朱 鈺，王 飛，張立軍

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

雷害是造成遼寧電網(wǎng)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(shù)的30%～50%。特別是近幾年，遼寧電網(wǎng)建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，受線路走廊及征地限制，更多新建線路位于山區(qū)，近幾年異常天氣增多，雷電活動(dòng)異常頻繁，對(duì)遼寧電網(wǎng)輸電線路防雷工作提出了更高要求。

掌握雷電活動(dòng)規(guī)律無(wú)論是對(duì)新線路防雷設(shè)計(jì)還是對(duì)運(yùn)行線路防雷改造都具有十分重要意義。隨著雷電定位系統(tǒng)不斷發(fā)展，定位精度及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)更為準(zhǔn)確，為雷電參數(shù)研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。近年來(lái)，越來(lái)越多地區(qū)使用地閃密度等雷電定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)取代傳統(tǒng)雷電日進(jìn)行雷電活動(dòng)時(shí)空特性分析，用于指導(dǎo)輸電線路防雷措施的制定［1］。

1 雷電活動(dòng)時(shí)空特性

1.1 雷電定位系統(tǒng)

遼寧電網(wǎng)雷電定位系統(tǒng)于2007年6月投入使用，采用衛(wèi)星同步對(duì)時(shí)技術(shù) (GPS)、地理信息系統(tǒng) (GIS)、雷電遙測(cè)、波形傳播延時(shí)處理及超量程計(jì)算技術(shù)，結(jié)合“時(shí)間到達(dá)+定向”綜合定位模型，實(shí)時(shí)計(jì)算顯示云對(duì)地雷擊的發(fā)生時(shí)間、位置、雷電流幅值和極性、回?fù)舸螖?shù)、每次回?fù)舻膮?shù)，并以雷擊點(diǎn)分時(shí)彩色圖清晰顯示雷暴的運(yùn)動(dòng)軌跡。

定向、定位原理如圖1所示，當(dāng)A點(diǎn)發(fā)生雷擊時(shí)，探測(cè)站TDF1、TDF2分別測(cè)定雷電方向α1和α2，由三角定位原理可計(jì)算出A點(diǎn)的位置。LLS定位只需2個(gè)探測(cè)站，但當(dāng)雷擊點(diǎn)A落在兩站連線附近或A點(diǎn)與探測(cè)站之間有遮擋，將導(dǎo)致較大的測(cè)向誤差。時(shí)差定位系統(tǒng)要求探測(cè)站站數(shù)≥3，3個(gè)站測(cè)得A1點(diǎn)雷電到達(dá)時(shí)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(hào)可排除A2數(shù)學(xué)解算點(diǎn)。LLS定位精度一般以時(shí)差定位為準(zhǔn)，如果各探測(cè)站時(shí)鐘同步和各種測(cè)量誤差在1 μs以內(nèi)，則定位誤差≤1 km，該定位精度能滿足電力系統(tǒng)雷擊故障點(diǎn)的快速查找。當(dāng)設(shè)計(jì)探測(cè)效率≥90%時(shí)，一般探測(cè)站站間距離在150～200 km。

遼寧電網(wǎng)雷電定位系統(tǒng)安裝12個(gè)雷電探測(cè)站，分別位于大連、丹東、營(yíng)口、本溪、葫蘆島、朝陽(yáng)、阜新、沈陽(yáng)境內(nèi)，測(cè)量范圍覆蓋全省14個(gè)地區(qū)。該系統(tǒng)通過終端軟件或網(wǎng)頁(yè)可查看遼寧各地實(shí)時(shí)雷電情況，包括落雷位置、雷電流極性和強(qiáng)度、雷電流幅值概率分布等［2－3］。

1.2 雷電活動(dòng)時(shí)間

利用雷電定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)2008～2010年遼寧地區(qū)每月地面落雷情況如圖2～圖4所示?？梢钥闯?，遼寧地區(qū)每年5～8月雷電活動(dòng)最頻繁，但各年度雷電活動(dòng)有所差異。

2 輸電線路雷害故障特點(diǎn)

