基于雷电定位数据的广州白云机场10kV配网雷击风险评估

孙雷雷，王小霖，龚学毅

（1．广州白云国际机场股份有限公司，广州广东 510403；2．华南理工大学电力学院，广州广东 510640）

广州白云国际机场是中国第三大城市广州的门户，广东省省会广州市的一座大型民用机场，是连接外界与珠江三角洲地区的枢纽，重要性不言而喻，对白云机场的供电可靠性必需得到极高的保障[1]。维护白云机场电网的安全稳定运行是保证其供电可靠性的重要手段。同时，珠江三角洲地区是广东省雷电灾害高发区，同样的土地面积上雷电灾害发生的次数是全省平均水平的1倍以上[2-8]。雷击是威胁白云机场电网安全稳定运行的重要因素，建立白云机场电网的雷击风险评估体系，对制定相应电网雷电防护措施和应对策略具有重要的意义。

目前，国内外对雷电灾害的风险评估已经做了大量研究，国际电工委员会于2006年发布国际防雷标准IEC62305，这也是最早提出将风险评估思想应用于雷电防护管理的技术标准。本标准中明确提出雷害风险Rx由危险事件的数目N、危害的概率Px、导致的损失Lx3大部分组成，并针对建筑物雷电防护风险管理进行了完整的阐述[9]。但目前针对电网雷害风险评估的研究甚少，一般以雷击跳闸率作为评估指标，跳闸率高的线路即为雷害风险较高的线路[10]。越来越多的研究表明，仅以雷击跳闸率作为衡量电网雷害风险的唯一指标是不合理的，电网的雷击风险需加入雷击导致线路跳闸后对电网的影响等因素[11]，而IEC62305标准为建立电网的雷击风险评估模型提供了重要参考。

1997年运行以来的广东雷电定位系统，积累了海量的雷电监测实时数据，为研究白云机场的雷电活动规律提供了大量的数据样本[12]。本文以白云机场1999—2008年的雷电定位数据为基础，参考IEC62305中的雷击风险评估模型，提出了一种10 kV配网的雷击风险评估模型，评估白云机场各条10 kV配电线路的雷击风险，所得结果为指导电力部门采取有针对性的防护措施提供依据。

1 白云机场雷电分布规律

1.1 地闪频次

广州白云国际机场是中国第三大城市广州的门户，广东省省会广州市的一座大型民用机场，国内三大航空枢纽机场之一，于2004年8月5日正式启用，地处广州市白云区人和镇和花都区新华街道、花山镇、花东镇交界处，距广州市中心海珠广场的直线距离约28 km，占地面积约30 km2。广州地区暴雪、龙卷风等恶劣天气发生的频次较为稀少，雷击是威胁机场设施、人员安全的主要自然灾害因素。图1是根据雷电定位系统1999—2008年的雷电监测数据，通过网格法[13]绘制的广州地区地闪分布图，图1中用绿色方框标定的区域为白云机场。由图1可知，广州地区的地闪分布呈现出南北两头低、中间高的特点，白云机场处于雷电活动较为密集的中部地区。

为了更深入地研究白云机场的雷电地闪活动特征，将1999—2008年历年雷电定位系统记录的白云机场落雷，数除以机场总面积，得到的白云机场地闪密度与广州地区历年地闪密度对比，如图2所示。

由图2可知，白云机场和广州地区的地闪密度均呈现了一定的增长趋势，2004—2008年的地闪密度要高于1999—2003年。总体上看，白云机场10 a的平均地闪为29.52次/km2，大于广州地区的22.53次/km2，由于雷电活动的随机性，白云机场的雷电地闪密度在2001年、2004—2007年远远高于广州地区的平均值，在1999年、2000年、2002年、2003年、2008年与广州地区平均值基本持平。

图1 广州地区1999—2008年地闪密度分布图Fig.1 The ground flash density distribution in Guangzhou from 1999 to 2008

图2 广州和白云机场1999—2008年地闪密度走势对比Fig.2 Trend of the ground flash density in Baiyun airport from 1999 to 2008 as compared with that of in Guangzhou

