遼寧地區(qū)雷電活動與輸電線路雷害故障特點

朱 鈺，王 飛，張立軍

(1．遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006;2．遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽 110006)

雷害是造成遼寧電網(wǎng)架空輸電線路跳閘的最主要原因，每年雷擊線路跳閘占全省線路跳閘總數(shù)的30%～50%。特別是近幾年，遼寧電網(wǎng)建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，受線路走廊及征地限制，更多新建線路位于山區(qū)，近幾年異常天氣增多，雷電活動異常頻繁，對遼寧電網(wǎng)輸電線路防雷工作提出了更高要求。

掌握雷電活動規(guī)律無論是對新線路防雷設(shè)計還是對運行線路防雷改造都具有十分重要意義。隨著雷電定位系統(tǒng)不斷發(fā)展，定位精度及數(shù)據(jù)統(tǒng)計更為準(zhǔn)確，為雷電參數(shù)研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。近年來，越來越多地區(qū)使用地閃密度等雷電定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)取代傳統(tǒng)雷電日進(jìn)行雷電活動時空特性分析，用于指導(dǎo)輸電線路防雷措施的制定［1］。

1 雷電活動時空特性

1.1 雷電定位系統(tǒng)

遼寧電網(wǎng)雷電定位系統(tǒng)于2007年6月投入使用，采用衛(wèi)星同步對時技術(shù) (GPS)、地理信息系統(tǒng) (GIS)、雷電遙測、波形傳播延時處理及超量程計算技術(shù)，結(jié)合“時間到達(dá)+定向”綜合定位模型，實時計算顯示云對地雷擊的發(fā)生時間、位置、雷電流幅值和極性、回?fù)舸螖?shù)、每次回?fù)舻膮?shù)，并以雷擊點分時彩色圖清晰顯示雷暴的運動軌跡。

定向、定位原理如圖1所示，當(dāng)A點發(fā)生雷擊時，探測站TDF1、TDF2分別測定雷電方向α1和α2，由三角定位原理可計算出A點的位置。LLS定位只需2個探測站，但當(dāng)雷擊點A落在兩站連線附近或A點與探測站之間有遮擋，將導(dǎo)致較大的測向誤差。時差定位系統(tǒng)要求探測站站數(shù)≥3，3個站測得A1點雷電到達(dá)時刻T1、T2、T3，采用橢球雙曲線定位原理，可解算出A1和A2，用方向定位或第4站信號可排除A2數(shù)學(xué)解算點。LLS定位精度一般以時差定位為準(zhǔn)，如果各探測站時鐘同步和各種測量誤差在1 μs以內(nèi)，則定位誤差≤1 km，該定位精度能滿足電力系統(tǒng)雷擊故障點的快速查找。當(dāng)設(shè)計探測效率≥90%時，一般探測站站間距離在150～200 km。

遼寧電網(wǎng)雷電定位系統(tǒng)安裝12個雷電探測站，分別位于大連、丹東、營口、本溪、葫蘆島、朝陽、阜新、沈陽境內(nèi)，測量范圍覆蓋全省14個地區(qū)。該系統(tǒng)通過終端軟件或網(wǎng)頁可查看遼寧各地實時雷電情況，包括落雷位置、雷電流極性和強(qiáng)度、雷電流幅值概率分布等［2－3］。

1.2 雷電活動時間

利用雷電定位系統(tǒng)設(shè)計2008～2010年遼寧地區(qū)每月地面落雷情況如圖2～圖4所示。可以看出，遼寧地區(qū)每年5～8月雷電活動最頻繁，但各年度雷電活動有所差異。

2 輸電線路雷害故障特點

2.1 500 kV線路雷害故障特點

自2002年以來，遼寧地區(qū)500 kV輸電線路共發(fā)生68次雷擊跳閘，其中5次為反擊引起，63次為繞擊引起。2002年以來500 kV輸電線路雷擊跳閘率變化趨勢如圖5所示。由圖5可以看出，自2006年以來，500 kV輸電線路的雷擊跳閘率總體呈下降趨勢。

由圖6可以看出，500 kV線路雷擊跳閘主要集中在5～8月，2002～2011年在這4個月共發(fā)生雷擊跳閘59次，占500 kV線路雷擊跳閘總數(shù)的87%，1～3月和12月未發(fā)生過雷擊跳閘。

由圖7可以看出，2002～2011年500 kV線路雷擊跳閘較多的地區(qū)有撫順、營口、本溪、葫蘆島地區(qū)，阜新、盤錦、沈陽地區(qū)未發(fā)生500 kV雷擊跳閘。

