特高壓直流輸電線路雷擊故障特性分析

張中華 趙宇亭

國(guó)網(wǎng)山西省電力公司檢修分公司 山西太原 030000

1 “三大特高壓直流”線路運(yùn)行概況

國(guó)網(wǎng)已有多條特高壓直流線路建成投運(yùn)，其中以±800kV復(fù)奉線、錦蘇線和賓金線投運(yùn)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，為國(guó)網(wǎng)“三大特高壓直流”輸電通道。復(fù)奉線于2009年12月投運(yùn)，線路里程1891km，設(shè)計(jì)輸送容量6400MW；錦蘇線于2012年6月投運(yùn)，線路里程2057km，設(shè)計(jì)輸送容量7200MW；賓金線于2014年7月投運(yùn)，線路里程1652km，設(shè)計(jì)輸送容量8000MW。截至2017年底，“三大特高壓直流”線路共發(fā)生各類原因重啟28次。其中雷擊造成重啟19次，占比67．9%，可見雷擊是造成三大特高壓直流線路重啟的首要因素。19次雷擊重啟中，復(fù)奉線3次、錦蘇線7次，賓金線9次；重啟成功14次，重啟成功率為73．7%。從雷擊形式看，19次均為繞擊，因此，繞擊防護(hù)是特高壓直流線路亟待提升的薄弱點(diǎn)。

2 雷擊重啟因素分析

2.1 雷電地閃密度

在“三大特高壓直流”線路走廊的地閃密度圖上，標(biāo)識(shí)出雷擊故障桿塔位置。復(fù)奉線與錦蘇線大部分處于同走廊，全線雷電活動(dòng)基本一致，地閃密度自西向東變化趨勢(shì)為“高→低→高”。賓金線與復(fù)奉線、錦蘇線雷電活動(dòng)規(guī)律較為相似，在四川段雷電活動(dòng)最強(qiáng)，從貴州、湖南再到江西段，雷電活動(dòng)由強(qiáng)到弱，再增強(qiáng)，到達(dá)浙江段時(shí)地閃密度基本處于C1級(jí)。19次被雷擊的桿塔中，位于B1級(jí)雷區(qū)的雷擊重啟為3次，占比15．8%；位于B2級(jí)的3次，占比15．8%；位于C1級(jí)的11次，占比57．9%；位于C2級(jí)的2次，占比10．5%。大部分雷擊重啟發(fā)生在C1級(jí)及以上地區(qū)，達(dá)到13次，占比68．4%；6次雷擊重啟發(fā)生在B1-B2級(jí)，均位于重慶南部和貴州北部山區(qū)。

2.2 地面傾角

三大直流電塔的地面傾角最小為0°，最大為70°。塔身地面傾角概率密度分布，其中地面傾角區(qū)間為1°，以“x”為雷擊失效塔身。地面傾角越小，塔的數(shù)量越多。為了對(duì)不同傾角范圍的雷擊再啟動(dòng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，在每個(gè)傾角范圍內(nèi)塔數(shù)基本相同的情況下，選擇1°和2°。以5°、5°、10°為不等分割點(diǎn)，對(duì)三大直流電塔的地面傾角進(jìn)行分類，計(jì)算出不同地面傾角范圍內(nèi)塔的平均傾角和雷擊平均重啟概率。雷擊與再啟動(dòng)的概率總體上隨著三大直流電塔地面傾角的增大而逐漸增大，兩者之間具有很強(qiáng)的相關(guān)性[1]。雷擊平均重啟概率與地面平均傾角的相關(guān)系數(shù)為0。98．地面傾角越大，面對(duì)外坡的地面屏蔽效果越差，使得外坡導(dǎo)體更容易遭受雷擊。

2.3 檔距

三大直流輸電塔最小中程距離為179m，最大中程距離為2052m。以400m、500m、600m、700m為分割點(diǎn)對(duì)距離間距進(jìn)行分類，統(tǒng)計(jì)計(jì)算不同距離范圍內(nèi)塔的平均距離間距和雷擊重啟的平均概率。雷擊概率與塔重啟動(dòng)概率與平均間隔檔距之間存在很強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0．99。檔距越大，雷擊失敗重啟線路的概率越大。傳輸距離在700米及以上的塔發(fā)生雷擊和重新啟動(dòng)的概率為0．325次/百基。這是因?yàn)榇髾n距一般是跨谷、跨河等，中間導(dǎo)線之間的間隙高度較高，地面對(duì)導(dǎo)線的避雷效果較弱，容易受到周圍雷電的襲擊[2]。

3 “三大特高壓直流”線路差異性對(duì)比

3.1 地閃密度

2014-2017年雷電監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，復(fù)奉錦蘇通道的平均地閃密度是2．59-2．67（km2·a），賓金通道的平均地閃密度達(dá)到3．56次/（km2·a），是復(fù)奉、錦蘇通道的1．35倍左右。

3.2 地面傾角

賓金通道與復(fù)奉錦蘇通道地形地貌整體相差不大，但是地面傾角有較大的差異。從地面傾角上看，賓金線在（2．5，90］的桿塔較復(fù)奉線多15．6%，較錦蘇線多8．1%。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，賓金線桿塔的平均地面傾角是復(fù)奉、錦蘇線的1．14倍。地面傾角增大，將會(huì)造成最大繞擊電流增大，然而由于地面傾角對(duì)最大繞擊電流的影響是非線性的，因此造成不同地面傾角條件下的最大繞擊電流變化情況不同。

3.3 絕緣配置

通過(guò)對(duì)賓金線直線塔的優(yōu)化設(shè)計(jì)，與復(fù)奉線、錦蘇線相比，塔頭尺寸和絕緣子串長(zhǎng)度均有顯著降低。以ZC27152線塔為例，與復(fù)奉、錦蘇線相比，賓金線使用的塔頭帶電體對(duì)導(dǎo)線橫擔(dān)空氣間隙（最小空氣間隙）從7664mm減小到6479mm，縮短了15．5%左右，抗雷擊水平相應(yīng)降低[3]。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）三大特高壓直流線路共發(fā)生各類原因重啟28次，其中雷擊占比67．9%，是造成三大特高壓直流線路重啟的首要因素，繞擊防護(hù)是特高壓直流線路亟待提升的薄弱點(diǎn)。（2）特高壓直流線路平均雷擊重啟概率與地閃密度、地面傾角、檔距存在極大的正相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0．93、0．98、0．99。（3）賓金線通道的平均地閃密度是復(fù)奉、錦蘇通道的1．35倍左右；賓金線地面傾角處于（2．5°，90°）范圍的桿塔數(shù)量較復(fù)奉線多15．6%，較錦蘇線多8．1%；賓金線直線塔優(yōu)化設(shè)計(jì)后，塔頭最小空氣間隙較復(fù)奉、錦蘇線縮短15．5%，繞擊耐雷水平從30kA減小到25．4kA。（4）地面傾角對(duì)最大繞擊電流存在非線性影響，以故障桿塔地面傾角平均值考慮，賓金線危險(xiǎn)雷電流概率是復(fù)奉線的4．31倍，結(jié)合地閃密度差異，賓金線故障桿塔的繞擊重啟率理論上是復(fù)奉線故障桿塔的5．81倍，與實(shí)際運(yùn)行結(jié)果6．87倍較為接近。