智能电网中雷电参数监测的探讨

李靖强 王泽众 杨晓娟 刘长征 徐 文

1.山东省济宁市供电公司 山东 济宁 272100；2.华北电力大学 北京 昌平 102206

0 引言

电力系统是由发电、输电、配电三大部分构成的， 架空输电线路作为这三大部分的重要组成，它的安全与稳定是我们需要密切关注的。由于架空输电线路经常地处荒野，构成纵横交错，并且经常会绵延数百至数千公里，极易发生雷击现象，造成各种如跳闸或停电的安全事故，这将会给国民经济带来十分重大的损失。 超、特高压输电线路一般比较长，且长期暴露在大气中，暴露面积大；同时超、特高压输电线路的杆塔高度比较高， 引雷半径比较大，因此遭受累积的可能性也就大。 据各类关于电网故障统计表明，超高压总跳闸次数中，因雷击引起的跳闸次数占40%～70%［1－2］，特别在土壤电阻率高、多雷、地形复杂的地区，因输电线路引起的故障会更多。 因此，做好架空输电线路的防雷工作对电力系统的安全性与稳定性有着至关重要的作用。

目前无论是用规程法还是电气几何模型法都无法很好地解释超、特高压输电线路跳闸率以绕击为主的事实，因此对超特高压输电线路的绕击耐雷性能进行研究，对于优化特高压线路设计，使其防雷保护技术更趋完备， 具有重要的工程实际意义。在目前没有设计、运行经验的情况下，如何针对绕击雷害的特点做好1000 kV 特高压线路的防雷工程设计，以提高线路的安全可靠性，并采取相应的有效防护对策，是亟待解决的问题。随着试验技术、无线通信技术、雷电模拟技术不断进步以及对电网雷击的认识提高，非常有必要系统地对电网雷电的参数监测与防护关键技术进行攻关研究。

1 国内外电网雷电监测水平现状

1.1 雷电参数测量

我国电网防雷保护仍属于粗放型状况，主要是对雷电的特性并没有很好的掌握，特别是某些地区的雷电流幅值与上升时间的分布，源头的防雷设计理念和可依赖的雷电参数等数据长期缺乏。不管是电气几何模型计算保护角，还是先导法计算雷击或绕击概率，最关键的是掌握雷电参数分布。

关于雷电参数测量和输电线路闪击路径测量，国外曾进行了相关研究，早期采用磁钢片进行定点测量， 多年前K.Berger在圣萨尔瓦托山上的观测站测得的1001次负极性放电和26次正极性放电［4－5］。我国也进行了大量雷电定位与监测系统的研究，并开发了相应的雷电监测报警系统。 该系统基于正交交叉天线来测量电磁波辐射， 从而进行雷电定位，但由于对雷电电磁波传播特性未能掌握，只能得到粗略的雷电幅值， 很难得到雷电的波形。 其实，雷电的分散性和随地域变化的特点，对我国广大的不同特征的输电网而言， 雷电流参数是极为贫乏的和急需的。

目前，雷电探测是利用闪电辐射的声、光、电磁场特性来遥测闪电放电参数：时间、位置、强度、极性、电荷、能量等。 由于声、光受周围环境的影响很大，很难用于精确测量雷电参数。因此，基于雷电辐射电磁场传播特性的全新数字化雷电监测系统是未来研发的重点。 美国、瑞士等国家已经开展了很多工作，根据雷电电磁波的辐射特性，可通过雷电定位系统得到大量估算雷击大地的雷电流峰值、上升时间和雷电电磁场数据反演等的重要参量［7］。 但是，现在的研究因模型简单、只能由近场测量值进行雷电流反演计算等限制原因，还不能充分发挥雷电定位系统数据量大、测量范围广等优势。

1.2 雷电参数分析与雷害评估

关于雷电参数分析与雷害评估研究，世界上发达国家对雷电的研究一直非常重视。美国是首先将雷电定位监测系统应用于电力系统的国家， 并在2000年对第一个10年全国的雷电定位监测运行数据进行详细的分析与研究。日本在90年代末采用在输电线路上加装直击雷记录设备的方法进行雷电流参数，并对雷电定位监测系统测量的雷电流进行校核精度［8］。 我国特高压线路建设中也非常重视雷电危害的评估，在过去的一年多时间内，多家研究所、高校及国外电力研究部门对特高压线路雷击跳闸率进行了分析计算，但由于未能很好地认识雷电物理过程及掌握雷电参数，各单位得出的研究结果也是差别很大，很难用于工程设计。

