我國(guó)的電網(wǎng)防雷技術(shù)

雷電對(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行影響頻繁，電網(wǎng)雷擊問(wèn)題一直備受關(guān)注。我國(guó)電網(wǎng)防雷工作者經(jīng)過(guò)多年努力，基于“發(fā)現(xiàn)問(wèn)題–分析問(wèn)題–解決問(wèn)題”的技術(shù)路線，已形成一套較為成熟的電網(wǎng)防雷技術(shù)和規(guī)程。發(fā)現(xiàn)問(wèn)題依靠雷電監(jiān)測(cè)，廣域雷電地閃監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的雷電探測(cè)站由模擬式升級(jí)至新一代數(shù)字式，總體探測(cè)效率提升至90%以上，定位誤差≤500m；分布式雷擊故障監(jiān)測(cè)技術(shù)及系統(tǒng)進(jìn)一步推廣應(yīng)用，監(jiān)測(cè)設(shè)備在26個(gè)省級(jí)電網(wǎng)輸電線路上安裝，雷擊/非雷擊故障辨識(shí)準(zhǔn)確率達(dá)98%，繞擊/反擊識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)95%，故障點(diǎn)定位準(zhǔn)確率達(dá)89%；自然雷擊光學(xué)路徑觀測(cè)系統(tǒng)不斷完善，首次在國(guó)內(nèi)捕獲了多張直擊于500kV線路的雷電形態(tài)高清圖像。分析問(wèn)題依靠防雷風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，輸電線路雷擊計(jì)算的相關(guān)理論和模型逐步完善，差異化防雷評(píng)估系統(tǒng)在25個(gè)省級(jí)電網(wǎng)安裝運(yùn)行，指導(dǎo)超過(guò)500條330kV及以上線路的防雷改造。解決問(wèn)題依靠防雷措施，繼交流線路避雷器取得顯著防雷效果之后，我國(guó)率先開(kāi)發(fā)±500kV直流線路避雷器并應(yīng)用成功，±800kV直流線路避雷器也于世界首次掛網(wǎng)試運(yùn)行。防雷技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用極大提升了輸電線路防雷運(yùn)行與維護(hù)水平，雷擊跳閘率與故障停運(yùn)率均處于世界最優(yōu)水平。

我國(guó)電網(wǎng)建設(shè)規(guī)模加大，尤其特高壓交、直流輸電線路是能源輸送的重要通道規(guī)劃和建設(shè)規(guī)模增速明顯，同時(shí)，在全球氣候變化的背景之下，強(qiáng)對(duì)流天氣頻發(fā)，雷電活動(dòng)增強(qiáng)趨勢(shì)明顯，電網(wǎng)防雷面臨若干較突出問(wèn)題。本文將主要從雷電觀測(cè)、防雷評(píng)估和雷電防護(hù)3個(gè)大的方面對(duì)近年來(lái)我國(guó)電網(wǎng)防雷技術(shù)的現(xiàn)狀進(jìn)行回顧和總結(jié)，重點(diǎn)面向輸電通道、直流與配電線路防雷問(wèn)題對(duì)未來(lái)防雷技術(shù)的主要研究發(fā)展方向進(jìn)行展望。

主要內(nèi)容

我國(guó)于2006年建成了覆蓋全國(guó)電網(wǎng)和大部分國(guó)土面積的全國(guó)雷電地閃監(jiān)測(cè)網(wǎng)，中國(guó)成為擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的雷電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的國(guó)家，雷電監(jiān)測(cè)網(wǎng)規(guī)模和工程應(yīng)用水平居世界領(lǐng)先地位。2009年筆者團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了全數(shù)字化雷電探測(cè)技術(shù)研究，成功研制出基于第3代全數(shù)字式雷電地閃探測(cè)站DLF–3000的廣域雷電地閃監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。目前我國(guó)電網(wǎng)建設(shè)的雷電監(jiān)測(cè)網(wǎng)覆蓋全國(guó)除臺(tái)灣外的所有行政區(qū)域。廣域雷電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有效支持了雷電參數(shù)長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)和輸電線路雷擊故障查找。

我國(guó)電網(wǎng)雷電地閃監(jiān)測(cè)網(wǎng)站點(diǎn)位置與重要輸電線路分布圖（截止到2016年9月）

輸電線路分布式故障監(jiān)測(cè)技術(shù)采用區(qū)段化、高電位測(cè)量，能夠監(jiān)測(cè)出線路上各種電流形波較為豐富的瞬態(tài)特征，根據(jù)不同狀態(tài)下暫態(tài)行波特征，實(shí)現(xiàn)雷擊/非雷擊故障辨識(shí)、繞擊/反擊辨識(shí)和故障桿塔精確定位。

