220kV早成線雷擊風險綜合評估及治理技術研究

國網甘肅省電力公司 張宏軍

國網陜西省電力公司 孔志戰(zhàn)

國網電力科學研究院武漢南瑞有限責任公司 胡楊柳

220kV早成線雷擊風險綜合評估及治理技術研究

國網甘肅省電力公司 張宏軍

國網陜西省電力公司 孔志戰(zhàn)

國網電力科學研究院武漢南瑞有限責任公司 胡楊柳

前言

雷電是發(fā)生頻繁的自然災害之一,在交流高壓/超高壓輸電線路運行的總跳閘次數中,由于雷擊引起的跳閘次數占40%～70%［1］。如何預防和減小雷擊線路對電網造成的損害,是電網安全穩(wěn)定運行必須考慮的重點問題。

甘肅省屬于我國傳統(tǒng)的少雷地區(qū),然而隨著近年來氣候的不斷變化,甘肅省強對流天氣逐年增多,頻頻出現雷雨天氣,局部地區(qū)雷暴現象嚴重。由于省內輸電線路運行地理條件較差,線路防雷設計及建設考慮不充分,防雷工作具有一定的盲目性,缺乏對各防雷措施在原理、優(yōu)缺點、適用范圍上的根本性了解,因此一旦雷電地閃密度增大,極容易造成線路跳閘導致停電事故。甘肅省2010-2013年平均地閃密度分布如圖1所示。可以看出,甘肅省除極少部分地區(qū)雷電活動較強外,大部分地區(qū)雷電活動較弱。

圖1 甘肅省2010-2013年地閃密度分布圖

220kV早成線位于天水南部,共309基桿塔,為單雙混架線路,其中雙回桿塔2基,單回桿塔307基,線路全長137.21km。全線除安裝2條避雷線外,無其它防雷措施。由圖1可知,天水南部雷電活動較強,是甘肅220kV輸電線路中容易發(fā)生雷擊故障的輸電線路之一。2010-2013年間,該線路共發(fā)生雷擊跳閘3次,其中繞擊跳閘2次,反擊跳閘1次,年平均跳閘率為0.547次/(百公里·年)。對于220kV線路,相關規(guī)范中規(guī)定,歸算到40個雷暴日、地閃密度為2.78次/(平方公里·年)下的雷擊跳閘率考核指標為0.315次/(平方公里·年)［2］,由于早成線平均年地閃密度平均值為1.144次/(平方公里·年),因此早成線對應的雷擊跳閘率考核指標值為0.13次/(百公里·年),由此可知該線路雷擊跳閘率考核指標沒有達標,必須研究能夠降低該線路雷擊跳閘率的防雷治理措施。

目前輸電線路防雷設計中,由于對線路走廊的雷電活動特征掌握不夠全面,線路結構及地形地貌特征未能全面考慮,使得防雷設計及治理措施缺乏針對性,技術經濟性不強［3］。輸電線路差異化防雷技術綜合考慮了線路雷擊故障差異、雷電參數差異、線路特征參數差異、防雷措施實施差異等因素,對線路逐基桿塔進行防雷性能評估,確定各基桿塔雷擊風險等級,依據現有防雷措施技術特點,采取針對性防護措施配置,制定針對性的防雷治理方案,從而實現對輸電線路進行“有的放矢”的防雷治理工作。

本文基于輸電線路差異化防雷技術,綜合考慮影響線路耐雷性能的各種因素,對220kV早成線進行了雷擊風險綜合評估,制定了差異化防雷治理方案,并進一步分析了治理方案的實際效果。

1 耐雷性能分析方法

1.1 繞擊耐雷性能

計算繞擊跳閘率的方法主要有規(guī)程法、電氣幾何模型(EGM)、先導發(fā)展法、蒙特卡羅法等。EGM由20世紀60年代建立,經過國內外學者的改進,發(fā)展相當成熟。文獻［5］分析了雷電入射角度對繞擊計算的影響并提出了雷電入射角的概率分布公式,文獻［6］通過研究基于雷電先導發(fā)展的改進電氣幾何模型,分析了山區(qū)線路雷擊跳閘率高的原因,基于電氣幾何模型,改進了跳閘率的計算方法。因此,本文選擇電氣幾何模型(EGM)來計算早成線跳閘率,繞擊跳閘率的計算如下式所示［8］：

