含分布式水電的電網(wǎng)雷擊風(fēng)險(xiǎn)評估*

張勇軍 黃慧 劉洋海 陳志峰

(1.華南理工大學(xué)電力學(xué)院∥廣東省綠色能源技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510640;2.廣東電網(wǎng)公司韶關(guān)供電局，廣東韶關(guān)512026)

隨著人民生產(chǎn)生活對電力的依賴程度不斷提高，供電單位一直致力于降低電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn).電網(wǎng)跳閘原因一般歸結(jié)為雷擊、鳥害、山火、覆冰、污閃等，其中雷擊跳閘［1-5］比重最大，約占60% ～80%.高雷擊跳閘率給電網(wǎng)帶來了巨大的風(fēng)險(xiǎn)，是電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)的重要組成部分.

分布式發(fā)電［6-8］和電力市場［9］是未來智能電網(wǎng)［10-13］的重要特征.含有分布式發(fā)電的電網(wǎng)雷擊風(fēng)險(xiǎn)評估的模型和方法是當(dāng)前電力系統(tǒng)防雷研究的新問題，隨著可再生能源的比重不斷增加，這個(gè)問題將會更加突出.

文章首先從水電聯(lián)絡(luò)線、水電站和用戶3個(gè)角度分析含分布式水電電網(wǎng)在防雷方面存在的問題，然后對比水電聯(lián)絡(luò)線和普通線路在雷擊風(fēng)險(xiǎn)構(gòu)成和風(fēng)險(xiǎn)分擔(dān)方面存在的差異，提出了4個(gè)雷擊風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)，建立雷擊風(fēng)險(xiǎn)評估模型，雷擊的反擊和繞擊分別采用規(guī)程法［14-15］和電氣幾何法［15］.小水電豐富的韶關(guān)電網(wǎng)110kV線路雷擊風(fēng)險(xiǎn)評估結(jié)果顯示，雷擊風(fēng)險(xiǎn)主要集中在水電聯(lián)絡(luò)線路上，水電附近具有極大的失負(fù)荷風(fēng)險(xiǎn)，因雷擊而導(dǎo)致的可再生資源浪費(fèi)十分嚴(yán)重.

1 分布式水電電網(wǎng)防雷存在的問題

文章從水電聯(lián)絡(luò)線、水電站、用戶3個(gè)方面分析目前電網(wǎng)防雷存在的問題及與未來電網(wǎng)的差距.

1.1 水電聯(lián)絡(luò)線的情況

水電聯(lián)絡(luò)線雷擊跳閘率高且保護(hù)系統(tǒng)不夠靈活完善［13］.水電一般處于山區(qū)，線路長，建設(shè)年代較早，且設(shè)計(jì)防雷水平低，如避雷線保護(hù)角過大等，導(dǎo)致水電聯(lián)絡(luò)線雷擊跳閘率高.水電聯(lián)絡(luò)線一般在主網(wǎng)側(cè)配置線路無壓重合閘，水電側(cè)一般不配置重合閘，即使配置有重合閘，也并不同時(shí)適應(yīng)于豐水期和枯水期，重合成功的幾率十分低.

目前的110kV水電聯(lián)絡(luò)線為今后微網(wǎng)和主網(wǎng)的連接線，該線路應(yīng)具備較高的可靠性及故障開合能力［6，13］.因此，目前水電聯(lián)絡(luò)線的可靠性和保護(hù)的靈活性尚未達(dá)到要求.

1.2 水電站情況

雷擊后水電機(jī)組支撐能力差.根據(jù)調(diào)查，我國的水電機(jī)組存在技術(shù)落后的情況，部分機(jī)組倉倉促上馬、無序開發(fā)所配置的保護(hù)十分簡單，大部分機(jī)組甚至只有過電流保護(hù)、同期并網(wǎng)等，調(diào)節(jié)能力十分差，持續(xù)發(fā)電的可靠性低.一般110kV水電聯(lián)絡(luò)線發(fā)生故障，若水電出力和本地負(fù)荷不平衡，則水電機(jī)組較快失穩(wěn)，負(fù)荷停電.

水電站是未來電力市場的主體，高發(fā)電可靠性將節(jié)省不可再生能源，同時(shí)也給水電公司帶來利益.水電站又承擔(dān)著主網(wǎng)或聯(lián)絡(luò)線故障時(shí)充當(dāng)本地負(fù)荷電源的任務(wù)［6］，因此急需提高水電機(jī)組的技術(shù)水平和管理水平，以提高調(diào)節(jié)能力和可靠性.

