智能電網(wǎng)中雷電參數(shù)監(jiān)測(cè)的探討

李靖強(qiáng) 王澤眾 楊曉娟 劉長(zhǎng)征 徐 文

1.山東省濟(jì)寧市供電公司 山東 濟(jì)寧 272100；2.華北電力大學(xué) 北京 昌平 102206

0 引言

電力系統(tǒng)是由發(fā)電、輸電、配電三大部分構(gòu)成的， 架空輸電線路作為這三大部分的重要組成，它的安全與穩(wěn)定是我們需要密切關(guān)注的。由于架空輸電線路經(jīng)常地處荒野，構(gòu)成縱橫交錯(cuò)，并且經(jīng)常會(huì)綿延數(shù)百至數(shù)千公里，極易發(fā)生雷擊現(xiàn)象，造成各種如跳閘或停電的安全事故，這將會(huì)給國民經(jīng)濟(jì)帶來十分重大的損失。 超、特高壓輸電線路一般比較長(zhǎng)，且長(zhǎng)期暴露在大氣中，暴露面積大；同時(shí)超、特高壓輸電線路的桿塔高度比較高， 引雷半徑比較大，因此遭受累積的可能性也就大。 據(jù)各類關(guān)于電網(wǎng)故障統(tǒng)計(jì)表明，超高壓總跳閘次數(shù)中，因雷擊引起的跳閘次數(shù)占40%～70%［1－2］，特別在土壤電阻率高、多雷、地形復(fù)雜的地區(qū)，因輸電線路引起的故障會(huì)更多。 因此，做好架空輸電線路的防雷工作對(duì)電力系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性有著至關(guān)重要的作用。

目前無論是用規(guī)程法還是電氣幾何模型法都無法很好地解釋超、特高壓輸電線路跳閘率以繞擊為主的事實(shí)，因此對(duì)超特高壓輸電線路的繞擊耐雷性能進(jìn)行研究，對(duì)于優(yōu)化特高壓線路設(shè)計(jì)，使其防雷保護(hù)技術(shù)更趨完備， 具有重要的工程實(shí)際意義。在目前沒有設(shè)計(jì)、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的情況下，如何針對(duì)繞擊雷害的特點(diǎn)做好1000 kV 特高壓線路的防雷工程設(shè)計(jì)，以提高線路的安全可靠性，并采取相應(yīng)的有效防護(hù)對(duì)策，是亟待解決的問題。隨著試驗(yàn)技術(shù)、無線通信技術(shù)、雷電模擬技術(shù)不斷進(jìn)步以及對(duì)電網(wǎng)雷擊的認(rèn)識(shí)提高，非常有必要系統(tǒng)地對(duì)電網(wǎng)雷電的參數(shù)監(jiān)測(cè)與防護(hù)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)研究。

1 國內(nèi)外電網(wǎng)雷電監(jiān)測(cè)水平現(xiàn)狀

1.1 雷電參數(shù)測(cè)量

我國電網(wǎng)防雷保護(hù)仍屬于粗放型狀況，主要是對(duì)雷電的特性并沒有很好的掌握，特別是某些地區(qū)的雷電流幅值與上升時(shí)間的分布，源頭的防雷設(shè)計(jì)理念和可依賴的雷電參數(shù)等數(shù)據(jù)長(zhǎng)期缺乏。不管是電氣幾何模型計(jì)算保護(hù)角，還是先導(dǎo)法計(jì)算雷擊或繞擊概率，最關(guān)鍵的是掌握雷電參數(shù)分布。

關(guān)于雷電參數(shù)測(cè)量和輸電線路閃擊路徑測(cè)量，國外曾進(jìn)行了相關(guān)研究，早期采用磁鋼片進(jìn)行定點(diǎn)測(cè)量， 多年前K.Berger在圣薩爾瓦托山上的觀測(cè)站測(cè)得的1001次負(fù)極性放電和26次正極性放電［4－5］。我國也進(jìn)行了大量雷電定位與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究，并開發(fā)了相應(yīng)的雷電監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)。 該系統(tǒng)基于正交交叉天線來測(cè)量電磁波輻射， 從而進(jìn)行雷電定位，但由于對(duì)雷電電磁波傳播特性未能掌握，只能得到粗略的雷電幅值， 很難得到雷電的波形。 其實(shí)，雷電的分散性和隨地域變化的特點(diǎn)，對(duì)我國廣大的不同特征的輸電網(wǎng)而言， 雷電流參數(shù)是極為貧乏的和急需的。

