电力系统的安全稳定运行具有十分重要的现实意义。

包头供电局包青Ⅰ回、Ⅱ回220 kV同杆双回线路（左侧线路为包青Ⅱ回，面向二电厂方向）起始于包北变电站，线路全长29.40 km。该输电线路于2008年4月投运，线路共计95基杆塔，其中钢管杆19基、铁塔76基。包青Ⅰ回、Ⅱ回相序排列如图 1所示。

图 1

图 1 包青Ⅰ回、Ⅱ回同杆双回线路相序排列

2009-08-14T11：14，包青Ⅰ回、Ⅱ回线路两端L3相同时闪络跳闸，包北变电站测距为13.9 km，故障原因为35号塔L3相绝缘子遭雷击闪络。

2011-07-11T08：17，包青Ⅰ回、Ⅱ回线路两端L3相同时闪络跳闸，包北变电站测距为14.7 km，故障原因为37号塔L3相绝缘子遭雷击闪络。

发生故障的35号和37号杆塔结构如图 2所示。

图 2

图 2 故障杆塔结构

以37号杆塔为例分析该双回同跳故障（35号塔同理，不再赘述）。2011-07-11T08：17包青Ⅰ回、Ⅱ回线路故障跳闸，故障发生时刻，L1、L2相电压和电流值与故障发生前一致，2回L3相的电流值和差动电流值同时大幅增加，而电压幅值较故障前有明显下降，可以判定包青Ⅰ回、Ⅱ回线路L3相同时发生故障。

分析包青Ⅰ回、Ⅱ回线路故障录波波形可知，2011-07-11T08：17：17.429及08：17：18.266包青Ⅰ回、Ⅱ回线路遭受雷击，导致37号杆塔双回线路L3相同时发生闪络，在发生接地短路故障期间，包青Ⅰ回、Ⅱ回线路L3相产生短路电流，L1、L2相产生感应电流，与此同时故障相L3相的母线电压下降。L3相闪络发生瞬间，L1相工频电压相位约330°。

当雷电流击中某一杆塔的塔顶时，该杆塔的绝缘子串两端电压由4个分量组成：

V_cr（t）—雷电流流经杆塔多波阻抗在横担上产生的过电压，kV；

V_pf（t）—导线工频电压，kV；

V_i（t）—感应过电压，kV；

V_co（t）—避雷线对未闪络导线的耦合过电压，kV。

为进一步分析雷电反击杆塔时上述4个分量对绝缘子串两端过电压的影响，以包青Ⅰ回输电线路35号杆塔为例（接地电阻取11.2 Ω），利用EMTP软件进行暂态计算，并进行分析比较，计算结果见表 1所示。

表 1 (Table 1)

表 1 对Vins（t）贡献的3个分量比较

表 1 对Vins（t）贡献的3个分量比较

从表 1可以看出，雷电流在横担上产生的过电压V_cr（t）对绝缘子串两端过电压V_ins（t）贡献最大，但L1、L2、L3三相雷电流在横担上产生的过电压V_cr（t）相差不大，最大差值为62 kV；而L1、L2、L3三相导线的工频电压V_pf（t）最大差值达到312 kV。因此，工频电压V_pf（t）是影响双回输电线路闪络顺序的主要原因^{[4, 5]}。

L1、L2、L3三相导线工频电压的瞬时幅值大小，由线路电压等级和工频电压相位角决定，因此对包青220 kV线路进行工频电压相位分析。理论上，若不考虑其他电压分量的影响，仅考虑导线工频电压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，即图 3所示实线。分析图 3可知，在1个周期内，L1、L2、L3三相发生闪络顺序如表 2所示。

图 3

图 3 三相电压波形图

表 2 (Table 2)

表 2 单相闪络对应的工频相位角区间

表 2 单相闪络对应的工频相位角区间

为了深入研究工频电压对杆塔耐雷水平和闪络相的影响，将周波360°等分为12个相位角，利用EMTP电磁暂态计算软件分别仿真计算35号和37号杆塔在各工频相位角下发生单相导线闪络和两相导线闪络的耐雷水平及闪络相。仿真计算结果见表 3和表 4所示。工频电压相位角对耐雷水平的影响如图 4和图 5所示。

表 3 (Table 3)

表 3 35号杆塔不同工频电压相位角下的耐雷水平1）

表 3 35号杆塔不同工频电压相位角下的耐雷水平1）

图 4

图 4 不同工频相位角下35号杆塔耐雷水平曲线图

图 5

图 5 不同工频相位角下37号杆塔耐雷水平曲线图

分析表 3、表 4仿真计算结果，得出结论如下。

表 4 (Table 4)

