江蘇電網(wǎng)近年雷電活動及輸電線路雷擊跳閘分析

徐 偉， 路永玲， 唐夢穎， 鐘 丹， 胡成博

(國網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學研究院，江蘇 南京 211103)

江蘇電網(wǎng)近年雷電活動及輸電線路雷擊跳閘分析

徐 偉， 路永玲， 唐夢穎， 鐘 丹， 胡成博

(國網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學研究院，江蘇 南京 211103)

近年來，雷電活動引起的輸電線路跳閘事故頻繁發(fā)生，因此針對輸電線路防雷技術開展相應研究工作。在統(tǒng)計江蘇雷電活動的基礎上，分別從桿塔塔型、高度、回數(shù)及檔距等多個方面分析了跳閘原因和雷擊特性。完成2012至2016年江蘇電網(wǎng)輸電線路雷擊跳閘統(tǒng)計，并結(jié)合電網(wǎng)生產(chǎn)實際，從輸電線路差異化評估、運維、新技術等方面提出合理化防雷措施和建議。

輸電線路；雷電活動；線路跳閘；落雷密度；防雷策略

0 引言

截至2016年12月，江蘇電網(wǎng)220 kV在運輸電線路長度達29 636.56 km，500 kV線路長度達15 150.8 km，輸電線路防雷工作面臨嚴峻考驗。根據(jù)故障統(tǒng)計數(shù)據(jù)，江蘇電網(wǎng)每年因雷擊引起的跳閘約占線路跳閘總數(shù)的1/4以上[1]，輸電線路的雷擊跳閘嚴重影響了整個電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行[2]。

文中在統(tǒng)計江蘇省雷電活動情況的基礎上，分析了2012—2016年江蘇電網(wǎng)輸電線路雷擊跳閘故障及其原因，對現(xiàn)有防雷措施運行進行總結(jié)，可為線路設計、電網(wǎng)運行提供有效的參考[3]。

1 2012—2016年全省雷電活動情況

1.1 雷電活動總體情況

圖1為江蘇電網(wǎng)雷電定位系統(tǒng)統(tǒng)計的2012—2016年全省落雷情況。從年度時間來看，2012年雷電活動最為強烈，落雷數(shù)達960 222個；2014年最弱；2013年、2015年及2016年雷電活動較弱。從落雷極性來看，負極性落雷個數(shù)明顯大于正極性落雷個數(shù)，2016年負極性雷數(shù)量較2015年有所減少。整體而言，除了2012年，近年來江蘇整體雷電活動較弱。

圖1 2012—2016年江蘇落雷情況Fig. 1 Ground lightning situations of each year from 2012 to 2016 in Jiangsu

1.2 各地區(qū)地閃密度比較

基于江蘇電網(wǎng)雷電定位系統(tǒng)[4-6]，不同地區(qū)近5年來地閃密度見表1。

表1 江蘇各地區(qū)近5年落雷密度Table 1 Ground lighting density distribution in different areas in recent 5 years 次/(km2·a)

地區(qū)20122013201420152016南京9.3852.6642.9882.8042.872南通8.2904.2533.1032.8983.782宿遷10.8853.1081.7652.9773.817常州9.1891.8463.8482.9493.298徐州6.6214.1211.0592.3592.422揚州13.1282.6642.0253.5362.370無錫11.8334.3803.8803.5123.634泰州12.5132.5671.5392.8642.797淮安11.6082.0731.5144.1052.092鹽城6.6503.0370.7312.9902.210蘇州10.1944.9373.5472.9743.301連云港5.5314.9831.6063.2512.839鎮(zhèn)江14.0531.6942.9763.1422.492

從表1可得：(1) 2016年落雷集中分布在宿遷、南通、無錫等地，其中宿遷的地閃密度最大，達3.817次/(km2·a)；2015年落雷集中分布在淮安、揚州、無錫等地，其中淮安的地閃密度最大，達4.105次/(km2·a)；2013—2016年各地區(qū)落雷水平明顯低于2012年。(2) 從雷電活動分布趨勢來看，2014年雷電活動主要呈現(xiàn)為北部弱，南部強; 其余年份南北部地區(qū)雷電活動較為均勻。2012及2016年地閃密度分布分別見圖2和圖3。

圖2 2012年江蘇地閃密度Fig.2 Ground lighting density distribution in different areas in 2012

圖3 2016年江蘇地閃密度Fig.3 Ground lighting density distribution in different areas in 2016

1.3 雷電流幅值

由表2可知，2012至2016年，各年平均電流幅值、正平均電流幅值和負平均電流幅值均在17～35 kA變化；2012到2014年負閃電流幅值大于正閃幅值，2015到2016年與之相反；2016年平均電流幅值為近5年最小值。

表2 2012—2016年平均雷電流幅值Table 2 Lightning average amplitude of each year from 2012 to 2016

