通道寬度對線路通道雷電多重回擊特性統(tǒng)計的影響

李 特，周象賢，池 偉，胡文堂，毛航銀，王振國

（1．國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014;2．國網浙江省電力有限公司，杭州 310007）

0 引言

多重雷在自然界非常普遍，統(tǒng)計顯示接近一半的雷電活動包含多次回擊過程[1-3]。多重雷對站內設備、線路設備均存在危害。線路遭受雷擊產生單相接地故障時，兩側站內開關跳開故障相，在等待重合過程中如果線路跳閘相再次遭受雷擊，此時雷電入侵波在開關斷口處將發(fā)生全反射，斷口承受的過電壓幅值將增加到侵入波電壓的2倍，大大高于斷口雷電沖擊絕緣水平，導致開關斷口外絕緣或內絕緣擊穿[4-5]。線路雷擊跳閘后存在潛供電流，斷路器分閘至重合閘期間，如果線路故障相在故障點附近遭受多次后續(xù)回擊，將導致短路點潛供電弧無法完全熄滅、絕緣強度無法恢復，導致重合閘失敗[6]。此外避雷器在遭受多重雷作用時，閥片溫度逐次升高，引發(fā)伏安特性變化，相同雷電流下殘壓升高，導致避雷器吸收能量增加，短時間吸收多重雷過程中多次雷電流脈沖能量導致熱崩潰[7-8]。

上述設備故障與多重雷的后續(xù)回擊次數、各次后續(xù)回擊電流幅值、后續(xù)回擊間隔、回擊整體持續(xù)時間等參數有關。為了開展多重雷害評估、提出應對措施，需要首先掌握目標線路區(qū)域多重雷的參數。目前雷電參數可以從雷電定位系統(tǒng)得到，然而雷電定位的位置信息與實際回擊位置可能存在一定偏差，部分位置偏差可達數千米[9-10]，因此在統(tǒng)計目標線路多重雷特性時必須考慮線路走廊寬度。以往的雷電參數統(tǒng)計中會設置一定的走廊寬度[11]，但對于多重雷擊數據而言，走廊寬度引起的統(tǒng)計結果變化幅度、對統(tǒng)計結果準確性的影響尚無研究。

因此，本文以±800 kV 賓金線為例，開展線路不同走廊寬度下的多重雷參數統(tǒng)計，分析走廊寬度對后續(xù)回擊次數、各次后續(xù)回擊電流幅值、后續(xù)回擊間隔、回擊整體持續(xù)時間等參數的影響，并給出線路走廊寬度選擇建議。

1 數據來源

統(tǒng)計數據來源于浙江省雷電監(jiān)測系統(tǒng)，由分布在湖州、舟山、椒江、仙居、泰順、臨安等地的14 個雷電自動探測站組成，實現(xiàn)對全省電網區(qū)域的高精度覆蓋，利用雷電監(jiān)測系統(tǒng)可以完整記錄各次地閃回擊的電流幅值與時間。

多重雷參數統(tǒng)計對象為±800 kV 賓金線浙江段，如圖1 所示。 線路走廊寬度分別取兩側各2．5 km，5 km，7．5 km 及10 km，以獲得走廊寬度對統(tǒng)計結果的影響。統(tǒng)計時間段為2014—2017年每年的6—9 月。利用雷電監(jiān)測系統(tǒng)獲取的地閃數據，對多重雷后續(xù)回擊次數、地閃放電持續(xù)時間、各次后續(xù)回擊時間間隔、后續(xù)回擊的雷電流幅值進行統(tǒng)計分析。

圖1 ±800 kV 賓金線線路走廊浙江段

2 走廊寬度對回擊參數統(tǒng)計的影響

2.1 后續(xù)回擊次數

不同線路走廊寬度下，對觀測到的含不同回擊次數的主放電數量進行統(tǒng)計，結果見表1。

表1 不同走廊寬度下多重回擊次數分布統(tǒng)計結果

由表1 可知，不同走廊半徑下，統(tǒng)計得到的最大后續(xù)回擊次數稍有差異，走廊半徑2．5 km時最大后續(xù)回擊次數為13 次，而走廊半徑為5～10 km 時，最大后續(xù)回擊次數均為14 次。

對表1 中含不同后續(xù)回擊次數的主放電數量占比進行統(tǒng)計，結果如圖2 所示，對含有后續(xù)回擊的主放電占比、平均回擊次數進行統(tǒng)計，結果見表2。其中含有i 次后續(xù)回擊的主放電占比Rh、平均回擊次數Ra分別按式（1）、式（2）進行計算。

