220kV早成线雷击风险综合评估及治理技术研究

•110•ELECTRONICSWORLD・技术交流220kV早成线雷击风险综合评估及治理技术研究国网甘肃省电力公司张宏军国网陕西省电力公司孔志战国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司胡杨柳前言雷电是发生频繁的自然灾害之一，在交流高压/超高压输电线路运行的总跳闸次数中，由于雷击引起的跳闸次数占40%～70%[1]。如何预防和减小雷击线路对电网造成的损害，是电网安全稳定运行必须考虑的重点问题。甘肃省属于我国传统的少雷地区，然而随着近年来气候的不断变化，甘肃省强对流天气逐年增多，频频出现雷雨天气，局部地区雷暴现象严重。由于省内输电线路运行地理条件较差，线路防雷设计及建设考虑不充分，防雷工作具有一定的盲目性，缺乏对各防雷措施在原理、优缺点、适用范围上的根本性了解，因此一旦雷电地闪密度增大，极容易造成线路跳闸导致停电事故。甘肃省2010-2013年平均地闪密度分布如图1所示。可以看出，甘肃省除极少部分地区雷电活动较强外，大部分地区雷电活动较弱。图1甘肃省2010-2013年地闪密度分布图220kV早成线位于天水南部，共309基杆塔，为单双混架线路，其中双回杆塔2基，单回杆塔307基，线路全长137.21km。全线除安装2条避雷线外，无其它防雷措施。由图1可知，天水南部雷电活动较强，是甘肃220kV输电线路中容易发生雷击故障的输电线路之一。2010-2013年间，该线路共发生雷击跳闸3次，其中绕击跳闸2次，反击跳闸1次，年平均跳闸率为0.547次/（百公里•年）。对于220kV线路，相关规范中规定，归算到40个雷暴日、地闪密度为2.78次/(平方公里•年)下的雷击跳闸率考核指标为0.315次/(平方公里•年)[2]，由于早成线平均年地闪密度平均值为1.144次/(平方公里•年)，因此早成线对应的雷击跳闸率考核指标值为0.13次/（百公里•年），由此可知该线路雷击跳闸率考核指标没有达标，必须研究能够降低该线路雷击跳闸率的防雷治理措施。目前输电线路防雷设计中，由于对线路走廊的雷电活动特征掌握不够全面，线路结构及地形地貌特征未能全面考虑，使得防雷设计及治理措施缺乏针对性，技术经济性不强[3]。输电线路差异化防雷技术综合考虑了线路雷击故障差异、雷电参数差异、线路特征参数差异、防雷措施实施差异等因素，对线路逐基杆塔进行防雷性能评估，确定各基杆塔雷击风险等级，依据现有防雷措施技术特点，采取针对性防护措施配置，制定针对性的防雷治理方案，从而实现对输电线路进行“有的放矢”的防雷治理工作。本文基于输电线路差异化防雷技术，综合考虑影响线路耐雷性能的各种因素，对220kV早成线进行了雷击风险综合评估，制定了差异化防雷治理方案，并进一步分析了治理方案的实际效果。1耐雷性能分析方法1.1绕击耐雷性能计算绕击跳闸率的方法主要有规程法、电气几何模型（EGM）、先导发展法、蒙特卡罗法等。EGM由20世纪60年代建立，经过国内外学者的改进，发展相当成熟。文献[5]分析了雷电入射角度对绕击计算的影响并提出了雷电入射角的概率分布公式，文献[6]通过研究基于雷电先导发展的改进电气几何模型，分析了山区线路雷击跳闸率高的原因，基于电气几何模型，改进了跳闸率的计算方法。因此，本文选择电气几何模型（EGM）来计算早成线跳闸率，绕击跳闸率的计算如下式所示[8]：(1)式中，Ng为年平均地闪密度，Ic为线路绕击耐雷水平，Dc(I)为雷电流幅值为I时暴露弧在地面投影长度，P’(I)为雷电流概率幅值密度。•111•ELECTRONICSWORLD・技术交流1.2反击耐雷性能蒙特卡洛法(MonteCarlo)是利用数学的方法产生各种不同分布的随机变量抽样序列，来模拟给定问题的概率统计模型，然后给出问题数值解的渐进统计估计值[9]。针对反击耐雷性能的计算，其原理是由计算机产生代表雷电流幅值、陡度等的统计量，验算和确定线路耐雷水平及跳闸率，用这种分析法计算出的跳闸率更加符合实际情况[10]。