遼寧地區雷電活動與輸電線路雷害故障特點

朱 鈺，王 飛，張立軍

(1．遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006;2．遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽 110006)

雷害是造成遼寧電網架空輸電線路跳閘的最主要原因，每年雷擊線路跳閘占全省線路跳閘總數的30%～50%。特別是近幾年，遼寧電網建設規模不斷擴大，受線路走廊及征地限制，更多新建線路位于山區，近幾年異常天氣增多，雷電活動異常頻繁，對遼寧電網輸電線路防雷工作提出了更高要求。

掌握雷電活動規律無論是對新線路防雷設計還是對運行線路防雷改造都具有十分重要意義。隨著雷電定位系統不斷發展，定位精度及數據統計更為準確，為雷電參數研究提供基礎數據。近年來，越來越多地區使用地閃密度等雷電定位系統數據取代傳統雷電日進行雷電活動時空特性分析，用于指導輸電線路防雷措施的制定［1］。

1 雷電活動時空特性

1.1 雷電定位系統

遼寧電網雷電定位系統于2007年6月投入使用，采用衛星同步對時技術 (GPS)、地理信息系統 (GIS)、雷電遙測、波形傳播延時處理及超量程計算技術，結合“時間到達+定向”綜合定位模型，實時計算顯示云對地雷擊的發生時間、位置、雷電流幅值和極性、回擊次數、每次回擊的參數，并以雷擊點分時彩色圖清晰顯示雷暴的運動軌跡。

定向、定位原理如圖1所示，當A點發生雷擊時，探測站TDF1、TDF2分別測定雷電方向α1和α2，由三角定位原理可計算出A點的位置。LLS定位只需2個探測站，但當雷擊點A落在兩站連線附近或A點與探測站之間有遮擋，將導致較大的測向誤差。時差定位系統要求探測站站數≥3，3個站測得A1點雷電到達時刻T1、T2、T3，采用橢球雙曲線定位原理，可解算出A1和A2，用方向定位或第4站信號可排除A2數學解算點。LLS定位精度一般以時差定位為準，如果各探測站時鐘同步和各種測量誤差在1 μs以內，則定位誤差≤1 km，該定位精度能滿足電力系統雷擊故障點的快速查找。當設計探測效率≥90%時，一般探測站站間距離在150～200 km。

遼寧電網雷電定位系統安裝12個雷電探測站，分別位于大連、丹東、營口、本溪、葫蘆島、朝陽、阜新、沈陽境內，測量范圍覆蓋全省14個地區。該系統通過終端軟件或網頁可查看遼寧各地實時雷電情況，包括落雷位置、雷電流極性和強度、雷電流幅值概率分布等［2－3］。

1.2 雷電活動時間

利用雷電定位系統設計2008～2010年遼寧地區每月地面落雷情況如圖2～圖4所示。可以看出，遼寧地區每年5～8月雷電活動最頻繁，但各年度雷電活動有所差異。

2 輸電線路雷害故障特點

2.1 500 kV線路雷害故障特點

自2002年以來，遼寧地區500 kV輸電線路共發生68次雷擊跳閘，其中5次為反擊引起，63次為繞擊引起。2002年以來500 kV輸電線路雷擊跳閘率變化趨勢如圖5所示。由圖5可以看出，自2006年以來，500 kV輸電線路的雷擊跳閘率總體呈下降趨勢。

由圖6可以看出，500 kV線路雷擊跳閘主要集中在5～8月，2002～2011年在這4個月共發生雷擊跳閘59次，占500 kV線路雷擊跳閘總數的87%，1～3月和12月未發生過雷擊跳閘。