由統(tǒng)計結(jié)果看，投運年限較長的線路由于防雷設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)偏低，發(fā)生雷擊跳閘概率較高。最典型的為王南1號、2號線 (目前王南1號線變更為王渤1號線、瓦渤1號線;王南2號線變更為王渤2號線、瓦渤2號線)， 這2條線路2002～2011年累計發(fā)生14次雷擊跳閘，其它較為典型的有豐徐2號線跳閘10次、豐徐1號線跳閘7次、元董2號線跳閘4次、沙董2號線跳閘3次、元董1號線跳閘3次。近2年新建線路受走廊及征地限制，更多線路從山區(qū)經(jīng)過，桿塔位于山頂或山腰，增加了線路遭受雷擊的概率。最典型的為程徐線，該線路2009年底投運，2010年發(fā)生雷擊跳閘3次。與程徐線相似的還有黃金2線 (2009年底投運)、丹程2線 (2009年7月投運)。

2.2 220 kV線路雷擊跳閘情況分析

自2002年以來，遼寧電網(wǎng)220 kV輸電線路共發(fā)生雷擊跳閘326次，58次為反擊引起，268次為繞擊引起。2002～2011年220 kV輸電線路雷擊跳閘率變化趨勢如圖8所示。由圖8可以看出，自2005年以來，220 kV輸電線路的雷擊跳閘率總體呈逐年下降趨勢。

由圖9可以看出，220 kV線路雷害發(fā)生月份基本呈現(xiàn)正態(tài)分布趨勢。雷擊跳閘主要集中在5～8月，這4個月共發(fā)生雷擊跳閘211次，占雷擊跳閘總數(shù)的78%，其次是9月和10月，每年1月和12月未發(fā)生過雷擊跳閘。

由圖10可以看出，丹東、本溪地區(qū)由于地處遼寧東部長白山脈延伸地帶，山地多、海拔高，最易發(fā)生輸電線路雷擊跳閘，這兩個地區(qū)2002～2011年220 kV線路共發(fā)生雷擊跳閘149次，占雷擊跳閘總數(shù)的46%，其次是鐵嶺、撫順地區(qū)，由于位于遼寧東北部低山區(qū)，線路發(fā)生雷擊跳閘也相對較多。

比較各地區(qū)每年雷擊跳閘次數(shù)情況，發(fā)現(xiàn)其波動性較大，存在“大小年”現(xiàn)象。2002～2011年全省只有丹東、本溪地區(qū)220 kV輸電線路每年均出現(xiàn)雷擊跳閘情況，但每年的雷擊跳閘次數(shù)波動很大 (如圖11所示)，其它地區(qū)個別年份雷擊跳閘次數(shù)較多，而部分年份全年未發(fā)生雷擊跳閘故障。這說明遼寧雷電活動局部特征和隨機(jī)特性相當(dāng)明顯，給線路防雷工作帶來很大困難。

2002～2011年共有59條線路出現(xiàn)了2次以上雷擊跳閘故障，統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。雷擊跳閘超過5次及以上的有渭臥線17次、長鳳線14次、電北線13次、電芬線12次、寬鳳線9次、桓草線8次、桓小線7次、建凌二線7次、太寬線6次、元興線5次、遼李一線5次。上述線路大多投運年限較長，線路設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)偏低，且雷擊故障桿塔多位于山頂或山腰。

表1 2002～2011年出現(xiàn)2次以上雷擊跳閘的220 kV線路數(shù)

3 影響線路雷擊跳閘的因素

a． 基礎(chǔ)地面傾角對雷電繞擊影響

桿塔基礎(chǔ)地面傾角對輸電線路的雷電繞擊性能影響較大。同一條輸電線路，如果有一部分經(jīng)過平原地區(qū)，一部分經(jīng)過有山坡存在的地段，經(jīng)過山坡地段線路的繞擊率將大于經(jīng)過平原線路的繞擊率。當(dāng)某條線路多處桿塔架設(shè)在山頂或山坡上，需綜合考慮線路桿塔自身狀況、地形地貌等因素對防雷性能的影響。根據(jù)Eriksson的改進(jìn)電氣幾何模型計算表明，山坡地形對繞擊跳閘率有較大的影響，且隨地面傾角的增加，這種影響越大，線路的繞擊跳閘率越高。因此，對于桿塔基礎(chǔ)地面傾角較大的線路，即使采用負(fù)保護(hù)角也有可能發(fā)生繞擊。

b． 高桿塔容易發(fā)生雷擊

對于架空輸電線路，隨著桿塔高度的增加，大地對線路的雷電屏蔽作用將顯著減弱，繞擊區(qū)變大，線路的繞擊跳閘率也隨之增加 (如圖12所示)。

導(dǎo)線高度隨桿塔高度增加，導(dǎo)線暴露在外的范圍增大，將出現(xiàn)當(dāng)下行雷電先導(dǎo)已經(jīng)下降到低于輸電線路高度時發(fā)生雷擊導(dǎo)線的“回頭雷擊”(如圖13所示)。山區(qū)線路有時會跨越深溝，常因檔距中間導(dǎo)線和地面高差過大，地面對導(dǎo)線屏蔽進(jìn)一步減弱，容易發(fā)生繞擊事故［5］。

