通道宽度对线路通道雷电多重回击特性统计的影响

李 特，周象贤，池 伟，胡文堂，毛航银，王振国

（1．国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，杭州 310014;2．国网浙江省电力有限公司，杭州 310007）

0 引言

多重雷在自然界非常普遍，统计显示接近一半的雷电活动包含多次回击过程[1-3]。多重雷对站内设备、线路设备均存在危害。线路遭受雷击产生单相接地故障时，两侧站内开关跳开故障相，在等待重合过程中如果线路跳闸相再次遭受雷击，此时雷电入侵波在开关断口处将发生全反射，断口承受的过电压幅值将增加到侵入波电压的2倍，大大高于断口雷电冲击绝缘水平，导致开关断口外绝缘或内绝缘击穿[4-5]。线路雷击跳闸后存在潜供电流，断路器分闸至重合闸期间，如果线路故障相在故障点附近遭受多次后续回击，将导致短路点潜供电弧无法完全熄灭、绝缘强度无法恢复，导致重合闸失败[6]。此外避雷器在遭受多重雷作用时，阀片温度逐次升高，引发伏安特性变化，相同雷电流下残压升高，导致避雷器吸收能量增加，短时间吸收多重雷过程中多次雷电流脉冲能量导致热崩溃[7-8]。

上述设备故障与多重雷的后续回击次数、各次后续回击电流幅值、后续回击间隔、回击整体持续时间等参数有关。为了开展多重雷害评估、提出应对措施，需要首先掌握目标线路区域多重雷的参数。目前雷电参数可以从雷电定位系统得到，然而雷电定位的位置信息与实际回击位置可能存在一定偏差，部分位置偏差可达数千米[9-10]，因此在统计目标线路多重雷特性时必须考虑线路走廊宽度。以往的雷电参数统计中会设置一定的走廊宽度[11]，但对于多重雷击数据而言，走廊宽度引起的统计结果变化幅度、对统计结果准确性的影响尚无研究。

因此，本文以±800 kV 宾金线为例，开展线路不同走廊宽度下的多重雷参数统计，分析走廊宽度对后续回击次数、各次后续回击电流幅值、后续回击间隔、回击整体持续时间等参数的影响，并给出线路走廊宽度选择建议。

1 数据来源

统计数据来源于浙江省雷电监测系统，由分布在湖州、舟山、椒江、仙居、泰顺、临安等地的14 个雷电自动探测站组成，实现对全省电网区域的高精度覆盖，利用雷电监测系统可以完整记录各次地闪回击的电流幅值与时间。

多重雷参数统计对象为±800 kV 宾金线浙江段，如图1 所示。 线路走廊宽度分别取两侧各2．5 km，5 km，7．5 km 及10 km，以获得走廊宽度对统计结果的影响。统计时间段为2014—2017年每年的6—9 月。利用雷电监测系统获取的地闪数据，对多重雷后续回击次数、地闪放电持续时间、各次后续回击时间间隔、后续回击的雷电流幅值进行统计分析。

图1 ±800 kV 宾金线线路走廊浙江段

2 走廊宽度对回击参数统计的影响

2.1 后续回击次数

不同线路走廊宽度下，对观测到的含不同回击次数的主放电数量进行统计，结果见表1。

表1 不同走廊宽度下多重回击次数分布统计结果

由表1 可知，不同走廊半径下，统计得到的最大后续回击次数稍有差异，走廊半径2．5 km时最大后续回击次数为13 次，而走廊半径为5～10 km 时，最大后续回击次数均为14 次。

对表1 中含不同后续回击次数的主放电数量占比进行统计，结果如图2 所示，对含有后续回击的主放电占比、平均回击次数进行统计，结果见表2。其中含有i 次后续回击的主放电占比Rh、平均回击次数Ra分别按式（1）、式（2）进行计算。

式中：Fi为含有i 次后续回击的主放电次数；n为最大的后续回击次数。

由图2 可知，不同走廊宽度下不同次数后续回击对应主放电数量占比分布接近，但单回击占比有所差异。由表2 可知，走廊半径为2．5 km 和5 km 时，多重雷占比、平均后续回击次数接近，并大于走廊半径为7．5 km 和10 km 的情况。随着走廊宽度增加，统计区域覆盖面积增加，不同的区域雷电活动参数有所不同[12]，导致统计所得雷电活动与线路附近的雷电活动特性产生差异。

图2 不同走廊宽度下不同后续回击主放电占比

表2 ±800 kV 宾金线不同走廊宽度下多重雷占比及雷电主放电平均后续回击次数

后续回击次数的分布与多重雷的能量相关，并影响避雷器的防护性能。从获取多重雷后续回击次数信息考虑，采用2．5～5 km 半径进行统计较为合适。

2.2 地闪持续时间

本文地闪持续时间取主放电时间至最后一次回击时间的时间差。不同走廊宽度下的地闪放电持续时间分布如图3 所示。

图3 不同走廊宽度下地闪放电持续时间分布

由图3 可知，不同走廊宽度下统计得到的放电持续时间分布基本一致，走廊半径为2．5 km和5 km 时， 最大放电持续时间落于900～1000 ms，走廊半径为7．5 km 和10 km 时，最大放电持续时间落于1 000～1 100 ms，需要注意的是1 000～1 100 ms 内的主放电概率极小。

