周 唯，陳興福，任 偉(.西南電力設(shè)計(jì)院，四川 成都 600；.國網(wǎng)浙江省電力公司臺(tái)州供電公司，浙江 臺(tái)州 8000；.四川華能寶興河水電有限責(zé)任公司，四川 雅安 65000)

超高壓及特高壓直流輸電線路雷擊閃絡(luò)研究

周 唯1，陳興福2，任 偉3
(1.西南電力設(shè)計(jì)院，四川 成都 610021；2.國網(wǎng)浙江省電力公司臺(tái)州供電公司，浙江 臺(tái)州 318000；3.四川華能寶興河水電有限責(zé)任公司，四川 雅安 625000)

雷擊是造成輸電線路閃絡(luò)的重要原因。在中國跳閘率比較高的地區(qū)，高壓線路由雷擊引起的跳閘約占40%～70%，尤其是在多雷、土壤電阻率高、地形復(fù)雜的地區(qū)，雷擊事故率更高。根據(jù)已建超高壓及特高壓直流輸電線路的雷電活動(dòng)情況及特高壓直流工程的典型桿塔型式，從宏觀上評估電網(wǎng)雷害的總體風(fēng)險(xiǎn)水平，評估輸電線路所經(jīng)區(qū)域的雷擊閃絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)，以行波法和電氣幾何模型法與先導(dǎo)法對直流輸電線路的反擊跳閘率和繞擊跳閘率進(jìn)行了計(jì)算研究，并總結(jié)了目前中國直流線路雷擊閃絡(luò)的主要特點(diǎn)。

超高壓；特高壓；直流輸電線路；雷擊閃絡(luò)

0 引 言

近年來東部沿海的城市建設(shè)規(guī)模和工業(yè)生產(chǎn)區(qū)域都在擴(kuò)大發(fā)展，中國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展形勢對國家電網(wǎng)的輸送能力和交直流配套電網(wǎng)的可靠性提出了更高的要求。中國高壓直流輸電起步相對較晚,按照電力系統(tǒng)規(guī)劃方案，在“十一五”和“十二五”期間，國家電網(wǎng)公司加快了超特高壓直流輸電建設(shè)步伐。1987年年底中國投運(yùn)了自行建成的舟山100 kV海底電纜直流輸電工程，隨后葛洲壩—上?！?00 kV電壓等級，1 200 MW的大功率直流輸電線路投運(yùn)，大大促進(jìn)了中國高壓直流輸電水平的提高。2000年以后，中國又相繼建成了±800 kV特高壓直流復(fù)奉示范工程、云廣直流工程、錦蘇直流工程、哈鄭直流工程、溪浙直流工程，另外還有目前正在規(guī)劃和建設(shè)中的靈紹(寧東)直流、酒湖直流工程。另外，國家電網(wǎng)工程還建成了±660 kV銀東示范工程、±500 kV葛南、龍政(三常)、江城(三廣)、宜華(三滬)、德寶、伊穆(呼遼)、林楓(葛滬二回)、天廣、貴廣、貴廣二回直流工程，以及靈寶背靠背、高嶺背靠背直流工程[1-4]。

1 國網(wǎng)系統(tǒng)直流線路運(yùn)行情況分析

通過國家電網(wǎng)公司下屬運(yùn)行單位和科研單位的調(diào)查統(tǒng)計(jì)，截止2014年3月，國家電網(wǎng)公司共擁有直流線路13條，共計(jì)16 587.2 km?！?00 kV直流線路4回，為復(fù)奉線(1 907 km)、錦蘇線(2 058 km)、哈鄭線(2 195 km)、溪浙線(1 680 km)；±660 kV直流線路1回，±500 kV直流線路7回，±400 kV直流線路1回。