式中：Fi為含有i 次后續(xù)回擊的主放電次數；n為最大的后續(xù)回擊次數。

由圖2 可知，不同走廊寬度下不同次數后續(xù)回擊對應主放電數量占比分布接近，但單回擊占比有所差異。由表2 可知，走廊半徑為2．5 km 和5 km 時，多重雷占比、平均后續(xù)回擊次數接近，并大于走廊半徑為7．5 km 和10 km 的情況。隨著走廊寬度增加，統(tǒng)計區(qū)域覆蓋面積增加，不同的區(qū)域雷電活動參數有所不同[12]，導致統(tǒng)計所得雷電活動與線路附近的雷電活動特性產生差異。

圖2 不同走廊寬度下不同后續(xù)回擊主放電占比

表2 ±800 kV 賓金線不同走廊寬度下多重雷占比及雷電主放電平均后續(xù)回擊次數

后續(xù)回擊次數的分布與多重雷的能量相關，并影響避雷器的防護性能。從獲取多重雷后續(xù)回擊次數信息考慮，采用2．5～5 km 半徑進行統(tǒng)計較為合適。

2.2 地閃持續(xù)時間

本文地閃持續(xù)時間取主放電時間至最后一次回擊時間的時間差。不同走廊寬度下的地閃放電持續(xù)時間分布如圖3 所示。

圖3 不同走廊寬度下地閃放電持續(xù)時間分布

由圖3 可知，不同走廊寬度下統(tǒng)計得到的放電持續(xù)時間分布基本一致，走廊半徑為2．5 km和5 km 時， 最大放電持續(xù)時間落于900～1000 ms，走廊半徑為7．5 km 和10 km 時，最大放電持續(xù)時間落于1 000～1 100 ms，需要注意的是1 000～1 100 ms 內的主放電概率極小。

針對多重雷造成線路跳閘重合失敗、站內開關爆炸故障進行分析、提出應對措施時，需要考慮重合閘時間和最大放電持續(xù)時間之間的配合。針對多重雷造成避雷器故障問題，需要考慮放電持續(xù)時間的分布，為多重雷過程中避雷器的散熱過程提供參考。從圖3 統(tǒng)計結果而言，不同走廊半徑下，放電持續(xù)時間分布接近、最大放電持續(xù)時間接近，因此走廊寬度對放電持續(xù)時間的統(tǒng)計影響不顯著。

2.3 后續(xù)回擊間隔

不同走廊半徑下，各次序后續(xù)回擊與前一次后續(xù)回擊的時間間隔算術均值見圖4，各次序后續(xù)回擊時間間隔中小于20 ms 的占比和大于100 ms 部分占比見圖5。

圖4 不同走廊半徑下各次序后續(xù)回擊時間間隔算術均值

由圖4 可知，不同走廊半徑下，統(tǒng)計所得各次序后續(xù)回擊時間間隔算術均值接近。由圖5 可知，不同走廊半徑下，統(tǒng)計所得各次序后續(xù)回擊時間間隔的主體部分一致，小于20 ms 部分占比均小于15%，大于100 ms 部分占比主體分布于25%～40%。

后續(xù)回擊時間間隔的分布對多重雷作用于避雷器時的散熱過程以及線路雷擊跳閘后的去游離過程有影響。從本節(jié)可知，不同的走廊半徑對后續(xù)回擊時間間隔分布的統(tǒng)計結果影響不顯著。

圖5 不同走廊半徑下各次序需回擊時間間隔分布

2.4 后續(xù)回擊強度

利用后續(xù)回擊與主放電雷電流幅值比值k 作為判斷后續(xù)回擊強度的參數。不同走廊半徑下，各次序后續(xù)回擊k 值的幾何均值如圖6 所示，k值大于1，即后續(xù)回擊電流幅值超過主放電電流幅值的占比見圖7。

圖6 不同走廊半徑下各次序后續(xù)回擊回擊強度幾何均值

由圖6 可知，走廊半徑為5～10 km 時，不同次序后續(xù)回擊k 值幾何均值變化規(guī)律接近，回擊次序越大k 值越小。統(tǒng)計半徑為2．5 km 時，回擊次序8-12 處k 值均值大于次序6-7 處。