针对多重雷造成线路跳闸重合失败、站内开关爆炸故障进行分析、提出应对措施时，需要考虑重合闸时间和最大放电持续时间之间的配合。针对多重雷造成避雷器故障问题，需要考虑放电持续时间的分布，为多重雷过程中避雷器的散热过程提供参考。从图3 统计结果而言，不同走廊半径下，放电持续时间分布接近、最大放电持续时间接近，因此走廊宽度对放电持续时间的统计影响不显著。

2.3 后续回击间隔

不同走廊半径下，各次序后续回击与前一次后续回击的时间间隔算术均值见图4，各次序后续回击时间间隔中小于20 ms 的占比和大于100 ms 部分占比见图5。

图4 不同走廊半径下各次序后续回击时间间隔算术均值

由图4 可知，不同走廊半径下，统计所得各次序后续回击时间间隔算术均值接近。由图5 可知，不同走廊半径下，统计所得各次序后续回击时间间隔的主体部分一致，小于20 ms 部分占比均小于15%，大于100 ms 部分占比主体分布于25%～40%。

后续回击时间间隔的分布对多重雷作用于避雷器时的散热过程以及线路雷击跳闸后的去游离过程有影响。从本节可知，不同的走廊半径对后续回击时间间隔分布的统计结果影响不显著。

图5 不同走廊半径下各次序需回击时间间隔分布

2.4 后续回击强度

利用后续回击与主放电雷电流幅值比值k 作为判断后续回击强度的参数。不同走廊半径下，各次序后续回击k 值的几何均值如图6 所示，k值大于1，即后续回击电流幅值超过主放电电流幅值的占比见图7。

图6 不同走廊半径下各次序后续回击回击强度几何均值

由图6 可知，走廊半径为5～10 km 时，不同次序后续回击k 值几何均值变化规律接近，回击次序越大k 值越小。统计半径为2．5 km 时，回击次序8-12 处k 值均值大于次序6-7 处。

图7 不同走廊半径下各次序后续回击回击强度k＞1 占比

由文献[2，13]可知，随着雷电后续回击次序增加，相应回击强度均值逐步减小，判断走廊半径2．5 km 的统计结果在回击次序9-10 范围出现了偏差，而其他走廊宽度下的统计与文献[2，13]规律相同。结合表1 可知，走廊半径为2．5 km 时回击次序大于9 的雷电数据较少，样本量较少可能导致统计结果出现偏差。

由图7 可知，5～10 km 走廊半径下各次序后续回击k＞1 的比例规律接近，走廊半径为2．5 km时，从后续回击次序8 开始，k＞1 的回击占比均为0，而走廊半径为5～10 km 时相应数值要延后至次序11-12。 相应结果同样是由于走廊半径2．5 km 下获得样本中相应次序放电记录较少，导致结果出现偏差。

后续回击强度的分布特征与多重雷的能量相关，后续回击幅值大于主放电的情况可能导致线路出现小电流绕击后大电流沿放电通道产生后续能量注入的情况，对线路避雷器的吸收能量分析十分重要。基于本节结果，考虑到本次统计的数据时间跨度较大，建议沿线路多重雷参数的统计应取5 km 或者更大。

2.5 统计走廊半径的选择

对前文走廊半径对雷电多重回击统计参数的影响进行总结。 不同走廊半径下，回击持续时间、回击间隔统计结果一致。对于后续回击次数方面，走廊半径对统计结果影响体现在：

（1）2．5 km 走廊半径下的最大后续回击次数偏小。

（2）2．5～5 km 走廊半径下多重雷占比、平均后续回击次数统计结果大于7．5～10 km 走廊半径下对应结果。

走廊半径对后续回击强度统计结果的影响体主要体现为2．5 km 走廊半径下8 次及以上后续回击中回击强度k＞1 的占比偏小。

单纯从雷电参数统计角度而言，希望可以尽量准确得到最大后续回击次数、各次后续回击次数的占比以及平均后续回击次数、后续回击强度分布等各项参数，考虑到7．5～10 km 下的平均回击次数等参数可能由于区域的扩大而与线路真实情况产生差异，2．5 km 下最大回击次数偏小，建议选取5 km 作为统计参数。

从雷电防护角度考虑，更关心多重雷能量情况，多重雷能量与回击次数、回击强度相关，如关注含7 次及以下后续回击的多重雷参数，选取2．5～5 km 作为统计线路走廊半径结果接近，如关注含7 次以上多重雷参数，建议选取5 km 作为统计走廊半径。

3 结论

本文采用2．5 km，5 km，7．5 km，10 km 4 种线路走廊半径，利用2014—2017 年的雷电监测数据对±800 kV 宾金线雷电多重回击参数进行了统计，分析了走廊半径对多重雷参数统计结果的影响，并分析了走廊半径的建议取值，在当前统计时间长度和线路长度下，得到以下主要结论：

（1）不同线路走廊半径下不同次数后续回击的放电比例接近，但走廊半径为2．5 km 和5 km时统计得到的平均后续回击次数、多重雷占比大于统计半径为7．5 km 和10 km 的情况。

（2）不同线路走廊半径下，统计得到的多重雷持续时间、后续回击时间间隔分布规律接近。

（3）走廊半径为2．5 km 时，统计所得8～10 次后续回击中回击强度大于1 的比例偏少。

（4）当关注线路走廊内含7 次及以下后续回击的多重雷统计特征时，统计走廊半径可采用2．5 km 或5 km，当关注线路走廊内含7 次以上后续回击多重雷统计参数时，建议走廊半径采用5 km。