王 飛，朱義東，張忠瑞，姜常勝

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

1 全省落雷密度分析

雷害是造成架空輸電線路跳閘的最主要原因。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，雷擊跳閘約占架空輸電線路跳閘總數(shù)的50%左右。為掌握遼寧地區(qū)雷電活動(dòng)規(guī)律，科學(xué)合理地制定500 kV防雷技術(shù)措施，提高超高壓架空輸電線路抵御雷害能力，特開(kāi)展了雷害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)級(jí)的研究。

遼寧地閃密度分布圖是以遼寧電網(wǎng)雷電定位系統(tǒng)2008～2010年監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用Arc-GIS地理信息系統(tǒng)空間分析軟件進(jìn)行繪制的。地閃密度圖等級(jí)劃分原則如表1所示。

表1 地閃密度圖等級(jí)劃分原則

A級(jí)為少雷區(qū)，對(duì)應(yīng)的平均年雷暴日數(shù)不超過(guò)15;B1、B2級(jí)為中雷區(qū)，對(duì)應(yīng)的平均年雷暴日數(shù)超過(guò)15但不超過(guò)40;C1、C2級(jí)為多雷區(qū)，對(duì)應(yīng)的平均年雷暴日數(shù)超過(guò)40但不超過(guò)90;D1、D2級(jí)為強(qiáng)雷區(qū)，對(duì)應(yīng)的平均年雷暴日數(shù)超過(guò)90。

對(duì)地閃密度分布進(jìn)行平滑處理，剔除網(wǎng)格的棱角，并將出現(xiàn)等級(jí)跳變的1個(gè)或幾個(gè)“獨(dú)立”網(wǎng)格的地閃密度等級(jí)調(diào)整為與其周圍地閃密度等級(jí)一致，得到平滑、連貫的地閃密度分布圖 (如圖1所示)。

圖1 2008～2012年平均地閃密度分布圖

2 500 kV反擊雷危險(xiǎn)雷電密度分布

2.1 繪制思路

圖2 遼寧地區(qū)雷電流累積概率分布圖

危險(xiǎn)雷電密度分布是在地閃密度分布和雷電流幅值分布 (如圖2所示)的基礎(chǔ)上繪制?？紤]不同電壓等級(jí)、不同雷害性質(zhì)具有不同的危險(xiǎn)電流段，分別繪制500 kV電網(wǎng)反擊危險(xiǎn)雷電密度分布圖、500 kV電網(wǎng)繞擊危險(xiǎn)雷電密度分布圖。

危險(xiǎn)雷電密度分布的分級(jí)方法是建立在地閃密度分級(jí)基礎(chǔ)上，以地閃密度等級(jí)劃分時(shí)的3個(gè)分割點(diǎn) (分別為A級(jí)與B1級(jí)的分割點(diǎn)、B2級(jí)與C1級(jí)的分割點(diǎn)、C2級(jí)與D1級(jí)的分割點(diǎn))對(duì)應(yīng)的地閃密度Ng值及遼寧雷電流幅值累積概率分布為依據(jù)，分別將繞擊危險(xiǎn)雷電密度分布和反擊危險(xiǎn)雷電密度分布劃分成4個(gè)等級(jí)，用阿拉伯?dāng)?shù)字從低到高依次標(biāo)記為1、2、3、4級(jí)。

2.2 500 kV線路耐反擊雷水平分析

按照DL/T620—1997的規(guī)定:500 kV線路耐反擊雷水平應(yīng)該在125～175 kA。選取遼寧電網(wǎng)500 kV線路典型結(jié)構(gòu) (桿塔為ZB型和SCZ型，絕緣子為干弧距離4 m的復(fù)合絕緣子)，根據(jù)公式(1)計(jì)算線路耐反擊雷水平，得到遼寧電網(wǎng)典型結(jié)構(gòu)500 kV線路耐反擊雷水平在130～175 kA，且受沖擊接地電阻值的影響較大。

式中 I——線路耐反擊雷水平;

u50%——絕緣子串的 50%雷電沖擊閃絡(luò)電壓;

k——耦合系數(shù);

