输电线路防雷性能评估关键技术研究.pdf

2 0 1 0年 第 4卷 增刊 1 2 01 0 Vo 1 4 Su ppl e me n t 1 南 方 电 网技 术 技术论坛j等奖论文 SOUTHERN POW ER SYSTEM TECHNoL0GY Ar t i c l e s o f 3 Gr a de Awa r d i n Fo r um 文章编号 1 6 7 4 0 6 2 9 2 0 1 0 S 1 0 0 8 5 0 5 中图分类号 T M8 6 3 文献标志码 A 输电线路防雷性能评估关键技术研究 陆国俊 熊俊 广州供 电局试验研 究所 广州 5 1 0 4 1 0 摘要 防雷工作是 目前多雷区输电线路外绝缘的难题之一 文章从雷电基础参数 耐雷性能分析方法与评价标准及防雷 改造措施等方面评估 了广州电网输电线路防雷性能 指出用地闪密度研究雷电活动规律及指导线路防雷设计更加准确 用先导发展模型开发的面向生产技术人员的防雷性能计算平台友好且便于操作 利用所开发的耐雷性能计算软件和分层 归类的方法 对 5 0 0 k V 蓄增 甲线的耐 雷性能进行 了整体评估 关键词 输电线路 防雷 地闪密度 评 估 S t u d y o n Ke y Te c hno l o g y o f Li g h t e ni ng Pr o t e c t i o n Pe r f o r ma nc e Eva l ua t i o n o f Tr a ns m i s s i o n Li n e s L U G u o j u n XI O NG J u n T e s t i n g a n d R e s e a r c h e s I n s t i t u t e G u a n g z h o u P o we r S u p p l y B u r e a u G u a n g z h o u 5 1 0 4 1 0 C h i n a Ab s t r a c t L i g h t i n g p r o t e c t i o n i s s t i l l a p r o b l e m f o r e x t e r n a l i n s u l a t i o n o f t r a n s mi s s i o n l i n e s i n l a r g e l i g h t e n i n g i n t e n s i t y d i s t r i c t s Ac c o r d i n g t o t h e b a s i c l i g h t e n i n g p a r a me t e r s a n a l y s i s me t h o d s a n d e v a l u a t i o n c r i t e r i o n o f l i g h t e n i n g p r o o f p e r f o r ma n c e a n d l i g h t e n i n g pr o t e c t i o n i mpr o ve me n t me a s ur e s a s wel l t h i s pa p e r e v al u a t e s t he l i gh t e ni ng p r ot e c t i o n p e r f o r ma n ce of t r a ns mi s s i o n l i ne s i n Gu a n g z h o u P o we r Gr i d p o i n t i n g o u t t h a t i t i s b e t t e r t o a d o p t fl a s h d e n s i t y fo r l i g h t e n i n g a c t i v i t y r e s e a r c h a n d l i g h t e n i n g p r o t e c t i o n d e s i g n a n d t h e c o mp u t a t i o n p l a t f o r m f o r l i g h t e n i n g