1.3 用戶情況

用戶電能質(zhì)量低.由于水電聯(lián)絡(luò)線雷擊跳閘率高、水電機(jī)組支撐能力差，同時(shí)水電位于山區(qū)，停電轉(zhuǎn)供能力不強(qiáng)，因此，小水電周邊負(fù)荷供電可靠性較差，停電時(shí)間較長.除此外，由于水電開機(jī)關(guān)機(jī)，常出現(xiàn)電壓偏高以及電壓暫降、暫升現(xiàn)象，易造成用戶精密儀器失靈或者毀壞.

2 水電聯(lián)絡(luò)線和普通線路雷擊風(fēng)險(xiǎn)對比

詳細(xì)對比分析水電聯(lián)絡(luò)線和普通線路的雷擊風(fēng)險(xiǎn)構(gòu)成和風(fēng)險(xiǎn)承擔(dān)，能夠更好地突出水電聯(lián)絡(luò)線雷擊風(fēng)險(xiǎn)的特殊性，是水電聯(lián)絡(luò)線雷擊風(fēng)險(xiǎn)評估的基礎(chǔ)，對于今后各風(fēng)險(xiǎn)承擔(dān)者的風(fēng)險(xiǎn)管理、防雷改造、可靠性提高等有很好的指導(dǎo)意義.文中從雷擊風(fēng)險(xiǎn)構(gòu)成和風(fēng)險(xiǎn)承擔(dān)角度分析了水電聯(lián)絡(luò)線和普通線路雷擊風(fēng)險(xiǎn)差異，結(jié)果見表1.

表1中，水電機(jī)組調(diào)節(jié)和保護(hù)動(dòng)作分別增加了水電和電網(wǎng)公司的運(yùn)行成本.水電資源損失和負(fù)荷停電損失為能源的損失和缺供，是風(fēng)險(xiǎn)損失的核心部分.普通線路沒有水電資源損失，雷擊風(fēng)險(xiǎn)后果相對水電聯(lián)絡(luò)線較輕.目前，電網(wǎng)公司、水電所有者、用戶三者之間尚無明確的可靠性交易機(jī)制［9］，這也是目前水電聯(lián)絡(luò)線可靠性差、水電無序開發(fā)、用戶供電可靠性低的根本原因.隨著分布式發(fā)電局面的逐漸形成、電力市場意識的強(qiáng)化和智能電網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)步，風(fēng)險(xiǎn)的各方承擔(dān)將更明晰，水電資源的利用率、供電可靠性將大大地提高.

3 雷擊風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)

明確的雷擊風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，是雷擊風(fēng)險(xiǎn)評估的基礎(chǔ)，文中采用的分布式電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線雷擊風(fēng)險(xiǎn)的指標(biāo)如下:

1)年雷擊跳閘率k 為雷擊暴露次數(shù)N和線路跳閘可能性pf的乘積，既體現(xiàn)了線路跳閘的地理因素，又體現(xiàn)了保護(hù)設(shè)計(jì)水平.

2)雷擊重合閘成功率μ 綜合體現(xiàn)了重合閘的配置與否以及重合閘類型與電網(wǎng)運(yùn)行方式的合適性.若未配置重合閘，則重合閘成功率為0.

3)年可再生資源損失風(fēng)險(xiǎn)RG為可再生資源電廠因雷擊故障少發(fā)的電量.

4)年缺供電量風(fēng)險(xiǎn)RL為因雷擊導(dǎo)致的用戶停電電量.

以上4個(gè)指標(biāo)能夠綜合反映電網(wǎng)、用戶、可再生資源電廠的雷擊風(fēng)險(xiǎn)，適用于分布式電網(wǎng)的雷擊風(fēng)險(xiǎn)評估.

4 雷擊風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算模型

文中從雷擊風(fēng)險(xiǎn)的線路雷擊暴露次數(shù)N、線路跳閘可能性pf和故障損失C三方面建立雷擊風(fēng)險(xiǎn)評估模型.雷擊暴露和線路跳閘可能性的乘積即為線路的雷擊跳閘率.雷擊風(fēng)險(xiǎn)Rl如下式:

表1 水電聯(lián)絡(luò)線和普通線路雷擊風(fēng)險(xiǎn)比較Table 1 Lightning risk comparison between hydropower grid-connected line and normal line

4.1 雷擊暴露

雷擊暴露次數(shù)N體現(xiàn)了線路所在地的雷擊頻度，它與雷對地閃密度Ng以及線路對地的屏蔽面積A有關(guān)，即

式中:Ng=γNl，γ為地面落雷密度，Nl為地區(qū)年雷暴日;A=10hb，hb為避雷線高度.

