辽宁地区500 kV输电线路雷害风险分级研究

王 飞，朱义东，张忠瑞，姜常胜

(1．辽宁省电力有限公司，辽宁 沈阳 110006;2．辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006)

1 全省落雷密度分析

雷害是造成架空输电线路跳闸的最主要原因。根据统计，雷击跳闸约占架空输电线路跳闸总数的50%左右。为掌握辽宁地区雷电活动规律，科学合理地制定500 kV防雷技术措施，提高超高压架空输电线路抵御雷害能力，特开展了雷害风险评级的研究。

辽宁地闪密度分布图是以辽宁电网雷电定位系统2008～2010年监测到的数据为基础，利用Arc-GIS地理信息系统空间分析软件进行绘制的。地闪密度图等级划分原则如表1所示。

表1 地闪密度图等级划分原则

A级为少雷区，对应的平均年雷暴日数不超过15;B1、B2级为中雷区，对应的平均年雷暴日数超过15但不超过40;C1、C2级为多雷区，对应的平均年雷暴日数超过40但不超过90;D1、D2级为强雷区，对应的平均年雷暴日数超过90。

对地闪密度分布进行平滑处理，剔除网格的棱角，并将出现等级跳变的1个或几个“独立”网格的地闪密度等级调整为与其周围地闪密度等级一致，得到平滑、连贯的地闪密度分布图 (如图1所示)。

图1 2008～2012年平均地闪密度分布图

2 500 kV反击雷危险雷电密度分布

2.1 绘制思路

图2 辽宁地区雷电流累积概率分布图

危险雷电密度分布是在地闪密度分布和雷电流幅值分布 (如图2所示)的基础上绘制。考虑不同电压等级、不同雷害性质具有不同的危险电流段，分别绘制500 kV电网反击危险雷电密度分布图、500 kV电网绕击危险雷电密度分布图。

危险雷电密度分布的分级方法是建立在地闪密度分级基础上，以地闪密度等级划分时的3个分割点 (分别为A级与B1级的分割点、B2级与C1级的分割点、C2级与D1级的分割点)对应的地闪密度Ng值及辽宁雷电流幅值累积概率分布为依据，分别将绕击危险雷电密度分布和反击危险雷电密度分布划分成4个等级，用阿拉伯数字从低到高依次标记为1、2、3、4级。

2.2 500 kV线路耐反击雷水平分析

按照DL/T620—1997的规定:500 kV线路耐反击雷水平应该在125～175 kA。选取辽宁电网500 kV线路典型结构 (杆塔为ZB型和SCZ型，绝缘子为干弧距离4 m的复合绝缘子)，根据公式(1)计算线路耐反击雷水平，得到辽宁电网典型结构500 kV线路耐反击雷水平在130～175 kA，且受冲击接地电阻值的影响较大。

式中 I——线路耐反击雷水平;

u50%——绝缘子串的 50%雷电冲击闪络电压;

k——耦合系数;

β——杆塔分流系数;

Ri——杆塔冲击接地电阻;

ha——横担对地高度;

ht——杆塔高度;

Lt——杆塔电感;

hg——避雷线对地平均高度;

hc——导线平均高度;

k0——几何耦合系数。

辽宁电网500 kV线路发生反击跳闸故障较少，2008年以来，辽宁电网仅发生2次500 kV线路反击跳闸，雷电流幅值分别为192.2 kA和－127.7 kA。

2.3 500 kV电网反击危险雷电密度等级分割点

根据公式 (2)计算500 kV线路反击危险雷电密度分布图等级分割点，计算结果如表2所示。

式中 Ngc2——反击危险雷电密度;

Ng——雷电密度;

PI2——反击危险雷电流幅值概率。

表2 500 kV反击危险雷电密度等级分割点

2.4 500 kV电网反击危险雷电密度分布图

以辽宁电网雷电定位系统2008～2010年监测到的500 kV反击危险地闪数量为基础，利用Arc-GIS地理信息系统空间分析软件绘制500 kV电网反击危险雷电密度分布图。

3 500 kV电网绕击危险雷电密度分布

3.1 500 kV线路耐绕击雷水平计算

根据DL/T620—1997规定，选取辽宁电网500 kV线路典型结构 (杆塔为ZB型和SCZ型，绝缘子为干弧距离4 m的复合绝缘子)，根据公式 (3)计算线路耐绕击雷水平，得到辽宁电网500 kV线路的耐绕击雷水平为25～27 kA。