p r o t e c t i o n p e r f o r m a n c e d e v e l o p e d wi t h l e a d e r p r o g r e s s mo d e l h a s f r i e n d i n t e r f a c e a n d i s e a s y t o h a n d l e f o r e l e c t r i c a l t e c h n o l o g i s t s By u s i n g t h e s o f t w a r e a n d b e d c l a s s i f i c a t i o n me t h o d t h e o v e r a l l l i g h t e n i n g p r o o f p e r f o r ma n c e o f 5 0 0 k V Xu z e n g L i n e I f r o m P u mp e d s t o r a g e p o we r p l a n t t o z e n g c h e n g s t a t i o n i s e v a l u a t e d Ke y wor d s t r a ns i mi s s i o n l i n e s l i gh t e ni ng pr o t e c t i o n fla s h de ns i t y e v a l ua t i o n 广州电网地处强雷区 年平均雷暴 日在 8 0天以 上且雷动活动呈上涨趋势 近年来雷击跳闸次数占 了广州地区总跳闸次数的 6 0 左右 是引起 电网跳 闸的第一大原因 截止 2 0 0 9年 1 2月 3 1日 广州电 网 1 1 0 k V及以上架空输电线路共计 4 6回 总长度 已达 4 9 3 7 2 7 k m 防雷问题急需得到妥善解决 本文从雷电基础参数研究 耐雷性能分析方法 与评价标准及防雷改造措施 3个关键方面对广州输 电线路防雷性能评估进行较全面研究 1 雷电参数统计 1 1 传统表征参数 电力部门目前标准雷电活动特性使用最为多的 参数为雷电 日 按照定义 在气象站听到雷声的观 测 日叫雷电 日 也称雷暴 日 1 4 传统意义上的雷电 日标志就是指人在当日能够听到至少一次雷声 相 比于雷电 日或雷电小时 地闪密度更能精确 标准雷电活动特性 地闪密度指的是统计区域里每 平方千米的地面雷击点数 对应网络法即为每个网 格的雷电总数除以网格面积 5 6 1 一般用年平均地闪 密度表示 次 k m2 a o 1 2广 州地 区地 闪密度 图 广州市 1 9 9 9 2 0 0 8年各年及平均年主放电地 闪密度见图 1 所示 数据分级方法采用 自然分割法 Na t u r a l B r e a k s 7 8 o 此方法是地理信息系统中主 题 图分级所广泛采用的方法 通过 自然分割法 会 使在同一组 中数据数值最接近 而组与组之间的跳 跃性最大 从而使数据分级后的显示图片层次分明 从十年平均年地闪密度分布图中可见 雷电活动主 要集中在广州市城区 花都区 及从化 增城西部 密度多大于 1 0 4次 k in2 a 番禺区南部和从化市 北部雷电活动较弱 密度普遍小于 8 5次 k m a 8 6 南方电网技术 第 4卷 将地闪密度分布叠加在i维地势图上 如图 2 所示 由图可见 一般山区的地闪密度相对附近平 原来说较大 山区的落雷更多 也有部分平原的落 雷密度也较大 如花都和广州城区的交界地区 增 城西南部 图 1 1 9 9 9 2 0 0 8年广州市平均年地 闪密度空 间分布 图 2 1 9 9 9 2 0 0 8年广 州市平均年地闪密度三维分布 1 3 雷电参数与运行数据的相关性 5 0 0 k V 蓄增 甲线从北 向南比杆塔编号依次为 1 群 一 l 7 1 其 2 k m半宽线路走廊内沿线 1 9 9 9 2 0 0 8 年各年及平均年地闪密度分布见图 3所示 各年中 大致有南部的地闪密度大于北部 综合各年的雷电 活动效果 从平均年地闪密度分布来看 可明显看 出 从南向北沿线地闪密度逐渐减弱 1 1 4号一 l 7 l 号杆塔段地闪密度在较高的两个等级 内 