輸電線路雷電災(zāi)害防御體系建設(shè)研究與應(yīng)用

李國(guó)寶

（國(guó)網(wǎng)山西省電力公司，山西 太原 030021）

0 引言

輸電線路是電力系統(tǒng)能量傳輸?shù)闹匾M成部分，但由于架空線路多敷設(shè)在高山等偏遠(yuǎn)地區(qū)，易遭受雷擊造成跳閘事故，嚴(yán)重影響電網(wǎng)安全運(yùn)行和電能的持續(xù)供應(yīng)[1-2]。據(jù)2010—2018年統(tǒng)計(jì)結(jié)果，雷擊導(dǎo)致線路跳閘占35 kV及以上交流輸電線路跳閘總數(shù)的39.4%～50.8%，雷擊重啟占±500 kV及以上直流輸電線路故障重啟總數(shù)的43.5%～64.3%。

為實(shí)現(xiàn)“骨干網(wǎng)架監(jiān)測(cè)無盲點(diǎn)、線路故障監(jiān)測(cè)高精準(zhǔn)”的目標(biāo)，依托輸電通道雷擊風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、雷電定位監(jiān)測(cè)和輸電線路差異化防雷評(píng)估系統(tǒng)，形成了“雷擊前期風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、雷擊快速定位、差異化防雷評(píng)估和治理”的全過程雷電災(zāi)害防御體系[3]。通過對(duì)海量雷電監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的深度挖掘，逐步建立雷電參數(shù)、雷電地閃分布參數(shù)，搭建輸電線路雷擊計(jì)算的相關(guān)理論和模型[4]。充分利用差異化防雷評(píng)估技術(shù)，為在運(yùn)線路防雷改造提供參考，并將新建線路差異化防雷評(píng)估逐步融入線路初步設(shè)計(jì)，為新建線路防雷設(shè)計(jì)提供依據(jù)[5]。實(shí)現(xiàn)輸電線路雷電預(yù)警監(jiān)測(cè)、在運(yùn)線路差異化防雷評(píng)估，提升輸電線路防雷水平，保障輸電通道安全運(yùn)行，構(gòu)建切實(shí)有效的電網(wǎng)雷電防治體系[6]。

1 雷電災(zāi)害防御體系簡(jiǎn)介

1.1 雷擊風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警功能

輸電線路雷電災(zāi)害防御體系是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)輸電線路雷擊閃絡(luò)的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警。其物理結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括子站、通信模塊、計(jì)算模塊、軟件模塊和數(shù)據(jù)庫(kù)模塊、網(wǎng)絡(luò)通信以及協(xié)議模塊。其中，子站用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大氣中電場(chǎng)數(shù)據(jù)和雷電定位數(shù)據(jù)；計(jì)算模塊用于統(tǒng)計(jì)分析雷電數(shù)據(jù)和線路臺(tái)賬、定義預(yù)警等級(jí)及風(fēng)險(xiǎn)概率，并將分析數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)模塊；軟件模塊用于部署客戶端軟件，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)推送和被動(dòng)查詢相應(yīng)的雷電預(yù)警信息[7]。

雷電發(fā)生時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的光信號(hào)、聲信號(hào)和電磁輻射信號(hào)，由于雷電電磁輻射信號(hào)主要以低頻沿地球表面方式傳播，能量較大時(shí)其傳播范圍可達(dá)數(shù)百公里或更遠(yuǎn)，最適合大范圍監(jiān)測(cè)。雷電風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警計(jì)算是基于對(duì)雷電活動(dòng)規(guī)律和輸電線路雷擊原理分析，關(guān)聯(lián)電場(chǎng)強(qiáng)度、雷電位置等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與線路臺(tái)賬信息，實(shí)現(xiàn)輸電線路的雷擊閃絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，是雷電預(yù)警系統(tǒng)中心站的核心運(yùn)算模塊[8]。雷電風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警數(shù)據(jù)主要由4部分組成。

圖1 雷電災(zāi)害防御體系物理結(jié)構(gòu)

a）監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)：包括系統(tǒng)子站地理位置、電場(chǎng)強(qiáng)度以及雷擊位置的經(jīng)緯度、電流大小等。

