線路雷擊跳閘分析及策略

彭向陽，周華敏

（1.廣東電力科學(xué)研究院，廣州市，510600；2.廣東電網(wǎng)公司，廣州市，510600）

0 引言

通過對比同業(yè)對標(biāo)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，廣東主網(wǎng)線路故障跳閘次數(shù)明顯高于內(nèi)地省級電網(wǎng)，如廣東110 kV及以上線路跳閘次數(shù)分別約為江蘇、山東電網(wǎng)同電壓等級線路跳閘次數(shù)的3～6倍，其最主要原因在于廣東雷電強(qiáng)烈。本文將對廣東地區(qū)雷電參數(shù)、線路雷擊跳閘規(guī)律及關(guān)鍵影響因素進(jìn)行分析，并提出線路防雷工作建議。

1 雷電探測及雷電參數(shù)

1.1 雷電定位系統(tǒng)

目前廣東雷電定位系統(tǒng)共有18個雷電方向、時差探測站，廣東電科院負(fù)責(zé)日常維護(hù)工作，以確保雷雨季系統(tǒng)正常運(yùn)行。運(yùn)用此系統(tǒng)可準(zhǔn)確指導(dǎo)線路雷擊故障點(diǎn)查找工作，大大減輕巡線勞動強(qiáng)度，縮短線路故障停電時間，并且運(yùn)用其開展雷電參數(shù)統(tǒng)計和線路防雷分析，成效顯著。

1.2 地面落雷密度

2008年廣東省平均地面落雷密度為18.39次/（年·km2），較2007年大幅增強(qiáng)。統(tǒng)計表明，近年廣東雷電強(qiáng)度呈上升趨勢，特別是2007、2008年雷電強(qiáng)度明顯高于其他年份。

1.3 雷電流幅值

比較2008年廣東地區(qū)雷電流幅值概率分布曲線與過電壓保護(hù)規(guī)程[1]推薦曲線可知，15 kA以下雷電流幅值概率明顯高于規(guī)程推薦值，而15 kA以上雷電流幅值概率明顯低于規(guī)程推薦值。

雷電流幅值大于 20、40、60、80、100、120、150 kA的概率分別約為 54%、19%、8%、3%、1.5%、1.0%、0.5%。按照線路典型反擊耐雷水平，可近似認(rèn)為110、220、500 kV線路架空地線遭受雷電流后，發(fā)生反擊跳閘的概率分別大于8%、1.2%、0.4%，這是110 kV和220 kV線路反擊跳閘率明顯高于500 kV線路的原因。

2 落雷密度對線路雷擊跳閘影響分析

2.1 落雷密度及雷電探測影響因素分析

一般情況下，線路雷擊跳閘率與地面落雷密度正相關(guān)，但統(tǒng)計表明，有時雷電強(qiáng)度對線路雷擊跳閘率的影響規(guī)律并不典型，以廣東為例，其主要原因如下：

（1）地面落雷密度與線路走廊落雷密度并不完全等同，由于雷電活動的分散性，線路走廊落雷次數(shù)不一定隨地面落雷次數(shù)增加。

（2）地面落雷密度是反映雷電強(qiáng)度的重要參量，卻并不能完全表征地區(qū)雷電強(qiáng)度，雷電強(qiáng)度還與雷電流幅值、波形等參數(shù)有關(guān)。

（3）2007年廣東新建梧州、玉林2個探測站，系統(tǒng)覆蓋面增大、探測效率提高，有可能探測到廣東西北地區(qū)此前探測不到的較小雷電流，因而2008年探測落雷次數(shù)較2007年明顯增加。

（4）2001—2007年探測站一直維持16個，其間歷年雷電探測數(shù)據(jù)可比性較強(qiáng)，但系統(tǒng)投運(yùn)以來軟硬件不斷改造升級，個別探測站也時常故障停運(yùn)，導(dǎo)致系統(tǒng)探測效率及探測精度動態(tài)變化，影響歷年雷電探測數(shù)據(jù)的可比性。