1.3 输电线路雷击跳闸率

绕击是超高压、特高压输电线路雷击跳闸的主要原因，在绕击跳闸率方面国内外的多名专家做了研究。 在绕击跳闸率计算时，多采用电气几何模型法［9］。经典的电气几何模型是由Whitehead教授等根据计算分析和现场试验结果，将雷电的放电特性与线路的结构尺寸联系起来而建立的一种几何分析计算模型。 该模型是一种工程模型，其发展和完善一直得到了现场观测数据的支持。作为绕击计算方法EMG比传统规程法前进了一大步，但是该模型没有考虑到雷电放电的分散性，并认为绕击与结构物高度无关，也没有考虑大地、避雷线、导线三者引雷能力的差别。而假定雷电先导对三者的击距是相等的，从而影响了模型的精确性。

针对经典电气几何模型的不足，Eriksson教授提出了改进的电气几何模型［10］。与经典电气几何模型相比改进电气几何模型考虑了结构物高度对引雷能力的影响，但其同样也没有考虑到雷击放电过程的分散性的影响。随着雷电先导理论的发展和长间隙放电研究的深入［9］，而后又提出雷电先导传播模型（Leader Progression Model，LPM），用于雷电屏蔽性能的研究。

为适应超、特高压输电发展的需要，国内学者也进行了一些对输电线路雷电绕击分析模型的研究和改进［11］。该方法全面的考虑了雷电先导发展过程中空间电场的变化情况及其对放电发展过程的影响，更加接近雷电发展的物理过程，适用于特高压线路的绕击耐雷性能计算。

2 亟待开展的关键技术

2.1 直接测量雷电流

近年来，由于雷电流参数是电网防雷设计的基础参数，随着雷电定位系统其在全国得到大量推广应用，在雷电流幅值的分布和地面落雷密度方面积累了海量数据。其基本原理是用多个测量天线测量雷击时的雷电电磁波，经过计算机的反推计算确定雷击地点、雷电流幅值以及极性。 由于电磁波的传播受地形地貌的影响，经反推计算的雷电流幅值在未知误差，目前还不能实际校核，需要通过直击雷电流的测量耐其进行标定。 同时，雷电流参数一直是架空输电线路和大型电力设备防雷设计的基础参散，但由于过去测量技术和成本问题，使得雷电流测量手段比较落后，导致我国可用雷电流监测参数十分匮乏［12］。

现在国内外对防雷的研究一般只精确到雷击区域或点的大体位置，并无对输电线路遭受雷击过程进行真实描述， 使防雷工作长期无法得到突破。因此，十分有必要对雷击输电线路造成绝缘子闪络的路径进行研究。通过开发出输电线路雷击在线监测系统，实测雷击避雷线、导线和杆塔的电流幅值、波形、极性等参数，直接判断遭受雷击的杆塔位置和雷击形式（绕击或反击），为采取准确灵敏的防雷措施，提供坚强的技术保证。 开展输电线路直击雷电流实测研究，可为我国电网获取和积累雷电流实测参数，激活海量雷电定位系统雷电流教据，并为电网防雷工程设计提供依据， 降低电网雷害发生，推动我国电网防雷技术的发展。

2.2 雷击输电线路模拟与绕击计算方法的设计

在特高压与超高压系统中，因反击耐雷水平升高而造成的绕击跳闸问题十分的突出［13］。并且根据对特高压线路上美国、加拿大等国的防雷运行经验的研究发现，绕击仍是雷击跳闸事故中高压输电线路跳闸的主因［14－15］。 在输电线路往更高电压等级发展和出现新的线路结构时， 原有以电气几何模型（EGM）为基础的输电线路直击雷电屏蔽保护［16－18］，在指导新线路的防雷屏蔽设计时也表现出一些局限性，所以建立适当的输电线路雷击模拟与绕击计算方法能够有效的监测线路的雷击故障。

在输电线路往更高电压等级发展和出现新的线路结构时，原有以电气几何模型（EGM）为基础的输电线路直击雷电屏蔽保护［16－18］，在指导新线路的防雷屏蔽设计时也表现出一些局限性，所以建立适当的输电线路雷击模拟与绕击计算方法能够有效的监测线路的雷击故障。