考虑到可能影响雷击跳闸率的随机过程，将雷击跳闸率y作为若干随机变量的函数：(2)其中雷电流幅值I，波头时间tf，雷击瞬间导线工频电压值U，雷击线路的部位B，雷击时风偏S等都是随机变量，且具有不同的概率分布。用蒙特卡洛法计算雷击跳闸率时，用随机抽样的方法从各个雷击跳闸影响因素的随机变量概率分布中抽样，得到第k次雷击时相应的随机数Ik，tfk，Uk，Bk，Sk，然后用相应的数学模型判断该次雷击是否引起绝缘闪络[11]，yk=f(Ik，tfk，Uk，Bk，S，…)，k=1,2,3,…,N，若引起闪络，则yk=1，否则yk=0，经过N次抽样，便可得到雷击跳闸率估计值：(3)2线路雷击风险综合评估考虑到220kV线路，绕击、反击跳闸比例一般为7:3，又由于早成线对应的雷击跳闸率考核指标值为0.13次/（百公里•年），因此将该线路绕击跳闸率考核指标Sr定为0.091次/（百公里•年），反击跳闸率考核指标Sf定为0.039次/（百公里•年）。以绕击为例，将雷击闪络风险等级分为A、B、C、D四个等级，划分依据分别为[0，0.5Sr]、[0.5Sr，Sr]、[Sr，1.5Sr]、[1.5Sr，+∞]，反击闪络风险等级按照同样的原则进行划分[12]。通过输电线路差异化防雷评估系统，对早成线沿线各基杆塔进行跳闸率计算。不同绕击、反击、雷击风险等级的杆塔数量分布如图2所示。图2不同绕击、反击、雷击风险等级的杆塔数量分布图2可以看出，编号大于150的杆塔雷击跳闸率普遍较高，绕击跳闸率不达标的杆塔数量为53基，反击跳闸率不达标的杆塔数量为14基，雷击跳闸率不达标的杆塔数量为39基。3防雷治理措施研究考虑到220kV早成线绕击跳闸所占比例较大，故本次防雷治理以降低绕击跳闸率为主、兼顾降低反击跳闸率的思路来进行。3.1加装避雷器线路避雷器可较大提高线路耐雷水平，有效降低线路绕击和反击跳闸率，适用于危险等级最高且其他防雷措施难以防护的重点杆塔，如大档距杆塔、接地电阻难以降低的杆塔等，故本次防雷治理中选择该措施。对单回输电线路，建议在两边相各安装一支避雷器。针对早成线常见的ZM2型杆塔，对安装前后绕击、反击耐雷水平和跳闸率进行计算，计算结果如图3所示。可以看出，加装避雷器后，杆塔的绕、反击耐雷水平分别增大了25.62%、20.55%。图3加装避雷器前后杆塔耐雷水平3.2加装可控放电避雷针可控放电避雷针安装于塔头，可有效提高杆塔引雷能力，增强杆塔对其附近导线的雷电屏蔽能力，从而降低雷电绕击导线的概率，减小绕击跳闸率。因早成线绝缘水平较高，安装可控放电避雷针不会变向增加反击跳闸率，又因为安装简便且运行中基本无维护工作量，故本次防雷治理中考虑加装可控放电避雷针。由于220kV输电线路塔头较小，建议在塔头上安装1支可控放电避雷针。3.3接地改造降低杆塔接地电阻能有效提高线路反击耐雷性能，是基本的线路防反击措施，故选择该措施，治理方案中建议针对接地电阻不合格的杆塔进行降阻改造。4防雷治理方案及其效果评估4.1防雷治理方案根据220kV早成线的跳闸记录，结合雷击风险综合评估结果和线路沿线地形地貌，最终确定防雷治理原则如下：（1）发生过雷击故障的杆塔加装线路避雷器；（2）绕击或反击或雷击闪络风险等级为D级的杆塔加装线路避雷器；（3）绕击或雷击闪络风险等级为C级的杆塔加装可控放电避雷针，同时降低其杆塔接地电阻；所有位于平•112•ELECTRONICSWORLD・技术交流原的杆塔其接地电阻控制在5Ω以内，位于山区的杆塔其接地电阻控制在10Ω以内；（4）反击风险等级为C级的杆塔采取降低杆塔接地电阻的措施，对接地电阻难以降低的杆塔亦采取加装线路避雷器的措施。按照以上治理原则，最终确定的改造顺序及治理方案为：①在#27、#76、#82这3基发生过雷击故障的杆塔上加装线路避雷器；②在#15、#40、#45等22基绕击或反击或雷击闪络风险等级为D级的杆塔加装线路避雷器；③在#48、#49、#54等21基绕击或雷击闪络风险等级为C级的杆塔加装可控放电避雷针，同时降低其杆塔接地电阻；④针对#7、#12、#14等6基杆塔，采取降低杆塔接地电阻措施。