220kV早成線雷擊風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)估及治理技術(shù)研究

國網(wǎng)甘肅省電力公司 張宏軍

國網(wǎng)陜西省電力公司 孔志戰(zhàn)

國網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司 胡楊柳

220kV早成線雷擊風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)估及治理技術(shù)研究

國網(wǎng)甘肅省電力公司 張宏軍

國網(wǎng)陜西省電力公司 孔志戰(zhàn)

國網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司 胡楊柳

前言

雷電是發(fā)生頻繁的自然災(zāi)害之一,在交流高壓/超高壓輸電線路運(yùn)行的總跳閘次數(shù)中,由于雷擊引起的跳閘次數(shù)占40%～70%［1］。如何預(yù)防和減小雷擊線路對(duì)電網(wǎng)造成的損害,是電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行必須考慮的重點(diǎn)問題。

甘肅省屬于我國傳統(tǒng)的少雷地區(qū),然而隨著近年來氣候的不斷變化,甘肅省強(qiáng)對(duì)流天氣逐年增多,頻頻出現(xiàn)雷雨天氣,局部地區(qū)雷暴現(xiàn)象嚴(yán)重。由于省內(nèi)輸電線路運(yùn)行地理?xiàng)l件較差,線路防雷設(shè)計(jì)及建設(shè)考慮不充分,防雷工作具有一定的盲目性,缺乏對(duì)各防雷措施在原理、優(yōu)缺點(diǎn)、適用范圍上的根本性了解,因此一旦雷電地閃密度增大,極容易造成線路跳閘導(dǎo)致停電事故。甘肅省2010-2013年平均地閃密度分布如圖1所示?？梢钥闯?甘肅省除極少部分地區(qū)雷電活動(dòng)較強(qiáng)外,大部分地區(qū)雷電活動(dòng)較弱。

圖1 甘肅省2010-2013年地閃密度分布圖

220kV早成線位于天水南部,共309基桿塔,為單雙混架線路,其中雙回桿塔2基,單回桿塔307基,線路全長137.21km。全線除安裝2條避雷線外,無其它防雷措施。由圖1可知,天水南部雷電活動(dòng)較強(qiáng),是甘肅220kV輸電線路中容易發(fā)生雷擊故障的輸電線路之一。2010-2013年間,該線路共發(fā)生雷擊跳閘3次,其中繞擊跳閘2次,反擊跳閘1次,年平均跳閘率為0.547次/(百公里·年)。對(duì)于220kV線路,相關(guān)規(guī)范中規(guī)定,歸算到40個(gè)雷暴日、地閃密度為2.78次/(平方公里·年)下的雷擊跳閘率考核指標(biāo)為0.315次/(平方公里·年)［2］,由于早成線平均年地閃密度平均值為1.144次/(平方公里·年),因此早成線對(duì)應(yīng)的雷擊跳閘率考核指標(biāo)值為0.13次/(百公里·年),由此可知該線路雷擊跳閘率考核指標(biāo)沒有達(dá)標(biāo),必須研究能夠降低該線路雷擊跳閘率的防雷治理措施。

目前輸電線路防雷設(shè)計(jì)中,由于對(duì)線路走廊的雷電活動(dòng)特征掌握不夠全面,線路結(jié)構(gòu)及地形地貌特征未能全面考慮,使得防雷設(shè)計(jì)及治理措施缺乏針對(duì)性,技術(shù)經(jīng)濟(jì)性不強(qiáng)［3］。輸電線路差異化防雷技術(shù)綜合考慮了線路雷擊故障差異、雷電參數(shù)差異、線路特征參數(shù)差異、防雷措施實(shí)施差異等因素,對(duì)線路逐基桿塔進(jìn)行防雷性能評(píng)估,確定各基桿塔雷擊風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),依據(jù)現(xiàn)有防雷措施技術(shù)特點(diǎn),采取針對(duì)性防護(hù)措施配置,制定針對(duì)性的防雷治理方案,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電線路進(jìn)行“有的放矢”的防雷治理工作。

本文基于輸電線路差異化防雷技術(shù),綜合考慮影響線路耐雷性能的各種因素,對(duì)220kV早成線進(jìn)行了雷擊風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)估,制定了差異化防雷治理方案,并進(jìn)一步分析了治理方案的實(shí)際效果。

1 耐雷性能分析方法

1.1 繞擊耐雷性能

計(jì)算繞擊跳閘率的方法主要有規(guī)程法、電氣幾何模型(EGM)、先導(dǎo)發(fā)展法、蒙特卡羅法等。EGM由20世紀(jì)60年代建立,經(jīng)過國內(nèi)外學(xué)者的改進(jìn),發(fā)展相當(dāng)成熟。文獻(xiàn)［5］分析了雷電入射角度對(duì)繞擊計(jì)算的影響并提出了雷電入射角的概率分布公式,文獻(xiàn)［6］通過研究基于雷電先導(dǎo)發(fā)展的改進(jìn)電氣幾何模型,分析了山區(qū)線路雷擊跳閘率高的原因,基于電氣幾何模型,改進(jìn)了跳閘率的計(jì)算方法。因此,本文選擇電氣幾何模型(EGM)來計(jì)算早成線跳閘率,繞擊跳閘率的計(jì)算如下式所示［8］：