分別以500 kV單回路、220 kV典型雙回路鼓形塔及220 kV典型干字形桿塔為例，接地電阻取1.5，500 kV桿塔高度取50 m，220 kV取40 m。通過EMTP仿真軟件計算得到500 kV單回路、220 kV雙回路鼓形塔及220 kV單回路干字形塔桿塔的反擊耐雷水平分別為134.37～152 kA、84.29～90 kA和89.27～95 kA，結(jié)合雷電流幅值查詢、仿真計算及現(xiàn)場巡視檢測等結(jié)果，判斷得到江蘇地區(qū)雷擊形式以繞擊為主[7,8]。

2 220 kV及以上輸電線路雷擊跳閘情況分析

2.1 總體情況

2012—2016年全省220 kV及以上線路雷擊跳閘共150次，其中：500 kV線路125次(96次重合成功，16次重合不成功，13次重合未投)；220 kV線路25次(22次重合成功，3次重合未成功)。2016年500 kV線路雷擊跳閘數(shù)較前兩年有所增長，但較2012年及2013年有所降低。在線路長度逐年增長的情況下，220 kV線路雷擊跳閘數(shù)仍為近5年最小值，這和近幾年加強220 kV及以上線路防雷工作有密切關系。具體跳閘情況見表3。

表3 2012—2016年雷擊跳閘情況統(tǒng)計Table 3 Lightning trip-out statistic of each year from 2012 to 2016

2.2 雷擊跳閘率及重合成功率

2012—2016年線路雷擊跳閘率及重合成功率統(tǒng)計分別見表4和表5。各電壓等級雷擊跳閘率近5年趨勢整體相同，總體呈上升趨勢。2016年500 kV雷擊跳閘率為0.063×10-2次/( km·a)，為近4年最小值； 220 kV線路雷擊跳閘率為0.032 ×10-2次/( km·a)，為近3年最大值。同時500 kV和220 kV線路重合成功率分別為100 %和88.89 %，與往年相比，220 kV線路重合成功率有所提高，有效減小了事故發(fā)生的概率，降低了雷擊對電網(wǎng)產(chǎn)生的影響。

表4 2012—2016年雷擊跳閘率情況統(tǒng)計Table 4 Lightning trip-out rate statistic of each year from 2012 to 2016

表5 2012—2016年雷擊跳閘重合成功率情況統(tǒng)計Table 5 Lightning trip-out coincidence rate statistics of each year from 2012 to 2016

電壓等級/kV雷擊跳閘重合成功率/%2012201320142015201650083.3375.00100.00100.00100.0022081.8271.4388.4684.6288.89

2.3 雷擊跳閘回數(shù)及塔型情況

近5年故障桿塔單、雙(四)回情況及塔型分別見表6和圖4，可分析得：(1) 2012—2016年雷擊故障主要發(fā)生在雙(四)回路桿塔上，5年內(nèi)該類桿塔跳閘次數(shù)占總次數(shù)的82.67%；(2) 雷擊跳閘發(fā)生在鼓形塔上的比例最大。這是由于同塔雙(四)回線路大都采用鼓形塔，鼓形塔中相導線的橫擔最長(保護角較大)，且其與避雷線距離較遠，故雷擊閃絡率大，中相導線一般采用縱向排列，導線數(shù)量多，引雷面積較大，繞擊概率大。

表6 2012—2016年單、雙(四)回路雷擊跳閘統(tǒng)計Table 6 Lightning trip-out rate statistic of single and double (four)circuit lines from 2012 to 2016

圖4 2012—2016年雷擊跳閘各類故障塔型占比Fig.4 Percentage of the tripping tower styles by lightning from 2012 to 2016

故障塔型方面，在150次跳閘中，有126次發(fā)生在直線塔上，占總數(shù)的84%。這是由于(1) 直線塔兩端均壓環(huán)短接了部分空間間隙，使復合絕緣子的耐雷水平較同樣安裝高度的玻璃絕緣子偏低[9]；(2) 耐張塔因其數(shù)量少、絕緣水平高，雷擊跳閘次數(shù)相對較少。具體統(tǒng)計數(shù)據(jù)見圖5。

圖 5 2012—2016年雷擊跳閘桿塔塔型統(tǒng)計Fig.5 Lightning trip-out tower type statistics from 2012 to 2016

2.4 雷擊跳閘桿塔高度分布

通過表7分析，220 kV桿塔雷擊跳閘主要集中在40～60 m，占總數(shù)的75.20 %； 500 kV桿塔雷擊跳閘主要集中在60 m以上，占總數(shù)64.00 %。以220 kV雙回路SZ1型桿塔為例，采用電磁暫態(tài)仿真分析法(ATP)進行繞擊耐雷性能計算，計算中雷電流波采用雙指數(shù)波(1.2/50 μs)，雷電通道波阻抗取400 Ω，桿塔模型采用固定波阻抗(橫擔300 Ω，塔身150 Ω)，輸電線路采用Jmarti模型，閃絡判據(jù)采用相交法，計算結(jié)果如表8所示?？煞治龅茫簵U塔的高度增加，導線的引雷能力提高，同時地面對導線的屏蔽作用減少，能夠繞擊到導線上的雷電流幅值和概率也增大，桿塔繞擊率隨保護角增大而增大[10,11]。

