關(guān)于特高壓直流輸電線路雷擊的故障特性探討

梁棟

摘要：以國(guó)網(wǎng)投運(yùn)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)的±800kV復(fù)奉線、錦蘇線和賓金線為例，總結(jié)特高壓直流線路運(yùn)行情況和防雷性能，挖掘雷擊故障特征和影響性因子。針對(duì)賓金線防雷性能顯著低于復(fù)奉、錦蘇線的情況，從地閃密度、地面傾角、絕緣配置三方面對(duì)比差異性，并綜合計(jì)算分析雷擊運(yùn)行性能出現(xiàn)差異的原因。結(jié)果表明，繞擊防護(hù)是特高壓直流線路亟待提升的薄弱點(diǎn)，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。

關(guān)鍵詞：雷擊故障;特高壓直流;輸電線路;繞擊;防雷

我國(guó)燃煤、水能、風(fēng)能、太陽(yáng)能等能源資源規(guī)模大、分布集中，而所在地區(qū)負(fù)荷需求水平較低，能源負(fù)荷中心分布較遠(yuǎn)，特高壓輸電以其容量大、距離遠(yuǎn)等突出優(yōu)勢(shì)，滿足了清潔能源發(fā)展和資源優(yōu)化配置的需求。特高壓直流線路在引雷特性、雷擊后保護(hù)動(dòng)作特性等方面與交流特高壓線路有著顯著不同，雷擊故障概率和威脅被低估。本文以復(fù)奉、錦蘇、賓金線為例，對(duì)國(guó)網(wǎng)三大特高壓直流線路雷擊故障規(guī)律總結(jié)，挖掘線路雷電防護(hù)薄弱點(diǎn)，對(duì)比分析差異性因素，對(duì)特高壓直流線路的防雷設(shè)計(jì)、改造有重要參考價(jià)值。

1 雷電繞擊影響因素分析

1.1上行先導(dǎo)相互作用對(duì)雷電繞擊特性的影響

上行先導(dǎo)通道具有良好的導(dǎo)電性，在先導(dǎo)通道的頭部及周圍區(qū)域聚集了大量電荷，對(duì)先導(dǎo)發(fā)展過(guò)程產(chǎn)生顯著影響。由于導(dǎo)線上行先導(dǎo)的產(chǎn)生改變了空間電場(chǎng)分布，使避雷線上行先導(dǎo)的發(fā)展速度受到了抑制，當(dāng)導(dǎo)線產(chǎn)生上行先導(dǎo)時(shí)，避雷線上行先導(dǎo)的發(fā)展速度將 會(huì)發(fā)生突變。當(dāng)考慮上行先導(dǎo)相互作用時(shí)，避雷線和導(dǎo)線上行先 導(dǎo)在起始和發(fā)展過(guò)程中會(huì)彼此影響，導(dǎo)線上行先導(dǎo)起始時(shí)下行先導(dǎo) 頭部離地高度降低，導(dǎo)致?lián)舸r(shí)上、下行先導(dǎo)的位置發(fā)生顯著變化，從而可能引發(fā)雷電繞擊現(xiàn)象。

1.2地面傾角

直流線路桿塔所處地面傾角中，最小為0°，最大為70°。地面傾角越小，桿塔數(shù)量越多。為了對(duì)不同傾角范圍內(nèi)的雷擊重啟情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，在保證各個(gè)地面傾角范圍內(nèi)桿塔數(shù)量基本一致情況下，選擇 1°、2.5°、5°和10°作為不等距分割點(diǎn)，對(duì)三大直流桿塔所處地面傾角進(jìn)行分類，統(tǒng)計(jì)計(jì)算不同地面傾角范圍桿 塔平均傾角和平均雷擊重啟概率?？煽闯?，三大直流線路桿塔整體上隨著地面傾角的增大，雷擊重啟概率逐漸增大，二者呈現(xiàn)非常強(qiáng)的相關(guān)性。經(jīng)計(jì)算，平均雷擊重啟概率與平均地面傾角之間的相關(guān)系數(shù)為0.98。地面傾角越大，地面對(duì)坡外側(cè)的屏蔽效果越差，造成坡外側(cè)導(dǎo)線更容易發(fā)生雷電繞擊。

1.3檔距直流線路桿塔中檔距

最小179m，檔距最大2052m。以400m、500m、600m 和700m為分割點(diǎn)對(duì)檔距進(jìn)行分類，統(tǒng)計(jì)計(jì)算不同檔距范圍內(nèi)桿塔平均檔距和平均雷擊重啟概率。桿塔雷擊重啟概率與平均檔距之間存在非常強(qiáng)的正相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.99，檔距越大，線路的雷擊故障重啟概率越高。檔距在700米及以上桿塔雷擊重啟概率達(dá)到0.325次/百基。這是因?yàn)榇髾n距一般跨越山谷、河流等，檔距中央導(dǎo)線高度較高，地面對(duì)導(dǎo)線的雷電屏蔽作用減弱，容易發(fā)生雷電繞擊。