表1为白云机场的地闪频次月际变化统计表，由表1可知，白云机场落雷较多的月份主要集中在每年的4—10月，在5—8月达到峰值，这与广州地区的情况类似，相关部门应该根据这一雷电活动规律调整某些工作的安排，例如：在4月之前完成各种防雷设备的检修工作，以应对雷雨季节的来临。在雷雨季节启动相关应对机制，以处理一些因雷击引起的设备故障或者人员安全问题。

1.2 雷电流幅值概率分布

雷电流幅值概率分布是用来表示雷电活动强弱特征并用来指导防雷设计的重要基础数据，在电网防雷评估中，它决定了一次雷击产生的过电压使绝缘发生闪络的概率[14-15]。将白云机场各幅值段的雷电流频次除以总的地闪频次得到如图3、图4所示的机场历年雷电流幅值概率密度分布曲线。由图3、图4可知，白云机场的雷电流主要集中在幅值为0~50 kA的范围内，60~80 kA的雷电流也占有一定比例，降低110 kV以上等级输电线路的接地电阻可将线路的反击耐雷水平控制在50 kA以上，但输电线路的绕击危险电流往往集中在0~50 kA，因此，白云机场的输电线路防雷难点在于绕击的防护。图5为白云机场与广州地区的雷电流幅值概率密度对比，由图5可知，与广州全区域相比，白云机场的雷电流幅值要相对分散，在0~10 kA和60~90 kA的幅值段所占的比例要高于广州地区的平均值，在10~60 kA的幅值段所占的比例要低于广州地区的平均值。

表1 白云机场1999—2008年地闪频次月际变化Tab.1 The monthly ground flash frequency from 1999 to 2008

图3 白云机场1999—2003年雷电流幅值概率密度分布Fig.3 The lightning current amplitude probability density distribution at Baiyun airport from 1999 to 2003

图4 白云机场2004—2008年雷电流幅值概率密度分布Fig.4 The lightning current amplitude probability density distribution at Baiyun airport from 2004 to 2008

图5 广州和白云机场1999—2008年雷电流幅值概率密度分布对比Fig.5 The lightning current amplitude probability density distribution in Guangzhou and at Baiyun airport from 1999 to 2003

2 10kV配网雷击风险的定义和评价方法

2.1 10kV配网雷击风险的定义

不管是较早的国际标准IEC61024-1，还是后来的IEC61662，乃至现在运用比较广泛、评估方法相对比较成熟的IEC62305，包括国内的GB50343电子信息系统风险评估以及行业标准《雷电灾害风险评估技术规范》，所有的这些雷击风险评估的评估方法都只针对单体建筑，其评估结果可作为建筑物雷电防护的设计依据。ICE标准中许多关于雷击风险评估的思想和方法均值得借鉴和引用于输、配电线路的雷击风险评估中[16-19]。

IEC62305-2给出了雷击风险评估的定义和基本关系，即：雷击风险R表示某个防雷对象、在某一地区、平均在某一时间段内、在某种防雷系统之下，因雷击造成的损失。如有多种互不相干的风险存在，则R=∑RX。

雷击风险的基本关系[20]：

式中，N为防雷对象的年雷击次数；P为雷击损坏的概率；L为雷击造成的损失。电网中输、配电线路无论是发生瞬时性的故障，还是永久性的故障，均会引起送电失败，导致线路跳闸。我国规程采用雷击跳闸率作为评价输、配电线路耐雷性能的重要指标，它表示一定长度的线路在一定的时间范围内可能发生的跳闸次数。规程中配电线路的雷电直击跳闸分为直击杆塔跳闸和直击导线跳闸。直击杆塔的跳闸率计算公式[21]：

式中，n1为线路雷电反击跳闸率，次/100 km·a；N为输电线路的年雷击次数；g为击杆率；η为雷击建弧率；P1为根据雷电流幅值概率分布函数求得的大于线路反击耐雷水平的概率。

图6 配电线路电气几何模型示意图Fig.6 Electrical geometric model diagram for the distribution line