2.1 500 kV線路雷害故障特點(diǎn)

自2002年以來(lái)，遼寧地區(qū)500 kV輸電線路共發(fā)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(lái)500 kV輸電線路雷擊跳閘率變化趨勢(shì)如圖5所示。由圖5可以看出，自2006年以來(lái)，500 kV輸電線路的雷擊跳閘率總體呈下降趨勢(shì)。

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(gè)月共發(fā)生雷擊跳閘59次，占500 kV線路雷擊跳閘總數(shù)的87%，1～3月和12月未發(fā)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(qū)有撫順、營(yíng)口、本溪、葫蘆島地區(qū)，阜新、盤錦、沈陽(yáng)地區(qū)未發(fā)生500 kV雷擊跳閘。

由統(tǒng)計(jì)結(jié)果看，投運(yùn)年限較長(zhǎng)的線路由于防雷設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏低，發(fā)生雷擊跳閘概率較高。最典型的為王南1號(hào)、2號(hào)線 (目前王南1號(hào)線變更為王渤1號(hào)線、瓦渤1號(hào)線;王南2號(hào)線變更為王渤2號(hào)線、瓦渤2號(hào)線)， 這2條線路2002～2011年累計(jì)發(fā)生14次雷擊跳閘，其它較為典型的有豐徐2號(hào)線跳閘10次、豐徐1號(hào)線跳閘7次、元董2號(hào)線跳閘4次、沙董2號(hào)線跳閘3次、元董1號(hào)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(qū)經(jīng)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(yùn)，2010年發(fā)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(yùn))、丹程2線 (2009年7月投運(yùn))。

2.2 220 kV線路雷擊跳閘情況分析

自2002年以來(lái)，遼寧電網(wǎng)220 kV輸電線路共發(fā)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(shì)如圖8所示。由圖8可以看出，自2005年以來(lái)，220 kV輸電線路的雷擊跳閘率總體呈逐年下降趨勢(shì)。

由圖9可以看出，220 kV線路雷害發(fā)生月份基本呈現(xiàn)正態(tài)分布趨勢(shì)。雷擊跳閘主要集中在5～8月，這4個(gè)月共發(fā)生雷擊跳閘211次，占雷擊跳閘總數(shù)的78%，其次是9月和10月，每年1月和12月未發(fā)生過雷擊跳閘。

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

比較各地區(qū)每年雷擊跳閘次數(shù)情況，發(fā)現(xiàn)其波動(dòng)性較大，存在“大小年”現(xiàn)象。2002～2011年全省只有丹東、本溪地區(qū)220 kV輸電線路每年均出現(xiàn)雷擊跳閘情況，但每年的雷擊跳閘次數(shù)波動(dòng)很大 (如圖11所示)，其它地區(qū)個(gè)別年份雷擊跳閘次數(shù)較多，而部分年份全年未發(fā)生雷擊跳閘故障。這說(shuō)明遼寧雷電活動(dòng)局部特征和隨機(jī)特性相當(dāng)明顯，給線路防雷工作帶來(lái)很大困難。

2002～2011年共有59條線路出現(xiàn)了2次以上雷擊跳閘故障，統(tǒng)計(jì)結(jié)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(zhǎng)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(yùn)年限較長(zhǎng)，線路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏低，且雷擊故障桿塔多位于山頂或山腰。

表1 2002～2011年出現(xiàn)2次以上雷擊跳閘的220 kV線路數(shù)

3 影響線路雷擊跳閘的因素

a． 基礎(chǔ)地面傾角對(duì)雷電繞擊影響

桿塔基礎(chǔ)地面傾角對(duì)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(jīng)過平原地區(qū)，一部分經(jīng)過有山坡存在的地段，經(jīng)過山坡地段線路的繞擊率將大于經(jīng)過平原線路的繞擊率。當(dāng)某條線路多處桿塔架設(shè)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(duì)防雷性能的影響。根據(jù)Eriksson的改進(jìn)電氣幾何模型計(jì)算表明，山坡地形對(duì)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(duì)于桿塔基礎(chǔ)地面傾角較大的線路，即使采用負(fù)保護(hù)角也有可能發(fā)生繞擊。