β——桿塔分流系數(shù);

Ri——桿塔沖擊接地電阻;

ha——橫擔(dān)對(duì)地高度;

ht——桿塔高度;

Lt——桿塔電感;

hg——避雷線對(duì)地平均高度;

hc——導(dǎo)線平均高度;

k0——幾何耦合系數(shù)。

遼寧電網(wǎng)500 kV線路發(fā)生反擊跳閘故障較少，2008年以來(lái)，遼寧電網(wǎng)僅發(fā)生2次500 kV線路反擊跳閘，雷電流幅值分別為192.2 kA和－127.7 kA。

2.3 500 kV電網(wǎng)反擊危險(xiǎn)雷電密度等級(jí)分割點(diǎn)

根據(jù)公式 (2)計(jì)算500 kV線路反擊危險(xiǎn)雷電密度分布圖等級(jí)分割點(diǎn)，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

式中 Ngc2——反擊危險(xiǎn)雷電密度;

Ng——雷電密度;

PI2——反擊危險(xiǎn)雷電流幅值概率。

表2 500 kV反擊危險(xiǎn)雷電密度等級(jí)分割點(diǎn)

2.4 500 kV電網(wǎng)反擊危險(xiǎn)雷電密度分布圖

以遼寧電網(wǎng)雷電定位系統(tǒng)2008～2010年監(jiān)測(cè)到的500 kV反擊危險(xiǎn)地閃數(shù)量為基礎(chǔ)，利用Arc-GIS地理信息系統(tǒng)空間分析軟件繪制500 kV電網(wǎng)反擊危險(xiǎn)雷電密度分布圖。

3 500 kV電網(wǎng)繞擊危險(xiǎn)雷電密度分布

3.1 500 kV線路耐繞擊雷水平計(jì)算

根據(jù)DL/T620—1997規(guī)定，選取遼寧電網(wǎng)500 kV線路典型結(jié)構(gòu) (桿塔為ZB型和SCZ型，絕緣子為干弧距離4 m的復(fù)合絕緣子)，根據(jù)公式 (3)計(jì)算線路耐繞擊雷水平，得到遼寧電網(wǎng)500 kV線路的耐繞擊雷水平為25～27 kA。

式中I為線路耐繞擊雷水平。

基于電氣幾何模型理論計(jì)算輸電線路繞擊跳閘率的相關(guān)研究表明，隨著雷電流的增大，導(dǎo)線受雷范圍隨之減小，當(dāng)雷電流增大到一定數(shù)值時(shí)，導(dǎo)線被完全屏蔽，雷電先導(dǎo)將不會(huì)擊中導(dǎo)線，而是擊中避雷線或地面。根據(jù)上述理論，線路繞擊危險(xiǎn)雷電流幅值存在上限，通過(guò)計(jì)算，線路最大繞擊危險(xiǎn)雷電流幅值受避雷線保護(hù)角、地面傾角影響較大。遼寧電網(wǎng)500 kV線路桿塔當(dāng)?shù)孛鎯A角為45°時(shí)，最大繞擊危險(xiǎn)雷電流幅值達(dá)60 kA左右。

3.2 500 kV電網(wǎng)繞擊危險(xiǎn)雷電流幅值及概率

遼寧電網(wǎng)500 kV線路發(fā)生雷擊故障基本為繞擊。2008年以來(lái)，遼寧電網(wǎng)共發(fā)生13次500 kV線路繞擊跳閘，其中雷電流幅值最小為－19.3 kA，最大為－69.4 kA。由500 kV線路繞擊故障時(shí)雷電流幅值分布情況可知，500 kV線路繞擊跳閘雷電流幅值分布在20～30 kA內(nèi)最多。

綜合考慮遼寧電網(wǎng)500 kV線路耐繞擊雷水平和歷史500 kV線路繞擊雷故障雷電流幅值情況，確定幅值在20～60 kA的雷電流為危險(xiǎn)雷電流。

