遼寧地區(qū)500 kV輸電線路雷害風(fēng)險分級研究

王 飛，朱義東，張忠瑞，姜常勝

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

1 全省落雷密度分析

雷害是造成架空輸電線路跳閘的最主要原因。根據(jù)統(tǒng)計，雷擊跳閘約占架空輸電線路跳閘總數(shù)的50%左右。為掌握遼寧地區(qū)雷電活動規(guī)律，科學(xué)合理地制定500 kV防雷技術(shù)措施，提高超高壓架空輸電線路抵御雷害能力，特開展了雷害風(fēng)險評級的研究。

遼寧地閃密度分布圖是以遼寧電網(wǎng)雷電定位系統(tǒng)2008～2010年監(jiān)測到的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用Arc-GIS地理信息系統(tǒng)空間分析軟件進行繪制的。地閃密度圖等級劃分原則如表1所示。

表1 地閃密度圖等級劃分原則

A級為少雷區(qū)，對應(yīng)的平均年雷暴日數(shù)不超過15;B1、B2級為中雷區(qū)，對應(yīng)的平均年雷暴日數(shù)超過15但不超過40;C1、C2級為多雷區(qū)，對應(yīng)的平均年雷暴日數(shù)超過40但不超過90;D1、D2級為強雷區(qū)，對應(yīng)的平均年雷暴日數(shù)超過90。

對地閃密度分布進行平滑處理，剔除網(wǎng)格的棱角，并將出現(xiàn)等級跳變的1個或幾個“獨立”網(wǎng)格的地閃密度等級調(diào)整為與其周圍地閃密度等級一致，得到平滑、連貫的地閃密度分布圖 (如圖1所示)。

圖1 2008～2012年平均地閃密度分布圖

2 500 kV反擊雷危險雷電密度分布

2.1 繪制思路

圖2 遼寧地區(qū)雷電流累積概率分布圖

危險雷電密度分布是在地閃密度分布和雷電流幅值分布 (如圖2所示)的基礎(chǔ)上繪制。考慮不同電壓等級、不同雷害性質(zhì)具有不同的危險電流段，分別繪制500 kV電網(wǎng)反擊危險雷電密度分布圖、500 kV電網(wǎng)繞擊危險雷電密度分布圖。

危險雷電密度分布的分級方法是建立在地閃密度分級基礎(chǔ)上，以地閃密度等級劃分時的3個分割點 (分別為A級與B1級的分割點、B2級與C1級的分割點、C2級與D1級的分割點)對應(yīng)的地閃密度Ng值及遼寧雷電流幅值累積概率分布為依據(jù)，分別將繞擊危險雷電密度分布和反擊危險雷電密度分布劃分成4個等級，用阿拉伯?dāng)?shù)字從低到高依次標記為1、2、3、4級。

2.2 500 kV線路耐反擊雷水平分析

按照DL/T620—1997的規(guī)定:500 kV線路耐反擊雷水平應(yīng)該在125～175 kA。選取遼寧電網(wǎng)500 kV線路典型結(jié)構(gòu) (桿塔為ZB型和SCZ型，絕緣子為干弧距離4 m的復(fù)合絕緣子)，根據(jù)公式(1)計算線路耐反擊雷水平，得到遼寧電網(wǎng)典型結(jié)構(gòu)500 kV線路耐反擊雷水平在130～175 kA，且受沖擊接地電阻值的影響較大。

式中 I——線路耐反擊雷水平;

u50%——絕緣子串的 50%雷電沖擊閃絡(luò)電壓;

k——耦合系數(shù);

β——桿塔分流系數(shù);

Ri——桿塔沖擊接地電阻;

ha——橫擔(dān)對地高度;

ht——桿塔高度;

Lt——桿塔電感;

hg——避雷線對地平均高度;

hc——導(dǎo)線平均高度;

k0——幾何耦合系數(shù)。

遼寧電網(wǎng)500 kV線路發(fā)生反擊跳閘故障較少，2008年以來，遼寧電網(wǎng)僅發(fā)生2次500 kV線路反擊跳閘，雷電流幅值分別為192.2 kA和－127.7 kA。

2.3 500 kV電網(wǎng)反擊危險雷電密度等級分割點

根據(jù)公式 (2)計算500 kV線路反擊危險雷電密度分布圖等級分割點，計算結(jié)果如表2所示。

式中 Ngc2——反擊危險雷電密度;

Ng——雷電密度;

PI2——反擊危險雷電流幅值概率。

表2 500 kV反擊危險雷電密度等級分割點

2.4 500 kV電網(wǎng)反擊危險雷電密度分布圖

以遼寧電網(wǎng)雷電定位系統(tǒng)2008～2010年監(jiān)測到的500 kV反擊危險地閃數(shù)量為基礎(chǔ)，利用Arc-GIS地理信息系統(tǒng)空間分析軟件繪制500 kV電網(wǎng)反擊危險雷電密度分布圖。

3 500 kV電網(wǎng)繞擊危險雷電密度分布

3.1 500 kV線路耐繞擊雷水平計算

根據(jù)DL/T620—1997規(guī)定，選取遼寧電網(wǎng)500 kV線路典型結(jié)構(gòu) (桿塔為ZB型和SCZ型，絕緣子為干弧距離4 m的復(fù)合絕緣子)，根據(jù)公式 (3)計算線路耐繞擊雷水平，得到遼寧電網(wǎng)500 kV線路的耐繞擊雷水平為25～27 kA。

