十堰220 kV輸電線路雷擊跳閘與地形相關(guān)性分析

孫 濤， 祁玉龍， 劉 華， 李 涵， 周文俊， 喻劍輝， 齊小軍

(1. 國網(wǎng)湖北省電力公司 十堰供電公司， 湖北 十堰 442000； 2. 武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 湖北 武漢 430072；3. 武漢新電電氣技術(shù)有限責(zé)任公司， 湖北 武漢 430073)

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十堰220 kV輸電線路雷擊跳閘與地形相關(guān)性分析

孫 濤1， 祁玉龍2， 劉 華1， 李 涵2， 周文俊2， 喻劍輝2， 齊小軍3

(1. 國網(wǎng)湖北省電力公司 十堰供電公司， 湖北 十堰 442000； 2. 武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 湖北 武漢 430072；3. 武漢新電電氣技術(shù)有限責(zé)任公司， 湖北 武漢 430073)

十堰地區(qū)氣候、地理環(huán)境復(fù)雜，雷電活動(dòng)頻發(fā)，線路抵御雷擊能力薄弱，雷擊跳閘事故頻繁發(fā)生。本文收集了十堰地區(qū)220 kV十懸線雷電參數(shù)、雷擊事故和地理環(huán)境數(shù)據(jù)，利用規(guī)程法和電氣幾何模型計(jì)算線路反擊跳閘率和繞擊跳閘率。結(jié)合十懸線2011～2013年線路實(shí)際雷害情況，與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析十懸線雷害與線路走廊雷電參數(shù)、線路特征和地理環(huán)境的相關(guān)性。結(jié)果表明十懸線雷害主要發(fā)生在山頂和大跨距桿塔上。

十懸線； 雷擊跳閘率； 地形； 相關(guān)性

0 引 言

十堰市位于湖北省西北部，屬于江漢平原向秦嶺巴山過渡地區(qū)。十堰市北部為秦嶺山脈東段，中部為武當(dāng)山，大巴山的東段橫列于十堰市西南部，這些山脈多由變質(zhì)巖和石灰?guī)r構(gòu)成[1]，主要有丘陵、低山、中山、高山4種地貌類型，海拔最高點(diǎn)竹溪蔥坪海拔2 740.2 m，最低點(diǎn)丹江口市潘家?guī)r海拔87 m[2]。

十堰電網(wǎng)共有220 kV輸電線路19條，大部分分布在山區(qū)，造成輸電線路走廊地形復(fù)雜，桿塔高差大、大跨越檔距多、接地電阻偏高。每年夏季，十堰地區(qū)雷電活動(dòng)強(qiáng)烈，落雷密度大，輸電線路跳閘頻繁。

在我國電網(wǎng)110～500 kV設(shè)備事故中，雷擊跳閘次數(shù)占輸電設(shè)備跳閘總次數(shù)的第一位[3]，造成輸電設(shè)備非計(jì)劃停運(yùn)次數(shù)比例(僅次于外力破壞)占第二位[4]，已經(jīng)嚴(yán)重影響了電網(wǎng)的運(yùn)行和供電用電的安全可靠[5]。研究表明在輸電線路雷電活動(dòng)時(shí)空分布特征中，區(qū)域地形地貌的不同，直接影響輸電線路上空的雷電活動(dòng)[6-7]。雷擊故障的發(fā)生與地形及雷電活動(dòng)強(qiáng)弱程度有密切的關(guān)系[8-9]。輸電線路一般穿越多種不同的地形，其遭受雷擊的概率和雷擊的次數(shù)存在顯著差異性[10]。

本文以十堰市境內(nèi)220 kV線路十懸線為例，分析了十懸線雷擊跳閘與地形的相關(guān)性。

1 十懸線輸電走廊地理特征

十懸線是十堰市西南部一條重要的220 kV輸電線路，連接十堰和懸鼓洲變電站，線路全長(zhǎng)66.2 km、共140基桿塔、單回架設(shè)；全線塔型主要為貓頭塔、14～15片玻璃絕緣子，配置雙避雷線。圖1為十懸線線路走廊高程剖面，十懸線路走廊高低起伏劇烈，由十堰站出發(fā)，線路初段爬坡，最大高程在24#桿塔處為1 178 m，至線路中段又降至低谷，在線路末段呈現(xiàn)出起伏增高的趨勢(shì)。圖中的六條垂直紅線所標(biāo)記的位置為2011～2013年間十懸線雷擊跳閘桿塔的位置。