表1 2005—2012年國家電網(wǎng)公司系統(tǒng)直流輸電線路跳閘次數(shù)統(tǒng)計(jì)表

表2 2005—2012年國網(wǎng)公司直流輸電線路故障停運(yùn)次數(shù)統(tǒng)計(jì)表

2005—2012年，國網(wǎng)公司系統(tǒng)直流線路共發(fā)生閃絡(luò)224次，強(qiáng)迫停運(yùn)38次。其中由雷擊引起的閃絡(luò)77次，占統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的34%。2005—2012年國家電網(wǎng)公司系統(tǒng)直流輸電線路跳閘次數(shù)統(tǒng)計(jì)詳見表1所示?？梢钥吹嚼讚羰窃斐芍绷鬏旊娋€路閃絡(luò)的最主要的因素。

2005—2012年，國家電網(wǎng)公司系統(tǒng)直流輸電線路共發(fā)生故障停運(yùn)(線路閃絡(luò)后閉鎖)38次，其中由雷擊引起的故障停運(yùn)僅為4次，占統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的10%。2005—2012年國網(wǎng)公司直流輸電線路故障停運(yùn)次數(shù)統(tǒng)計(jì)詳見表2所示。

2 國網(wǎng)公司系統(tǒng)直流線路雷擊閃絡(luò)情況分析

2005—2012年國家電網(wǎng)公司系統(tǒng)直流輸電線路雷擊閃絡(luò)情況，詳見表3所示。由此可知，除2007年以外，±500 kV直流線路的雷擊閃絡(luò)率均在0.07～0.29次/(100 km·a)之間波動(dòng)。2007年夏季受大范圍強(qiáng)對流天氣影響，公司系統(tǒng)區(qū)域范圍內(nèi)連降大雨，直流線路雷擊閃絡(luò)也達(dá)到歷史最高的18次；近年來雖然雷擊跳閘數(shù)仍在10次/a左右浮動(dòng)，但由于直流線路長度增加，雷擊跳閘率下降至0.1次/(100 km·a)左右。2005—2012年各年度各電壓等級直流輸電線路雷擊閃絡(luò)次數(shù)詳見圖1所示。

表3 2005—2010年國網(wǎng)公司直流輸電線路雷擊跳閘情況

圖1 2005—2012年各年度各電壓等級直流輸電線路雷擊閃絡(luò)次數(shù)

3 典型直流線路的雷擊閃絡(luò)情況分析

3.1 葛南、林楓高壓直流輸電工程

葛洲壩—南橋±500 kV直流輸電工程是中國第一項(xiàng)遠(yuǎn)距離高壓直流輸電工程，該工程極I和極II分別于1989年9月17日和1990年8月20日投入商業(yè)運(yùn)行。額定輸送功率為1 200 MW，線路全長約1 045 km。

隨著中國電力建設(shè)的發(fā)展，特別是三峽水利發(fā)電工程的建成投運(yùn)，加快了西電東送的步伐。為增加三峽水電站至華東電網(wǎng)輸送功率、提高線路走廊輸送能力，國家電網(wǎng)公司利用現(xiàn)有單回葛南±500 kV直流輸電線路走廊，改造為±500 kV同塔雙回直流輸電線路，即葛南直流與林楓直流(三滬二回)線路。2011年3月，隨著林楓直流的投產(chǎn)，該同塔雙回線路額定輸送功率為每回3 000 MW，共6 000 MW，這使原走廊條件下線路的送電能力大大提高。

葛南直流工程運(yùn)行前期，由于缺乏直流外絕緣設(shè)計(jì)的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，外絕緣普遍偏低，外絕緣問題一直是影響該工程安全運(yùn)行的一個(gè)突出問題。隨著葛南直流工程外絕緣改造的完成，葛南直流輸電工程的后期運(yùn)行情況有所好轉(zhuǎn)。圖2所示為2002—2009年±500 kV葛南直流輸電工程各類型外絕緣事故所占比例統(tǒng)計(jì)情況。由圖中可以看出，線路雷擊閃絡(luò)所占比例最大為45%。葛南線2004—2007年雷擊閃絡(luò)次數(shù)統(tǒng)計(jì)，詳見表4所示。葛南線雷擊閃絡(luò)率高于交流500 kV線路雷擊跳閘率0.14次/(100 km·a)的平均值。正極線易發(fā)生雷擊閃絡(luò)，約81%的雷擊閃絡(luò)發(fā)生在極線I上。

