0 引言

随着电网的建设，架空线路杆塔越来越高，线路走廊越来越密集，导致雷击引起线路跳闸的风险也越来越大。雷击跳闸会对电力系统造成强扰动，甚至会造成设备损毁、线路停运，出现大面积停电事件，严重影响电网安全稳定运行^[1-4]。雷击跳闸一般是由绝缘子串闪络引起，大量学者对典型雷击跳闸进行了研究^[5-8]，但雷击导致架空地线断线的故障比较罕见，相关故障原因分析很少。

天津地区地闪密度分布以C1级为主，雷电活动频繁，2016年雷电活动总次数达到了78 892次，为近5 a来最高，其中，近5 a的所有雷电活动中，负极性雷电流超过90%。本文针对1起220 kV架空输电线路遭雷击导致地线断线故障，借助保护系统及雷电定位系统数据，分析了故障原因，并提出了预防雷击断线的技术措施。

1 故障基本情况

天津地区某220 kV线路遭受雷击，导致架空地线断线，故障区段天气情况为中雨，伴随雷电天气，气温在17~25 ℃，东北风，风力3~4级，该区域地闪密度分布为C1级。通过故障巡视，该线路6号—7号塔距离6号塔约100 m处上线（L2相）导线有喷洒，无断股，6号—8号塔范围内左侧地线3处断线，断点有较明显熔断痕迹，1处断点在地线档距约1/3处（距离6号塔约100 m），其余2处断点分别在6号、7号塔地线悬挂点两侧防振锤之间，断线有明显过电流烧蚀痕迹，且多处散股。断线情况示意图如图 1所示。现场断线情况如图 2、图 3所示。

故障线路基本参数如表 1所示，地线GJ-70参数如表 2所示。

2 继电保护系统数据分析

该220 kV线路配置WXH803纵联差动、RCS901纵联方向2套线路保护装置，重合闸方式为单重。故障发生时的保护动作情况如表 3所示。

该220 kV线路L2相发生单相接地故障，出现第1次故障电流，随后线路保护动作，断路器分闸，故障电流消失，持续时间66 ms。45 ms后，L2相断路器故障电流复现，线路保护动作，先跳L2相断路器，故障电流未消失，随后永跳三相。由于故障电流复现时间为45 ms，不满足重合闸定值500 ms，母差失灵保护动作，跳5甲母线，5号主变压器保护动作，跳主变压器三侧开关5011、5012、2205、305，第2次故障电流消失，持续时间681 ms。5号主变压器三侧开关接线见图 4所示，该线路2213断路器故障录波情况如图 5所示。波形与其他各保护装置波形一致，L2相断路器第1次故障电流持续时间为66 ms，随后消失，45 ms后故障电流复现，第2次故障电流持续时间为681 ms。故障电流约为19 940 A。

3 雷电定位系统数据分析

雷电定位系统^[9-10]是一套全自动、大面积、高精度、实时雷电监测系统，能实时遥测并显示地闪的时间、位置、雷电流峰值、极性和回击次数等参数，主要应用于雷击故障定位、雷电实时活动、雷电参数统计、雷害风险评估等。

目前雷电定位系统已成功应用于天津电网雷电监测，通过查询该系统可知，故障时（00：43：48），故障线路周边5 km范围内有多处雷电活动记录（如图 6、图 7所示），其中有2次落雷记录最接近故障时间和故障位置，分别为（1）00：43：48.472，落雷电流32.1 kA，最近杆塔为5号—6号，线路两端测距：前侧0.6 km，后侧10.3 km；（2）00：43：48.577，落雷电流15.7 kA，最近杆塔为7号—8号，线路两端测距：前侧0.5 km，后侧10.4 km。雷电记录、故障点塔号以及时间、测距信息基本吻合。

4 故障原因分析 4.1 雷击架空地线断线机理 4.1.1 雷电流热效应

雷击架空地线时，雷击点的电流密度最大，温度最高，雷电弧的温度可达数千K。虽然雷电流在通过导体时，其热效应不大，但是当雷击导体时，在直接与放电通道相接触的地方可能受到高温作用，有时可使金属熔化达几mm的深度。这是有些架空地线非正常断股故障的原因，并且细股的钢绞线容易发生断股。