目前，雷電探測(cè)是利用閃電輻射的聲、光、電磁場(chǎng)特性來遙測(cè)閃電放電參數(shù)：時(shí)間、位置、強(qiáng)度、極性、電荷、能量等。 由于聲、光受周圍環(huán)境的影響很大，很難用于精確測(cè)量雷電參數(shù)。因此，基于雷電輻射電磁場(chǎng)傳播特性的全新數(shù)字化雷電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是未來研發(fā)的重點(diǎn)。 美國、瑞士等國家已經(jīng)開展了很多工作，根據(jù)雷電電磁波的輻射特性，可通過雷電定位系統(tǒng)得到大量估算雷擊大地的雷電流峰值、上升時(shí)間和雷電電磁場(chǎng)數(shù)據(jù)反演等的重要參量［7］。 但是，現(xiàn)在的研究因模型簡(jiǎn)單、只能由近場(chǎng)測(cè)量值進(jìn)行雷電流反演計(jì)算等限制原因，還不能充分發(fā)揮雷電定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)量大、測(cè)量范圍廣等優(yōu)勢(shì)。

1.2 雷電參數(shù)分析與雷害評(píng)估

關(guān)于雷電參數(shù)分析與雷害評(píng)估研究，世界上發(fā)達(dá)國家對(duì)雷電的研究一直非常重視。美國是首先將雷電定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用于電力系統(tǒng)的國家， 并在2000年對(duì)第一個(gè)10年全國的雷電定位監(jiān)測(cè)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)的分析與研究。日本在90年代末采用在輸電線路上加裝直擊雷記錄設(shè)備的方法進(jìn)行雷電流參數(shù)，并對(duì)雷電定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量的雷電流進(jìn)行校核精度［8］。 我國特高壓線路建設(shè)中也非常重視雷電危害的評(píng)估，在過去的一年多時(shí)間內(nèi)，多家研究所、高校及國外電力研究部門對(duì)特高壓線路雷擊跳閘率進(jìn)行了分析計(jì)算，但由于未能很好地認(rèn)識(shí)雷電物理過程及掌握雷電參數(shù)，各單位得出的研究結(jié)果也是差別很大，很難用于工程設(shè)計(jì)。

1.3 輸電線路雷擊跳閘率

繞擊是超高壓、特高壓輸電線路雷擊跳閘的主要原因，在繞擊跳閘率方面國內(nèi)外的多名專家做了研究。 在繞擊跳閘率計(jì)算時(shí)，多采用電氣幾何模型法［9］。經(jīng)典的電氣幾何模型是由Whitehead教授等根據(jù)計(jì)算分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果，將雷電的放電特性與線路的結(jié)構(gòu)尺寸聯(lián)系起來而建立的一種幾何分析計(jì)算模型。 該模型是一種工程模型，其發(fā)展和完善一直得到了現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的支持。作為繞擊計(jì)算方法EMG比傳統(tǒng)規(guī)程法前進(jìn)了一大步，但是該模型沒有考慮到雷電放電的分散性，并認(rèn)為繞擊與結(jié)構(gòu)物高度無關(guān)，也沒有考慮大地、避雷線、導(dǎo)線三者引雷能力的差別。而假定雷電先導(dǎo)對(duì)三者的擊距是相等的，從而影響了模型的精確性。

針對(duì)經(jīng)典電氣幾何模型的不足，Eriksson教授提出了改進(jìn)的電氣幾何模型［10］。與經(jīng)典電氣幾何模型相比改進(jìn)電氣幾何模型考慮了結(jié)構(gòu)物高度對(duì)引雷能力的影響，但其同樣也沒有考慮到雷擊放電過程的分散性的影響。隨著雷電先導(dǎo)理論的發(fā)展和長(zhǎng)間隙放電研究的深入［9］，而后又提出雷電先導(dǎo)傳播模型（Leader Progression Model，LPM），用于雷電屏蔽性能的研究。

為適應(yīng)超、特高壓輸電發(fā)展的需要，國內(nèi)學(xué)者也進(jìn)行了一些對(duì)輸電線路雷電繞擊分析模型的研究和改進(jìn)［11］。該方法全面的考慮了雷電先導(dǎo)發(fā)展過程中空間電場(chǎng)的變化情況及其對(duì)放電發(fā)展過程的影響，更加接近雷電發(fā)展的物理過程，適用于特高壓線路的繞擊耐雷性能計(jì)算。

