特高压直流输电线路雷击故障特性分析

张中华 赵宇亭

国网山西省电力公司检修分公司 山西太原 030000

1 “三大特高压直流”线路运行概况

国网已有多条特高压直流线路建成投运，其中以±800kV复奉线、锦苏线和宾金线投运时间相对较长，为国网“三大特高压直流”输电通道。复奉线于2009年12月投运，线路里程1891km，设计输送容量6400MW；锦苏线于2012年6月投运，线路里程2057km，设计输送容量7200MW；宾金线于2014年7月投运，线路里程1652km，设计输送容量8000MW。截至2017年底，“三大特高压直流”线路共发生各类原因重启28次。其中雷击造成重启19次，占比67．9%，可见雷击是造成三大特高压直流线路重启的首要因素。19次雷击重启中，复奉线3次、锦苏线7次，宾金线9次；重启成功14次，重启成功率为73．7%。从雷击形式看，19次均为绕击，因此，绕击防护是特高压直流线路亟待提升的薄弱点。

2 雷击重启因素分析

2.1 雷电地闪密度

在“三大特高压直流”线路走廊的地闪密度图上，标识出雷击故障杆塔位置。复奉线与锦苏线大部分处于同走廊，全线雷电活动基本一致，地闪密度自西向东变化趋势为“高→低→高”。宾金线与复奉线、锦苏线雷电活动规律较为相似，在四川段雷电活动最强，从贵州、湖南再到江西段，雷电活动由强到弱，再增强，到达浙江段时地闪密度基本处于C1级。19次被雷击的杆塔中，位于B1级雷区的雷击重启为3次，占比15．8%；位于B2级的3次，占比15．8%；位于C1级的11次，占比57．9%；位于C2级的2次，占比10．5%。大部分雷击重启发生在C1级及以上地区，达到13次，占比68．4%；6次雷击重启发生在B1-B2级，均位于重庆南部和贵州北部山区。

2.2 地面倾角

三大直流电塔的地面倾角最小为0°，最大为70°。塔身地面倾角概率密度分布，其中地面倾角区间为1°，以“x”为雷击失效塔身。地面倾角越小，塔的数量越多。为了对不同倾角范围的雷击再启动进行统计分析，在每个倾角范围内塔数基本相同的情况下，选择1°和2°。以5°、5°、10°为不等分割点，对三大直流电塔的地面倾角进行分类，计算出不同地面倾角范围内塔的平均倾角和雷击平均重启概率。雷击与再启动的概率总体上随着三大直流电塔地面倾角的增大而逐渐增大，两者之间具有很强的相关性[1]。雷击平均重启概率与地面平均倾角的相关系数为0。98．地面倾角越大，面对外坡的地面屏蔽效果越差，使得外坡导体更容易遭受雷击。

2.3 档距

三大直流输电塔最小中程距离为179m，最大中程距离为2052m。以400m、500m、600m、700m为分割点对距离间距进行分类，统计计算不同距离范围内塔的平均距离间距和雷击重启的平均概率。雷击概率与塔重启动概率与平均间隔档距之间存在很强的正相关关系，相关系数为0．99。档距越大，雷击失败重启线路的概率越大。传输距离在700米及以上的塔发生雷击和重新启动的概率为0．325次/百基。这是因为大档距一般是跨谷、跨河等，中间导线之间的间隙高度较高，地面对导线的避雷效果较弱，容易受到周围雷电的袭击[2]。

3 “三大特高压直流”线路差异性对比

3.1 地闪密度

2014-2017年雷电监测数据，复奉锦苏通道的平均地闪密度是2．59-2．67（km2·a），宾金通道的平均地闪密度达到3．56次/（km2·a），是复奉、锦苏通道的1．35倍左右。

3.2 地面倾角

宾金通道与复奉锦苏通道地形地貌整体相差不大，但是地面倾角有较大的差异。从地面倾角上看，宾金线在（2．5，90］的杆塔较复奉线多15．6%，较锦苏线多8．1%。经统计，宾金线杆塔的平均地面倾角是复奉、锦苏线的1．14倍。地面倾角增大，将会造成最大绕击电流增大，然而由于地面倾角对最大绕击电流的影响是非线性的，因此造成不同地面倾角条件下的最大绕击电流变化情况不同。

3.3 绝缘配置

通过对宾金线直线塔的优化设计，与复奉线、锦苏线相比，塔头尺寸和绝缘子串长度均有显著降低。以ZC27152线塔为例，与复奉、锦苏线相比，宾金线使用的塔头带电体对导线横担空气间隙（最小空气间隙）从7664mm减小到6479mm，缩短了15．5%左右，抗雷击水平相应降低[3]。

4 结语

（1）三大特高压直流线路共发生各类原因重启28次，其中雷击占比67．9%，是造成三大特高压直流线路重启的首要因素，绕击防护是特高压直流线路亟待提升的薄弱点。（2）特高压直流线路平均雷击重启概率与地闪密度、地面倾角、档距存在极大的正相关性，相关系数分别达到0．93、0．98、0．99。（3）宾金线通道的平均地闪密度是复奉、锦苏通道的1．35倍左右；宾金线地面倾角处于（2．5°，90°）范围的杆塔数量较复奉线多15．6%，较锦苏线多8．1%；宾金线直线塔优化设计后，塔头最小空气间隙较复奉、锦苏线缩短15．5%，绕击耐雷水平从30kA减小到25．4kA。（4）地面倾角对最大绕击电流存在非线性影响，以故障杆塔地面倾角平均值考虑，宾金线危险雷电流概率是复奉线的4．31倍，结合地闪密度差异，宾金线故障杆塔的绕击重启率理论上是复奉线故障杆塔的5．81倍，与实际运行结果6．87倍较为接近。