分布式雷擊故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作示意圖

國(guó)網(wǎng)研發(fā)的輸電線路雷擊光學(xué)路徑監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用高靈敏光學(xué)觸發(fā)器智能感知雷擊過(guò)程，實(shí)時(shí)記錄雷擊光學(xué)圖像并自動(dòng)發(fā)送給遠(yuǎn)端服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)了在本地就能掌握遠(yuǎn)隔千里野外運(yùn)行的輸電線路雷擊狀況。

通過(guò)在高塔或高建筑物或輸電桿塔上安裝電流測(cè)量傳感器（羅氏線圈、同軸分流器等）可以對(duì)雷電流波形進(jìn)行高精度測(cè)量。2007年以來(lái)，我國(guó)也在云南、山西、廣州等地電網(wǎng)開(kāi)展了一系列直擊雷測(cè)量研究，主要通過(guò)定點(diǎn)安裝全波形雷電流測(cè)量裝置獲取雷擊桿塔頂部的雷電流時(shí)間、波形、幅值、極性。

架空輸電線路分布范圍廣泛，沿線地形地貌復(fù)雜、雷電活動(dòng)分布不均，加上線路結(jié)構(gòu)、絕緣差異等因素，精細(xì)化評(píng)估線路雷擊風(fēng)險(xiǎn)的難度較大，但一直是防雷科研和生產(chǎn)運(yùn)行努力的目標(biāo)。

基于線路走廊雷電監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)樣本庫(kù)，實(shí)現(xiàn)以地閃密度為依據(jù)的雷區(qū)等級(jí)劃分，并繪制全國(guó)范圍的雷電地閃密度分布圖；對(duì)輸電線路走廊雷電流幅值累積概率曲線的統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果與IEEE概率推薦分布一致性明顯優(yōu)于現(xiàn)行國(guó)標(biāo)，指導(dǎo)輸電線路設(shè)計(jì)、運(yùn)行管理和防雷改造。精細(xì)化地形地貌數(shù)據(jù)在防雷評(píng)估中主要使用地面傾角和地貌數(shù)據(jù)，導(dǎo)地線相對(duì)地面的準(zhǔn)確高度采用弧垂和地貌數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，最大繞擊電流計(jì)算過(guò)程中需要調(diào)整地面傾角。3維激光掃描技術(shù)可實(shí)現(xiàn)線路結(jié)構(gòu)信息的精細(xì)化測(cè)量，該方法能提取更加精確的桿塔定位坐標(biāo)、導(dǎo)地線間的間距及弧垂、轉(zhuǎn)角塔外側(cè)跳線保護(hù)角等重要參數(shù)，該項(xiàng)技術(shù)已成功應(yīng)用于三峽近區(qū)500kV送出線雷電風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中并取得良好應(yīng)用效果。

隨著電力系統(tǒng)廣域雷電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)和數(shù)據(jù)積累，學(xué)者們提出了基于輸電線路走廊雷電活動(dòng)強(qiáng)度、地形地貌及線路結(jié)構(gòu)等差異化因子的全線路雷擊故障風(fēng)險(xiǎn)逐桿塔分析方法?；谠摲椒ㄑ邪l(fā)出的輸電線路差異化防雷評(píng)估系統(tǒng)，已應(yīng)用于26個(gè)省級(jí)電網(wǎng)，指導(dǎo)500多條線路防雷改造已成為指導(dǎo)電網(wǎng)防雷設(shè)計(jì)、運(yùn)行維護(hù)和改造的重要工具，應(yīng)用成果顯著。

差異化防雷評(píng)估方法

差異化防雷評(píng)估系統(tǒng)軟件界面

防雷擊閃絡(luò)故障措施是從降低線路雷擊跳閘率為出發(fā)點(diǎn)，主要包括：避雷器、避雷線、塔頭針和耦合地線、降低接地電阻、線路避雷器。

我國(guó)已成功研制了±500kV、±800kV直流線路避雷器，2016年，±800kV直流線路避雷器在賓金線成功掛網(wǎng)，±500kV線路避雷器已實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用。安裝避雷線、塔頭針主要是通過(guò)其吸引雷電將雷電流導(dǎo)入大地，防止雷電直擊被保護(hù)設(shè)施。降低接地電阻為雷電流入地提供良好通道，基于柔化工藝的石墨基柔性接地體具有良好的導(dǎo)電性和耐腐蝕性，且具有蛇形開(kāi)挖方便施工的特點(diǎn)，已在多個(gè)省級(jí)電網(wǎng)公司應(yīng)用并取得良好應(yīng)用效果。

