超高壓及特高壓直流輸電線路雷擊閃絡研究

周 唯，陳興福，任 偉(.西南電力設計院，四川 成都 600；.國網浙江省電力公司臺州供電公司，浙江 臺州 8000；.四川華能寶興河水電有限責任公司，四川 雅安 65000)

超高壓及特高壓直流輸電線路雷擊閃絡研究

周 唯1，陳興福2，任 偉3
(1.西南電力設計院，四川 成都 610021；2.國網浙江省電力公司臺州供電公司，浙江 臺州 318000；3.四川華能寶興河水電有限責任公司，四川 雅安 625000)

雷擊是造成輸電線路閃絡的重要原因。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、地形復雜的地區(qū)，雷擊事故率更高。根據已建超高壓及特高壓直流輸電線路的雷電活動情況及特高壓直流工程的典型桿塔型式，從宏觀上評估電網雷害的總體風險水平，評估輸電線路所經區(qū)域的雷擊閃絡風險，以行波法和電氣幾何模型法與先導法對直流輸電線路的反擊跳閘率和繞擊跳閘率進行了計算研究，并總結了目前中國直流線路雷擊閃絡的主要特點。

超高壓；特高壓；直流輸電線路；雷擊閃絡

0 引 言

近年來東部沿海的城市建設規(guī)模和工業(yè)生產區(qū)域都在擴大發(fā)展，中國的經濟發(fā)展形勢對國家電網的輸送能力和交直流配套電網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，國家電網公司加快了超特高壓直流輸電建設步伐。1987年年底中國投運了自行建成的舟山100 kV海底電纜直流輸電工程，隨后葛洲壩—上海±500 kV電壓等級，1 200 MW的大功率直流輸電線路投運，大大促進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)劃和建設中的靈紹(寧東)直流、酒湖直流工程。另外，國家電網工程還建成了±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 國網系統(tǒng)直流線路運行情況分析

通過國家電網公司下屬運行單位和科研單位的調查統(tǒng)計，截止2014年3月，國家電網公司共擁有直流線路13條，共計16 587.2 km?！?00 kV直流線路4回，為復奉線(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年國家電網公司系統(tǒng)直流輸電線路跳閘次數統(tǒng)計表

表2 2005—2012年國網公司直流輸電線路故障停運次數統(tǒng)計表

2005—2012年，國網公司系統(tǒng)直流線路共發(fā)生閃絡224次，強迫停運38次。其中由雷擊引起的閃絡77次，占統(tǒng)計數據的34%。2005—2012年國家電網公司系統(tǒng)直流輸電線路跳閘次數統(tǒng)計詳見表1所示?？梢钥吹嚼讚羰窃斐芍绷鬏旊娋€路閃絡的最主要的因素。

2005—2012年，國家電網公司系統(tǒng)直流輸電線路共發(fā)生故障停運(線路閃絡后閉鎖)38次，其中由雷擊引起的故障停運僅為4次，占統(tǒng)計數據的10%。2005—2012年國網公司直流輸電線路故障停運次數統(tǒng)計詳見表2所示。

2 國網公司系統(tǒng)直流線路雷擊閃絡情況分析

2005—2012年國家電網公司系統(tǒng)直流輸電線路雷擊閃絡情況，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率均在0.07～0.29次/(100 km·a)之間波動。2007年夏季受大范圍強對流天氣影響，公司系統(tǒng)區(qū)域范圍內連降大雨，直流線路雷擊閃絡也達到歷史最高的18次；近年來雖然雷擊跳閘數仍在10次/a左右浮動，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次數詳見圖1所示。

表3 2005—2010年國網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次數

3 典型直流線路的雷擊閃絡情況分析

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遠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。

隨著中國電力建設的發(fā)展，特別是三峽水利發(fā)電工程的建成投運，加快了西電東送的步伐。為增加三峽水電站至華東電網輸送功率、提高線路走廊輸送能力，國家電網公司利用現有單回葛南±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，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。