據(jù)查，本條線路歷史上出現(xiàn)過4次跳閘，雷擊跳閘率為0.731 7次/（百公里·年）。據(jù)雷擊點(diǎn)定位查詢，故障時(shí)間點(diǎn)前后時(shí)間內(nèi)，故障線路周邊范圍有雷電活動(dòng)記錄

c）用戶數(shù)據(jù)：包括基本信息、目標(biāo)線路及訪問權(quán)限等。

d）預(yù)警數(shù)據(jù)：通過計(jì)算模塊獲得線路的雷電預(yù)警結(jié)果信息。

兩種方案對(duì)比分析：擋墻長(zhǎng)度的增加，有利于水土流失的防護(hù)，加強(qiáng)了該區(qū)的水土保持功能。此外在植物措施方面仍采用植被恢復(fù)方案，只是樹種和綠化面積有一定的調(diào)整，但不影響其功能。

圖2 雷擊風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警流程圖

雷擊預(yù)警探測(cè)子站采取沿線多點(diǎn)帶狀布站原則，基于雷電臨近預(yù)警算法，能夠提前30 min對(duì)系統(tǒng)子站10 km范圍內(nèi)的雷電活動(dòng)提前預(yù)報(bào)，并通過微信、短信方式向系統(tǒng)中登記的手機(jī)號(hào)碼及時(shí)推送雷電預(yù)警信息，實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)輸電通道重點(diǎn)覆蓋。雷擊風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警流程如圖2所示。

沿線逐基桿塔繞擊跳閘率計(jì)算結(jié)果如圖5所示，A級(jí)占47.39%，B級(jí)占8.82%，C級(jí)占8.50%，D級(jí)占35.29%，即有43.79%的線路預(yù)防繞擊能力不理想，風(fēng)險(xiǎn)較大。

1.2 雷擊定位功能

輸電線路差異化防雷評(píng)估系統(tǒng)，基于線路雷擊數(shù)量、線路形態(tài)和地理位置差異，進(jìn)行輸電線路雷電活動(dòng)分析，評(píng)估線路全線每基桿塔雷擊跳閘率，提出差異化防雷措施，指導(dǎo)新建線路防雷設(shè)計(jì)和在運(yùn)線路防雷改造，實(shí)現(xiàn)有針對(duì)性的單基“建模—評(píng)估—治理”，其評(píng)估流程如圖4所示[10]。

雷電定位系統(tǒng)由探測(cè)站、中心處理系統(tǒng)、用戶系統(tǒng)三部分組成。其中，探測(cè)站主要負(fù)責(zé)采集、識(shí)別、處理及發(fā)送信號(hào)功能，并支持?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)和遠(yuǎn)程調(diào)用；中心處理系統(tǒng)負(fù)責(zé)接收并分析雷電信息數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)雷電位置的定位；用戶系統(tǒng)負(fù)責(zé)將經(jīng)過分析處理后的雷電數(shù)據(jù)與電網(wǎng)線路信息和地理位置信息進(jìn)行合并，其數(shù)據(jù)處理流程如圖3所示。

今年初在《偶像練習(xí)生》節(jié)目中，范丞丞拿手的rap竟頻頻忘詞甚至中斷表演，他委屈地說，“就像種的菜一樣，等它可以收成的時(shí)候，一下子被偷光了一樣，一下子什么都沒了。”當(dāng)晚，范冰冰即發(fā)文鼓勵(lì)：“沒關(guān)系的！菜被偷了還可以再種不是嗎？加油吧！”

[1]周寧等：《基于改進(jìn)生態(tài)足跡模型的重慶市生態(tài)承載力研究》，《重慶師范大學(xué)學(xué)報(bào)》（自然科學(xué)版）2018年第2期。