式中I为线路耐绕击雷水平。

基于电气几何模型理论计算输电线路绕击跳闸率的相关研究表明，随着雷电流的增大，导线受雷范围随之减小，当雷电流增大到一定数值时，导线被完全屏蔽，雷电先导将不会击中导线，而是击中避雷线或地面。根据上述理论，线路绕击危险雷电流幅值存在上限，通过计算，线路最大绕击危险雷电流幅值受避雷线保护角、地面倾角影响较大。辽宁电网500 kV线路杆塔当地面倾角为45°时，最大绕击危险雷电流幅值达60 kA左右。

3.2 500 kV电网绕击危险雷电流幅值及概率

辽宁电网500 kV线路发生雷击故障基本为绕击。2008年以来，辽宁电网共发生13次500 kV线路绕击跳闸，其中雷电流幅值最小为－19.3 kA，最大为－69.4 kA。由500 kV线路绕击故障时雷电流幅值分布情况可知，500 kV线路绕击跳闸雷电流幅值分布在20～30 kA内最多。

综合考虑辽宁电网500 kV线路耐绕击雷水平和历史500 kV线路绕击雷故障雷电流幅值情况，确定幅值在20～60 kA的雷电流为危险雷电流。

根据雷电定位系统地闪对应雷电流幅值计算，2008～2010年辽宁地区统计到的地闪1 387 959个，其中雷电流幅值在20～60 kA的为700 910个，计算得到全省3年500 kV线路绕击危险雷电流幅值概率平均为50.50%。

500 kV线路绕击危险雷电密度分布图等级分割点如表3所示。

表3 500 kV绕击危险雷电密度等级分割点

3.3 500 kV电网绕击危险雷电密度分布图

以辽宁电网雷电定位系统2008～2010年监测到的500 kV绕击危险地闪数量为基础，利用Arc-GIS地理信息系统空间分析软件绘制500 kV电网绕击危险雷电密度分布图。

4 雷害风险分布图的绘制

4.1 雷害故障分布图的绘制

雷害故障分布图是统计2002年以来辽宁电网220 kV及以上输电线路雷击故障，将故障杆塔坐标录入ArcGIS地理信息系统空间分析软件，从而形成辽宁电网雷害故障分布图。为更深入分析各地区雷电活动对输电线路的影响，在绘制辽宁电网雷害故障分布图时，将2002年以来辽宁电网66 kV线路故障情况同样录入 (如图3所示)。

由图3可以看出，雷击故障点主要集中在丹东、本溪、铁岭、抚顺、营口地区。丹东、本溪、铁岭、抚顺雷击故障较多的原因是上述地区为山地丘陵区，是辽宁海拔最高地区。

4.2 雷害风险分布图的绘制

图3 辽宁电网雷害故障分布图

雷害风险分布图是根据地闪密度、不同电压等级危险雷电密度分布 (反击和绕击)、线路历史雷害故障经验、地形地质地貌等因素综合考虑，将输电线路雷击闪络危险风险分为4个层级 (如表4所示)。

表4 雷害风险分布图等级划分

结合相关的人工干预原则，最终得到的风险分级图如图4、图5所示。

5 结论

a． 建立了辽宁地区输电线路雷害风险分级体系，在绘制全省地闪密度分布图的基础上，通过计算得到典型杆塔结构下500 kV输电线路反击和绕击危险雷电流密度分布图。

b． 基于危险雷电流密度分布图、运行经验、地形地貌要素等数据，实现了500 kV输电线路雷害风险等级图形化，可直观地指导架空输电线路在规划、设计、运行、改造过程中的防雷工作。对雷害风险等级较高的地区应加强防雷工作。

c． 建议在应用过程中加强运行数据的积累，使500 kV超高压线路的雷害风险分级更加科学合理。合防雷措施评估中的应用 ［J］．电网技术，2005，29(14):68－72．

［1］ 张志劲，孙才新，蒋兴良，等．层次分析法在输电线路综

［2］ 潘丹青．对输电线路防雷计算中几个问题的看法 ［J］．高电压技术，2001，27(4):65－67．

［3］ DL/T 620—1997．交流电气装置的过电压保护和绝缘配合［S］．

［4］ 张纬钱，何金良，高玉明．电力系统过电压防护及绝缘配合［M］．北京:清华大学出版社，2002．

［5］ 王海涛．童杭伟，冯万兴．等．浙江省地闪密度图的绘制方法及其有效性验证［J］．高电压技术，2008，34(11):2 488－2 491．