式中,NG為年平均地閃密度,Ic為線路繞擊耐雷水平,Dc(I)為雷電流幅值為I時暴露弧在地面投影長度, P’(I)為雷電流概率幅值密度。

1.2 反擊耐雷性能

蒙特卡洛法(Monte Carlo)是利用數學的方法產生各種不同分布的隨機變量抽樣序列,來模擬給定問題的概率統(tǒng)計模型,然后給出問題數值解的漸進統(tǒng)計估計值［9］。針對反擊耐雷性能的計算,其原理是由計算機產生代表雷電流幅值、陡度等的統(tǒng)計量,驗算和確定線路耐雷水平及跳閘率,用這種分析法計算出的跳閘率更加符合實際情況［10］。

考慮到可能影響雷擊跳閘率的隨機過程,將雷擊跳閘率y作為若干隨機變量的函數：

其中雷電流幅值I,波頭時間tf,雷擊瞬間導線工頻電壓值U,雷擊線路的部位B,雷擊時風偏S等都是隨機變量,且具有不同的概率分布。用蒙特卡洛法計算雷擊跳閘率時,用隨機抽樣的方法從各個雷擊跳閘影響因素的隨機變量概率分布中抽樣,得到第k次雷擊時相應的隨機數Ik,tfk,Uk,Bk,Sk,然后用相應的數學模型判斷該次雷擊是否引起絕緣閃絡［11］,yk=f(Ik,tfk,Uk,Bk,S,…), k=1,2,3,…,N,若引起閃絡,則yk=1,否則yk=0,經過N次抽樣,便可得到雷擊跳閘率估計值：

2 線路雷擊風險綜合評估

考慮到220kV線路,繞擊、反擊跳閘比例一般為7:3,又由于早成線對應的雷擊跳閘率考核指標值為0.13次/(百公里·年),因此將該線路繞擊跳閘率考核指標Sr定為0.091次/(百公里·年),反擊跳閘率考核指標Sf定為0.039次/(百公里·年)。以繞擊為例,將雷擊閃絡風險等級分為A、B、C、D四個等級,劃分依據分別為［0,0.5Sr］、［0.5Sr,Sr］、［Sr,1.5Sr］、［1.5Sr,+∞］,反擊閃絡風險等級按照同樣的原則進行劃分［12］。通過輸電線路差異化防雷評估系統(tǒng),對早成線沿線各基桿塔進行跳閘率計算。不同繞擊、反擊、雷擊風險等級的桿塔數量分布如圖2所示。

圖2 不同繞擊、反擊、雷擊風險等級的桿塔數量分布

圖2可以看出,編號大于150的桿塔雷擊跳閘率普遍較高,繞擊跳閘率不達標的桿塔數量為53基,反擊跳閘率不達標的桿塔數量為14基,雷擊跳閘率不達標的桿塔數量為39基。

3 防雷治理措施研究

考慮到220kV早成線繞擊跳閘所占比例較大,故本次防雷治理以降低繞擊跳閘率為主、兼顧降低反擊跳閘率的思路來進行。

3.1 加裝避雷器

線路避雷器可較大提高線路耐雷水平,有效降低線路繞擊和反擊跳閘率,適用于危險等級最高且其他防雷措施難以防護的重點桿塔,如大檔距桿塔、接地電阻難以降低的桿塔等,故本次防雷治理中選擇該措施。對單回輸電線路,建議在兩邊相各安裝一支避雷器。針對早成線常見的ZM2型桿塔,對安裝前后繞擊、反擊耐雷水平和跳閘率進行計算,計算結果如圖3所示。可以看出,加裝避雷器后,桿塔的繞、反擊耐雷水平分別增大了25.62%、20.55%。

圖3 加裝避雷器前后桿塔耐雷水平

3.2 加裝可控放電避雷針

可控放電避雷針安裝于塔頭,可有效提高桿塔引雷能力,增強桿塔對其附近導線的雷電屏蔽能力,從而降低雷電繞擊導線的概率,減小繞擊跳閘率。因早成線絕緣水平較高,安裝可控放電避雷針不會變向增加反擊跳閘率,又因為安裝簡便且運行中基本無維護工作量,故本次防雷治理中考慮加裝可控放電避雷針。由于220kV輸電線路塔頭較小,建議在塔頭上安裝1支可控放電避雷針。