电气几何模型中直击导线的跳闸率计算公式[22]：

式中，Ie为可发生绕击跳闸的临界雷电流，kA；Imax为最大绕击电流，kA；p（I）为雷电流幅值概率密度。

此外，当雷电击于线路附近的地面时，在导线上产生的过电压可能使绝缘发生闪络跳闸事故，感应雷击跳闸率的计算公式为：

对比式（1）、式（2）、式（3）、式（4）可知，式（1）、式（2）、式（3）、式（4）均包含雷击次数，式（2）中的g、η、P1均为概率，约去式（3）、式（4）中的落雷次数N后，其余部分参数的乘积也是没有量纲概率值。因此，借鉴IEC标准对建筑物雷击风险的定义，本文定义10 kV配电网的雷击风险为：在某一地区、平均在某一时间段内、因雷击使10 kV配电网造成的损失。

2.2 10kV配电线路故障损失评价方法

2.2.1 跳闸重合闸成功的故障

线路绝缘子发生因雷击引起的闪络事故后，形成稳定的工频电弧，使断路器动作，发生跳闸事故。当线路未发生永久性故障时（例如：绝缘子炸碎、变压器遭受雷电波入侵发生爆炸等），电弧熄灭后，自动重合闸启动，继续正常供电。绝大部分雷击引起的线路跳闸能够重合闸成功，但有损失：

1）我国电力行业规程规定，断路器因雷击引起的动作次数达到或者接近限定值时，必须进入检修状态，因此，会产生一定的负荷损失和检修费用；

2）线路绝缘子因闪络产生电弧灼烧的痕迹，必需更换，产生了一定的设备费和检修费用。

跳闸重合闸成功的故障损失：

2.2.2 跳闸重合闸失败但强送成功的故障

如果重合闸启动时，故障点绝缘未恢复或者由于继保漏洞，导致断路器再次动作跳开，根据运行规则，需要手动强送电。手动强送电成功后，电力恢复供应，但由于手动强送电与断路器跳闸存在一定的时间间隔，线路产生了负荷损失。因此，跳闸重合闸失败，但强送成功的故障损失除了故障类型1中产生的损失之外，还会增加一部分负荷损失。重合闸失败，强送成功的故障损失：

式中，P为线路输送功率；t1为断路器跳闸与手动强送成功时刻的时间间隔。

2.2.3 跳闸重合闸失败且强送失败的故障

当线路因雷击引起避雷器击穿、绝缘子击爆等永久性故障导致断路器动作后，线路重合闸启动故障点仍然存在，手动强送失败。需工作人员巡线查找故障点及故障原因，修复损坏的设备后，才可恢复供电，依次产生了负荷损失、设备费用、检修费用等，由于检修设备到恢复供电的时间间隔相对于故障类型1、2要长很多，如果这段时间内的负荷不能及时转供，将造成重大的负荷损失。重合闸失败，强送失败的故障损失：

式中，P为线路输送功率；t2为断路器跳闸与恢复供电时刻的时间间隔。

2.3 10kV配网雷击风险评价方法

综2.1、2.2节所述，10 kV配网的雷击故障按照故障原因可分为雷电直击杆塔、雷电直击线路和雷电感应。按照故障类型可分为：跳闸重合闸成功、跳闸重合闸失败，强送成功和跳闸重合闸失败，强送失败的故障。根据IEC标准，线路的总雷击风险是这几种故障类型的叠加，即：

式中，L1、L2、L3分别为跳闸重合闸成功、跳闸重合闸失败，强送成功和跳闸重合闸失败，强送失败的平均损失；α1为线路重合闸失败的概率；α2为线路重合闸失败，强送失败的概率。α1、α2根据多年历史跳闸数据统计值通过修正后求得。图7为绘制的10 kV配网雷击风险评估体系图。

图7 10 kV配网雷击风险评估体系图Fig.7 Diagram of the lightning risk assessment system for the 10 kV distribution network

3 10kV配网雷击风险的评估步骤

3.1 杆塔和线路的雷击跳闸率计算

线路的雷击跳闸率是各基杆塔雷击跳闸率的加权之和，文献[6]给出了线路雷击跳闸率的计算公式为：

式中，lz为线路的总长度，m；li为各基杆塔的垂直档距，m；nzi为各基杆塔的总雷击跳闸率，次/100 km·a。

各基杆塔的雷击跳闸率根据式（1）、式（2）、式（3）进行求取，其中，雷电地闪密度取白云机场的10 a地闪密度平均值，雷电流幅值概率分布函数取将白云机场10 a雷电流幅值概率分布曲线进行拟合得到的函数，所得的各基杆塔总雷击跳闸率等于反击、直击导线和感应雷跳闸率之和。