2 亟待開展的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 直接測(cè)量雷電流

近年來，由于雷電流參數(shù)是電網(wǎng)防雷設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)參數(shù)，隨著雷電定位系統(tǒng)其在全國得到大量推廣應(yīng)用，在雷電流幅值的分布和地面落雷密度方面積累了海量數(shù)據(jù)。其基本原理是用多個(gè)測(cè)量天線測(cè)量雷擊時(shí)的雷電電磁波，經(jīng)過計(jì)算機(jī)的反推計(jì)算確定雷擊地點(diǎn)、雷電流幅值以及極性。 由于電磁波的傳播受地形地貌的影響，經(jīng)反推計(jì)算的雷電流幅值在未知誤差，目前還不能實(shí)際校核，需要通過直擊雷電流的測(cè)量耐其進(jìn)行標(biāo)定。 同時(shí)，雷電流參數(shù)一直是架空輸電線路和大型電力設(shè)備防雷設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)參散，但由于過去測(cè)量技術(shù)和成本問題，使得雷電流測(cè)量手段比較落后，導(dǎo)致我國可用雷電流監(jiān)測(cè)參數(shù)十分匱乏［12］。

現(xiàn)在國內(nèi)外對(duì)防雷的研究一般只精確到雷擊區(qū)域或點(diǎn)的大體位置，并無對(duì)輸電線路遭受雷擊過程進(jìn)行真實(shí)描述， 使防雷工作長(zhǎng)期無法得到突破。因此，十分有必要對(duì)雷擊輸電線路造成絕緣子閃絡(luò)的路徑進(jìn)行研究。通過開發(fā)出輸電線路雷擊在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)測(cè)雷擊避雷線、導(dǎo)線和桿塔的電流幅值、波形、極性等參數(shù)，直接判斷遭受雷擊的桿塔位置和雷擊形式（繞擊或反擊），為采取準(zhǔn)確靈敏的防雷措施，提供堅(jiān)強(qiáng)的技術(shù)保證。 開展輸電線路直擊雷電流實(shí)測(cè)研究，可為我國電網(wǎng)獲取和積累雷電流實(shí)測(cè)參數(shù)，激活海量雷電定位系統(tǒng)雷電流教據(jù)，并為電網(wǎng)防雷工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)， 降低電網(wǎng)雷害發(fā)生，推動(dòng)我國電網(wǎng)防雷技術(shù)的發(fā)展。

2.2 雷擊輸電線路模擬與繞擊計(jì)算方法的設(shè)計(jì)

在特高壓與超高壓系統(tǒng)中，因反擊耐雷水平升高而造成的繞擊跳閘問題十分的突出［13］。并且根據(jù)對(duì)特高壓線路上美國、加拿大等國的防雷運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的研究發(fā)現(xiàn)，繞擊仍是雷擊跳閘事故中高壓輸電線路跳閘的主因［14－15］。 在輸電線路往更高電壓等級(jí)發(fā)展和出現(xiàn)新的線路結(jié)構(gòu)時(shí)， 原有以電氣幾何模型（EGM）為基礎(chǔ)的輸電線路直擊雷電屏蔽保護(hù)［16－18］，在指導(dǎo)新線路的防雷屏蔽設(shè)計(jì)時(shí)也表現(xiàn)出一些局限性，所以建立適當(dāng)?shù)妮旊娋€路雷擊模擬與繞擊計(jì)算方法能夠有效的監(jiān)測(cè)線路的雷擊故障。

在輸電線路往更高電壓等級(jí)發(fā)展和出現(xiàn)新的線路結(jié)構(gòu)時(shí)，原有以電氣幾何模型（EGM）為基礎(chǔ)的輸電線路直擊雷電屏蔽保護(hù)［16－18］，在指導(dǎo)新線路的防雷屏蔽設(shè)計(jì)時(shí)也表現(xiàn)出一些局限性，所以建立適當(dāng)?shù)妮旊娋€路雷擊模擬與繞擊計(jì)算方法能夠有效的監(jiān)測(cè)線路的雷擊故障。