3.3 接地改造

降低桿塔接地電阻能有效提高線路反擊耐雷性能,是基本的線路防反擊措施,故選擇該措施,治理方案中建議針對接地電阻不合格的桿塔進行降阻改造。

4 防雷治理方案及其效果評估

4.1 防雷治理方案

根據220kV早成線的跳閘記錄,結合雷擊風險綜合評估結果和線路沿線地形地貌,最終確定防雷治理原則如下：

(1)發(fā)生過雷擊故障的桿塔加裝線路避雷器;

(2)繞擊或反擊或雷擊閃絡風險等級為D級的桿塔加裝線路避雷器;

(3)繞擊或雷擊閃絡風險等級為C級的桿塔加裝可控放電避雷針,同時降低其桿塔接地電阻;所有位于平原的桿塔其接地電阻控制在5Ω以內,位于山區(qū)的桿塔其接地電阻控制在10Ω以內;

(4)反擊風險等級為C級的桿塔采取降低桿塔接地電阻的措施,對接地電阻難以降低的桿塔亦采取加裝線路避雷器的措施。

按照以上治理原則,最終確定的改造順序及治理方案為：①在#27、#76、#82這3基發(fā)生過雷擊故障的桿塔上加裝線路避雷器;②在#15、#40、#45等22基繞擊或反擊或雷擊閃絡風險等級為D級的桿塔加裝線路避雷器;③在#48、#49、#54等21基繞擊或雷擊閃絡風險等級為C級的桿塔加裝可控放電避雷針,同時降低其桿塔接地電阻;④針對#7、#12、#14等6基桿塔,采取降低桿塔接地電阻措施。

4.2 防雷治理效果評估

通過輸電線路差異化防雷評估系統(tǒng),對治理后的線路進行治理效果評估。結果顯示,線路經過防雷治理后,繞擊跳閘率從0.365次/(百公里·年)降低至0.071次/(百公里·年),降幅為80.5%;反擊跳閘率從0.182次/(百公里·年)降低至0.054次/(百公里·年),降幅為70.3%;雷擊跳閘率從0.547次/(百公里·年)降低至0.125次/(百公里·年),降幅為77.1%。

5 結論

(1)甘肅省屬于傳統(tǒng)的少雷區(qū),但是220kV早成線位于天水南部,此地區(qū)雷電活動相對活躍,線路雷擊跳閘率沒有達標,故需要對此線路進行針對性的防雷治理;

(2)從雷擊風險綜合評估結果中可以看出,早成線發(fā)生繞擊閃絡的風險大于反擊閃絡,進行防雷治理時,應當主要考慮降低繞擊跳閘率,兼顧降低反擊跳閘率;

(3)綜合考慮早成線的線路結構、地形地貌等因素,最終采用加裝線路避雷器、加裝可控放電避雷針以及降低桿塔接地電阻作為防雷治理措施,并提出了針對性的治理原則;

(4)給出了早成線的具體治理方案,并對治理效果進行了評估,結果表明,給出的治理方案可以有效降低線路的雷擊跳閘率,降幅達70%左右,該治理方案具有很高的工程價值。

[1]王春杰,祝令瑜,汲勝昌,等．高壓輸電線路和變電站雷電防護的現狀與發(fā)展[J]．電瓷避雷器,2010,3(4):35-45．

[2]國家電網公司,110(66)kV～500kV架空輸電線路管理規(guī)范,2005．

[3]谷山強,陳家宏,陳維江,等．輸電線路防雷性能時空差異化評估方法[J]．高電壓技術,2009,35(2):294-298．

[4]陳家宏,呂軍,錢之銀,等．輸電線路差異化防雷技術與策略[J]．高電壓技術,2009,35(12):2891-2902．

[5]李瑞芳,吳廣寧,曹曉斌,等．考慮雷電入射角后電氣幾何模型的改進[J]．電瓷避雷器,2009(4):23-26．