式中I為線路耐繞擊雷水平。

基于電氣幾何模型理論計算輸電線路繞擊跳閘率的相關(guān)研究表明，隨著雷電流的增大，導(dǎo)線受雷范圍隨之減小，當(dāng)雷電流增大到一定數(shù)值時，導(dǎo)線被完全屏蔽，雷電先導(dǎo)將不會擊中導(dǎo)線，而是擊中避雷線或地面。根據(jù)上述理論，線路繞擊危險雷電流幅值存在上限，通過計算，線路最大繞擊危險雷電流幅值受避雷線保護角、地面傾角影響較大。遼寧電網(wǎng)500 kV線路桿塔當(dāng)?shù)孛鎯A角為45°時，最大繞擊危險雷電流幅值達60 kA左右。

3.2 500 kV電網(wǎng)繞擊危險雷電流幅值及概率

遼寧電網(wǎng)500 kV線路發(fā)生雷擊故障基本為繞擊。2008年以來，遼寧電網(wǎng)共發(fā)生13次500 kV線路繞擊跳閘，其中雷電流幅值最小為－19.3 kA，最大為－69.4 kA。由500 kV線路繞擊故障時雷電流幅值分布情況可知，500 kV線路繞擊跳閘雷電流幅值分布在20～30 kA內(nèi)最多。

綜合考慮遼寧電網(wǎng)500 kV線路耐繞擊雷水平和歷史500 kV線路繞擊雷故障雷電流幅值情況，確定幅值在20～60 kA的雷電流為危險雷電流。

根據(jù)雷電定位系統(tǒng)地閃對應(yīng)雷電流幅值計算，2008～2010年遼寧地區(qū)統(tǒng)計到的地閃1 387 959個，其中雷電流幅值在20～60 kA的為700 910個，計算得到全省3年500 kV線路繞擊危險雷電流幅值概率平均為50.50%。

500 kV線路繞擊危險雷電密度分布圖等級分割點如表3所示。

表3 500 kV繞擊危險雷電密度等級分割點

3.3 500 kV電網(wǎng)繞擊危險雷電密度分布圖

以遼寧電網(wǎng)雷電定位系統(tǒng)2008～2010年監(jiān)測到的500 kV繞擊危險地閃數(shù)量為基礎(chǔ)，利用Arc-GIS地理信息系統(tǒng)空間分析軟件繪制500 kV電網(wǎng)繞擊危險雷電密度分布圖。

4 雷害風(fēng)險分布圖的繪制

4.1 雷害故障分布圖的繪制

雷害故障分布圖是統(tǒng)計2002年以來遼寧電網(wǎng)220 kV及以上輸電線路雷擊故障，將故障桿塔坐標錄入ArcGIS地理信息系統(tǒng)空間分析軟件，從而形成遼寧電網(wǎng)雷害故障分布圖。為更深入分析各地區(qū)雷電活動對輸電線路的影響，在繪制遼寧電網(wǎng)雷害故障分布圖時，將2002年以來遼寧電網(wǎng)66 kV線路故障情況同樣錄入 (如圖3所示)。

由圖3可以看出，雷擊故障點主要集中在丹東、本溪、鐵嶺、撫順、營口地區(qū)。丹東、本溪、鐵嶺、撫順雷擊故障較多的原因是上述地區(qū)為山地丘陵區(qū)，是遼寧海拔最高地區(qū)。

4.2 雷害風(fēng)險分布圖的繪制

圖3 遼寧電網(wǎng)雷害故障分布圖

雷害風(fēng)險分布圖是根據(jù)地閃密度、不同電壓等級危險雷電密度分布 (反擊和繞擊)、線路歷史雷害故障經(jīng)驗、地形地質(zhì)地貌等因素綜合考慮，將輸電線路雷擊閃絡(luò)危險風(fēng)險分為4個層級 (如表4所示)。

表4 雷害風(fēng)險分布圖等級劃分

結(jié)合相關(guān)的人工干預(yù)原則，最終得到的風(fēng)險分級圖如圖4、圖5所示。

5 結(jié)論

a． 建立了遼寧地區(qū)輸電線路雷害風(fēng)險分級體系，在繪制全省地閃密度分布圖的基礎(chǔ)上，通過計算得到典型桿塔結(jié)構(gòu)下500 kV輸電線路反擊和繞擊危險雷電流密度分布圖。

b． 基于危險雷電流密度分布圖、運行經(jīng)驗、地形地貌要素等數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了500 kV輸電線路雷害風(fēng)險等級圖形化，可直觀地指導(dǎo)架空輸電線路在規(guī)劃、設(shè)計、運行、改造過程中的防雷工作。對雷害風(fēng)險等級較高的地區(qū)應(yīng)加強防雷工作。

c． 建議在應(yīng)用過程中加強運行數(shù)據(jù)的積累，使500 kV超高壓線路的雷害風(fēng)險分級更加科學(xué)合理。合防雷措施評估中的應(yīng)用 ［J］．電網(wǎng)技術(shù)，2005，29(14):68－72．

［1］ 張志勁，孫才新，蔣興良，等．層次分析法在輸電線路綜

［2］ 潘丹青．對輸電線路防雷計算中幾個問題的看法 ［J］．高電壓技術(shù)，2001，27(4):65－67．

［3］ DL/T 620—1997．交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合［S］．

［4］ 張緯錢，何金良，高玉明．電力系統(tǒng)過電壓防護及絕緣配合［M］．北京:清華大學(xué)出版社，2002．

［5］ 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(shù)，2008，34(11):2 488－2 491．