表7 2012—2016年雷擊跳閘桿塔高度統(tǒng)計Table 7 Lightning trip-out statistics in different heights of each year from 2012 to 2016

表8 桿塔高度對繞擊性能影響Table 8 The impact of tower height on shielding failure

2.5 雷擊跳閘桿塔檔距分布

2012—2016年雷擊跳閘主要發(fā)生在檔距500 m以下的線路上。其中500 kV雷擊跳閘桿塔檔距集中在400～500 m，占總數(shù)的42.31%； 200 kV雷擊跳閘桿塔檔距主要集中在300～400 m，占總數(shù)的48.39 %。分析可知，排除大檔距桿塔所占比例較小的因素，整體上隨著檔距的增加，所跨越的地形更為復雜[12-14]，跳閘次數(shù)也隨之上升。具體占比見圖6。

圖6 2012—2016年雷擊跳閘各類故障桿塔檔距占比Fig.6 The spans of tripping tower styles by lightning from 2012 to 2016

3 建議及措施

通過總結(jié)雷電活動及輸電線路雷擊跳閘情況，對輸電線路防雷工作提出以下建議：

(1) 輸電線路防雷可對多雷區(qū)高風險桿塔開展差異化防雷改造。如選取加裝可控避雷針、金屬氧化物避雷器、絕緣子并聯(lián)間隙、增強絕緣等，降低線路雷擊事故率[15-17]。

(2) 在雷電活動密集地區(qū)，加強接地電阻測試，發(fā)現(xiàn)不合格接地電阻及時更換。同時應加強瓷質(zhì)絕緣子劣化檢測和劣化絕緣子更換工作，防止雷擊斷串掉線事故發(fā)生。

(3) 積極推廣應用防雷新技術、新產(chǎn)品。如在蘇北地區(qū)接地改造中使用石墨接地網(wǎng)，從而有效減小接地電阻值，降低后期維護費用。

(4) 持續(xù)做好重要輸電線路的雷擊故障分析工作。針對特高壓輸電線路的投運，進一步加強分布式故障定位系統(tǒng)應用，提升雷擊故障反應速度。

4 結(jié)語

2012至2016年，全省雷電活動整體上處于較弱水平，雷電活動區(qū)域南北均勻，2012年是近5年雷電活動最強的一年；在不同電壓等級下，桿塔的高度、回數(shù)、塔型及檔距對輸電線路雷擊跳閘均有所影響；加強輸電線路防雷運維工作，開展差異化防雷評估與改造工作，積極推廣防雷新技術應用，可有效提高防雷水平。

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徐 偉

徐 偉(1987—)，男，江蘇南京人，助理工程師，從事電網(wǎng)主設備在線監(jiān)測數(shù)據(jù)巡視和分析工作(E-mail：18752080744@163.com)；

路永玲(1988—)，女，甘肅白銀人，工程師，從事設備狀態(tài)監(jiān)測評價、故障分析及技術監(jiān)督工作(E-mail：15105182955@163.com)；

唐夢穎(1988—)，女，江蘇南京人，助理工程師，從事電網(wǎng)主設備在線監(jiān)測數(shù)據(jù)巡視和分析工作(E-mail：13505194199@163.com)；

鐘 丹(1988—)，男，江蘇南京人，助理工程師，從事電網(wǎng)主設備在線監(jiān)測數(shù)據(jù)巡視和分析工作(E-mail：13770943708@163.com)；

胡成博(1984 —)，男，江西贛榆人，工程師，從事開關類設備狀態(tài)評價、設備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)分析管理及專業(yè)系統(tǒng)設計工作(E-mail：15105168989@163.com)。

(編輯方 晶)

AnalysisofLightningActivitiesandTransmissionLineLightningStrikeTrippinginJiangsuPowerGridinRecentYears

XU Wei, LU Yonglin , TANG Mengying, ZHONG Dan, HU Chengbo

(State Grid Jiangsu Electric Power Company Research Institute , Nanjing 211103, China)

In recent years,the transmission line tripping accidents caused by lightning activity occur frequently.The corresponding research work is carried out aiming at the transmission line lightning protection technology. Based on the analysis of the lightning activity in Jiangsu, the tripping reasons and lightning characteristics are analyzed in many aspects including the style, height, circuit number and span of tower. The statistics of tripping times of Jiangsu power gird transmission lines from 2012 to 2016 are completed. Then, in combination with the actual production of power grid, the rationalization of lightning protection measures and suggestions are proposed from the aspects of transmission line differential evaluation, operation and maintenance and new technology.

transmission line; lightning activity; line tripping; flash density; lighting protection strategy

TM862

B

2096-3203(2017)06-0106-05

2017-06-27；

2017-07-23