十堰220 kV输电线路雷击跳闸与地形相关性分析

孙 涛， 祁玉龙， 刘 华， 李 涵， 周文俊， 喻剑辉， 齐小军

(1. 国网湖北省电力公司 十堰供电公司， 湖北 十堰 442000； 2. 武汉大学 电气工程学院， 湖北 武汉 430072；3. 武汉新电电气技术有限责任公司， 湖北 武汉 430073)



十堰220 kV输电线路雷击跳闸与地形相关性分析

孙 涛1， 祁玉龙2， 刘 华1， 李 涵2， 周文俊2， 喻剑辉2， 齐小军3

(1. 国网湖北省电力公司 十堰供电公司， 湖北 十堰 442000； 2. 武汉大学 电气工程学院， 湖北 武汉 430072；3. 武汉新电电气技术有限责任公司， 湖北 武汉 430073)

十堰地区气候、地理环境复杂，雷电活动频发，线路抵御雷击能力薄弱，雷击跳闸事故频繁发生。本文收集了十堰地区220 kV十悬线雷电参数、雷击事故和地理环境数据，利用规程法和电气几何模型计算线路反击跳闸率和绕击跳闸率。结合十悬线2011～2013年线路实际雷害情况，与计算结果进行对比，分析十悬线雷害与线路走廊雷电参数、线路特征和地理环境的相关性。结果表明十悬线雷害主要发生在山顶和大跨距杆塔上。

十悬线； 雷击跳闸率； 地形； 相关性

0 引 言

十堰市位于湖北省西北部，属于江汉平原向秦岭巴山过渡地区。十堰市北部为秦岭山脉东段，中部为武当山，大巴山的东段横列于十堰市西南部，这些山脉多由变质岩和石灰岩构成[1]，主要有丘陵、低山、中山、高山4种地貌类型，海拔最高点竹溪葱坪海拔2 740.2 m，最低点丹江口市潘家岩海拔87 m[2]。

十堰电网共有220 kV输电线路19条，大部分分布在山区，造成输电线路走廊地形复杂，杆塔高差大、大跨越档距多、接地电阻偏高。每年夏季，十堰地区雷电活动强烈，落雷密度大，输电线路跳闸频繁。

在我国电网110～500 kV设备事故中，雷击跳闸次数占输电设备跳闸总次数的第一位[3]，造成输电设备非计划停运次数比例(仅次于外力破坏)占第二位[4]，已经严重影响了电网的运行和供电用电的安全可靠[5]。研究表明在输电线路雷电活动时空分布特征中，区域地形地貌的不同，直接影响输电线路上空的雷电活动[6-7]。雷击故障的发生与地形及雷电活动强弱程度有密切的关系[8-9]。输电线路一般穿越多种不同的地形，其遭受雷击的概率和雷击的次数存在显著差异性[10]。

本文以十堰市境内220 kV线路十悬线为例，分析了十悬线雷击跳闸与地形的相关性。

1 十悬线输电走廊地理特征

十悬线是十堰市西南部一条重要的220 kV输电线路，连接十堰和悬鼓洲变电站，线路全长66.2 km、共140基杆塔、单回架设；全线塔型主要为猫头塔、14～15片玻璃绝缘子，配置双避雷线。图1为十悬线线路走廊高程剖面，十悬线路走廊高低起伏剧烈，由十堰站出发，线路初段爬坡，最大高程在24#杆塔处为1 178 m，至线路中段又降至低谷，在线路末段呈现出起伏增高的趋势。图中的六条垂直红线所标记的位置为2011～2013年间十悬线雷击跳闸杆塔的位置。

图1 十悬线线路走廊地形高程

统计表明，十悬线走廊地形主要以山地为主，其中平地占5%，山坡占47.86%，山顶占41.43%，山谷占5.71%，如图2所示。

图2 十悬线杆塔地貌分布图

十悬线沿线雷电活动分布特征分析和典型雷电参数的获取以湖北省雷电定位系统[11]2011～2013年3年雷电监测数据为基础。十悬线2011～2013年各年及平均年沿线地闪密度可以看出，线路首端的雷电活动较弱，地闪密度值较小，线路末端雷电活动较强烈，地闪密度值较大。