圖2 2004—2007年±500 kV葛南直流輸電線路的外絕緣事故

表4 葛南±500 kV直流線路雷擊閃絡(luò)(2002—2009年)

注：2002—2009年的26次雷擊閃絡(luò)中除5次是極II(負(fù)極)閃絡(luò)外均為極I(正極)閃絡(luò)。

3.2 ±500 kV江城高壓直流輸電工程

±500 kV江城直流輸電線路起于湖北江陵換流站，由北至南穿越湖南省境內(nèi)，止于廣東惠州鵝城換流站，是三峽電力外送的主要通道。輸電線路縱橫延伸，地處曠野，穿越平原、山丘、大山區(qū)或跨越江河，且大都處于地面的制高點(diǎn)，因而易遭受雷擊。由雷擊造成的線路跳閘事故在電網(wǎng)總事故中占有很大的百分比。據(jù)統(tǒng)計(jì)，±500 kV江城直流輸電線路的雷擊跳閘率占該線路總跳閘率的40%以上。

2004—2009年江城線共發(fā)生雷擊跳閘20次，全部為繞擊跳閘，其中極I(正極)跳閘l7次，占全部雷擊跳閘的85%，極II(負(fù)極)跳閘3次，占全部雷擊跳閘的15%，平均每年雷擊跳閘3.33次，平均雷擊跳閘率為0.389次/(100 km·a)，其中5～8月為雷擊集中期。200—2009年江城±500 kV直流線路雷擊閃絡(luò)次數(shù)統(tǒng)計(jì)，詳見表5所示。

表5 江城±500 kV直流線路雷擊閃絡(luò)(2004—2009年)

3.3 天廣、貴廣高壓直流輸電工程

表6為南方電網(wǎng)廣州局±500 kV天廣、貴廣直流線路雷電閃絡(luò)情況。由表中可以看到：2003—2006年天廣、貴廣線共發(fā)生雷擊跳閘8次，其中極I(正極)跳閘為7次，占全部雷擊跳閘的87.5%；繞擊跳閘6次，占全部雷擊跳閘的75%；山地地形下跳閘6次，占全部雷擊跳閘的75%。2004—2007年廣州局直流線路雷電閃絡(luò)次數(shù)統(tǒng)計(jì)，詳見表6所示。

4 ±800 kV與±500 kV直流線路防 雷性能分析

國內(nèi)±500 kV直流線路已經(jīng)有20年的設(shè)計(jì)、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，可作為±800 kV直流線路設(shè)計(jì)的參考。現(xiàn)以2003年建成投產(chǎn)的三峽至華東第一回±500 kV直流工程(宜昌龍泉—常州政平，以下稱為龍政直流)為例，計(jì)算其防雷性能，并與實(shí)際防雷運(yùn)行參數(shù)相比較。

表6 廣州局直流線路雷電閃絡(luò)(2004—2007年)

4.1 ±500 kV直流線路參數(shù)

±500 kV龍政直流線路全長860.2 km，典型桿塔單線圖如圖3所示。

注：計(jì)算中桿塔呼稱高采用經(jīng)濟(jì)稱高36 m。圖3 ±500 kV直流輸電線路典型塔的單線圖

全線平均雷暴日為40天?！?00 kV龍政直流線路主要參數(shù)詳見表7所示。

表7 ±500 kV直流線路計(jì)算所用導(dǎo)線地線參數(shù)

沿線地形分布和各地形的桿塔接地電阻，詳見表8所示。

表8 ±500 kV直流線路沿線地形分布和桿塔工頻接地電阻

中國電科院對±500 kV直流線路的雷電性能進(jìn)行了計(jì)算，繞擊采用電氣幾何模型方法(electrogeometric model，EGM)計(jì)算，反擊采用行波法計(jì)算。系統(tǒng)最大工作電壓為510 kV，雷電U50%為按間隙距離6 m考慮,為3 150 kV。