为易受雷 击段 2 0 0 3年 1 6 4 塔附近地闪密度等级相比其他 年份虽然不高 但相对横向同年的其他 区段来说却 是最大的 2 0 0 6年 6 7号 9 9号 塔附近的地闪密度 在较高的两个等级内 2 0 0 7年的 6 0号 7 7号 塔地 闪密度也在较高的第四等级内 只有 4 l 号 塔的地 闪密度却相对较低 总体上来看 蓄增甲线地闪密 度与雷击故障的相关性较大 雷击故障主要是出现 在雷电活动相对较多的区段 内 2 0 0 3丘 平均 图 3 5 0 0 k V蓄增甲线 2 k m半宽线路走廊内 1 9 9 9 2 0 0 8年各年及 平均年沿线地闪密度分 布 2 耐雷计算分析方法与评价标准 2 1 反击特性模型 目前 国内外关于输电线路雷电过电压分析的 基本原理是基于波过程理论 但在处理杆塔接地装 置和变 电所接地系统时作了简化 一般将杆塔接地 装置的接地电阻用冲击接地 电阻等效 为了克 服传统的雷电过电压分析方法中存在的问题 提出 了全波过程的电力系统雷电暂态分析方法 其基本 原理是同时考虑地上输变电系统和地下接地装置和 接地系统的实际波过程 使得计算结果更加精确和 符合实际 2 2 绕击特性模型 输电线路的绕击特性模型主要包括经验公式 增 刊 1 陆国俊 等 输 电线路防雷性能评估关键技术研究 8 7 电气几何模型 滚球法等 2 J 但是 存在如下的 主要问题 无法考虑线路工作电压的作用 无法考 虑放电的随机性 问题 并联的长间隙和短间隙的放 电实验已经表明了 击穿不总是发生在短间隙 这 是电气几何法是无法解释的 对 2 2 0 k V及以下输 电 线路 采用电气几何法模型的计算结果可信度较高 而对 5 0 0 k V线路来说 由于杆塔高度增加 需要采 用能考虑雷电发展过程及随机性的模型 即先导发 展模型 2 3 雷击跳闸率计算 反击跳闸率和绕击跳闸率之和是雷击跳 闸 率 为解决生产实际问题 开发了基于上述模型 面向一般生产技术人员的输电线路耐雷性能计算模 型 软件采用常用的人机交换模式 界面友好 可 内置常用杆塔及导线参数 使用时直接导出 便于 技术人员分析 2 4 广州地 区线路耐雷性能评价标准 输电线路 防雷性能评价标准要 以经济效益和社 会效益为核心依据 以长期运行经验和科学的方法 为评价手段 标准的制定是在线路建设和运行过程 中降低与雷电相关的社会影响和经济成本 输 电线 路 防雷性能评价工作的开展应遵循相关标准和规 范 对线路防雷进行客观评估 表 1 所示为相关标准推荐指标和广州地区线路 雷击跳闸率 l 0年平均运行值 折算为 4 0雷电日 对比 建议选择 1 0 a 运行值和标准较低值作为广州 线路防雷性能参考指标 结合前述关于雷电活动情况和雷击跳闸情况可 知 落雷密度和雷击跳闸次数在不同年份均存在较 大波动 用单一阈值评价线路 防雷的方法会导致相 同的线路在不 同年份 的评价截然相反 或依据不同 的观测结果产生不同评价结果的问题 因此 建议 采用分级评价的方法评估输电线路的防雷性能 实 现对输电线路防雷工作的差异化管理 雷击跳闸率 分级评价指标应来源于多年全境观测统计结果 数 据越全面 评价结果的可信度越高 对于广州地区 的雷击跳闸率评价指标 可将 1 9 9 9 2 0 0 8 年线路雷 击故障情况作为依据 将不同电压等级线路跳闸率 以 3 3 3 和 6 6 7 概率为界等分为 3个概率区间 将这 3 个区间依次定义为 3 个等级 优 中 差 等级划分方法如下表 2所示 对于评价为差的线路 应作为重点改造对象 将其跳闸率降低至优化指标以下 以确保系统可靠 性 对于评价为中的线路 应作为考察对象进行监 测 并列为后备改造对象 在条件允许的情况下加 以改造 以提升系统可用率 对于评价为优的线路 不作为改造对象 表 2 雷击跳闸率推荐指标 次 1 o o k m a 3 防雷改造及运用 3 1 改造思路 由于实际线路中每一基杆塔的塔型 尺寸 绝 缘强度以及地形和接地状况都各不相同 其防雷性 能也千差万别 但是 由于实际线路杆塔的总数很 大 对每一基杆塔逐一的进行跳闸率分析工作量十 分 巨大 因此要分析线路整体的防雷性能 比较可 行的方法是根据影响线路防雷性能的各个参数的统 计规律 将线路分为若干类型 并对每种类型线路 