4.1.2 工频短路电流热效应

雷击架空线路的同时伴随绝缘子闪络放电，在雷击放电接地的杆塔，大部分工频续流分流到架空地线上。雷击瞬间使架空地线的温度骤升。虽然短路电流比雷电流小，但作用时间长（0.2 s以上），能量大于雷电流能量，在其共同作用下，进一步提高了雷击点的温升，在一定情况下，可使地线断裂。

4.1.3 高温下架空地线的张力作用

雷电流和工频短路电流的热效应使雷击地线温度升高。地线的屈服点会由于焦耳热而降低，径向自压缩力有可能超过地线的屈服点，从而使钢绞线发生形变，降低了地线的机械强度。由于雷电流热效应、冲击效应和工频电流热效应以及抗拉强度下降的架空地线张力共同作用下，架空地线发生断线。

4.2 架空地线断线故障原因

（1）00：43：48.472，在该线路6号—7号塔附近遭受多重雷击，电流幅值最高达到32.1 kA，雷击故障发生时间、位置与变电站内线路保护动作时间、测距信息相吻合。结合现场检查分析，由于雷电直接击中导线，绕击造成L2相绝缘子闪络，故障记录显示工频续流短路电流达到19 940 A，引起线路故障跳闸，持续时间66 ms。

（2）故障发生时，在252 ms时间内，共有5次雷击。同样位置再次遭遇雷击，引起线路对地放电，同时由于距离第1次放电间隔时间很短，约为105 ms，减去第1次短路电流持续时间66 ms，约为39 ms，即2213断路器L2相绝缘恢复时间，此时断口间绝缘比较薄弱。由于雷击点与变电站距离较短，约2.1 km，雷电波衰减幅度较小，且2213断路器L2相当时处于热备用状态，断路器外侧对于雷电侵入波来说处于无保护状态。雷电波入侵断路器端口，造成绝缘相对薄弱的L2相断口击穿，重新产生故障电流，短路电流经L2相导线—闪络通道—地线入地，故障记录显示短路电流约为19 940 A。由于断路器断口击穿致使工频短路电流持续时间681 ms。

（3）在考虑地线两侧分流的情况下，地线流过电流约为9970 A。由于GJ-70地线的热稳定容量为11.6 kA²·s，而实际第2次发生短路故障时，地线的热容量达到了9.97 kA×9.97 kA×0.681 s=67.69 kA²· s，远大于允许的热稳定容量，由于短路电流较大，致使闪络档距内的地线温度迅速升高达到过热状态，机械强度迅速下降，该地线平均运行张力为18.87 kN。在较大张力和高温作用下，地线有缺陷（温度较高或地线断股）位置首先发生熔断，即中间断口位置，断点有明显熔断痕迹且断面整齐。

（4）地线断线后下垂过程中侵犯导线（L2相）安全距离，导致L2相导线在地线断口位置下方局部范围内有滑移放电痕迹。断线后在张力作用下，地线由断线位置向两侧迅速滑移，防振锤滑移至6号及7号线夹处时，因防振锤线夹握力较大，滑移停止，机械强度下降，过火地线机械强度下降，在张力作用下再次在两侧发生断线。

5 防范措施

此次220 kV架空输电线路雷击地线断线主要是由多重雷击导致断路器端口击穿，同时地线热稳定容量不满足短路电流要求引起的，建议采取以下防范措施。

（1）在线路适当位置安装线路避雷器，对雷电产生的过电压进行限制，减少绝缘子闪络及线路断路器端口击穿的可能，保护线路安全运行。

（2）随着系统容量及电网单相接地短路电流不断增大，部分已建线路的地线短路容量较小，已不能满足短路热稳定要求，需要对相应线路进行架空地线短路热稳定容量的校核，根据校核结果采取相应改造措施。

（3）进行差异化防雷评估与改造。基于差异化防雷技术，开展天津地区输电线路防雷综合治理，并对逐基杆塔进行微观化防雷风险评估，根据风险评估结果，结合各种改造措施，进行差异化防雷治理。