4.2 線路跳閘可能性

跳閘可能性pf是指線路在一個(gè)雷害情況下發(fā)生跳閘的可能性，計(jì)算公式如下:

式中，η為建弧率，g為擊桿率，p1為超過反擊耐雷水平的雷電流概率，p2為引發(fā)繞擊的雷電流概率，pa為繞擊率.

反擊耐雷水平I1采用規(guī)程法［14-15］計(jì)算.p1的計(jì)算式如下:

繞擊耐雷水平采用電氣幾何模型法［4］計(jì)算，根據(jù)桿塔的物理模型計(jì)算繞擊的最小臨界電流I2min和最大臨界電流I2max，計(jì)算公式為

式中，Z為導(dǎo)線的波阻抗，U50%為絕緣子50%放電電壓，α、θ分別為避雷線保護(hù)角和山坡傾角，hc為導(dǎo)線高度，r2max為繞擊最大擊距.能夠引發(fā)繞擊的雷電流概率為

4.3 損失

文中選取表1中兩個(gè)核心的損失作為分布式電源的雷擊風(fēng)險(xiǎn)損失C:

式中，CL、CG分別為缺供電量損失和可再生資源損失，pG、pL分別為因雷擊而損失的發(fā)電功率和負(fù)荷數(shù)，tG、tL分別為雷擊導(dǎo)致的發(fā)電機(jī)停運(yùn)時(shí)間和負(fù)荷停電時(shí)間.由于分布式電源的管理完善程度以及元件備自投、停電轉(zhuǎn)供配置參差不齊，各線路故障導(dǎo)致的可再生資源浪費(fèi)量、負(fù)荷停電量、停電時(shí)間都有很大的區(qū)別.

5 算例分析

韶關(guān)境內(nèi)含有豐富的水利資源，大小水電站達(dá)千余個(gè)，水電總裝機(jī)近165萬kW，廣泛地分布在農(nóng)村地區(qū)，為典型的分布式水電地區(qū)，普通線路主要集中在市區(qū)和郊區(qū).數(shù)個(gè)大型水電直接升壓到110kV，其余小水電一般T接在10kV和35kV線路上，通過110kV變電站與主網(wǎng)連接.韶關(guān)電網(wǎng)110 kV約有一半長度的線路為小水電聯(lián)絡(luò)線.利用第4節(jié)模型，按照韶關(guān)每年80個(gè)雷電日計(jì)算，取停電時(shí)間為4h，其它雷電的繞擊、反擊參數(shù)依據(jù)電網(wǎng)實(shí)際情況而定，停電負(fù)荷量和發(fā)電量根據(jù)夏豐小方式平均情況而定.則韶關(guān)電網(wǎng)110kV線路的雷擊風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算結(jié)果如表2所示.

表2 雷擊風(fēng)險(xiǎn)評估結(jié)果Table 2 Evaluation results of lightning risk

由表2可知，韶關(guān)電網(wǎng)110 kV線路的雷擊風(fēng)險(xiǎn)絕大部分集中在T接水電的線路上，市區(qū)和郊區(qū)的普通線路跳閘率低且重合閘成功率高，且由于備自投、停電轉(zhuǎn)供較完善，缺供電量風(fēng)險(xiǎn)基本可以忽略.水電聯(lián)絡(luò)線的缺供電量風(fēng)險(xiǎn)達(dá)到普通線路的30倍，且可再生資源損失風(fēng)險(xiǎn)也極大，嚴(yán)重地浪費(fèi)了可再生資源.

6 結(jié)語

多水電地區(qū)的雷擊風(fēng)險(xiǎn)絕大部分集中在水電聯(lián)絡(luò)線上，分布式水電附近負(fù)荷存在極大的缺供電量風(fēng)險(xiǎn)，可再生資源浪費(fèi)十分嚴(yán)重，影響了農(nóng)村電網(wǎng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行.據(jù)此，筆者提出如下建議:

(1)加強(qiáng)線路的巡視，如絕緣子、接地電阻檢測等;提高水電聯(lián)絡(luò)線的防雷水平，如增強(qiáng)絕緣、降低桿塔的接地電阻等;在高雷擊風(fēng)險(xiǎn)的線路段安裝線路避雷器.

(2)增強(qiáng)水電站與主網(wǎng)連接線路的保護(hù)，完善重合閘配置率，并采取不同的重合閘方式以適應(yīng)水電大方式和小方式.

(3)增強(qiáng)水電站的保護(hù)，提高水電出力有功、無功、電壓的調(diào)節(jié)能力.

(4)增強(qiáng)水電地區(qū)配網(wǎng)結(jié)構(gòu)，合理地增加聯(lián)絡(luò)開關(guān)，增強(qiáng)負(fù)荷轉(zhuǎn)供能力.

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