式中,NG為年平均地閃密度,Ic為線路繞擊耐雷水平,Dc(I)為雷電流幅值為I時(shí)暴露弧在地面投影長度, P’(I)為雷電流概率幅值密度。

1.2 反擊耐雷性能

蒙特卡洛法(Monte Carlo)是利用數(shù)學(xué)的方法產(chǎn)生各種不同分布的隨機(jī)變量抽樣序列,來模擬給定問題的概率統(tǒng)計(jì)模型,然后給出問題數(shù)值解的漸進(jìn)統(tǒng)計(jì)估計(jì)值［9］。針對(duì)反擊耐雷性能的計(jì)算,其原理是由計(jì)算機(jī)產(chǎn)生代表雷電流幅值、陡度等的統(tǒng)計(jì)量,驗(yàn)算和確定線路耐雷水平及跳閘率,用這種分析法計(jì)算出的跳閘率更加符合實(shí)際情況［10］。

考慮到可能影響雷擊跳閘率的隨機(jī)過程,將雷擊跳閘率y作為若干隨機(jī)變量的函數(shù)：

其中雷電流幅值I,波頭時(shí)間tf,雷擊瞬間導(dǎo)線工頻電壓值U,雷擊線路的部位B,雷擊時(shí)風(fēng)偏S等都是隨機(jī)變量,且具有不同的概率分布。用蒙特卡洛法計(jì)算雷擊跳閘率時(shí),用隨機(jī)抽樣的方法從各個(gè)雷擊跳閘影響因素的隨機(jī)變量概率分布中抽樣,得到第k次雷擊時(shí)相應(yīng)的隨機(jī)數(shù)Ik,tfk,Uk,Bk,Sk,然后用相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型判斷該次雷擊是否引起絕緣閃絡(luò)［11］,yk=f(Ik,tfk,Uk,Bk,S,…), k=1,2,3,…,N,若引起閃絡(luò),則yk=1,否則yk=0,經(jīng)過N次抽樣,便可得到雷擊跳閘率估計(jì)值：

2 線路雷擊風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)估

考慮到220kV線路,繞擊、反擊跳閘比例一般為7:3,又由于早成線對(duì)應(yīng)的雷擊跳閘率考核指標(biāo)值為0.13次/(百公里·年),因此將該線路繞擊跳閘率考核指標(biāo)Sr定為0.091次/(百公里·年),反擊跳閘率考核指標(biāo)Sf定為0.039次/(百公里·年)。以繞擊為例,將雷擊閃絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分為A、B、C、D四個(gè)等級(jí),劃分依據(jù)分別為［0,0.5Sr］、［0.5Sr,Sr］、［Sr,1.5Sr］、［1.5Sr,+∞］,反擊閃絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)按照同樣的原則進(jìn)行劃分［12］。通過輸電線路差異化防雷評(píng)估系統(tǒng),對(duì)早成線沿線各基桿塔進(jìn)行跳閘率計(jì)算。不同繞擊、反擊、雷擊風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的桿塔數(shù)量分布如圖2所示。

圖2 不同繞擊、反擊、雷擊風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的桿塔數(shù)量分布

圖2可以看出,編號(hào)大于150的桿塔雷擊跳閘率普遍較高,繞擊跳閘率不達(dá)標(biāo)的桿塔數(shù)量為53基,反擊跳閘率不達(dá)標(biāo)的桿塔數(shù)量為14基,雷擊跳閘率不達(dá)標(biāo)的桿塔數(shù)量為39基。

3 防雷治理措施研究

考慮到220kV早成線繞擊跳閘所占比例較大,故本次防雷治理以降低繞擊跳閘率為主、兼顧降低反擊跳閘率的思路來進(jìn)行。

3.1 加裝避雷器

線路避雷器可較大提高線路耐雷水平,有效降低線路繞擊和反擊跳閘率,適用于危險(xiǎn)等級(jí)最高且其他防雷措施難以防護(hù)的重點(diǎn)桿塔,如大檔距桿塔、接地電阻難以降低的桿塔等,故本次防雷治理中選擇該措施。對(duì)單回輸電線路,建議在兩邊相各安裝一支避雷器。針對(duì)早成線常見的ZM2型桿塔,對(duì)安裝前后繞擊、反擊耐雷水平和跳閘率進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算結(jié)果如圖3所示。可以看出,加裝避雷器后,桿塔的繞、反擊耐雷水平分別增大了25.62%、20.55%。

