辽宁地区雷电活动与输电线路雷害故障特点

朱 钰，王 飞，张立军

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

雷害是造成辽宁电网架空输电线路跳闸的最主要原因，每年雷击线路跳闸占全省线路跳闸总数的30%～50%。特别是近几年，辽宁电网建设规模不断扩大，受线路走廊及征地限制，更多新建线路位于山区，近几年异常天气增多，雷电活动异常频繁，对辽宁电网输电线路防雷工作提出了更高要求。

掌握雷电活动规律无论是对新线路防雷设计还是对运行线路防雷改造都具有十分重要意义。随着雷电定位系统不断发展，定位精度及数据统计更为准确，为雷电参数研究提供基础数据。近年来，越来越多地区使用地闪密度等雷电定位系统数据取代传统雷电日进行雷电活动时空特性分析，用于指导输电线路防雷措施的制定［1］。

1 雷电活动时空特性

1.1 雷电定位系统

辽宁电网雷电定位系统于2007年6月投入使用，采用卫星同步对时技术 (GPS)、地理信息系统 (GIS)、雷电遥测、波形传播延时处理及超量程计算技术，结合“时间到达+定向”综合定位模型，实时计算显示云对地雷击的发生时间、位置、雷电流幅值和极性、回击次数、每次回击的参数，并以雷击点分时彩色图清晰显示雷暴的运动轨迹。

定向、定位原理如图1所示，当A点发生雷击时，探测站TDF1、TDF2分别测定雷电方向α1和α2，由三角定位原理可计算出A点的位置。LLS定位只需2个探测站，但当雷击点A落在两站连线附近或A点与探测站之间有遮挡，将导致较大的测向误差。时差定位系统要求探测站站数≥3，3个站测得A1点雷电到达时刻T1、T2、T3，采用椭球双曲线定位原理，可解算出A1和A2，用方向定位或第4站信号可排除A2数学解算点。LLS定位精度一般以时差定位为准，如果各探测站时钟同步和各种测量误差在1 μs以内，则定位误差≤1 km，该定位精度能满足电力系统雷击故障点的快速查找。当设计探测效率≥90%时，一般探测站站间距离在150～200 km。

辽宁电网雷电定位系统安装12个雷电探测站，分别位于大连、丹东、营口、本溪、葫芦岛、朝阳、阜新、沈阳境内，测量范围覆盖全省14个地区。该系统通过终端软件或网页可查看辽宁各地实时雷电情况，包括落雷位置、雷电流极性和强度、雷电流幅值概率分布等［2－3］。

1.2 雷电活动时间

利用雷电定位系统设计2008～2010年辽宁地区每月地面落雷情况如图2～图4所示。可以看出，辽宁地区每年5～8月雷电活动最频繁，但各年度雷电活动有所差异。

2 输电线路雷害故障特点

2.1 500 kV线路雷害故障特点

自2002年以来，辽宁地区500 kV输电线路共发生68次雷击跳闸，其中5次为反击引起，63次为绕击引起。2002年以来500 kV输电线路雷击跳闸率变化趋势如图5所示。由图5可以看出，自2006年以来，500 kV输电线路的雷击跳闸率总体呈下降趋势。

由图6可以看出，500 kV线路雷击跳闸主要集中在5～8月，2002～2011年在这4个月共发生雷击跳闸59次，占500 kV线路雷击跳闸总数的87%，1～3月和12月未发生过雷击跳闸。

由图7可以看出，2002～2011年500 kV线路雷击跳闸较多的地区有抚顺、营口、本溪、葫芦岛地区，阜新、盘锦、沈阳地区未发生500 kV雷击跳闸。

由统计结果看，投运年限较长的线路由于防雷设计标准偏低，发生雷击跳闸概率较高。最典型的为王南1号、2号线 (目前王南1号线变更为王渤1号线、瓦渤1号线;王南2号线变更为王渤2号线、瓦渤2号线)， 这2条线路2002～2011年累计发生14次雷击跳闸，其它较为典型的有丰徐2号线跳闸10次、丰徐1号线跳闸7次、元董2号线跳闸4次、沙董2号线跳闸3次、元董1号线跳闸3次。近2年新建线路受走廊及征地限制，更多线路从山区经过，杆塔位于山顶或山腰，增加了线路遭受雷击的概率。最典型的为程徐线，该线路2009年底投运，2010年发生雷击跳闸3次。与程徐线相似的还有黄金2线 (2009年底投运)、丹程2线 (2009年7月投运)。

2.2 220 kV线路雷击跳闸情况分析

自2002年以来，辽宁电网220 kV输电线路共发生雷击跳闸326次，58次为反击引起，268次为绕击引起。2002～2011年220 kV输电线路雷击跳闸率变化趋势如图8所示。由图8可以看出，自2005年以来，220 kV输电线路的雷击跳闸率总体呈逐年下降趋势。

由图9可以看出，220 kV线路雷害发生月份基本呈现正态分布趋势。雷击跳闸主要集中在5～8月，这4个月共发生雷击跳闸211次，占雷击跳闸总数的78%，其次是9月和10月，每年1月和12月未发生过雷击跳闸。

由图10可以看出，丹东、本溪地区由于地处辽宁东部长白山脉延伸地带，山地多、海拔高，最易发生输电线路雷击跳闸，这两个地区2002～2011年220 kV线路共发生雷击跳闸149次，占雷击跳闸总数的46%，其次是铁岭、抚顺地区，由于位于辽宁东北部低山区，线路发生雷击跳闸也相对较多。