3.2 3种类型故障概率的求取

对于雷击过电压引起的绝缘子表面闪络等瞬时故障，当系统出现故障时，保护立刻动作使线路或设备断电，在非常短暂的时间内，故障点的电弧就会自动熄灭，使绝缘得以恢复。电力系统中大部分（超过90%）因雷击引起的闪络跳闸事故能够自动重合闸成功[23-26]。重合闸不成功的原因是线路发生了永久性故障或者继保漏洞误动作造成的，而继保误动作可通过手动强送电加以纠正。本文通过统计的办法，根据珠江三角洲地区的10 a运行数据求取自动重合闸失败率α1和手动强送电失败率α2。

3.3 故障损失的求取

系统的每一次跳闸故障所造成的损失均不同，风险模型当中的损失为平均损失。各种类型故障的平均损失有式（5）、式（6）、式（7）计算得到，但由于配电网络的复杂性，在计算负荷损失时需考虑转供的问题，在采用式（7）计算强送失败的损失时，需先判定能否转供的问题，图8为线路负荷能否转供的判定流程图。

4 白云机场10 kV配网雷击风险评估

广州白云机场是广州地区重要性等级较高的负荷之一，对它的安全供电影响着整个珠三角乃至华南地区物流和人流的流通和运转。作为机场来讲，其导航、航管、航空通讯、气象、消防、供电、弱电、助航灯光等系统处于永久工作状态，一旦有因雷击线路而引起的停电事故，将造成重大损失，故每一个重要性等级较高的系统均设有应急备用电源，而雷击引起线路供电中断必然对电力部门造成负荷损失。

白云机场供电系统由1座110 kV变电站、2条110 kV进线、若干条10 kV配电线路组成。10 kV配电线路担负着向负荷传递电能的重任，图9为机场高压供电系统拓扑图。本文将10 kV电网雷害风险评估技术应用于白云机场10 kV电网，依次实现了“电网→线路→杆塔区段→杆塔”的全层级评估，为各级生产运行部门实施电网差异化防雷保护提供了科学依据。

图9 白云机场高压供电系统拓扑图Fig.9 Topology of the high-voltage power supply system for Baiyin Airport

表2 白云机场10 kV配网雷击风险评估结果Tab.2 The result of lightning risk assessment for Baiyun airport 10 kV distribution network

表2中的风险权值和风险排序为白云机场10 kV电网截止于2008年的线路雷害风险评估结果，在表中同时还给出了2009—2010年各条线路的雷击跳闸次数以分析评估结果的有效性。根据运行部门要求的划分等级数，可确定各等级的线路条数及对应的线路名称。2009—2010年全网9条线路共计发生19次雷击跳闸，其中15次发生在2008年评价结果中风险等级较高的前5条线路，占故障总数的77．8%。特别是风险排序2～4位的线路B、D、H就集中发生了10次雷击跳闸故障，占了故障总数的55．6%，且这3条线路在2009—2010年各发生了1次重合失败的严重事故，导致系统中断供电。可见，评价结果与实际故障情况比较相符。造成这3条线路雷击风险较高的原因主要是：

1）线路D、H的运行时间是所有线路中最长的，而线路B运行时间也较长；

2）线路B的计算跳闸率和实际跳闸率均很高；

3）线路N、O的设备损害程度显著高于其他线路。

而线路I虽然位于风险排序第1位，但2009和2010两年仅发生1起雷击故障，分析原因主要是：

1）2008年以前该线路的实际雷击跳闸率远高于其他线路，且发生过重合失败的严重事故，故造成评估出的风险等级很高；

2）截至2008年线路运行时间很短，因而运行经验受雷电活动随机性影响较大。可见，获得更加准确的风险评估结果有赖于进一步积累实际运行经验后对评估初值不断修正。

5 结论

1）广州白云机场处于广州雷电活动最为密集的区域，雷电地闪密度高于广州地区的平均值，且有逐年增长的趋势。与广州全区域相比，白云机场的雷电流幅值要相对分散，在0~10 kA和60~90 kA的幅值段所占的比例要高于广州地区的平均值，在10~60 kA的幅值段所占的比例要低于广州地区的平均值。