的雷击跳 闸率进行计算 在此基础上 再根据每种 线路所 占的比例 通过加权求和的方法求得线路整 体的防雷性能 下面以 5 0 0 k V蓄增 甲线为例 介绍 防雷改造的分析思路及具体建议 3 2 典型线路防雷特性评估 蓄增甲线 5 0 0 k V 线路使用的杆塔主要包括直 线酒杯塔 和转角塔两种 酒杯约占 8 0 耐张转角 塔 占不到 2 0 全线地型以山区为主 山地 比例达 表 1 雷击跳闸率推荐指标 次 1 o o k m a 南方电网技术 第 4卷 7 6 2 山区地势起伏很大 可以进一步分为高山 大岭 一般山区与丘陵 其比例分别为 5 2 5 与 4 6 2 另有 2 3 8 等效为平地 斜坡 山顶和跨谷 这 3种基本地形所 占比例分别约为 5 0 2 0 和 3 0 高山大岭 山地与丘 陵地形都按上述比例进 行计算 并通过不同的坡角和山谷深度来反应两类 地形的差别 对斜坡与山顶地形 三类地型对应的 平均地面倾角为 6 0 4 0 与 2 0 对跨越山谷地形 两类地形对应的平均谷深分别取 1 5 0 m 1 0 0 m与 5 0 m 计算反击跳闸率时也是通过两步加权 地形 条件的加权和接地情况的加权 前者同样通过调研 数据得到 为 了在计算中反应不同接地情况的影响 分别用 5 Q和 1 5 Q冲击接地电阻表示接地良好和接 地不 良的情况 同时对于高山大岭 山地和丘陵 3 类地形 接地不 良杆塔 比例分别为 1 5 l 0 和 5 根据计算 蓄增 甲线 5 0 0 k V线路的绕击跳闸率 为 1 0 3次 1 0 0 k m a 反击跳闸率为 0 0 5 3次 1 0 0 k m a 总跳闸率为 1 0 8次 1 0 0 k m a 如 表 3 所示 从计算结果可以看出 对 5 0 0 k v蓄增 甲 线 绕击跳闸率率远大于反击跳闸率 与雷击故障 统计结果相一致 在 2 0 0 3 2 0 0 8年的 6 a时间内共 跳闸 3次 其跳闸率为 1 0次 1 0 0k m a 与计算 结果接近 根据广州地区线路建议的评价标准 蓄 增 甲线 5 0 0 k V线路防雷性能属第 1 I I 级 情况差 需要改造 5 0 0 k V杆塔在平地条件下情况较好 无 需改造 Z B1比 J T杆塔防雷性能更好 在坡度相对 较高的地形条件下 需要对两种杆塔进行改造 雷 表 3 5 0 0 k V线路防雷性能评估 击跳闸率计算结果如表 4所示 3 3 典型杆塔 Z B1 型 的改造建议 以 5 0 0 k V酒杯塔 Z B1 为例 不同地形条件和 接地条件下 防雷措施的效果差明显 应根据实际 情况选择防雷改造措施 不同地形下采取不同措施 下雷击跳闸率 目标值如下表 5 所示 由表 5 可见 对于山坡外侧 安装避雷器效果明 显 可将跳闸率控制在 I 一 优级 因反击所占比例较小 降低接地电阻 1 0 Q无明显效果 考虑到增加绝缘受 绝缘配置限值 4片绝缘子也没有明显的效果 当杆塔处于跨谷地形时 增加 4片绝缘子可以 将跳闸率控制在 I I 一 中级 但该措施是否可以使用 还要在考虑风偏的情况下 对绝缘距离进行校核 单侧安装避雷器可使跳闸率控制在 I I 一 中级 且接近 I 一 优级 当杆塔处于山顶时 需要在两侧同时安装 避雷器才能将跳 闸率控制在 I 一 优级 表 5 酒杯塔处于山坡外侧时防雷措施效果 表 6 酒杯塔处 于跨谷地形时防雷措施效果 表 4 5 0 0 k V线路杆塔跳闸率评价 陆国俊 等 输电线路防雷性能评估关键技术研究 8 9 表 7 酒杯塔处于山脊地形 时防雷措施效果 4 结论 从雷电基础参数研究 耐雷性能分析方法与评 价标准及防雷改造措施 3个关键角度对广州电网输 电线路防雷性能评估进行了较全面研究 得 出如下 结论 以广州地 区十年雷电定位系统数据为基础 绘 制了首幅基于三维地理信息同的广州地区地闪密度 分布图 与传统雷电活动表征参数雷 电日相比 地 闪密度与线路运行历史数据之间有较强的相关性 用地闪密度研究雷电活动规律及指导线路防雷设计 更加准确 分别比较分析 了线路反击和绕击特性几种模型 的特点 对反击和绕击计算分别选取考虑杆塔波过 程的电磁暂态模型 先导发展模型开发 了面向生产 技术人员 的防雷性能计算平台 软件界面友好且便 