（5）雷電探測站在全省布局并不均衡，因此21個地區(qū)探測數(shù)據(jù)可比性受到影響，但在全省探測站數(shù)量和布局相對穩(wěn)定的情況下，各地區(qū)本身的歷年雷電探測數(shù)據(jù)具有較強(qiáng)可比性。

（6）線路雷擊跳閘率的變化，除與雷電分散性相關(guān)外，還與綜合防雷改造和防污調(diào)爬，線路耐雷水平提高有關(guān)。

2.2 雷擊跳閘率與落雷密度相關(guān)性統(tǒng)計

2008年韶關(guān)、珠海500 kV線路雷擊跳閘率較高，但落雷密度均低于全省平均落雷密度；廣州、汕尾、清遠(yuǎn)跳閘率較低，但廣州、汕尾落雷密度高于全省平均落雷密度。因此，地區(qū)落雷密度對500 kV線路雷擊跳閘率的影響規(guī)律并不典型。

110 kV線路清遠(yuǎn)、肇慶、茂名的雷擊跳閘率較高，且肇慶、茂名落雷密度高于全省平均水平；揭陽、潮州、河源的跳閘率較低，且落雷密度均低于全省平均水平。

由以上分析可知，落雷密度對110 kV線路雷擊跳閘率的影響規(guī)律具有一定的典型性，即雷擊跳閘率與統(tǒng)計落雷密度的正相關(guān)性，110 kV線路最強(qiáng)，220 kV線路次之，500 kV線路最弱。這與雷電活動具有分散性和統(tǒng)計規(guī)律、各電壓等級線路覆蓋范圍不同相一致。

3 線路雷擊跳閘關(guān)鍵因素影響分析

3.1 線路雷擊跳閘重合及故障點(diǎn)查找情況

廣東2008年1—8月雷擊跳閘故障統(tǒng)計如表1所示。由表1可知，500、220、110 kV線路雷擊重合成功率分別為 100%、93%、92.6%，220、110 kV 線路雷擊重合成功率相對較低，主要由于部分線路重合閘退出運(yùn)行，線路雷電反擊導(dǎo)致兩相或三相接地故障等因素。500、220、110 kV線路雷擊故障點(diǎn)查找成功率分別為92.3%、99%、96.6%，均較去年同期明顯提高。

表1 雷擊跳閘重合及故障點(diǎn)查找情況Tab.1 Lightning trip-out superposition and failure spot check-up

3.2 地形地貌影響

線路走廊地形地貌對線路防雷影響較大。地理位置不同，雷電活動存在差別，如南方沿海地區(qū)靠近赤道且受海洋氣象影響、雷電強(qiáng)烈，一般情況下山區(qū)比平原雷電強(qiáng)度大等。大地對線路的屏蔽效能存在差別，屏蔽效果差則雷電更易擊中線路。

2008年110 kV及以上線路雷擊跳閘事件中，山地或丘陵地區(qū)占76%，其中處于山頂?shù)恼?0.8%，處于山腰的占15.3%；平原或其它地區(qū)雷擊跳閘占24%。這與山區(qū)雷電強(qiáng)烈，桿塔接地電阻相對較高有關(guān)。

110 kV及以上線路雷擊邊相跳閘事件中，處于下山側(cè)的占24%，處于上山側(cè)的占14%，其余跳閘相地形不明確，或?yàn)榉堑湫偷匦渭胺沁呄嗵l。因此，處于下山側(cè)的邊相導(dǎo)線由于大地屏蔽效果差，容易遭受雷電繞擊跳閘。

3.3 桿塔接地電阻影響

桿塔電感及桿塔接地阻抗決定桿塔雷電沖擊電位升高，降低桿塔接地電阻能顯著提高線路反擊耐雷水平，但對防止線路繞擊影響不大。鑒于降阻措施對線路防雷的有效性和針對性，應(yīng)盡可能降低桿塔接地電阻，如按低于15 Ω或10Ω進(jìn)行設(shè)計和改造。