表 4 37号杆塔不同工频电压相位角下的耐雷水平1）

表 4 37号杆塔不同工频电压相位角下的耐雷水平1）

（1） 工频电压对线路的反击耐雷水平、反击闪络相有较大影响，不同工频电压相位角对应的耐雷水平及闪络相会有所不同。

（2） 耐雷水平随工频电压相位角的变化而上下波动，呈周期性起伏的规律。

（3） 35号杆塔比37号杆塔的耐雷水平高约10kA，表明线路杆塔呼称高度越高，耐雷水平越低。

（4） 杆塔上、中、下三相都有闪络的可能。当工频电压相位角为300°、330°和360°（0°）时，双回线路L3相同时闪络，与现场录波图一致（见图 5：工频相位角为300°~360°（0°）时，L3相工频电压最高）。

采用EMTP（EMTP主要用于电力系统仿真计算，典型应用是预测电力系统在某个扰动、如雷电闪络故障之后各变量随时间变化的规律^{[1, 6, 7, 8]}）电磁暂态计算软件对线路37号杆塔进行建模仿真。根据故障录波，取雷击瞬间L1相工频相位角为0°（360°），分别对37号杆塔的单相、两相闪络耐雷水平进行计算（杆塔冲击接地电阻为14 Ω），37号杆塔的单相耐雷水平为105 kA，两相耐雷水平为123 kA（105 kA、123 kA为耐雷水平限值）。

图 6和图 7为单相闪络波形和两相闪络波形。由仿真闪络波形可知，124 kA及以上的雷电流击中杆塔顶端时确实会造成绝缘子串同跳，且同跳相为Ⅰ回L3相（中层相）和Ⅱ回L3相（下层相），与现场故障现象吻合。

图 6

图 6 106 kA雷电流时单相闪络波形

图 7

图 7 124 kA雷电流时两相闪络波形

220 kV包青Ⅰ回、Ⅱ回线路建成运行后，遭受较大的雷击导致发生2起双回线路同跳故障。目前，避免输电线路绝缘子串闪络的最有效办法是加装线路避雷器和降低杆塔接地电阻。但由于高电压输电线路避雷器造价昂贵，工程上一般采用非全相加装避雷器来降低防雷改造费用。采用EMTP计算模型仿真计算线路的反击耐雷水平，图 8和图 9分别为每回线路加装1只、2只避雷器与不加装避雷器线路双闪的耐雷水平比值曲线。图 10和图 11是对应的跳闸率曲线图。

图 8

图 8 每回线路加装1只避雷器与不加装避雷器的 耐雷水平比值比较

图 9

图 9 每回线路加装2只避雷器与不加装避雷器的 耐雷水平比值比较

图 10

图 10 每回线路加装1只避雷器对应的跳闸率比较

图 11

图 11 每回线路加装2只避雷器对应的跳闸率比较

根据仿真结果可得出如下结论。

（1） 加装线路避雷器后线路的耐雷水平明显提高，可提高输电线路的耐雷性能。

（2） 线路耐雷性能受杆塔接地电阻的影响，冲击接地电阻越小，线路跳闸率越低，耐雷性能越高。

（3） 若每回线路加装1只避雷器，加装在下层相的防雷性能最好；若每回线路加装2只避雷器，加装在下层相和中层相的防雷性能最好。

图 12为加装不同避雷器组数时线路的双闪耐雷水平随接地电阻的变化曲线。由图 12可知，加装6只避雷器，线路的双闪耐雷水平最高，即使接地电阻高达40 Ω，线路的双闪耐雷水平也在250 kA以上，基本上不存在雷击引起双回线路同时跳闸的可能；若接地电阻降至10 Ω以下，每回线路加装1只避雷器即可将双闪耐雷水平提高至160 kA以上，起到很好的防雷效果；若接地电阻无法降低，可在每回线路安装2只避雷器，即使接地电阻高达40 Ω，双闪耐雷水平也高达150 kA。

图 12

图 12 加装不同避雷器组数时线路的双闪耐雷水平比较

本文利用EMTP电磁暂态计算软件对包头供电局包青Ⅰ回、Ⅱ回220 kV同杆双回线路雷击同跳故障进行故障复现，并对仿真结果进行了分析。计算结果表明，雷击瞬间工频相位角是影响同塔双回线路导线闪络相顺序的主要原因。安装线路避雷器和降低接地电阻是提高220 kV输电线路双回同跳的耐雷水平最有效的措施。杆塔接地电阻降至10Ω以下，每回路安装1只避雷器，对接地电阻（40 Ω）难以降低的杆塔，每回线路安装2只避雷器，可保证杆塔具有较高的耐雷水平。