根據(jù)雷電定位系統(tǒng)地閃對(duì)應(yīng)雷電流幅值計(jì)算，2008～2010年遼寧地區(qū)統(tǒng)計(jì)到的地閃1 387 959個(gè)，其中雷電流幅值在20～60 kA的為700 910個(gè)，計(jì)算得到全省3年500 kV線路繞擊危險(xiǎn)雷電流幅值概率平均為50.50%。

500 kV線路繞擊危險(xiǎn)雷電密度分布圖等級(jí)分割點(diǎn)如表3所示。

表3 500 kV繞擊危險(xiǎn)雷電密度等級(jí)分割點(diǎn)

3.3 500 kV電網(wǎng)繞擊危險(xiǎn)雷電密度分布圖

以遼寧電網(wǎng)雷電定位系統(tǒng)2008～2010年監(jiān)測(cè)到的500 kV繞擊危險(xiǎn)地閃數(shù)量為基礎(chǔ)，利用Arc-GIS地理信息系統(tǒng)空間分析軟件繪制500 kV電網(wǎng)繞擊危險(xiǎn)雷電密度分布圖。

4 雷害風(fēng)險(xiǎn)分布圖的繪制

4.1 雷害故障分布圖的繪制

雷害故障分布圖是統(tǒng)計(jì)2002年以來(lái)遼寧電網(wǎng)220 kV及以上輸電線路雷擊故障，將故障桿塔坐標(biāo)錄入ArcGIS地理信息系統(tǒng)空間分析軟件，從而形成遼寧電網(wǎng)雷害故障分布圖。為更深入分析各地區(qū)雷電活動(dòng)對(duì)輸電線路的影響，在繪制遼寧電網(wǎng)雷害故障分布圖時(shí)，將2002年以來(lái)遼寧電網(wǎng)66 kV線路故障情況同樣錄入 (如圖3所示)。

由圖3可以看出，雷擊故障點(diǎn)主要集中在丹東、本溪、鐵嶺、撫順、營(yíng)口地區(qū)。丹東、本溪、鐵嶺、撫順雷擊故障較多的原因是上述地區(qū)為山地丘陵區(qū)，是遼寧海拔最高地區(qū)。

4.2 雷害風(fēng)險(xiǎn)分布圖的繪制

圖3 遼寧電網(wǎng)雷害故障分布圖

雷害風(fēng)險(xiǎn)分布圖是根據(jù)地閃密度、不同電壓等級(jí)危險(xiǎn)雷電密度分布 (反擊和繞擊)、線路歷史雷害故障經(jīng)驗(yàn)、地形地質(zhì)地貌等因素綜合考慮，將輸電線路雷擊閃絡(luò)危險(xiǎn)風(fēng)險(xiǎn)分為4個(gè)層級(jí) (如表4所示)。

表4 雷害風(fēng)險(xiǎn)分布圖等級(jí)劃分

結(jié)合相關(guān)的人工干預(yù)原則，最終得到的風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)圖如圖4、圖5所示。

5 結(jié)論

a． 建立了遼寧地區(qū)輸電線路雷害風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)體系，在繪制全省地閃密度分布圖的基礎(chǔ)上，通過(guò)計(jì)算得到典型桿塔結(jié)構(gòu)下500 kV輸電線路反擊和繞擊危險(xiǎn)雷電流密度分布圖。

b． 基于危險(xiǎn)雷電流密度分布圖、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)、地形地貌要素等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了500 kV輸電線路雷害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)圖形化，可直觀地指導(dǎo)架空輸電線路在規(guī)劃、設(shè)計(jì)、運(yùn)行、改造過(guò)程中的防雷工作。對(duì)雷害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)較高的地區(qū)應(yīng)加強(qiáng)防雷工作。

c． 建議在應(yīng)用過(guò)程中加強(qiáng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的積累，使500 kV超高壓線路的雷害風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)更加科學(xué)合理。合防雷措施評(píng)估中的應(yīng)用 ［J］．電網(wǎng)技術(shù)，2005，29(14):68－72．

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