目前，以模擬電荷法為基礎(chǔ)，計(jì)及線路的運(yùn)行電壓和雷電先導(dǎo)通道在地面和線路上的感應(yīng)電壓，建立雷電先導(dǎo)通道模型和輸電線路模型的方法得到了很好的應(yīng)用。 模擬電荷法 （Charge Simulation Method）于1969年由H.Steinbigler提出［19］，可用于計(jì)算高壓電極、 高壓輸電線和其他高壓電器附近的高壓電場(chǎng)。 根據(jù)輸電線路以及桿塔參數(shù)應(yīng)用模擬電荷法設(shè)置的模擬電荷建立輸電線路模型， 能夠估計(jì)雷電通道參數(shù)并建立雷電通道模型， 從而計(jì)算出不同特高壓塔型下，回?fù)衾纂娏鞣?，雷電流位置，?dǎo)線、避雷線出現(xiàn)電暈放電時(shí)雷電通道頭部的高度［20－24］。 該方法可反映雷擊過程的基本規(guī)律，而通過該規(guī)律所得到的對(duì)地雷擊距離與IEEE給出的推薦擊距公式基本一致，具有良好的實(shí)踐性與可靠性。

2.3 建立雷電數(shù)據(jù)庫

關(guān)于基于雷電參數(shù)數(shù)據(jù)庫和全波過程模擬的電網(wǎng)“防雷差異化設(shè)計(jì)”研究，IEC已經(jīng)開始使用近十多年來的雷電定位系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)［25－26］，推薦了典型的防雷設(shè)計(jì)和校核用雷電參數(shù)，但是，仍然是沿用無差別化優(yōu)化設(shè)計(jì)思想。隨著超高壓電網(wǎng)的迅猛發(fā)展，尤其特高壓輸電網(wǎng)的出現(xiàn)，必須利用雷電參數(shù)庫，根據(jù)特高壓輸電線路的特殊結(jié)構(gòu)和各區(qū)域特點(diǎn)，對(duì)特高壓線路雷害進(jìn)行正確評(píng)估，并找到輸電線路容易受雷擊并發(fā)生閃絡(luò)的薄弱線段，針對(duì)輸電線路易閃段重點(diǎn)提出防護(hù)措施，實(shí)現(xiàn)輸電線路的“差異化防雷設(shè)計(jì)”，可以大大減少電力系統(tǒng)雷害事故，提高系統(tǒng)可靠性，特別是在特高壓輸電系統(tǒng)，建立一個(gè)完整、可靠的雷電數(shù)據(jù)庫顯得尤為重要。

2.4 雷電屏蔽模擬試驗(yàn)技術(shù)

由雷電屏蔽理論可知， 在保護(hù)角小于一定程度， 雷擊繞擊最大電流小于繞擊耐雷水平的情況下，線路一般不會(huì)發(fā)生繞擊跳閘事故。 但是輸電線路某些局部區(qū)域會(huì)因氣象、 地形和塔型等因素，出現(xiàn)繞擊跳閘率居高不下的情況。而因?yàn)檎{(diào)整保護(hù)角將會(huì)引起桿塔的機(jī)械性能發(fā)生變化，所以在運(yùn)行線路上采取這一措施是十分困難的。 并且，在特殊的大傾角山區(qū)，由保護(hù)角的調(diào)整所引起的屏蔽效果也不會(huì)顯著增加。 因此，除了在建設(shè)階段選擇合適線路保護(hù)角等措施外，還需采用一些便于在運(yùn)行時(shí)實(shí)施的雷電屏蔽增效措施［27－28］。

雷電屏蔽模擬試驗(yàn)技術(shù)的主要思想是用長(zhǎng)間隙放電來模擬自然雷擊的過程，其理論基礎(chǔ)是二者之間的相似性。因通過長(zhǎng)間隙放電來模擬雷擊過程是不可行的，所以可以利用長(zhǎng)間隙放電來模擬雷擊的自然放電。通過對(duì)不同長(zhǎng)度間隙進(jìn)行沖擊放電試驗(yàn)，可觀測(cè)雷擊放電過程并得到各種物理參數(shù)的變化規(guī)律，用于雷電屏蔽的各種仿真研究。

3 結(jié)論與展望

在電力系統(tǒng)中，防雷工程是一項(xiàng)復(fù)雜、系統(tǒng)的工程。 目前，雖然在智能電網(wǎng)的雷電監(jiān)測(cè)與防護(hù)領(lǐng)域我國已經(jīng)取得不少成果，但仍有不少關(guān)鍵技術(shù)難題亟需解決。 只有結(jié)合各種系統(tǒng)的實(shí)際情況，并綜合應(yīng)用本文討論過的各種防護(hù)措施，才能提高智能電網(wǎng)的防雷水平， 減少各種雷害事故對(duì)電網(wǎng)的影響，提高電網(wǎng)的安全運(yùn)行水平。除此之外，通過對(duì)本文討論的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)開展分析與研究，還會(huì)為我國相關(guān)防雷標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程的制定與修改提供一定的依據(jù)。

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