由圖7可以看出，2002～2011年500 kV線路雷擊跳閘較多的地區有撫順、營口、本溪、葫蘆島地區，阜新、盤錦、沈陽地區未發生500 kV雷擊跳閘。

由統計結果看，投運年限較長的線路由于防雷設計標準偏低，發生雷擊跳閘概率較高。最典型的為王南1號、2號線 (目前王南1號線變更為王渤1號線、瓦渤1號線;王南2號線變更為王渤2號線、瓦渤2號線)， 這2條線路2002～2011年累計發生14次雷擊跳閘，其它較為典型的有豐徐2號線跳閘10次、豐徐1號線跳閘7次、元董2號線跳閘4次、沙董2號線跳閘3次、元董1號線跳閘3次。近2年新建線路受走廊及征地限制，更多線路從山區經過，桿塔位于山頂或山腰，增加了線路遭受雷擊的概率。最典型的為程徐線，該線路2009年底投運，2010年發生雷擊跳閘3次。與程徐線相似的還有黃金2線 (2009年底投運)、丹程2線 (2009年7月投運)。

2.2 220 kV線路雷擊跳閘情況分析

自2002年以來，遼寧電網220 kV輸電線路共發生雷擊跳閘326次，58次為反擊引起，268次為繞擊引起。2002～2011年220 kV輸電線路雷擊跳閘率變化趨勢如圖8所示。由圖8可以看出，自2005年以來，220 kV輸電線路的雷擊跳閘率總體呈逐年下降趨勢。

由圖9可以看出，220 kV線路雷害發生月份基本呈現正態分布趨勢。雷擊跳閘主要集中在5～8月，這4個月共發生雷擊跳閘211次，占雷擊跳閘總數的78%，其次是9月和10月，每年1月和12月未發生過雷擊跳閘。

由圖10可以看出，丹東、本溪地區由于地處遼寧東部長白山脈延伸地帶，山地多、海拔高，最易發生輸電線路雷擊跳閘，這兩個地區2002～2011年220 kV線路共發生雷擊跳閘149次，占雷擊跳閘總數的46%，其次是鐵嶺、撫順地區，由于位于遼寧東北部低山區，線路發生雷擊跳閘也相對較多。

比較各地區每年雷擊跳閘次數情況，發現其波動性較大，存在“大小年”現象。2002～2011年全省只有丹東、本溪地區220 kV輸電線路每年均出現雷擊跳閘情況，但每年的雷擊跳閘次數波動很大 (如圖11所示)，其它地區個別年份雷擊跳閘次數較多，而部分年份全年未發生雷擊跳閘故障。這說明遼寧雷電活動局部特征和隨機特性相當明顯，給線路防雷工作帶來很大困難。

2002～2011年共有59條線路出現了2次以上雷擊跳閘故障，統計結果如表1所示。雷擊跳閘超過5次及以上的有渭臥線17次、長鳳線14次、電北線13次、電芬線12次、寬鳳線9次、桓草線8次、桓小線7次、建凌二線7次、太寬線6次、元興線5次、遼李一線5次。上述線路大多投運年限較長，線路設計標準偏低，且雷擊故障桿塔多位于山頂或山腰。

表1 2002～2011年出現2次以上雷擊跳閘的220 kV線路數

3 影響線路雷擊跳閘的因素

a． 基礎地面傾角對雷電繞擊影響

桿塔基礎地面傾角對輸電線路的雷電繞擊性能影響較大。同一條輸電線路，如果有一部分經過平原地區，一部分經過有山坡存在的地段，經過山坡地段線路的繞擊率將大于經過平原線路的繞擊率。當某條線路多處桿塔架設在山頂或山坡上，需綜合考慮線路桿塔自身狀況、地形地貌等因素對防雷性能的影響。根據Eriksson的改進電氣幾何模型計算表明，山坡地形對繞擊跳閘率有較大的影響，且隨地面傾角的增加，這種影響越大，線路的繞擊跳閘率越高。因此，對于桿塔基礎地面傾角較大的線路，即使采用負保護角也有可能發生繞擊。