4.2 ±500 kV直流線路耐雷性能計(jì)算

目前，國內(nèi)外用于輸電線路繞擊耐雷性能的計(jì)算方法，主要采用電氣幾何模型法和先導(dǎo)發(fā)展模型法。這里采用EGM對特高壓直流線路進(jìn)行繞擊耐雷性能的評估，并與電氣幾何模型法、先導(dǎo)法等計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比計(jì)算，并采用了IEEE標(biāo)準(zhǔn)所推薦的擊距公式，計(jì)算中假設(shè)雷電的極性為負(fù)極性[5，6〗。EGM的基本原理為：由雷云向地面發(fā)展的先導(dǎo)頭部到達(dá)距被擊物體臨界擊穿距離(簡稱擊距)的位置以前，擊中點(diǎn)是不確定的，先到達(dá)哪個(gè)物體的擊距之內(nèi)，即向該物體放電；擊距同雷電流幅值有關(guān)。根據(jù)桿塔單線圖，±500 kV龍政直流地線保護(hù)角為11.3°?！?00 kV直流線路繞擊雷電性能的計(jì)算結(jié)果，詳見表9所示。

從表9中計(jì)算結(jié)果可見，雖然地線在桿塔處的保護(hù)角相對較大，但由于桿塔高度相對較低，平原和丘陵地區(qū)地線可以完全屏蔽極導(dǎo)線；只有在山地和高山正負(fù)極線均有可能發(fā)生繞擊閃絡(luò)，繞擊閃絡(luò)概率相對較大。

表9 ±500 kV直流線路繞擊雷電性能的計(jì)算

±500 kV直流線路反擊耐雷水平的計(jì)算結(jié)果，詳見表10所示。計(jì)算中，對于負(fù)極性雷，反擊閃絡(luò)均發(fā)生在正極線上，負(fù)極線不易發(fā)生反擊閃絡(luò)。從表10中計(jì)算結(jié)果可見：桿塔工頻接地電阻在10 Ω以下時(shí)，±500 kV直流線路反擊耐雷水平較高，反擊閃絡(luò)率較低[7，8]。

將±500 kV直流線路的繞擊閃絡(luò)率和反擊閃絡(luò)率相加便可得到其雷擊閃絡(luò)率再考慮沿線地形等因素便可求得整條線路的加權(quán)平均雷擊閃絡(luò)率[9]。

通過計(jì)算可得：全線860.2 km每年雷擊閃絡(luò)約5次，加權(quán)平均雷擊閃絡(luò)率為0.58次/(100 km·a)。

4.3 ±500 kV直流線路運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)

國家電網(wǎng)公司±500 kV跨區(qū)直流輸電工程2004—2007年運(yùn)行情況，詳見表11所示。

從表11中數(shù)據(jù)可知4條±500 kV直流線路雷擊閃絡(luò)率運(yùn)行值為0.22～0.47次/(100 km·a)，4條直流線路的綜合雷擊閃絡(luò)率為0.28次/(100 km·a)。此運(yùn)行數(shù)據(jù)小于龍政線的雷擊閃絡(luò)率的計(jì)算值0.58次/(100 km·a)。可見采用EGM對特高壓直流線路進(jìn)行繞擊耐雷性能的評估還是偏保守的，原因分析如下。

(1)山地的繞擊閃絡(luò)率占雷擊閃絡(luò)率的比重較大，而山區(qū)地形復(fù)雜，較難用一種模型進(jìn)行模擬，計(jì)算中偏嚴(yán)考慮，采用了嚴(yán)苛的情況[10]。

(2)隨著防污的要求，直流線路逐年調(diào)爬，實(shí)際線路桿塔的空氣間隙距離可能大于計(jì)算值6 m。

4.4 ±800 kV直流線路雷擊閃絡(luò)率計(jì)算值

雷擊一直是導(dǎo)致輸電線路閃絡(luò)和強(qiáng)迫停運(yùn)的主要原因之一，直流線路也不例外。由于±800 kV特高壓直流線路絕緣高，不易發(fā)生雷電反擊閃絡(luò)，雷擊閃絡(luò)主要是由于繞擊造成的，為此途徑雷電活動(dòng)頻繁地區(qū)的±800 kV線路采用了負(fù)地線保護(hù)角的措施來降低繞擊閃絡(luò)率。