目前，以模拟电荷法为基础，计及线路的运行电压和雷电先导通道在地面和线路上的感应电压，建立雷电先导通道模型和输电线路模型的方法得到了很好的应用。 模拟电荷法 （Charge Simulation Method）于1969年由H.Steinbigler提出［19］，可用于计算高压电极、 高压输电线和其他高压电器附近的高压电场。 根据输电线路以及杆塔参数应用模拟电荷法设置的模拟电荷建立输电线路模型， 能够估计雷电通道参数并建立雷电通道模型， 从而计算出不同特高压塔型下，回击雷电流幅值，雷电流位置，导线、避雷线出现电晕放电时雷电通道头部的高度［20－24］。 该方法可反映雷击过程的基本规律，而通过该规律所得到的对地雷击距离与IEEE给出的推荐击距公式基本一致，具有良好的实践性与可靠性。

2.3 建立雷电数据库

关于基于雷电参数数据库和全波过程模拟的电网“防雷差异化设计”研究，IEC已经开始使用近十多年来的雷电定位系统的监测数据［25－26］，推荐了典型的防雷设计和校核用雷电参数，但是，仍然是沿用无差别化优化设计思想。随着超高压电网的迅猛发展，尤其特高压输电网的出现，必须利用雷电参数库，根据特高压输电线路的特殊结构和各区域特点，对特高压线路雷害进行正确评估，并找到输电线路容易受雷击并发生闪络的薄弱线段，针对输电线路易闪段重点提出防护措施，实现输电线路的“差异化防雷设计”，可以大大减少电力系统雷害事故，提高系统可靠性，特别是在特高压输电系统，建立一个完整、可靠的雷电数据库显得尤为重要。

2.4 雷电屏蔽模拟试验技术

由雷电屏蔽理论可知， 在保护角小于一定程度， 雷击绕击最大电流小于绕击耐雷水平的情况下，线路一般不会发生绕击跳闸事故。 但是输电线路某些局部区域会因气象、 地形和塔型等因素，出现绕击跳闸率居高不下的情况。而因为调整保护角将会引起杆塔的机械性能发生变化，所以在运行线路上采取这一措施是十分困难的。 并且，在特殊的大倾角山区，由保护角的调整所引起的屏蔽效果也不会显著增加。 因此，除了在建设阶段选择合适线路保护角等措施外，还需采用一些便于在运行时实施的雷电屏蔽增效措施［27－28］。

雷电屏蔽模拟试验技术的主要思想是用长间隙放电来模拟自然雷击的过程，其理论基础是二者之间的相似性。因通过长间隙放电来模拟雷击过程是不可行的，所以可以利用长间隙放电来模拟雷击的自然放电。通过对不同长度间隙进行冲击放电试验，可观测雷击放电过程并得到各种物理参数的变化规律，用于雷电屏蔽的各种仿真研究。

3 结论与展望

在电力系统中，防雷工程是一项复杂、系统的工程。 目前，虽然在智能电网的雷电监测与防护领域我国已经取得不少成果，但仍有不少关键技术难题亟需解决。 只有结合各种系统的实际情况，并综合应用本文讨论过的各种防护措施，才能提高智能电网的防雷水平， 减少各种雷害事故对电网的影响，提高电网的安全运行水平。除此之外，通过对本文讨论的各项关键技术开展分析与研究，还会为我国相关防雷标准和规程的制定与修改提供一定的依据。

［1］国网武汉高压研究院.雷电定位系统全国组网技术的研究及开发［R］.武汉：国网武汉高压研究院，2005.

［2］国网武汉高压研究院.国网雷电监测网络方案及相关技术研究［R］.武汉：国网武汉高压研究院，2007.

［3］Uman M A.The electromagnetic radiation from a rink antenna［J］.American Journal of Physics，1975.43（1）：33-38.

［4］陈家宏，张勤，冯万兴等.中国电网雷电定位系统与雷电监测网［J］.高电压技术，2008，34（3）：425-431.

［5］胡毅.输电线路运行故障的分析与防治［J］.高电压技术，2007，33（3）：1-8.

［6］陈家宏，冯万兴，王海涛等.雷电参数统计方法［J］.高电压技术，2007，33，（10）：6-10.

［7］易辉.同杆双回500 kV输电线路防雷特性分析及改进措施［J］.高电压技术，1998，24（2）：152-55.