比较各地区每年雷击跳闸次数情况，发现其波动性较大，存在“大小年”现象。2002～2011年全省只有丹东、本溪地区220 kV输电线路每年均出现雷击跳闸情况，但每年的雷击跳闸次数波动很大 (如图11所示)，其它地区个别年份雷击跳闸次数较多，而部分年份全年未发生雷击跳闸故障。这说明辽宁雷电活动局部特征和随机特性相当明显，给线路防雷工作带来很大困难。

2002～2011年共有59条线路出现了2次以上雷击跳闸故障，统计结果如表1所示。雷击跳闸超过5次及以上的有渭卧线17次、长凤线14次、电北线13次、电芬线12次、宽凤线9次、桓草线8次、桓小线7次、建凌二线7次、太宽线6次、元兴线5次、辽李一线5次。上述线路大多投运年限较长，线路设计标准偏低，且雷击故障杆塔多位于山顶或山腰。

表1 2002～2011年出现2次以上雷击跳闸的220 kV线路数

3 影响线路雷击跳闸的因素

a． 基础地面倾角对雷电绕击影响

杆塔基础地面倾角对输电线路的雷电绕击性能影响较大。同一条输电线路，如果有一部分经过平原地区，一部分经过有山坡存在的地段，经过山坡地段线路的绕击率将大于经过平原线路的绕击率。当某条线路多处杆塔架设在山顶或山坡上，需综合考虑线路杆塔自身状况、地形地貌等因素对防雷性能的影响。根据Eriksson的改进电气几何模型计算表明，山坡地形对绕击跳闸率有较大的影响，且随地面倾角的增加，这种影响越大，线路的绕击跳闸率越高。因此，对于杆塔基础地面倾角较大的线路，即使采用负保护角也有可能发生绕击。

b． 高杆塔容易发生雷击

对于架空输电线路，随着杆塔高度的增加，大地对线路的雷电屏蔽作用将显著减弱，绕击区变大，线路的绕击跳闸率也随之增加 (如图12所示)。

导线高度随杆塔高度增加，导线暴露在外的范围增大，将出现当下行雷电先导已经下降到低于输电线路高度时发生雷击导线的“回头雷击”(如图13所示)。山区线路有时会跨越深沟，常因档距中间导线和地面高差过大，地面对导线屏蔽进一步减弱，容易发生绕击事故［5］。

c． 复合绝缘子耐雷水平相对较低

各种类型绝缘子串的雷电冲击放电特性，均由其两端金属间的干弧距离决定。在相同的环境下，绝缘子串两端金属间的干弧距离相同，其冲击放电电压值也基本相同。同电压等级、同安装高度下的复合绝缘子与盘形悬式绝缘子相比较，复合绝缘子盘径较小，需加装均压环，因此，其干弧距离比盘形悬式绝缘子要小，雷电冲击闪络电压比盘形悬式绝缘子低。

4 建议

a． 提高新建线路的防雷设计水平

提高新建输电线路防雷设计水平是降低雷击跳闸率的根本，500 kV等级线路主要从提高屏蔽保护性能考虑，220 kV等级则应从耐雷水平和屏蔽防护双方面考虑。在新建线路使用防雷装置时，为取得较好的防雷效果 (或性价比)，应对安装点进行优化选取，对安装方案进行精细化设计。

b． 强化防雷基础工作

降低接地电阻是传统且有效的线路防雷方法，各线路运维单位不但要按照状态检修试验规程检测周期开展接地电阻测试，而且应加强接地电阻测试准确性，发现接地电阻过大杆塔及时进行改造。

加强对线路雷电跳闸、雷电活动的统计工作，加强对雷电活动规律的了解，做到有的放矢，才能提高防雷措施的有效性。

c． 开展差异化防雷工作

目前，各种防雷措施均起到了一定防雷作用，但从技术经济综合分析，各种措施均存在不足之处。因此，开展输电线路防雷治理工作，要体现出“差异化”。对于500 kV及核心骨干网架、战略性输电通道、66 kV及以上重要负荷供电线路，建议以降低雷击跳闸率、提高设备运行可靠性为主要目标。为对比防雷措施的有效性，可在同塔双回线路中的1条线路全线安装同种防雷装置，逐年进行对比分析，科学评估该种防雷措施的有效性。对于一般输电线路建议尝试采取绝缘子并联间隙等“疏导型”防雷保护措施，减少雷击设备损坏，降低线路运维工作量。

d． 开展雷害风险评估工作

各网省公司均刚刚开展雷害风险评估工作。该项工作需要进行大量数据统计分析工作，并建立一套完整的评估体系和计算方法，是一项需要长期进行、不断总结完善的课题。建议采取“试点先行、不断完善”的方式，在雷电活动频繁地区选择部分线路以雷电监测为基础，根据输电线路电压等级、在电网中重要性和作用、线路走廊的雷电活动强度、地形地貌及线路结构的不同，有针对性地进行线路雷害风险评估工作。

［1］ 童雪芳，王海涛，陈家宏，等．雷电定位系统地闪密度分布图与雷击故障相关性分析 ［J］．高电压技术，2009，35(12):2 924－2 929．

［2］ 朱义东，邵宝珠，凌立平．雷电定位系统在辽宁电网中的应用［J］．东北电力技术，2009，30(12):24－29．

［3］ 关丽洁，刘明光．防雷方法综述 ［J］．东北电力技术，2006，27(1):50－52．

［4］ 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．

［5］ 王 飞，张 巍，朱义东．500 kV程徐线雷击跳闸原因分析 ［J］．东北电力技术，2010，31(9):7－9．