4.2防雷治理效果评估通过输电线路差异化防雷评估系统，对治理后的线路进行治理效果评估。结果显示，线路经过防雷治理后，绕击跳闸率从0.365次/（百公里•年）降低至0.071次/（百公里•年），降幅为80.5%；反击跳闸率从0.182次/（百公里•年）降低至0.054次/（百公里•年），降幅为70.3%；雷击跳闸率从0.547次/（百公里•年）降低至0.125次/（百公里•年），降幅为77.1%。5结论（1）甘肃省属于传统的少雷区，但是220kV早成线位于天水南部，此地区雷电活动相对活跃，线路雷击跳闸率没有达标，故需要对此线路进行针对性的防雷治理；（2）从雷击风险综合评估结果中可以看出，早成线发生绕击闪络的风险大于反击闪络，进行防雷治理时，应当主要考虑降低绕击跳闸率，兼顾降低反击跳闸率；（3）综合考虑早成线的线路结构、地形地貌等因素，最终采用加装线路避雷器、加装可控放电避雷针以及降低杆塔接地电阻作为防雷治理措施，并提出了针对性的治理原则；（4）给出了早成线的具体治理方案，并对治理效果进行了评估，结果表明，给出的治理方案可以有效降低线路的雷击跳闸率，降幅达70%左右，该治理方案具有很高的工程价值。参考文献[1]王春杰,祝令瑜,汲胜昌,等.高压输电线路和变电站雷电防护的现状与发展[J].电瓷避雷器,2010,3(4):35-45．[2]国家电网公司,110(66)kV～500kV架空输电线路管理规范,2005.[3]谷山强,陈家宏,陈维江,等.输电线路防雷性能时空差异化评估方法[J].高电压技术,2009,35(2):294-298．[4]陈家宏,吕军,钱之银,等.输电线路差异化防雷技术与策略[J].高电压技术,2009,35(12):2891-2902．[5]李瑞芳,吴广宁,曹晓斌,等.考虑雷电入射角后电气几何模型的改进[J].电瓷避雷器,2009(4):23-26．（上接第107页）行的时候必须满足几个要求，当遇到系统电压过压、欠压以及谐波超限时应该切断已经使用的投入电容器；电网缺相、零序超限时是也要切除电容器；上电开始RVT必须进行自检和复位，并保持每次上电时回路处于断开状态。2.4无功电压自动控制系统的技术特点其技术特点体现在集中无功电压和就地无功电压两种，对于集中无功电压控制来说：电容器采用了固定接入的方式，通过改变电抗器/电容器电压实现了不分组投切，提高了设备的使用年限；由于采用了计算机自动发现程序因此可以瞬间复位，运行中减少了死机的概率，避免了误投误切现象的存在；主设备采用可视化的操作，运行界面友好，使用方便快捷；能够实现实时自动化检测，必要的时候能够切换手动控制，防止事故的发生。就地无功动态补偿：无触点开关自动投切减少了电容器的投切次数，提高使用寿命；能够实现系统的快速检测，进行动态补偿；响应时间快；有着充分的保护手段，运行可靠性良好。3结语风能是重要的清洁能源，随着风力发电技术的不断完善，其应用也将越来越广泛。我们简要的概括了风电场电气一次部分的要求，并分析了无功补偿技术的核心技术，对风电场电气一次部分的无功补偿技术的方法提供了参考。参考文献[1]周学民.广东某沿海岛屿风电场一次系统设计及分析[D].华南理工大学,2013.[2]史晨星.风电场集电系统及无功补偿设计方法优化[D].华北电力大学,2013.[3]刘磊.福清牛头尾风力发电场电气设计研究[D].华北电力大学(北京),2011.[4]靳静,艾芊,赵岩.FACTS装置在风电场中的无功补偿原理与仿真[J].电力自动化设备,2007,08:58-61.[5]曹积欣,王冠军,李建民.风电并网电力系统无功补偿动态性能研究[J].电力电容器与无功补偿,2012,03:16-22-60.[6]郭敏.风电场电压/无功补偿的运行状况分析[D].华北电力大学(北京),2006.[7]张娜.浅谈风电场电气一次系统设计[J].科技风,2009,23:234-236.