圖3 雷電定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程

1.3 差異化防雷評(píng)估功能

雷電定位系統(tǒng)融合地理位置、遙測(cè)信號(hào)和全球定位系統(tǒng)，具備自動(dòng)采集、高精、面廣等優(yōu)點(diǎn)，能精確捕獲雷擊點(diǎn)的位置、時(shí)間，并對(duì)線路流過的電流參數(shù)和雷擊次數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，用戶可以通過客戶端實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、故障點(diǎn)查詢、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和活動(dòng)規(guī)律分析等。同時(shí)，雷電定位系統(tǒng)采用多個(gè)探測(cè)站同時(shí)測(cè)量雷電產(chǎn)生的電磁輻射，剔除云閃信號(hào)，對(duì)地閃定位，采用相同的時(shí)鐘標(biāo)定技術(shù)，系統(tǒng)間能夠共享探測(cè)站原始信號(hào)，實(shí)現(xiàn)與周邊省份聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)邊界探測(cè)站的數(shù)據(jù)共享，提升探測(cè)效率和定位精度[9]。

圖4 差異化評(píng)估流程

2 案例分析

2.1 線路基本情況

500 kV某線長(zhǎng)136.8 km，共310基桿塔，為單雙混架線路，其中雙回桿塔192基，單回桿塔118基。導(dǎo)線型號(hào)為4×LGJ-400/35，地線型號(hào)為右側(cè)OPGW，左側(cè)GJ-100采取逐塔直接接地方式。

在桿塔類型上，單回桿塔占38.06%，雙回桿塔占61.94%，直線塔占70.0%，轉(zhuǎn)角塔占30%；在地形地貌上，線路沿坡占72.88%，丘陵占64.05%；在檔距分布上，本文以1.5倍評(píng)估桿塔的平均檔距為大檔距標(biāo)準(zhǔn)，其值為670 m，全線大檔距桿塔共64基，占20.65%。

2.2 線路雷擊情況

b）臺(tái)賬數(shù)據(jù)：包括線路屬性、桿塔的GPS坐標(biāo)、繞反擊耐雷水平值。

2.3 差異化防雷評(píng)估結(jié)果

由于線路發(fā)生繞擊閃絡(luò)故障時(shí)對(duì)線路的影響程度遠(yuǎn)大于反擊閃絡(luò)，因此在對(duì)線路進(jìn)行閃絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)，取繞擊跳閘率與反擊跳閘率的比值為9∶1，得到該線繞擊跳閘率指標(biāo)值為0.132 4次/（百公里·年），反擊跳閘率指標(biāo)值為0.014 7次/（百公里·年）。

參考國(guó)家電網(wǎng)公司發(fā)布的《110（66） kV～500 kV架空輸電線路管理規(guī)范》中線路雷擊跳閘率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，由本線路年地閃密度平均值為2.922 2次/（百公里·年），計(jì)算得到線路對(duì)應(yīng)的雷擊跳閘率指標(biāo)值為0.147 2次/百公里·年。

地方自媒體已然成為縣級(jí)媒體建設(shè)中的活躍者，在兩微一端平臺(tái)發(fā)展迅速。以微信公眾號(hào)為例，某些縣甚至出現(xiàn)了百個(gè)城市的地方自媒體內(nèi)容矩陣公司，地方自媒體的高速發(fā)展獲取了相當(dāng)一部分內(nèi)容流量和本地商機(jī)。互聯(lián)網(wǎng)公司最近幾年普遍嘗試下沉到四五線城市，下沉效應(yīng)帶來用戶數(shù)量的快速上升，這將無可避免地對(duì)傳統(tǒng)媒體格局造成巨大沖擊。2014年以來的微博用戶月活超過4億，2018年快手用戶日活過億，這些用戶很大程度上來自下沉縣級(jí)市場(chǎng)的小鎮(zhèn)青年。鮮活的案例與龐大的數(shù)字無不昭示著一批蓄勢(shì)待發(fā)的潛力受眾，勢(shì)必在縣級(jí)融媒體建設(shè)進(jìn)程中扮演著至關(guān)重要的角色。

圖6為該條線路桿塔反擊跳閘率，其中A、B、C、D各級(jí)的桿塔數(shù)量比例為99.35%、0.65%、0.00%、0.00%，即具有良好的防反擊性能。

表1 閃絡(luò)評(píng)估等級(jí)劃分指標(biāo)