c． 復(fù)合絕緣子耐雷水平相對較低

各種類型絕緣子串的雷電沖擊放電特性，均由其兩端金屬間的干弧距離決定。在相同的環(huán)境下，絕緣子串兩端金屬間的干弧距離相同，其沖擊放電電壓值也基本相同。同電壓等級、同安裝高度下的復(fù)合絕緣子與盤形懸式絕緣子相比較，復(fù)合絕緣子盤徑較小，需加裝均壓環(huán)，因此，其干弧距離比盤形懸式絕緣子要小，雷電沖擊閃絡(luò)電壓比盤形懸式絕緣子低。

4 建議

a． 提高新建線路的防雷設(shè)計水平

提高新建輸電線路防雷設(shè)計水平是降低雷擊跳閘率的根本，500 kV等級線路主要從提高屏蔽保護(hù)性能考慮，220 kV等級則應(yīng)從耐雷水平和屏蔽防護(hù)雙方面考慮。在新建線路使用防雷裝置時，為取得較好的防雷效果 (或性價比)，應(yīng)對安裝點進(jìn)行優(yōu)化選取，對安裝方案進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計。

b． 強(qiáng)化防雷基礎(chǔ)工作

降低接地電阻是傳統(tǒng)且有效的線路防雷方法，各線路運維單位不但要按照狀態(tài)檢修試驗規(guī)程檢測周期開展接地電阻測試，而且應(yīng)加強(qiáng)接地電阻測試準(zhǔn)確性，發(fā)現(xiàn)接地電阻過大桿塔及時進(jìn)行改造。

加強(qiáng)對線路雷電跳閘、雷電活動的統(tǒng)計工作，加強(qiáng)對雷電活動規(guī)律的了解，做到有的放矢，才能提高防雷措施的有效性。

c． 開展差異化防雷工作

目前，各種防雷措施均起到了一定防雷作用，但從技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合分析，各種措施均存在不足之處。因此，開展輸電線路防雷治理工作，要體現(xiàn)出“差異化”。對于500 kV及核心骨干網(wǎng)架、戰(zhàn)略性輸電通道、66 kV及以上重要負(fù)荷供電線路，建議以降低雷擊跳閘率、提高設(shè)備運行可靠性為主要目標(biāo)。為對比防雷措施的有效性，可在同塔雙回線路中的1條線路全線安裝同種防雷裝置，逐年進(jìn)行對比分析，科學(xué)評估該種防雷措施的有效性。對于一般輸電線路建議嘗試采取絕緣子并聯(lián)間隙等“疏導(dǎo)型”防雷保護(hù)措施，減少雷擊設(shè)備損壞，降低線路運維工作量。

d． 開展雷害風(fēng)險評估工作

各網(wǎng)省公司均剛剛開展雷害風(fēng)險評估工作。該項工作需要進(jìn)行大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析工作，并建立一套完整的評估體系和計算方法，是一項需要長期進(jìn)行、不斷總結(jié)完善的課題。建議采取“試點先行、不斷完善”的方式，在雷電活動頻繁地區(qū)選擇部分線路以雷電監(jiān)測為基礎(chǔ)，根據(jù)輸電線路電壓等級、在電網(wǎng)中重要性和作用、線路走廊的雷電活動強(qiáng)度、地形地貌及線路結(jié)構(gòu)的不同，有針對性地進(jìn)行線路雷害風(fēng)險評估工作。

［1］ 童雪芳，王海濤，陳家宏，等．雷電定位系統(tǒng)地閃密度分布圖與雷擊故障相關(guān)性分析 ［J］．高電壓技術(shù)，2009，35(12):2 924－2 929．

［2］ 朱義東，邵寶珠，凌立平．雷電定位系統(tǒng)在遼寧電網(wǎng)中的應(yīng)用［J］．東北電力技術(shù)，2009，30(12):24－29．

［3］ 關(guān)麗潔，劉明光．防雷方法綜述 ［J］．東北電力技術(shù)，2006，27(1):50－52．

［4］ 王海濤，童杭偉，馮萬興，等．浙江省地閃密度圖的繪制方法及其有效性驗證［J］．高電壓技術(shù)，2008，34(11):2 488－2 491．

［5］ 王 飛，張 巍，朱義東．500 kV程徐線雷擊跳閘原因分析 ［J］．東北電力技術(shù)，2010，31(9):7－9．