線路雷電反擊跳閘主要是由接地電阻偏高或雷電流幅值較大引起的，而廣東部分桿塔接地電阻偏高是因?yàn)樯絽^(qū)土壤電阻率高，降阻改造困難，桿塔接地引線或接地極盜失，因掩土被大雨沖刷桿塔接地極導(dǎo)體外露、接觸不良等造成[2]。

表2統(tǒng)計了雷擊跳閘桿塔接地電阻分布情況。500 kV桿塔接地電阻均小于20 Ω，雷電流幅值絕大部分處于60 kA以下，遠(yuǎn)未達(dá)到線路反擊耐雷水平，可見500 kV線路雷擊跳閘基本上由雷電繞擊引起。220、110 kV線路接地電阻大于15 Ω的雷擊跳閘比例分別僅為21%、29.2%，并不顯著高于低接地電阻桿塔跳閘次數(shù)，原因在于高接地電阻桿塔運(yùn)行數(shù)量比例相對更少；此外，220、110 kV線路接地電阻小于10 Ω的跳閘比例分別達(dá)67%、47.1%，排除其中較大雷電流導(dǎo)致的反擊跳閘后可知，220 kV線路繞擊跳閘比例高于110 kV線路，而反擊跳閘比例低于110 kV線路。

表2 雷擊跳閘桿塔接地電阻分布Tab.2 Lightning trip-out pole ground resistance distribution

3.4 雷電流幅值影響

對于110 kV及以上線路，雷電流幅值較小時繞擊概率相對較大，3～30 kA雷電流就可導(dǎo)致繞擊跳閘，若雷電流幅值超過100 kA，則110、220 kV線路反擊跳閘概率明顯增大。

當(dāng)雷電流幅值超出反擊耐雷水平時，雷擊線路反擊跳閘將不可避免。但出現(xiàn)較大雷電流概率較小，如2008年廣東地區(qū)大于150 kA雷電流的概率僅為0.5%，落到110 kV及以上線路的概率就更小。

表3統(tǒng)計了引起線路雷擊跳閘的雷電流幅值分布，500 kV線路120 kA以下雷電流比例為92.3%，大致低于線路反擊耐雷水平，基本為繞擊。220 kV線路60 kA以下雷電流比例為63.8%，大多為繞擊。110 kV線路30 kA以下雷電流比例為16.6%，60 kA以下比例為37.5%，大多為繞擊。

表4統(tǒng)計了線路繞擊、反擊跳閘情況。110 kV及以上線路反擊、繞擊跳閘比例與上述雷擊跳閘線路桿塔接地電阻、雷電流幅值分布基本吻合，具有一致性[3]。

表3 線路雷擊跳閘雷電流幅值分布Tab.3 Lightning current magnitude distribution during line trip-out caused by lightning

表4 線路雷電反擊、繞擊跳閘比例Tab.4 Line lightning strike-back,circle attack trip-out rate

3.5 地線保護(hù)角影響

減小地線保護(hù)角是防止線路雷電繞擊的主要技術(shù)措施，設(shè)計規(guī)程要求500、220、110 kV線路地線保護(hù)角分別小于 15°、20°、25°，由于廣東線路繞擊跳閘比例較高，建議500、220、110 kV設(shè)計保護(hù)角分應(yīng)小于 5°、10°、15°，特別是 500 kV 線路和同塔多回共架線路，可采用負(fù)保護(hù)角。

表5統(tǒng)計了雷擊跳閘線路的保護(hù)角情況，在相同保護(hù)角范圍，隨著電壓等級和桿塔高度增加，線路跳閘（主要是繞擊）比例明顯增加。

表5 線路雷擊跳閘地線保護(hù)角分布Tab.5 Line lightning trip-out ground wire protective angle distribution