圖1 十懸線線路走廊地形高程

統(tǒng)計(jì)表明，十懸線走廊地形主要以山地為主，其中平地占5%，山坡占47.86%，山頂占41.43%，山谷占5.71%，如圖2所示。

圖2 十懸線桿塔地貌分布圖

十懸線沿線雷電活動(dòng)分布特征分析和典型雷電參數(shù)的獲取以湖北省雷電定位系統(tǒng)[11]2011～2013年3年雷電監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。十懸線2011～2013年各年及平均年沿線地閃密度可以看出，線路首端的雷電活動(dòng)較弱，地閃密度值較小，線路末端雷電活動(dòng)較強(qiáng)烈，地閃密度值較大。

十懸線桿塔大部分處于山脊/山頂、山坡地形之上，受地形影響，線路大跨越段多。十懸線超過30%線路為大檔距、大跨越，共有43段檔距超過600 m，其中3段線路檔距超過1 000 m，具體如圖3所示。

圖3 十懸線線路檔距分布

2 十懸線雷害特征

十懸線在2011～2013年間共發(fā)生6次雷擊跳閘故障，雷害時(shí)間、地點(diǎn)如表1所列。

表1 雷擊故障桿塔基本信息

6次雷擊故障中，有4次出現(xiàn)在落雷密度最大的區(qū)域中，雷擊故障主要出現(xiàn)在雷電活動(dòng)相對(duì)較活躍的地區(qū)，與地閃密度相關(guān)性較強(qiáng)。發(fā)生雷擊跳閘故障的6基桿塔中，48#、94#、105#和137#桿塔是直線貓頭塔，23#和118#桿塔是轉(zhuǎn)角耐張塔。在塔形分布上，有4次雷擊故障集中在直線塔處；另有2次雷擊故障發(fā)生在轉(zhuǎn)角塔處。

在檔距分布上，有3次故障發(fā)生在檔距為600 ～800 m之間的桿塔上，占50%，有2次故障發(fā)生在800m以上的大檔距桿塔上。除2011年在一般檔距桿塔發(fā)生過1次雷擊故障(繞擊)；其余發(fā)生故障的桿塔均為大檔距桿塔(600 m以上)。

在桿塔地形地貌分布上，有4基故障桿塔位于山頂，有2基故障桿塔位于坡沿，沒有故障發(fā)生在河谷平地上的桿塔 。

3 十懸線雷擊跳閘風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算

結(jié)合桿塔結(jié)構(gòu)特征和地理環(huán)境，將桿塔所在地形分為山頂、沿坡、山谷和平地，利用規(guī)程法[12]計(jì)算線路的反擊跳閘率和電氣幾何模型(EGM)[13-15]法計(jì)算線路的繞擊跳閘率。由于十懸線輸電線路走廊環(huán)境復(fù)雜，地形地貌和落雷密度差異大，計(jì)算整條線路跳閘率不能反映個(gè)別雷擊跳閘風(fēng)險(xiǎn)極高的區(qū)段。因此本文對(duì)輸電線路桿塔分段進(jìn)行雷害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，將每基桿塔及其左右1/2檔距看作一段小的線路，分段計(jì)算每段線路的雷擊跳閘率，并通過積分得到全線雷擊跳閘率。計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 十懸線各基桿塔分段雷擊跳閘率

結(jié)合圖1與圖4，線路首端的地閃密度較小，但是因?yàn)榫€路首端的海拔較高，導(dǎo)致線路雷擊跳閘率較高；線路末端的海拔較低，但是線路末端的地形比較復(fù)雜，山峰和河谷較多，桿塔所在地主要集中在山頂，暴露弧較大，使得雷擊跳閘率較高。