對±800 kV特高壓直流線路的雷電性能計(jì)算分析，可采用電氣幾何模型進(jìn)行繞擊閃絡(luò)率計(jì)算，采用行波法進(jìn)行反擊閃絡(luò)率計(jì)算。 表12統(tǒng)計(jì)出了復(fù)奉、錦蘇、哈鄭、溪浙、靈紹特高壓直流輸電線路防雷計(jì)算結(jié)果，計(jì)算偏嚴(yán)考慮，反擊計(jì)算時(shí)桿塔接地電阻采用設(shè)計(jì)值，繞擊計(jì)算時(shí)，地形因素偏嚴(yán)苛考慮。

表10 ±500 kV直流線路反擊雷電性能的計(jì)算

表11 ±500 kV直流線路雷電閃絡(luò)事故

表12 ±800 kV特高壓直流線路的防雷校核計(jì)算結(jié)果

從表12計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)值可知，線路路徑雷電活動(dòng)越強(qiáng)烈雷擊閃絡(luò)率越大，繞擊閃絡(luò)占雷擊閃絡(luò)的主要部分?！?00 kV特高壓直線塔采用V型絕緣子串，保護(hù)角小于-6°，平原、丘陵地區(qū)地線可完全屏蔽導(dǎo)線，山區(qū)和高山大嶺地區(qū)繞擊閃絡(luò)率較大。

目前繞擊計(jì)算所采用的方法和參數(shù)和±500 kV高壓直流線路運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)相對一致，但±800 kV復(fù)奉線2010—2012年的平均雷擊閃絡(luò)率為0.05次/(100 km·a)，表4～12雷擊閃絡(luò)率計(jì)算值大于復(fù)奉線的運(yùn)行值，主要是因?yàn)橛?jì)算中山地的繞擊閃絡(luò)率占雷擊閃絡(luò)率的比重較大，而山區(qū)地形復(fù)雜，較難用一種模型進(jìn)行模擬，計(jì)算中偏嚴(yán)考慮，采用了嚴(yán)苛的情況。且±800 kV復(fù)奉線運(yùn)行時(shí)間相對較短，有待進(jìn)一步積累運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，修正防雷計(jì)算方法。

5 小 結(jié)

由以上運(yùn)行數(shù)據(jù)及模擬計(jì)算分析，可以總結(jié)出中國直流線路雷擊閃絡(luò)的主要特點(diǎn)為如下。

(1)隨著中國輸電線路防雷技術(shù)及管理水平的不斷提高，近年來直流線路因雷擊造成的閃絡(luò)率則呈持續(xù)下降的趨勢；

(2)與交流系統(tǒng)相同，直流線路的雷擊閃絡(luò)絕大多數(shù)為繞擊閃絡(luò)，且在山區(qū)地形下更容易發(fā)生閃絡(luò)；

(3)由于中國的雷電多為負(fù)極性雷，直流線路正極性導(dǎo)線容易發(fā)生雷擊閃絡(luò)。

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Lightning stroke is an important cause of the flashover of transmission lines. The tripping caused by lightning stroke in HV lines is about 40%～70%. Especially in the areas with much thunders, high soil resistivity and complex topography, the accident rate caused by lightning stroke is higher. According to the typical tower type and the lightning activities in UHV and EHV DC transmission lines which have been established, the overall risk level of lightning disturbance is evaluated from a macroscopic view, and the risk of lighting flashover in the region that the transmission lines passes through is also evaluated. The back-flashover tripout rate and the shield failure tripout rate of DC transmission lines are calculated and studied with the traveling wave method, electrogeometric model method and leader development method. And the main characteristics of lightning flashover in DC lines in China are summarized.

ultra-high voltage (UHV)；extra-high voltage (EHV)；DC transmission lines；lightning flashover

TM863

A

1003-6954(2015)02-0010-06

2014-12-21)

周 唯(1982)，碩士，工程師，從事輸電線路技術(shù)設(shè)計(jì)工作；

陳興福(1982)，碩士，工程師，從事電網(wǎng)工程基建項(xiàng)目管理工作；

任 偉(1982)，本科，工程師，從事水電站運(yùn)行維護(hù)工作。