圖3 加裝避雷器前后桿塔耐雷水平

3.2 加裝可控放電避雷針

可控放電避雷針安裝于塔頭,可有效提高桿塔引雷能力,增強(qiáng)桿塔對(duì)其附近導(dǎo)線的雷電屏蔽能力,從而降低雷電繞擊導(dǎo)線的概率,減小繞擊跳閘率。因早成線絕緣水平較高,安裝可控放電避雷針不會(huì)變向增加反擊跳閘率,又因?yàn)榘惭b簡便且運(yùn)行中基本無維護(hù)工作量,故本次防雷治理中考慮加裝可控放電避雷針。由于220kV輸電線路塔頭較小,建議在塔頭上安裝1支可控放電避雷針。

3.3 接地改造

降低桿塔接地電阻能有效提高線路反擊耐雷性能,是基本的線路防反擊措施,故選擇該措施,治理方案中建議針對(duì)接地電阻不合格的桿塔進(jìn)行降阻改造。

4 防雷治理方案及其效果評(píng)估

4.1 防雷治理方案

根據(jù)220kV早成線的跳閘記錄,結(jié)合雷擊風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)估結(jié)果和線路沿線地形地貌,最終確定防雷治理原則如下：

(1)發(fā)生過雷擊故障的桿塔加裝線路避雷器;

(2)繞擊或反擊或雷擊閃絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為D級(jí)的桿塔加裝線路避雷器;

(3)繞擊或雷擊閃絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為C級(jí)的桿塔加裝可控放電避雷針,同時(shí)降低其桿塔接地電阻;所有位于平原的桿塔其接地電阻控制在5Ω以內(nèi),位于山區(qū)的桿塔其接地電阻控制在10Ω以內(nèi);

(4)反擊風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為C級(jí)的桿塔采取降低桿塔接地電阻的措施,對(duì)接地電阻難以降低的桿塔亦采取加裝線路避雷器的措施。

按照以上治理原則,最終確定的改造順序及治理方案為：①在#27、#76、#82這3基發(fā)生過雷擊故障的桿塔上加裝線路避雷器;②在#15、#40、#45等22基繞擊或反擊或雷擊閃絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為D級(jí)的桿塔加裝線路避雷器;③在#48、#49、#54等21基繞擊或雷擊閃絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為C級(jí)的桿塔加裝可控放電避雷針,同時(shí)降低其桿塔接地電阻;④針對(duì)#7、#12、#14等6基桿塔,采取降低桿塔接地電阻措施。

4.2 防雷治理效果評(píng)估

通過輸電線路差異化防雷評(píng)估系統(tǒng),對(duì)治理后的線路進(jìn)行治理效果評(píng)估。結(jié)果顯示,線路經(jīng)過防雷治理后,繞擊跳閘率從0.365次/(百公里·年)降低至0.071次/(百公里·年),降幅為80.5%;反擊跳閘率從0.182次/(百公里·年)降低至0.054次/(百公里·年),降幅為70.3%;雷擊跳閘率從0.547次/(百公里·年)降低至0.125次/(百公里·年),降幅為77.1%。

5 結(jié)論

(1)甘肅省屬于傳統(tǒng)的少雷區(qū),但是220kV早成線位于天水南部,此地區(qū)雷電活動(dòng)相對(duì)活躍,線路雷擊跳閘率沒有達(dá)標(biāo),故需要對(duì)此線路進(jìn)行針對(duì)性的防雷治理;

(2)從雷擊風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)估結(jié)果中可以看出,早成線發(fā)生繞擊閃絡(luò)的風(fēng)險(xiǎn)大于反擊閃絡(luò),進(jìn)行防雷治理時(shí),應(yīng)當(dāng)主要考慮降低繞擊跳閘率,兼顧降低反擊跳閘率;

(3)綜合考慮早成線的線路結(jié)構(gòu)、地形地貌等因素,最終采用加裝線路避雷器、加裝可控放電避雷針以及降低桿塔接地電阻作為防雷治理措施,并提出了針對(duì)性的治理原則;

(4)給出了早成線的具體治理方案,并對(duì)治理效果進(jìn)行了評(píng)估,結(jié)果表明,給出的治理方案可以有效降低線路的雷擊跳閘率,降幅達(dá)70%左右,該治理方案具有很高的工程價(jià)值。

[1]王春杰,祝令瑜,汲勝昌,等．高壓輸電線路和變電站雷電防護(hù)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J]．電瓷避雷器,2010,3(4):35-45．

[2]國家電網(wǎng)公司,110(66)kV～500kV架空輸電線路管理規(guī)范,2005．

[3]谷山強(qiáng),陳家宏,陳維江,等．輸電線路防雷性能時(shí)空差異化評(píng)估方法[J]．高電壓技術(shù),2009,35(2):294-298．

[4]陳家宏,呂軍,錢之銀,等．輸電線路差異化防雷技術(shù)與策略[J]．高電壓技術(shù),2009,35(12):2891-2902．

[5]李瑞芳,吳廣寧,曹曉斌,等．考慮雷電入射角后電氣幾何模型的改進(jìn)[J]．電瓷避雷器,2009(4):23-26．