于操作 以运行数据为主要依据提出了适 当的广州 电网 线路防雷评价标准 实现了线路防雷工作的差异化 管理思路 标准将不同电压等级线路防雷性能分别 分为三等 I 一 优 I I 一 中 I I I 一 差 对于评价为中的 线路 应作为考察对象进行监测 并列为后备改造 对象 在条件允许的情况下加 以改造 以提升系统 可用率 对于评价为优的线路 不作为改造对象 利用开发的耐雷性能计算软件 利用分层归类 的方法 并对 5 0 0 k V蓄增 甲线耐雷性能进行了整体 评估 对线路典型走廊上常用的杆塔进行了改造后 雷击跳闸率 目标值比较计算 从技术的角度提出了 差异化改造建议 参 考文献 I D L T 6 2 0 1 9 9 7 交流电气装置的过电压保护和绝缘配合 s 2 I E E E S t d 1 4 1 0 T M一 2 0 0 4 I E E E G u i d e f o r I m p r o v i n g t h e L ig h t n i n g P e r f o r ma n c e o f E l e c t r i c P o w e r O v e r h e a d D i s t r i b u t i o n L i n e s S 3 陈家宏 郑家松 冯万兴 等 雷电日统计方法 J l高电压技术 2 0 0 6 3 3 1 0 6 1 0 4 童杭伟 李思南 杨立川 以雷 电日和落雷密度为参数的输电线 路雷击跳闸率计算的对比分析r J l 浙江电力 2 0 0 6 2 5 1 4 8 4 9 5 陈家宏 王海涛 冯万兴 等 1 0 0 0 k V线路走廊的雷电参数及易 闪线段分析 J 高电压技术 2 0 0 6 3 2 1 2 4 5 4 8 6 陈家宏 冯万兴 王海涛 等 雷电参数统汁方法 J 高电压技 术 2 0 0 7 3 3 1 0 6 1 0 7 D E L L E R A L GA R BA G NA T I E L i g h t n in g S t r o k e S i mu l a t i o n b y M e a n s o f t h e Le a d e r P r o g r e s s i o n M o d e l Pa r t I De s c r i p t i o n o f t h e Mo d e l a n d E v a l u a t i o n o f E x p o s u r e o f F r e e S t a n d i n g S t r u c t u r e s r J I E EE T r a n s o n P o we r De l iv e r y 1 9 9 0 5 4 2 0 0 9 2 0 1 7 8 DE L L E R A L G A R B AG N A T I E L i g h t n i n g S t r o k e S i mu l a t i o n b y M e a n s o f t h e L e a d e r P r o g r e s s i o n Mo d e l P a r t I I Ex p o s u r e a n d S h i e l d i n g F a i lu r e Ev a l u a t i o n o f Ov e r h e a d L i n e s wi t h As s e s s me n t o f A p p l i c a t io n G r a p h s J I I E E E T r a n s o n P o w e r D e l iv e ry 1 9 9 0 5 4 2 0 2 3 2 0 2 9 9 R I Z K F A M Mo d e l in g o f T r a n s mi s s i o n L i n e E x p o s u r e t o D i r e c t L i g h tnin g S tr o k e s I E EE T r a n s o n P o we r De l i v e ry 1 9 9 0 5 4 l 9 8 3 1 9 9 0 1 0 P E T R O V N I P E T