3.6 絕緣子類型影響

表6統(tǒng)計了雷擊跳閘線路的故障絕緣子的類型，可見500 kV線路合成絕緣子雷擊閃絡(luò)比例較大，220、110 kV線路合成絕緣子、玻璃絕緣子雷擊閃絡(luò)比例相差不大。

線路絕緣子雷擊受損數(shù)量，可能由不同類型絕緣子掛網(wǎng)數(shù)量以及雷電活動分散性決定，對于相同雷電耐受水平的合成絕緣子或玻璃絕緣子，暫時無運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明合成絕緣子比玻璃絕緣子更易遭受雷電閃絡(luò)[4]。

早期防污調(diào)爬使用的合成絕緣子確實(shí)存在電弧距離較短、與同電壓等級的玻璃或瓷絕緣子電氣性能不等效的情況，由此也導(dǎo)致了線路耐雷水平下降、雷擊跳閘率提高。同時運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，合成絕緣子工頻電弧作用不如玻璃絕緣子，且耐受雷電流小，因而容易造成硅橡膠材料或端部密封結(jié)構(gòu)的缺陷。

表6 雷擊跳閘桿塔絕緣子類型統(tǒng)計Tab.6 Insulator type statistic of lightning trip-out towers

4 線路避雷器防雷運(yùn)行分析

截至2008年，廣東110、220、500 kV線路分別安裝中間避雷器7406、2790、34相，安裝線路604、151、2回，占全部線路規(guī)模的 24.3%、24.5%、2.3%，其中2008年凈增中間避雷器1784相；絕緣子間隙、空氣間隙、無間隙的中間避雷器的比例分別為68.9%、23.2%、7.9%。

110、220 kV線路分別安裝終端避雷器3221、501相，安裝線路685、118回，其中帶脫離裝置、無脫離裝置、帶間隙的終端避雷器的比例分別為42.7%、53.3%、3.8%，絕大多數(shù)采取無間隙避雷器。2008年凈增終端避雷器1449相。

2008年110、220 kV線路中間避雷器平均每相動作2.3、2.4次，110、220 kV線路終端避雷器平均每相動作1.6、1.5次，避雷器動作率和保護(hù)有效性均處于較高水平。

廣東線路避雷器運(yùn)行可靠性和效果總體良好，存在問題主要有：個別避雷器電氣、機(jī)械性能變差；由于安裝選點(diǎn)不當(dāng)、雷電活動的分散性，部分線路防雷效果不明顯；由于絕緣配合不當(dāng)問題，個別避雷器存在保護(hù)失效現(xiàn)象；避雷器本體、絕緣子間隙受彎曲應(yīng)力累積作用發(fā)生斷裂；避雷器電氣連接受損或脫離裝置故障；避雷器金具及計數(shù)器等部件銹蝕損壞。

在當(dāng)前廣東線路雷擊跳閘率仍然居高的形式下，繼續(xù)推進(jìn)線路避雷器的防雷應(yīng)用具有重要意義[5-7]，但不能盲目安裝和隨意擴(kuò)大規(guī)模，應(yīng)加強(qiáng)針對性和技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較。

5 線路防雷策略建議

5.1 開展線路綜合防雷改造

推進(jìn)線路防雷綜合改造，加強(qiáng)管理和積累運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。建議考慮對雷擊跳閘率較高、跳閘次數(shù)較多的500 kV東惠甲線、江茂甲線、曲花乙線，220 kV風(fēng)嶺線、東黎甲線、陽仙甲乙線，110 kV悅祿線、潖逕乙線、三安甲乙、桃呂線、睦悅線等實(shí)施綜合防雷改造。