b． 高桿塔容易發生雷擊

對于架空輸電線路，隨著桿塔高度的增加，大地對線路的雷電屏蔽作用將顯著減弱，繞擊區變大，線路的繞擊跳閘率也隨之增加 (如圖12所示)。

導線高度隨桿塔高度增加，導線暴露在外的范圍增大，將出現當下行雷電先導已經下降到低于輸電線路高度時發生雷擊導線的“回頭雷擊”(如圖13所示)。山區線路有時會跨越深溝，常因檔距中間導線和地面高差過大，地面對導線屏蔽進一步減弱，容易發生繞擊事故［5］。

c． 復合絕緣子耐雷水平相對較低

各種類型絕緣子串的雷電沖擊放電特性，均由其兩端金屬間的干弧距離決定。在相同的環境下，絕緣子串兩端金屬間的干弧距離相同，其沖擊放電電壓值也基本相同。同電壓等級、同安裝高度下的復合絕緣子與盤形懸式絕緣子相比較，復合絕緣子盤徑較小，需加裝均壓環，因此，其干弧距離比盤形懸式絕緣子要小，雷電沖擊閃絡電壓比盤形懸式絕緣子低。

4 建議

a． 提高新建線路的防雷設計水平

提高新建輸電線路防雷設計水平是降低雷擊跳閘率的根本，500 kV等級線路主要從提高屏蔽保護性能考慮，220 kV等級則應從耐雷水平和屏蔽防護雙方面考慮。在新建線路使用防雷裝置時，為取得較好的防雷效果 (或性價比)，應對安裝點進行優化選取，對安裝方案進行精細化設計。

b． 強化防雷基礎工作

降低接地電阻是傳統且有效的線路防雷方法，各線路運維單位不但要按照狀態檢修試驗規程檢測周期開展接地電阻測試，而且應加強接地電阻測試準確性，發現接地電阻過大桿塔及時進行改造。

加強對線路雷電跳閘、雷電活動的統計工作，加強對雷電活動規律的了解，做到有的放矢，才能提高防雷措施的有效性。

c． 開展差異化防雷工作

目前，各種防雷措施均起到了一定防雷作用，但從技術經濟綜合分析，各種措施均存在不足之處。因此，開展輸電線路防雷治理工作，要體現出“差異化”。對于500 kV及核心骨干網架、戰略性輸電通道、66 kV及以上重要負荷供電線路，建議以降低雷擊跳閘率、提高設備運行可靠性為主要目標。為對比防雷措施的有效性，可在同塔雙回線路中的1條線路全線安裝同種防雷裝置，逐年進行對比分析，科學評估該種防雷措施的有效性。對于一般輸電線路建議嘗試采取絕緣子并聯間隙等“疏導型”防雷保護措施，減少雷擊設備損壞，降低線路運維工作量。

d． 開展雷害風險評估工作

各網省公司均剛剛開展雷害風險評估工作。該項工作需要進行大量數據統計分析工作，并建立一套完整的評估體系和計算方法，是一項需要長期進行、不斷總結完善的課題。建議采取“試點先行、不斷完善”的方式，在雷電活動頻繁地區選擇部分線路以雷電監測為基礎，根據輸電線路電壓等級、在電網中重要性和作用、線路走廊的雷電活動強度、地形地貌及線路結構的不同，有針對性地進行線路雷害風險評估工作。

［1］ 童雪芳，王海濤，陳家宏，等．雷電定位系統地閃密度分布圖與雷擊故障相關性分析 ［J］．高電壓技術，2009，35(12):2 924－2 929．

［2］ 朱義東，邵寶珠，凌立平．雷電定位系統在遼寧電網中的應用［J］．東北電力技術，2009，30(12):24－29．

［3］ 關麗潔，劉明光．防雷方法綜述 ［J］．東北電力技術，2006，27(1):50－52．

［4］ 王海濤，童杭偉，馮萬興，等．浙江省地閃密度圖的繪制方法及其有效性驗證［J］．高電壓技術，2008，34(11):2 488－2 491．

［5］ 王 飛，張 巍，朱義東．500 kV程徐線雷擊跳閘原因分析 ［J］．東北電力技術，2010，31(9):7－9．