2）本文提出的10 kV配网雷击风险评估模型包括跳闸率计算和跳闸损失计算2个模块，跳闸率计算分为直击杆塔、直击导线和感应过电压的跳闸率计算。跳闸损失计算根据跳闸重合成功、重合失败，强送成功和重合失败，强送失败3种故障类型分别进行计算，加权求和得到总的跳闸损失。

3）采用本文提出的10 kV配网雷击风险评估模型得到的白云机场10 kV配电线路雷击跳闸风险值与实际运行情况较相符，为白云机场10 kV配电系统的防雷提供了重要参考。

[1]孙雷雷．广州白云机场雷电灾害风险评估 [D]．广州：华南理工大学，2012.

[2]易燕明，杨兆礼，万齐林．雷电灾害对珠江三角洲区域经济发展的影响[J]．资源科学，2005，27（1）：64-68.YI Yanming，YANG Zhaoli，WAN Qilin．Influence of LIGHTNING disaster on regional economical development in the pearl river delta[J].Resources Science，2005，27（1）:64-68（in Chinese）.

[3]曹晓斌．惠州地区雷电活动规律研究[J]．南方电网技术，2011，5（2）：68-71.CAO Xiaobin.Study on the regular pattern of lightning activity in Huizhou region[J].Southern Power System Techchnology，2011，5（2）：68-71（in Chinese）.

[4]刘刚．珠江三角洲地区雷电时空分布规律的统计研究[J]．电网与清洁能源，2011，27（11）：13-19.LIU Gang.Statistical studies on lightning temporal distribution of the pearl river delta region[J].Power System and Clean Energy，2011，27（11）：13-19（in Chinese）.

[5]黄清社．10 kV架空绝缘导线防雷保护的措施研究[J]．高压电器，2010，46（12）：32-35.HUANG Qingshe.Research on lightning protection of 10 kV overhead insulated distribution lines[J].High Voltage Apparatus，2010，46（12）：32-35（in Chinese）.

[6]刘刚，唐军．根据雷电定位数据对输电线路雷击跳闸率计算方法修正的探讨[J]．电瓷避雷器，2011（6）：95-101.LIU Gang，TANG Jun.Discussion on correction of transmission line lightning trip-out rate based on lightning location data[J].Insulators and Surge Arresters，2011（6）：95-101（in Chinese）.

[7]陈维江，陈家宏，谷山强，等．中国电网雷电监测与防护亟待研究的关键技术[J]．高电压技术，2008，34（10）：2009-2015.CHEN Weijiang，CHEN Jiahong，GU Shanqiang，et al.Key technologies of lightning detection and protection in China power grid[J]．High Voltage Engineering，2008，34（10）：2009-2015（in Chinese）.

[8]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.CHEN Jiahong，FENG Wanxing，WANG Haitao．Statistical method of lightning parameters[J]．High Voltage Engineering，2007，33（10）：6-10（in Chinese）.

[9]陈家宏，王剑，童雪芳，等．电网雷害分布图研究[J]．高电压技术，2008，34（10）：2016-2021.CHEN Jiahong，WANG Jian，TONG Xuefang， et al.Research on power grid lightning hazard maps[J].High Voltage Engineering， 2008， 34（10）:2016-2021 （in Chinese）.

[10]张振洪．氧化锌避雷器在线监测方法的研究[J]．高压电器，2009，45（5）：126-129.ZHANG Zhenhong.Study on the on-line monitoring method of metal oxide surge arrester[J].High Voltage Apparatus，2009，45（5）：126-129（in Chinese）.

[11]刘勇．区域输电网雷击闪络风险评估技术研究[D]．广州：华南理工大学，2012.

[12]刘刚，季严飞．采用单档距走廊法分析高压输电线路的存在对地闪的影响[J]．高电压技术，2010，36（9）:2140-2147.LIU Gang，JI Yanfei．Analysis of lightning activities after the erection of HV transmission lines using statistical method of single-span corridor[J]．High Voltage Engineering，2010，36（9）：2140-2147（in Chinese）.