防雷改造應(yīng)有針對性，應(yīng)至少積累該線路3～5年以上的雷擊跳閘數(shù)據(jù)，以明確造成線路跳閘率高的主要原因，原則上500 kV線路重點(diǎn)防繞擊，110 kV線路重點(diǎn)防反擊，220 kV線路應(yīng)同時防繞擊和反擊。對于已開展或完成改造線路，應(yīng)跟蹤1～5年運(yùn)行數(shù)據(jù)，明確改造是否取得實(shí)效。對于部分線路改造效果不明顯的，應(yīng)分析具體原因，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)。

5.2 提高線路防雷設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

廣東經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展進(jìn)入新階段，線路走廊選擇困難或別無選擇，新建線路處山區(qū)或突出暴露地形居多，容易遭受雷擊，因此必須在規(guī)程基礎(chǔ)上提高防雷設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[7]。此外，已運(yùn)行線路桿塔高度、結(jié)構(gòu)和空氣間隙固定，開展防雷改造具有局限性，必須從設(shè)計源頭把關(guān)。

建議500 kV線路、同塔線路采取5°以下及負(fù)保護(hù)角，220、110 kV線路分別采取10°、15°以下保護(hù)角，減少線路繞擊跳閘。

建議加強(qiáng)線路絕緣設(shè)計，采用電弧距離較大的合成絕緣子，增加玻璃絕緣子片數(shù)，將瓷絕緣子更換為玻璃或合成絕緣子等。位于山頂或突出暴露地形易擊桿塔宜使用玻璃絕緣子。加強(qiáng)絕緣可按提高10%～20%考慮，同時也應(yīng)提高塔頭尺寸和空氣間隙裕度，防止塔頭間隙放電概率增大。

5.3 加強(qiáng)線路繼電保護(hù)和重合閘管理

線路防雷在一次方面存在局限性，線路雷擊跳閘率只能降低到一個可接受水平，不可能降低到更低水平。

在采取措施降低雷擊跳閘率的同時，更應(yīng)通過加強(qiáng)繼電保護(hù)和重合閘管理，避免不必要的重合閘退出。同時，應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)電網(wǎng)規(guī)劃和建設(shè)，完善網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，提高供電可靠性。

5.4 加強(qiáng)線路防雷運(yùn)行管理和科研應(yīng)用

應(yīng)結(jié)合MIS建設(shè)，統(tǒng)一和規(guī)范線路雷擊跳閘記錄格式和防雷運(yùn)行報表，完善線路雷擊跳閘信息，及時開展防雷運(yùn)行總結(jié)和分析評估；加強(qiáng)線路防雷運(yùn)行維護(hù)，及時查找雷擊故障點(diǎn)和更換受損絕緣子；制定和執(zhí)行線路設(shè)備檢測、抽檢和改造計劃，組織落實(shí)重大反事故措施；加強(qiáng)雷電定位系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)和軟硬件升級，及時更新線路坐標(biāo)，提高應(yīng)用水平，有效指導(dǎo)線路雷擊故障點(diǎn)查找和雷電參數(shù)分析；積極開展線路防雷科研和新技術(shù)應(yīng)用[8-14]。

6 結(jié)論

輸電線路和電網(wǎng)雷電防護(hù)是一項(xiàng)長期工作，由于線路規(guī)模擴(kuò)大，氣候變化、雷電活動頻繁，電網(wǎng)雷害事故明顯增多，加強(qiáng)雷電參數(shù)及線路防雷分析，開展防雷改造、采取有效的防雷措施顯得尤為重要。本文分析了廣東省線路雷擊跳閘率及雷擊原因，并提出了線路防雷策略，可為今后的防雷工作提供參考意見。近年來，雷電監(jiān)測技術(shù)研究取得顯著進(jìn)展，雷電仿真和試驗(yàn)工作積極開展，特別是電網(wǎng)整體防雷思想和差異化防雷策略初步貫徹實(shí)施[15]，必將極大地提高輸電線路和電網(wǎng)雷電防護(hù)技術(shù)和水平。

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