特高壓直流輸電線路雷擊故障特性分析

張中華 趙宇亭

國網(wǎng)山西省電力公司檢修分公司 山西太原 030000

1 “三大特高壓直流”線路運行概況

國網(wǎng)已有多條特高壓直流線路建成投運，其中以±800kV復奉線、錦蘇線和賓金線投運時間相對較長，為國網(wǎng)“三大特高壓直流”輸電通道。復奉線于2009年12月投運，線路里程1891km，設計輸送容量6400MW；錦蘇線于2012年6月投運，線路里程2057km，設計輸送容量7200MW；賓金線于2014年7月投運，線路里程1652km，設計輸送容量8000MW。截至2017年底，“三大特高壓直流”線路共發(fā)生各類原因重啟28次。其中雷擊造成重啟19次，占比67．9%，可見雷擊是造成三大特高壓直流線路重啟的首要因素。19次雷擊重啟中，復奉線3次、錦蘇線7次，賓金線9次；重啟成功14次，重啟成功率為73．7%。從雷擊形式看，19次均為繞擊，因此，繞擊防護是特高壓直流線路亟待提升的薄弱點。

2 雷擊重啟因素分析

2.1 雷電地閃密度

在“三大特高壓直流”線路走廊的地閃密度圖上，標識出雷擊故障桿塔位置。復奉線與錦蘇線大部分處于同走廊，全線雷電活動基本一致，地閃密度自西向東變化趨勢為“高→低→高”。賓金線與復奉線、錦蘇線雷電活動規(guī)律較為相似，在四川段雷電活動最強，從貴州、湖南再到江西段，雷電活動由強到弱，再增強，到達浙江段時地閃密度基本處于C1級。19次被雷擊的桿塔中，位于B1級雷區(qū)的雷擊重啟為3次，占比15．8%；位于B2級的3次，占比15．8%；位于C1級的11次，占比57．9%；位于C2級的2次，占比10．5%。大部分雷擊重啟發(fā)生在C1級及以上地區(qū)，達到13次，占比68．4%；6次雷擊重啟發(fā)生在B1-B2級，均位于重慶南部和貴州北部山區(qū)。

2.2 地面傾角

三大直流電塔的地面傾角最小為0°，最大為70°。塔身地面傾角概率密度分布，其中地面傾角區(qū)間為1°，以“x”為雷擊失效塔身。地面傾角越小，塔的數(shù)量越多。為了對不同傾角范圍的雷擊再啟動進行統(tǒng)計分析，在每個傾角范圍內(nèi)塔數(shù)基本相同的情況下，選擇1°和2°。以5°、5°、10°為不等分割點，對三大直流電塔的地面傾角進行分類，計算出不同地面傾角范圍內(nèi)塔的平均傾角和雷擊平均重啟概率。雷擊與再啟動的概率總體上隨著三大直流電塔地面傾角的增大而逐漸增大，兩者之間具有很強的相關性[1]。雷擊平均重啟概率與地面平均傾角的相關系數(shù)為0。98．地面傾角越大，面對外坡的地面屏蔽效果越差，使得外坡導體更容易遭受雷擊。

2.3 檔距

三大直流輸電塔最小中程距離為179m，最大中程距離為2052m。以400m、500m、600m、700m為分割點對距離間距進行分類，統(tǒng)計計算不同距離范圍內(nèi)塔的平均距離間距和雷擊重啟的平均概率。雷擊概率與塔重啟動概率與平均間隔檔距之間存在很強的正相關關系，相關系數(shù)為0．99。檔距越大，雷擊失敗重啟線路的概率越大。傳輸距離在700米及以上的塔發(fā)生雷擊和重新啟動的概率為0．325次/百基。這是因為大檔距一般是跨谷、跨河等，中間導線之間的間隙高度較高，地面對導線的避雷效果較弱，容易受到周圍雷電的襲擊[2]。

3 “三大特高壓直流”線路差異性對比

3.1 地閃密度

2014-2017年雷電監(jiān)測數(shù)據(jù)，復奉錦蘇通道的平均地閃密度是2．59-2．67（km2·a），賓金通道的平均地閃密度達到3．56次/（km2·a），是復奉、錦蘇通道的1．35倍左右。

3.2 地面傾角

賓金通道與復奉錦蘇通道地形地貌整體相差不大，但是地面傾角有較大的差異。從地面傾角上看，賓金線在（2．5，90］的桿塔較復奉線多15．6%，較錦蘇線多8．1%。經(jīng)統(tǒng)計，賓金線桿塔的平均地面傾角是復奉、錦蘇線的1．14倍。地面傾角增大，將會造成最大繞擊電流增大，然而由于地面傾角對最大繞擊電流的影響是非線性的，因此造成不同地面傾角條件下的最大繞擊電流變化情況不同。

3.3 絕緣配置

通過對賓金線直線塔的優(yōu)化設計，與復奉線、錦蘇線相比，塔頭尺寸和絕緣子串長度均有顯著降低。以ZC27152線塔為例，與復奉、錦蘇線相比，賓金線使用的塔頭帶電體對導線橫擔空氣間隙（最小空氣間隙）從7664mm減小到6479mm，縮短了15．5%左右，抗雷擊水平相應降低[3]。

4 結(jié)語

（1）三大特高壓直流線路共發(fā)生各類原因重啟28次，其中雷擊占比67．9%，是造成三大特高壓直流線路重啟的首要因素，繞擊防護是特高壓直流線路亟待提升的薄弱點。（2）特高壓直流線路平均雷擊重啟概率與地閃密度、地面傾角、檔距存在極大的正相關性，相關系數(shù)分別達到0．93、0．98、0．99。（3）賓金線通道的平均地閃密度是復奉、錦蘇通道的1．35倍左右；賓金線地面傾角處于（2．5°，90°）范圍的桿塔數(shù)量較復奉線多15．6%，較錦蘇線多8．1%；賓金線直線塔優(yōu)化設計后，塔頭最小空氣間隙較復奉、錦蘇線縮短15．5%，繞擊耐雷水平從30kA減小到25．4kA。（4）地面傾角對最大繞擊電流存在非線性影響，以故障桿塔地面傾角平均值考慮，賓金線危險雷電流概率是復奉線的4．31倍，結(jié)合地閃密度差異，賓金線故障桿塔的繞擊重啟率理論上是復奉線故障桿塔的5．81倍，與實際運行結(jié)果6．87倍較為接近。