葛南直流工程運行前期，由于缺乏直流外絕緣設計的相關經驗，外絕緣普遍偏低，外絕緣問題一直是影響該工程安全運行的一個突出問題。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行情況有所好轉。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)計情況。由圖中可以看出，線路雷擊閃絡所占比例最大為45%。葛南線2004—2007年雷擊閃絡次數統(tǒng)計，詳見表4所示。葛南線雷擊閃絡率高于交流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，約81%的雷擊閃絡發(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(2002—2009年)

注：2002—2009年的26次雷擊閃絡中除5次是極II(負極)閃絡外均為極I(正極)閃絡。

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，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，因而易遭受雷擊。由雷擊造成的線路跳閘事故在電網總事故中占有很大的百分比。據統(tǒng)計，±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直流線路雷擊閃絡次數統(tǒng)計，詳見表5所示。

表5 江城±500 kV直流線路雷擊閃絡(2004—2009年)

3.3 天廣、貴廣高壓直流輸電工程

表6為南方電網廣州局±500 kV天廣、貴廣直流線路雷電閃絡情況。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次數統(tǒng)計，詳見表6所示。

4 ±800 kV與±500 kV直流線路防 雷性能分析

國內±500 kV直流線路已經有20年的設計、運行經驗，可作為±800 kV直流線路設計的參考。現以2003年建成投產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，計算其防雷性能，并與實際防雷運行參數相比較。

表6 廣州局直流線路雷電閃絡(2004—2007年)

4.1 ±500 kV直流線路參數

±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：計算中桿塔呼稱高采用經濟稱高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詳見表7所示。

表7 ±500 kV直流線路計算所用導線地線參數

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行了計算，繞擊采用電氣幾何模型方法(electrogeometric model，EGM)計算，反擊采用行波法計算。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算

目前，國內外用于輸電線路繞擊耐雷性能的計算方法，主要采用電氣幾何模型法和先導發(fā)展模型法。這里采用EGM對特高壓直流線路進行繞擊耐雷性能的評估，并與電氣幾何模型法、先導法等計算結果進行對比計算，并采用了IEEE標準所推薦的擊距公式，計算中假設雷電的極性為負極性[5，6〗。EGM的基本原理為：由雷云向地面發(fā)展的先導頭部到達距被擊物體臨界擊穿距離(簡稱擊距)的位置以前，擊中點是不確定的，先到達哪個物體的擊距之內，即向該物體放電；擊距同雷電流幅值有關。根據桿塔單線圖，±500 kV龍政直流地線保護角為11.3°。±500 kV直流線路繞擊雷電性能的計算結果，詳見表9所示。

從表9中計算結果可見，雖然地線在桿塔處的保護角相對較大，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線；只有在山地和高山正負極線均有可能發(fā)生繞擊閃絡，繞擊閃絡概率相對較大。

表9 ±500 kV直流線路繞擊雷電性能的計算

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

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

通過計算可得：全線860.2 km每年雷擊閃絡約5次，加權平均雷擊閃絡率為0.58次/(100 km·a)。

4.3 ±500 kV直流線路運行經驗

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

從表11中數據可知4條±500 kV直流線路雷擊閃絡率運行值為0.22～0.47次/(100 km·a)，4條直流線路的綜合雷擊閃絡率為0.28次/(100 km·a)。此運行數據小于龍政線的雷擊閃絡率的計算值0.58次/(100 km·a)?？梢姴捎肊GM對特高壓直流線路進行繞擊耐雷性能的評估還是偏保守的，原因分析如下。

(1)山地的繞擊閃絡率占雷擊閃絡率的比重較大，而山區(qū)地形復雜，較難用一種模型進行模擬，計算中偏嚴考慮，采用了嚴苛的情況[10]。

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

4.4 ±800 kV直流線路雷擊閃絡率計算值

雷擊一直是導致輸電線路閃絡和強迫停運的主要原因之一，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，雷擊閃絡主要是由于繞擊造成的，為此途徑雷電活動頻繁地區(qū)的±800 kV線路采用了負地線保護角的措施來降低繞擊閃絡率。