圖5 桿塔繞擊跳閘率

圖6 桿塔反擊跳閘率

沿線逐基桿塔雷擊跳閘率計(jì)算結(jié)果如圖7所示，雷擊A、B、C、D各級(jí)的桿塔數(shù)量比例為47.71%、10.78%、8.17%、33.33%，即有41.50%的桿塔防雷能力不足，發(fā)生閃絡(luò)概率較大。

圖7 雷擊跳閘率

3 差異化防雷改造措施

從各基桿塔雷擊跳閘率計(jì)算結(jié)果來看，該線路防雷治理以繞擊為主。目前防雷措施主要有架設(shè)耦合地線、提高導(dǎo)線絕緣能力、接地方式改造和安裝輔助避雷設(shè)施等。在對(duì)現(xiàn)有防雷措施進(jìn)行對(duì)比分析的基礎(chǔ)上，本文主要采用增加避雷器來完成該條線路的改造，原則如下。

初始化時(shí)，每只蝙蝠的響度隨機(jī)給出，通常定義初始響度初始脈沖率一般接近于0，在最優(yōu)解求解過程中，Ai和ri是不斷更新的。

a）之前已經(jīng)發(fā)生過雷擊事故的桿塔重點(diǎn)改造。

b）各基桿塔雷擊跳閘率中繞擊風(fēng)險(xiǎn)和反擊風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為D或C的大檔距桿塔和山頂。

c）各基桿塔雷擊跳閘率中繞擊風(fēng)險(xiǎn)和反擊風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)D、C級(jí)的桿塔。

這年學(xué)期畢業(yè)典禮上，我贏得了一個(gè)意外的獎(jiǎng)?wù)隆ＰｉL(zhǎng)圖什曼在頒獎(jiǎng)時(shí)說：“這枚獎(jiǎng)?wù)聦㈩C給對(duì)學(xué)校做出了特殊服務(wù)和重要貢獻(xiàn)的學(xué)生。該獎(jiǎng)本學(xué)期的獲得者具有善良的本性和友情的力量、勇氣的力量，并以此激勵(lì)了大部分同學(xué)，他的名字叫奧古斯特！”

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，針對(duì)該條線路完成138基桿塔改造，增加線路避雷器181只，改造后線路跳閘率為0.030 2次/（百公里·年），降低了88.77%；改造比率為45.10%。

該工程基礎(chǔ)為預(yù)應(yīng)力混凝土管樁，主體結(jié)構(gòu)為型鋼混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，與游泳館和自行車館相接，上部屋蓋為多重弦支網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)+空腹桁架+魚腹式桁架組合體系，屋蓋總長(zhǎng)520 m，寬120 m，主桁架最大跨度90 m，上弦最高點(diǎn)標(biāo)高29.68 m，總質(zhì)量2 610 t。屋面為鋁鎂錳合金直立鎖邊保溫板，外墻采用蜂窩鋁板和玻璃組合式幕墻。該工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)獨(dú)特，多重弦支網(wǎng)殼空間異形鋼結(jié)構(gòu)體系實(shí)現(xiàn)了鋼結(jié)構(gòu)“拱”與“索”的有效結(jié)合，為國(guó)內(nèi)外首創(chuàng)，獲國(guó)家發(fā)明專利和2012年中國(guó)建筑創(chuàng)作獎(jiǎng)。“大跨度多重弦支網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力高空張拉施工工法”被評(píng)為山西省省級(jí)工法。現(xiàn)將該工程應(yīng)用新技術(shù)的情況介紹如下，供參考。

4 結(jié)束語(yǔ)

依托輸電通道雷擊風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、雷電定位監(jiān)測(cè)和輸電線路差異化防雷評(píng)估系統(tǒng)形成的全過程雷電災(zāi)害防御體系，提升了輸電線路雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警能力，實(shí)現(xiàn)了雷擊跳閘準(zhǔn)確辨識(shí)與快速定位，為線路防雷設(shè)計(jì)和改造提供了決策依據(jù)，促進(jìn)了輸電通道監(jiān)測(cè)信息化水平的持續(xù)提升，加強(qiáng)了對(duì)輸電精益化運(yùn)維管理的技術(shù)支撐能力。