[13]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（28）：2489-2491.WANG Haitao，TONG Hangwei，FENG Wanxing，et al．Drawing methods and validity for cloud-to-ground flash density map of Zhejiang province[J]．High Voltage Engineering，2008，34（28）：2489-2491（in Chinese）.

[14]孙萍．220 kV新杭线雷电流幅值实测结果的统记分析[J]．中国电力，2000（3）：72-75.SUN Ping．Statistical analysis on lightning current amplitude measurement on 220 kV Xinhong line[J]．Electric Power，2000（3）：72-75（in Chinese）.

[15]李家启，申双和，廖瑞金．等．重庆地区雷电流幅值变化特征分析[J]．高电压技术，2010，36（12）：2918-2923.LI Jiaqi，SHEN Shuanghe，LIAO Ruijin，et al.Analysis of the lightning current amplitude change characteristics in Chongqing area[J]．High Voltage Engineering，2010，36（12）：2918-2923（in Chinese）.

[16]朱传林，王学良，黄克俭，等.浅析雷电灾害风险评估标准中存在的问题[J].电瓷避雷器，2013（1）:45-49.ZHU Chuanlin，WANG Xueliang，HUANG Kejian，et al.Analysis of the problems in lightning disaster risk assessment standard[J].Insulators and Surge Arresters，2013（1）:45-49（in Chinese）.

[17]黄然，王磊，赵现平，等.基于危险雷电流区间分布的输电线路雷击故障性质判断方法[J].电瓷避雷器，2013（1）:74-79.HUANG Ran，WANG Lei，ZHAO Xianping，et al.Identification of shielding failure and back striking based on interval distribution of dangerous lightning current[J].Insulators and Surge Arresters，2013（1）:74-79（in Chinese）.

[18]胡斌，郭洁，万帅，等.±500 kV直流输电线路耐雷性能研究[J].电瓷避雷器，2013（2）:94-98.HU Bin，GUO Jie，WAN Shuai，et al.Study on lightning withstand performanceof±500 kV DC transmission lines[J].Insulators and Surge Arresters，2013（2）:94-98（in Chinese）.

[19]席禹，唐军，莫芸，等.珠江三角洲地区某500 kV输电线路引雷对周边10 kV配电线路雷击故障的影响分析[J].电瓷避雷器，2013（3）:92-99.XI Yu，TANG Jun，MO Yun，et al.Analysis of the effect of a 500 kV transmission line’s triggering lightning on the near 10 kV distribution line[J].Insulators and Surge Arresters，2013（3）:92-99（in Chinese）.

[20]李贵玲．银行办公大楼雷击风险评估技术研究[D]．北京：华北电力大学，2010.

[21]DL/T620—1997交流电气装置的过电压保护和绝缘配合[S]．北京：中国电力出版社，1997.

[22]陈思明，唐军，陈小平.根据电气几何模型对10 kV配电线路雷击跳闸率的计算分析[J].电瓷避雷器，2013（4）:111-116.CHEN Siming，TANG Jun，CHEN Xiaoping.Calculation analysis on lightning strike trip-out rate of 10 kV distribution line with electric geometry method[J].Insulators and Surge Arresters，2013（4）:111-116（in Chinese）.

[23]高新智．针对某35 kV配电线路防雷问题的探讨[J]．高压电器，2010，46（4）：69-73.GAO Xinzhi.Study on the lightning protection problem of 35 kV transmission and distribution line High Voltage Apparatus，2010，46（4）：69-73（in Chinese）.

[24]沈丛奇．超临界机组智能化协调控制系统研究和实施[J]．电力与能源，2011（1）：52-56.SHEN Congqi.The research and realization of intallectualizd coordination control system for supercritical power units[J].Power and Energy，2011（1）：52-56（in Chinese）.

[25]胡传煜．风电发展对我国电网运行可能造成的影响[J]．电力与能源，2011，32（3）：213-216.HU Chuanyu．Briefly analysis impact of development of wind power for grid[J].Power and Energy，2011（1）：52-56（in Chinese）.

[26]安天瑜．电力系统风险研究现状[J]．电网与清洁能源，2009，25（9）：4-10.AN Tianyu.Research status on power system risk[J].Power System and Clear Energy，2009，25（9）：4-10（in Chinese）.