圖7 不同走廊半徑下各次序后續(xù)回擊回擊強度k＞1 占比

由文獻[2，13]可知，隨著雷電后續(xù)回擊次序增加，相應回擊強度均值逐步減小，判斷走廊半徑2．5 km 的統(tǒng)計結果在回擊次序9-10 范圍出現(xiàn)了偏差，而其他走廊寬度下的統(tǒng)計與文獻[2，13]規(guī)律相同。結合表1 可知，走廊半徑為2．5 km 時回擊次序大于9 的雷電數據較少，樣本量較少可能導致統(tǒng)計結果出現(xiàn)偏差。

由圖7 可知，5～10 km 走廊半徑下各次序后續(xù)回擊k＞1 的比例規(guī)律接近，走廊半徑為2．5 km時，從后續(xù)回擊次序8 開始，k＞1 的回擊占比均為0，而走廊半徑為5～10 km 時相應數值要延后至次序11-12。 相應結果同樣是由于走廊半徑2．5 km 下獲得樣本中相應次序放電記錄較少，導致結果出現(xiàn)偏差。

后續(xù)回擊強度的分布特征與多重雷的能量相關，后續(xù)回擊幅值大于主放電的情況可能導致線路出現(xiàn)小電流繞擊后大電流沿放電通道產生后續(xù)能量注入的情況，對線路避雷器的吸收能量分析十分重要?；诒竟?jié)結果，考慮到本次統(tǒng)計的數據時間跨度較大，建議沿線路多重雷參數的統(tǒng)計應取5 km 或者更大。

2.5 統(tǒng)計走廊半徑的選擇

對前文走廊半徑對雷電多重回擊統(tǒng)計參數的影響進行總結。 不同走廊半徑下，回擊持續(xù)時間、回擊間隔統(tǒng)計結果一致。對于后續(xù)回擊次數方面，走廊半徑對統(tǒng)計結果影響體現(xiàn)在：

（1）2．5 km 走廊半徑下的最大后續(xù)回擊次數偏小。

（2）2．5～5 km 走廊半徑下多重雷占比、平均后續(xù)回擊次數統(tǒng)計結果大于7．5～10 km 走廊半徑下對應結果。

走廊半徑對后續(xù)回擊強度統(tǒng)計結果的影響體主要體現(xiàn)為2．5 km 走廊半徑下8 次及以上后續(xù)回擊中回擊強度k＞1 的占比偏小。

單純從雷電參數統(tǒng)計角度而言，希望可以盡量準確得到最大后續(xù)回擊次數、各次后續(xù)回擊次數的占比以及平均后續(xù)回擊次數、后續(xù)回擊強度分布等各項參數，考慮到7．5～10 km 下的平均回擊次數等參數可能由于區(qū)域的擴大而與線路真實情況產生差異，2．5 km 下最大回擊次數偏小，建議選取5 km 作為統(tǒng)計參數。

從雷電防護角度考慮，更關心多重雷能量情況，多重雷能量與回擊次數、回擊強度相關，如關注含7 次及以下后續(xù)回擊的多重雷參數，選取2．5～5 km 作為統(tǒng)計線路走廊半徑結果接近，如關注含7 次以上多重雷參數，建議選取5 km 作為統(tǒng)計走廊半徑。

3 結論

本文采用2．5 km，5 km，7．5 km，10 km 4 種線路走廊半徑，利用2014—2017 年的雷電監(jiān)測數據對±800 kV 賓金線雷電多重回擊參數進行了統(tǒng)計，分析了走廊半徑對多重雷參數統(tǒng)計結果的影響，并分析了走廊半徑的建議取值，在當前統(tǒng)計時間長度和線路長度下，得到以下主要結論：

（1）不同線路走廊半徑下不同次數后續(xù)回擊的放電比例接近，但走廊半徑為2．5 km 和5 km時統(tǒng)計得到的平均后續(xù)回擊次數、多重雷占比大于統(tǒng)計半徑為7．5 km 和10 km 的情況。

（2）不同線路走廊半徑下，統(tǒng)計得到的多重雷持續(xù)時間、后續(xù)回擊時間間隔分布規(guī)律接近。

（3）走廊半徑為2．5 km 時，統(tǒng)計所得8～10 次后續(xù)回擊中回擊強度大于1 的比例偏少。

（4）當關注線路走廊內含7 次及以下后續(xù)回擊的多重雷統(tǒng)計特征時，統(tǒng)計走廊半徑可采用2．5 km 或5 km，當關注線路走廊內含7 次以上后續(xù)回擊多重雷統(tǒng)計參數時，建議走廊半徑采用5 km。