對±800 kV特高壓直流線路的雷電性能計算分析，可采用電氣幾何模型進行繞擊閃絡率計算，采用行波法進行反擊閃絡率計算。 表12統(tǒng)計出了復奉、錦蘇、哈鄭、溪浙、靈紹特高壓直流輸電線路防雷計算結果，計算偏嚴考慮，反擊計算時桿塔接地電阻采用設計值，繞擊計算時，地形因素偏嚴苛考慮。

表10 ±500 kV直流線路反擊雷電性能的計算

表11 ±500 kV直流線路雷電閃絡事故

表12 ±800 kV特高壓直流線路的防雷校核計算結果

從表12計算結果統(tǒng)計值可知，線路路徑雷電活動越強烈雷擊閃絡率越大，繞擊閃絡占雷擊閃絡的主要部分?！?00 kV特高壓直線塔采用V型絕緣子串，保護角小于-6°，平原、丘陵地區(qū)地線可完全屏蔽導線，山區(qū)和高山大嶺地區(qū)繞擊閃絡率較大。

目前繞擊計算所采用的方法和參數和±500 kV高壓直流線路運行經驗相對一致，但±800 kV復奉線2010—2012年的平均雷擊閃絡率為0.05次/(100 km·a)，表4～12雷擊閃絡率計算值大于復奉線的運行值，主要是因為計算中山地的繞擊閃絡率占雷擊閃絡率的比重較大，而山區(qū)地形復雜，較難用一種模型進行模擬，計算中偏嚴考慮，采用了嚴苛的情況。且±800 kV復奉線運行時間相對較短，有待進一步積累運行經驗，修正防雷計算方法。

5 小 結

由以上運行數據及模擬計算分析，可以總結出中國直流線路雷擊閃絡的主要特點為如下。

(1)隨著中國輸電線路防雷技術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絕大多數為繞擊閃絡，且在山區(qū)地形下更容易發(fā)生閃絡；

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

[1] 朱文衛(wèi). 特高壓直流輸電線路耐雷水平和雷擊閃絡率的研究 [J].科技信息, 2010(31)：751，807.

[2] 李立浧,司馬文霞,楊慶，等.云廣土800 kV特高壓直流輸電線路耐雷特性研究[J].電網技術,2007,31(8)：1-5.

[3] Hara T,Yamamoto O.Modelling of a Ttransmission Tower for Lightning-surge Analysis[J].IEE PGTD,1996(3)：283-289.

[4] 魯旭臣, 畢海濤, 黃福存. ±500 kV超高壓直流輸電線路耐雷性能的研究 [C]. 中國電機工程學會高電壓專業(yè)委員會2009年學術年會論文集, 2009.

[5] 聶定珍, 周沛洪, 戴敏,等. ±500 kV同桿雙回直流線路雷電性能的研究 [J]. 高電壓技術, 2007,33(1)：148-151，155.

[6] 葉會生, 何俊佳,李化，等. 雷擊高壓直流線路桿塔時的過電壓和閃絡仿真研究[J].電網技術, 2005,29(21)：31-35.

[7] 孫振,王建國,謝從珍,等.110～500 kV復合絕緣子的雷電閃絡特性[J].電網技術,2008,32(16)：43-46.

[8] 任晉旗,崔吉峰,李震宇,等. 合成絕緣子懸掛方式對雷電沖擊特性影響 [J].高電壓技術,2006,32(1)：29-31.

[9] 孫鷂鴻,任晉旗,嚴萍,等. 架空輸電線路雷擊跳閘率影響因素研究現狀[J].高電壓技術,2004,30(12)：12-14.

[10] 陸寵惠,聶定珍. 線路雷電過電壓的絕緣配合[J].高電壓技術,1996,22(2)：91-94.

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，從事輸電線路技術設計工作；

陳興福(1982)，碩士，工程師，從事電網工程基建項目管理工作；

任 偉(1982)，本科，工程師，從事水電站運行維護工作。