表2為十懸線2011～2013年發(fā)生雷擊故障桿塔以及計(jì)算出已發(fā)生雷擊故障桿塔的分段雷擊跳閘率。

表2 十懸線2011-2013年雷擊故障桿塔

十懸線全線雷擊跳閘率0.116 8次/(100 km·a)，通過計(jì)算，歷史發(fā)生雷擊跳閘故障桿塔的分段雷擊跳閘率均大于0.116 8次/(100 km·a)，說明當(dāng)分段雷擊跳閘率大于0.116 8次/(100 km·a)時(shí)，桿塔發(fā)生雷擊跳閘的風(fēng)險(xiǎn)更大。除了已發(fā)生雷擊跳閘事故桿塔外，還有35基桿塔的雷擊跳閘率大于0.116 8次/(100 km·a)。

通過比較23#桿塔與其余5基桿塔可以看出，23#桿塔所在區(qū)域的落雷密度較小，但是雷擊跳閘率反而很高，主要原因在于23#桿塔所在地海拔較高，海拔偏高時(shí)，導(dǎo)致耐雷水平降低，從而增加雷擊跳閘的概率。

比較位于山頂上桿塔的雷擊跳閘率和山坡上桿塔的雷擊跳閘率，發(fā)現(xiàn)山坡上桿塔的雷擊跳閘率小于山頂上桿塔的雷擊跳閘率，山頂上桿塔的暴露弧距離比山坡上的桿塔的大，導(dǎo)致線路遭受雷擊的概率增大。

4 結(jié) 語

(1) 統(tǒng)計(jì)了十懸線線路參數(shù)、雷電參數(shù)和歷史雷電故障，通過分析，十懸線雷害現(xiàn)象嚴(yán)重，且線路與平原地區(qū)有明顯區(qū)別，具有特殊性；

(2) 由于落雷和地形差異比較大，采取分段計(jì)算的方法進(jìn)行研究，結(jié)合地閃密度計(jì)算分段雷擊跳閘率，計(jì)算結(jié)果與線路走廊地形有直接的關(guān)系；

(3) 歷史雷擊跳閘故障桿塔的分段雷擊跳閘率處于雷害風(fēng)險(xiǎn)高的區(qū)域，數(shù)據(jù)吻合性好。

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Correlation Analysis of Lightning Tripping-out and Terrain on 220 kV Transmission Line in Shiyan

SUNTao1，QIYu-long2，LIUHua2，LIHan2，ZHOUWen-jun2，YUJian-hui2，QIXiao-jun3

(1. Hubei Province Shiyan Power Company， State Grid Shiyan 442000, China；2 School of Electrical Engineering, Wuhan University，Wuhan 430072, China；3 Wuhan Xindian Electrical Company, Wuhan 430073, China)

The climate and geographical environment of Shiyan area is complex and the lightning activities present very frequently. However, the transmission lines in this area have little lightning protection capacity and lightning strike tripping accidents present frequently. This paper had collected lightning parameters and the data of lightning accidents and geographical environment for 220kV Shixuan transmission line in Shiyan area. The regulation method and electric geometry method (EGM) were used to calculate the back flashover trip-out rate and lightning shielding failure trip-out rate of 220kV Shixuan transmission line. This paper compared the actual lightning accidents data (from 2011 to 2013) with the calculation results, and analyzed the dependency between lightning accidents and the data. which include the characteristic of transmission line, the data of thunder and the geographical environment.

Shixuan transmission line; lightning tripping-out rate; terrain; correlation

2014-09-18

孫 濤(1968-)，湖北房縣人，碩士，副總工程師，主要從事電力系統(tǒng)生產(chǎn)技術(shù)工作，研究方向：電力系統(tǒng)過電壓。

E-mail: Syddgl@sohu.com.

李 涵(1980-)，湖北武漢人，講師，研究方向：電力系統(tǒng)過電壓。E-mail: golden.silver@163.com

TM75

A

1006-7167(2015)05-0126-03