十悬线杆塔大部分处于山脊/山顶、山坡地形之上，受地形影响，线路大跨越段多。十悬线超过30%线路为大档距、大跨越，共有43段档距超过600 m，其中3段线路档距超过1 000 m，具体如图3所示。

图3 十悬线线路档距分布

2 十悬线雷害特征

十悬线在2011～2013年间共发生6次雷击跳闸故障，雷害时间、地点如表1所列。

表1 雷击故障杆塔基本信息

6次雷击故障中，有4次出现在落雷密度最大的区域中，雷击故障主要出现在雷电活动相对较活跃的地区，与地闪密度相关性较强。发生雷击跳闸故障的6基杆塔中，48#、94#、105#和137#杆塔是直线猫头塔，23#和118#杆塔是转角耐张塔。在塔形分布上，有4次雷击故障集中在直线塔处；另有2次雷击故障发生在转角塔处。

在档距分布上，有3次故障发生在档距为600 ～800 m之间的杆塔上，占50%，有2次故障发生在800m以上的大档距杆塔上。除2011年在一般档距杆塔发生过1次雷击故障(绕击)；其余发生故障的杆塔均为大档距杆塔(600 m以上)。

在杆塔地形地貌分布上，有4基故障杆塔位于山顶，有2基故障杆塔位于坡沿，没有故障发生在河谷平地上的杆塔 。

3 十悬线雷击跳闸风险计算

结合杆塔结构特征和地理环境，将杆塔所在地形分为山顶、沿坡、山谷和平地，利用规程法[12]计算线路的反击跳闸率和电气几何模型(EGM)[13-15]法计算线路的绕击跳闸率。由于十悬线输电线路走廊环境复杂，地形地貌和落雷密度差异大，计算整条线路跳闸率不能反映个别雷击跳闸风险极高的区段。因此本文对输电线路杆塔分段进行雷害风险评估，将每基杆塔及其左右1/2档距看作一段小的线路，分段计算每段线路的雷击跳闸率，并通过积分得到全线雷击跳闸率。计算结果如图4所示。

图4 十悬线各基杆塔分段雷击跳闸率

结合图1与图4，线路首端的地闪密度较小，但是因为线路首端的海拔较高，导致线路雷击跳闸率较高；线路末端的海拔较低，但是线路末端的地形比较复杂，山峰和河谷较多，杆塔所在地主要集中在山顶，暴露弧较大，使得雷击跳闸率较高。

表2为十悬线2011～2013年发生雷击故障杆塔以及计算出已发生雷击故障杆塔的分段雷击跳闸率。

表2 十悬线2011-2013年雷击故障杆塔

十悬线全线雷击跳闸率0.116 8次/(100 km·a)，通过计算，历史发生雷击跳闸故障杆塔的分段雷击跳闸率均大于0.116 8次/(100 km·a)，说明当分段雷击跳闸率大于0.116 8次/(100 km·a)时，杆塔发生雷击跳闸的风险更大。除了已发生雷击跳闸事故杆塔外，还有35基杆塔的雷击跳闸率大于0.116 8次/(100 km·a)。

通过比较23#杆塔与其余5基杆塔可以看出，23#杆塔所在区域的落雷密度较小，但是雷击跳闸率反而很高，主要原因在于23#杆塔所在地海拔较高，海拔偏高时，导致耐雷水平降低，从而增加雷击跳闸的概率。

比较位于山顶上杆塔的雷击跳闸率和山坡上杆塔的雷击跳闸率，发现山坡上杆塔的雷击跳闸率小于山顶上杆塔的雷击跳闸率，山顶上杆塔的暴露弧距离比山坡上的杆塔的大，导致线路遭受雷击的概率增大。

4 结 语

(1) 统计了十悬线线路参数、雷电参数和历史雷电故障，通过分析，十悬线雷害现象严重，且线路与平原地区有明显区别，具有特殊性；

(2) 由于落雷和地形差异比较大，采取分段计算的方法进行研究，结合地闪密度计算分段雷击跳闸率，计算结果与线路走廊地形有直接的关系；

(3) 历史雷击跳闸故障杆塔的分段雷击跳闸率处于雷害风险高的区域，数据吻合性好。

[1] 周 明. 十堰山区雷暴天气特点及其防御对策[C]∥第 28 届中国气象学会年会——S13 雷电物理, 监测预警和防护, 2011.