［8］葛栋，杜澍春，张翠霞.1000 kV交流特高压输电线路的防雷保护［J］.中国电力，2006，39（10）：24-28.

［9］Uman M A.The electromagnetic radiation from a finite antenna［J］.American Journal of Physics，1975，43（1）：33-38.

［10］易辉，崔江流.我国输电线路运行现状及防雷保护［J］.高电压技术，2001，27（6）：44-45.

［11］Krider E P.Noggle R C，Uman M A.A gated，wide band magnetic direction finder for lightning return strokesl［J］.Journal of Applied Meteorology，1976.15（3）：301-306.

［12］Orville R E.Lightning ground flash density in the contiguous United States -1989 ［J］.Monthly Weather Review。 1991，119（2）： 573-577.

［13］Shindo T，Yokoyama S，Tomita S，et a1.Lightning location systems in Japan and a lightning frequency map using the data obtained by them ［c］ The l0th International Symposium On High Voltage Engineering.Montreal，Canada“s.，1997.

［14］BuechlerDE，DriscollKT，GoodmanS J，et a1.Lightning activity within a tornadic thunderstorm observed by the Optical Transient Detector （OTD） ［J］.Geophysical Research Letters，2000，27（15）：2253-2256.

［15］Thomas R J，Krehbiel P R，Rison W，et a1.Comparison of ground—based 3 -dimensional lightning mapping observations with satellite -based LIS observations in Oklahoma ［J］.Geophysical Research Letters，2000，27（12）：1703-1706.

［16］L Dellera，E Garbagnati.Lightning stroke simulation by means of the leader progression model，Part I：Description of the model and evaluation of exposure of free-standing structures ［J］.IEEE Trans. on Power Delivery，1990，5（4）：2009-2022.

［17］P. Chowdhuri, Estimation of flashover rates of overhead power distribution lines by lightning strikes to nearby ground, IEEE Trans. Power Del.,1989，4（3）：1982-1989.

［18］Jinliang He. Youping Tu. Numeral analysis model for shielding failure of transmission line under lightning stroke［J］. IEEE Transaction on Power Delivery, 2005, 20（2）：815～822.

［19］解广润.电力系统过电压［M］.北京：水利水电出版社,1984.

［20］L Dellera，E Garbagnati.Lightning stroke simulation by means of the leader progression model，Part I：Description of the model and evaluation of exposure of free-standing structures ［J］.IEEE Trans. on Power Delivery，1990，5（4）：2009-2022.

［21］DW Gilman, ER Whitehead. The mechanism of lightning flashover on high voltage and extra -high voltage transmission lines［J］. Electra, 1973, 27：65-96.

［22］GW Brown, ER Whitehead. Field and analytical studies of transmission line shielding-Part II ［J］. IEEE Trans,PAS, 1969, 88（5）：617-626.

［23］AJ Eriksson. An improved electricalgeometric model for transmission line shielding analysis ［J］. IEEE Trans,PWRD, 1990, 5（4）：2009-2022.

［24］AJ Eriksson. The incidence of lightning strikes to transmission lines ［J］. IEEE Trans, PWRD, 1987, 2（3）：859-870.

［25］A. Bondiou, I Gallimberti. Theoretical modeling of the development of the positive spark in long gaps［J］.J. Phys D： Appl. Phys, 27（1994）：1253-1266.

［26］I Gallimberti. A computer model for streamer propagation［J］. J. Phys D： Appl. Phys, 1972, 5（1972）：2179-2189.

［27］L Dellera，E Garbagnati.Lightning stroke simulation by means of the leader progression model，Part I：Description of the model and evaluation of exposure of free-standing structures ［J］.IEEE Trans. on Power Delivery，1990，5（4）：2009-2022.

［28］Farouk A.M. Rizk. Modeling of transmission line exposure to direct lightning strokes ［J］.IEEE Trans. on Power Delivery，1990，5（4）：1984-1997.

［29］He Jinliang，Tu Youping，Zeng Rong，et al.Numeral analysis model for shielding failure of transmission line under lightning stroke［J］.IEEE Trans. on Power Delivery，2005，20（2）：815-822.

［30］钱冠军，王晓瑜，汪雁等.输电线路雷击仿真模型［J］.中国电机工程学报，1999，19（8）：39-44.