b． 高桿塔容易發(fā)生雷擊

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

導(dǎo)線高度隨桿塔高度增加，導(dǎo)線暴露在外的范圍增大，將出現(xiàn)當(dāng)下行雷電先導(dǎo)已經(jīng)下降到低于輸電線路高度時(shí)發(fā)生雷擊導(dǎo)線的“回頭雷擊”(如圖13所示)。山區(qū)線路有時(shí)會(huì)跨越深溝，常因檔距中間導(dǎo)線和地面高差過大，地面對(duì)導(dǎo)線屏蔽進(jìn)一步減弱，容易發(fā)生繞擊事故［5］。

c． 復(fù)合絕緣子耐雷水平相對(duì)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(huán)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(jí)、同安裝高度下的復(fù)合絕緣子與盤形懸式絕緣子相比較，復(fù)合絕緣子盤徑較小，需加裝均壓環(huán)，因此，其干弧距離比盤形懸式絕緣子要小，雷電沖擊閃絡(luò)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(shè)計(jì)水平

提高新建輸電線路防雷設(shè)計(jì)水平是降低雷擊跳閘率的根本，500 kV等級(jí)線路主要從提高屏蔽保護(hù)性能考慮，220 kV等級(jí)則應(yīng)從耐雷水平和屏蔽防護(hù)雙方面考慮。在新建線路使用防雷裝置時(shí)，為取得較好的防雷效果 (或性價(jià)比)，應(yīng)對(duì)安裝點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化選取，對(duì)安裝方案進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)。

b． 強(qiáng)化防雷基礎(chǔ)工作

降低接地電阻是傳統(tǒng)且有效的線路防雷方法，各線路運(yùn)維單位不但要按照狀態(tài)檢修試驗(yàn)規(guī)程檢測(cè)周期開展接地電阻測(cè)試，而且應(yīng)加強(qiáng)接地電阻測(cè)試準(zhǔn)確性，發(fā)現(xiàn)接地電阻過大桿塔及時(shí)進(jìn)行改造。

加強(qiáng)對(duì)線路雷電跳閘、雷電活動(dòng)的統(tǒng)計(jì)工作，加強(qiáng)對(duì)雷電活動(dòng)規(guī)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(shù)經(jīng)濟(jì)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(xiàn)出“差異化”。對(duì)于500 kV及核心骨干網(wǎng)架、戰(zhàn)略性輸電通道、66 kV及以上重要負(fù)荷供電線路，建議以降低雷擊跳閘率、提高設(shè)備運(yùn)行可靠性為主要目標(biāo)。為對(duì)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(jìn)行對(duì)比分析，科學(xué)評(píng)估該種防雷措施的有效性。對(duì)于一般輸電線路建議嘗試采取絕緣子并聯(lián)間隙等“疏導(dǎo)型”防雷保護(hù)措施，減少雷擊設(shè)備損壞，降低線路運(yùn)維工作量。

d． 開展雷害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作

各網(wǎng)省公司均剛剛開展雷害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作。該項(xiàng)工作需要進(jìn)行大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析工作，并建立一套完整的評(píng)估體系和計(jì)算方法，是一項(xiàng)需要長(zhǎng)期進(jìn)行、不斷總結(jié)完善的課題。建議采取“試點(diǎn)先行、不斷完善”的方式，在雷電活動(dòng)頻繁地區(qū)選擇部分線路以雷電監(jiān)測(cè)為基礎(chǔ)，根據(jù)輸電線路電壓等級(jí)、在電網(wǎng)中重要性和作用、線路走廊的雷電活動(dòng)強(qiáng)度、地形地貌及線路結(jié)構(gòu)的不同，有針對(duì)性地進(jìn)行線路雷害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作。

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

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

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

［4］ 王海濤，童杭偉，馮萬(wàn)興，等．浙江省地閃密度圖的繪制方法及其有效性驗(yàn)證［J］．高電壓技術(shù)，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(shù)，2010，31(9):7－9．