[2] 吴 涛, 黄 锐, 舒防国, 等. “2003.6. 2” 十堰强对流天气雷达回波和数值模拟分析[J]. 气象科学,2006,25(6):629-637.

[3] 国网电力科学研究院.输电线路综合防雷措施的研究[R].武汉:国网电力科学研究院,2006.

[4] 张志劲,司马文霞,蒋兴良,等.超/特高压输电线路雷电绕击防护性能研究[J]．中国电机工程学报,2005,25(10):1-6.

[5] 阮 羚,谷山强,赵 淳,等.鄂西三峡地区220kV线路差异化防雷技术与策略[J].高电压技术,2012,38(1):157-166.

[6] 俞立婷,何俊佳,陈家宏.输电线路雷电活动时空分布特征的数据挖掘[J].高电压技术,2008,34(2),314-318.

[7] 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.

[8] 童杭伟,孙淑莲.浙江典型区域输电线路雷击跳闸与地闪密度的相关性分析[J].浙江电力,2011(1):1-3.

[9] 陈家宏，王海涛，等．1 000 kV线路走廊的雷电参数及易闪线段分析[J]．高电压技术，2006，32(12)：45-48．

[10] 刘 刚, 许 彬, 季严飞,等. 3种地形上高杆塔雷击次数规律的研究[J].高压电器，2012，48(7):38-44.

[11] 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.

[12] DL/T 620—1997. Overvoltage protection and insulation for AC electrical installations[S]. 1997.

[13] 李晓岚.击距系数及基于电气几何模型的输电线路绕击跳闸率计算的研究[D].武汉:华中科技大学,2005.

[14] 王晓彤,施 围,刘文泉.改进电气几何模型计算输电线路绕击率[J].高电压技术, 1998.3,24(1):85-87.

[15] IEEE Std 1243-1997. IEEE guide for improving the lightning performance of transmission lines[S]. 1997.

Correlation Analysis of Lightning Tripping-out and Terrain on 220 kV Transmission Line in Shiyan

SUNTao1，QIYu-long2，LIUHua2，LIHan2，ZHOUWen-jun2，YUJian-hui2，QIXiao-jun3

(1. Hubei Province Shiyan Power Company， State Grid Shiyan 442000, China；2 School of Electrical Engineering, Wuhan University，Wuhan 430072, China；3 Wuhan Xindian Electrical Company, Wuhan 430073, China)

The climate and geographical environment of Shiyan area is complex and the lightning activities present very frequently. However, the transmission lines in this area have little lightning protection capacity and lightning strike tripping accidents present frequently. This paper had collected lightning parameters and the data of lightning accidents and geographical environment for 220kV Shixuan transmission line in Shiyan area. The regulation method and electric geometry method (EGM) were used to calculate the back flashover trip-out rate and lightning shielding failure trip-out rate of 220kV Shixuan transmission line. This paper compared the actual lightning accidents data (from 2011 to 2013) with the calculation results, and analyzed the dependency between lightning accidents and the data. which include the characteristic of transmission line, the data of thunder and the geographical environment.

Shixuan transmission line; lightning tripping-out rate; terrain; correlation

2014-09-18

孙 涛(1968-)，湖北房县人，硕士，副总工程师，主要从事电力系统生产技术工作，研究方向：电力系统过电压。

E-mail: Syddgl@sohu.com.

李 涵(1980-)，湖北武汉人，讲师，研究方向：电力系统过电压。E-mail: golden.silver@163.com

TM75

A

1006-7167(2015)05-0126-03