2 特高壓直流輸電線路雷擊故障特性分析

2.1 工作電壓

為保持工作電壓在要求范圍內(nèi)，正極性導(dǎo)線需感應(yīng)出更多的正電荷，而正電荷會(huì)使導(dǎo)線表面場(chǎng)強(qiáng)增大，導(dǎo)線附近空間將出現(xiàn)較大的電位差，這種現(xiàn)象有利于導(dǎo)線上行先導(dǎo)的起始和發(fā)展。多數(shù)情況下引發(fā)雷電繞擊的雷云均為負(fù)極性，由于電荷的同性相斥，異性相吸，正極性線路表面場(chǎng)強(qiáng)大于負(fù)極性線路，這使得高壓輸電線路電壓等級(jí)相同時(shí)，負(fù)載電壓為正極性的情況下更容易遭受雷電繞擊。 運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)也表明，在特高壓直流雙極性輸電線路中，繞擊事故傾向于發(fā)生于正極性導(dǎo)線上。導(dǎo)線和避雷線之間的電極形狀不同，等效半徑也不相同，這些差異也會(huì)影響它們的表面電場(chǎng)分布，從而對(duì)上行先導(dǎo)起始和發(fā)展過(guò)程產(chǎn)生一定影響。

2.2 地形

當(dāng)輸電線架設(shè)于山區(qū)時(shí)，在相同保護(hù)角和雷電活動(dòng)條件下，地面傾角會(huì)對(duì)線路防雷性能產(chǎn)生顯著影響，山區(qū)線路的繞擊率約為平原地區(qū)的3倍。地形對(duì)繞擊特性的影響主要反映在改變了導(dǎo)線、地線的實(shí)際對(duì)地高度。隨著地面傾角增大，導(dǎo)線離地高度增加，大地對(duì)線路的屏蔽作用減弱，導(dǎo)線引雷能力增強(qiáng)，下行先導(dǎo)頭部朝著導(dǎo)線方向發(fā)生明顯偏移，雷電繞擊于導(dǎo)線的概率更高。隨著地面傾角的增大，輸電線路不同保護(hù)角下的雷電繞擊閃絡(luò)率也會(huì)隨之增加，在保護(hù)角較大時(shí)尤其明顯，減小地面傾角可以有效地降低線路的雷電繞擊閃絡(luò)率。

2.3 安裝附件

在直線塔的附件安裝過(guò)程需要用到兩線提升器，這里的提升器都采用“V”型繩套在導(dǎo)線的橫擔(dān)下面，在前后兩側(cè)的預(yù)留孔中進(jìn)行懸掛，這樣可以保證橫擔(dān)的均勻受力。用提線裝置提起導(dǎo)線，通過(guò)50kN機(jī)動(dòng)絞磨做牽引控制，將三輪放線滑車逐個(gè)和懸掛裝置解開(kāi)并放落到地面，再通過(guò)柔性鋼絲繩把V型絕緣子串臨時(shí)固定，通過(guò)傳遞工具繩控制，便可將懸掛裝置和絕緣子連接部位解開(kāi)，再慢慢放下懸掛裝置。最后，對(duì)絕緣子串高度進(jìn)行調(diào)整，起吊線夾聯(lián)板并進(jìn)行連接，導(dǎo)線線夾安裝完畢。在提線過(guò)程中要特別注意不要對(duì)導(dǎo)線造成傷害，可以采用 100kN 的吊裝帶與21.5mm的鋼絲繩組合使用，將其上部與橫擔(dān)完成連接，避免導(dǎo)線在施工過(guò)程中意外下落。

結(jié)束語(yǔ)：

輸電線路工作電壓改變將會(huì)引起電場(chǎng)空間分布發(fā)生變化，對(duì)導(dǎo)線上行先導(dǎo)起始與發(fā)展能力產(chǎn)生影響。在負(fù)極性雷電的影響下，正極性導(dǎo)線更易產(chǎn)生上行先導(dǎo)，并對(duì)同側(cè)避雷線上行先導(dǎo)發(fā)揮抑制作用，影響其起始與發(fā)展，從而增大雷電繞擊率。在保護(hù)角相同時(shí)，隨著地面傾角增加，導(dǎo)線離地高度增大，大地屏蔽作用減弱，雷電繞擊導(dǎo)線的概率增大，因此輸電線路在山區(qū)地形下的雷電繞擊率要遠(yuǎn)高于平原地區(qū)。

參考文獻(xiàn)

[1]吳中瑤，王宇航， 韋忠宇. 關(guān)于超高壓輸電線路雷擊跳閘典型故障分析[J]. 中外企業(yè)家， 2020， No.679（17）：252-252.

[2]王永進(jìn)， 樊艷芳， 唐勇，等. 考慮強(qiáng)非線性和波速變化特性的特高壓直流輸電線路故障測(cè)距方法[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制， 2020， 048（005）：17-25.