±500kV直流線路避雷器

±800kV直流線路避雷器

系統(tǒng)停電措施是以保證電網(wǎng)系統(tǒng)安全穩(wěn)定性為立足點(diǎn)，此措施主要包括：并聯(lián)間隙、新型雷擊閃絡(luò)限制器、自動(dòng)重合閘裝置、直流線路故障重啟策略。

截至2015年，國(guó)網(wǎng)安裝并聯(lián)間隙線路總長(zhǎng)度約8454km，目前安裝間隙后線路雷擊跳閘運(yùn)行數(shù)據(jù)表明：220kV線路間隙保護(hù)平均成功率為92.3%；安裝并聯(lián)間隙后500kV線路重合閘成功率為100%，但間隙保護(hù)平均成功率僅為80%，低于其他電壓等級(jí)線路并聯(lián)間隙保護(hù)成功率。國(guó)網(wǎng)組織專項(xiàng)研究完善500kV線路并聯(lián)間隙，進(jìn)一步降低并聯(lián)間隙保護(hù)失效概率。110~220kV交流輸電線路雷擊閃絡(luò)限制器兼具避雷器限制過(guò)電壓和并聯(lián)間隙疏導(dǎo)電弧優(yōu)勢(shì)為一體，同時(shí)該裝置具有造價(jià)低廉、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，初步在湖北、四川等地試運(yùn)行。自動(dòng)重合閘裝置獲得普遍應(yīng)用，且通過(guò)多年的實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，其對(duì)電網(wǎng)絕大部分瞬時(shí)性接地故障均能重合閘成功，直流線路故障重啟策略有效避免因線路瞬時(shí)性故障引起直流閉鎖。

掛網(wǎng)運(yùn)行的220kV雷擊閃絡(luò)限制器

近年來(lái)電網(wǎng)防雷工作圍繞雷電監(jiān)測(cè)、防雷評(píng)估與防雷措施開(kāi)展了大量理論研究、系統(tǒng)研發(fā)與工程應(yīng)用，這些工作有力支撐了我國(guó)電網(wǎng)雷擊跳閘率與故障停運(yùn)率的大幅降低。

隨著以特高壓為骨干網(wǎng)架的堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)建設(shè)和全球能源互聯(lián)網(wǎng)的推進(jìn)，以及配電網(wǎng)運(yùn)行可靠性要求不斷提升和新能源接入引起的新型電網(wǎng)安全問(wèn)題，對(duì)電網(wǎng)防雷技術(shù)提出了新的和更高的要求。

后續(xù)研究

1）雷電監(jiān)測(cè)技術(shù)方面，針對(duì)配電網(wǎng)和新能源電站，開(kāi)展高精度雷電監(jiān)測(cè)技術(shù)研究；提高輸電線路分布式雷擊故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)定位精度，在工程應(yīng)用上進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)性研究；擴(kuò)大雷擊光學(xué)路徑觀測(cè)和雷電流直接測(cè)量的工程應(yīng)用規(guī)模，為雷擊機(jī)理研究提供更多數(shù)據(jù)資料。

2）防雷評(píng)估技術(shù)方面，開(kāi)展精細(xì)化雷電參數(shù)挖掘分析，主要包括短時(shí)高密度突發(fā)雷暴活動(dòng)統(tǒng)計(jì)方法研究、多重雷擊或后續(xù)回?fù)魠?shù)特征統(tǒng)計(jì)分析、輸電線路本體雷擊特征參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析、雷電放電直流持續(xù)分量特征統(tǒng)計(jì)；深入研究重要輸電通道、直流和配網(wǎng)線路防雷性能評(píng)估方法，重點(diǎn)關(guān)注擊中線路本體的雷電參數(shù)、3維地形呈現(xiàn)的多面體幾何特征參數(shù)對(duì)線路防雷性能的影響。

3）雷電防護(hù)措施方面，開(kāi)展結(jié)合運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)、試驗(yàn)檢測(cè)和模擬計(jì)算評(píng)估防雷措施的有效性，重點(diǎn)加強(qiáng)新型防雷措施的研發(fā)和應(yīng)用，以減小電網(wǎng)雷擊跳閘引起的社會(huì)經(jīng)濟(jì)影響；針對(duì)現(xiàn)階段電網(wǎng)防雷的新形勢(shì)，重點(diǎn)關(guān)注全電壓系列直流線路避雷器的研發(fā)及應(yīng)用、優(yōu)化500kV線路用并聯(lián)間隙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和新型閃絡(luò)限制器參數(shù)。