DQZHAN技術(shù)訊：電網(wǎng)雷電監(jiān)測與防護(hù)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

我國電網(wǎng)雷電監(jiān)測與防護(hù)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，由陳家宏，趙淳，谷山強，向念文，王宇，雷夢飛撰寫。

研究背景

雷電對電網(wǎng)**運行影響頻繁，電網(wǎng)雷擊問題一直備受關(guān)注。我國電網(wǎng)防雷工作者經(jīng)過多年努力，基于“發(fā)現(xiàn)問題–分析問題–解決問題”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)問題依靠雷電監(jiān)測，廣域雷電地閃監(jiān)測系統(tǒng)的雷電探測站由模擬式升級至新一代數(shù)字式，總體探測效率提升至90%以上，定位誤差≤500m；分布式雷擊故障監(jiān)測技術(shù)及系統(tǒng)進(jìn)一步推廣應(yīng)用，監(jiān)測設(shè)備在26個省級電網(wǎng)輸電線路上安裝，雷擊/非雷擊故障辨識準(zhǔn)確率達(dá)98%，繞擊/反擊識別準(zhǔn)確率達(dá)95%，故障點定位準(zhǔn)確率達(dá)89%；自然雷擊光學(xué)路徑觀測系統(tǒng)不斷完善，**在國內(nèi)捕獲了多張直擊于500kV線路的雷電形態(tài)高清圖像。分析問題依靠防雷風(fēng)險評估，輸電線路雷擊計算的相關(guān)理論和模型逐步完善，差異化防雷評估系統(tǒng)在25個省級電網(wǎng)安裝運行，指導(dǎo)超過500條330kV及以上線路的防雷改造。解決問題依靠防雷措施，繼交流線路避雷器取得顯著防雷效果之后，我國率先開發(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**掛網(wǎng)試運行。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行與維護(hù)水平，雷擊跳閘率與故障停運率均處于世界*優(yōu)水平。

我國電網(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，在全球氣候變化的背景之下，強對流天氣頻發(fā)，雷電活動增強趨勢明顯，電網(wǎng)防雷面臨若干較突出問題。本文將主要從雷電觀測、防雷評估和雷電防護(hù)3個大的方面對近年來我國電網(wǎng)防雷技術(shù)的現(xiàn)狀進(jìn)行回顧和總結(jié)，重點面向輸電通道、直流與配電線路防雷問題對未來防雷技術(shù)的主要研究發(fā)展方向進(jìn)行展望。

主要內(nèi)容

1、雷電監(jiān)測技術(shù)

1.1廣域雷電監(jiān)測

我國于2006年建成了覆蓋國內(nèi)電網(wǎng)和大部分國土面積的國內(nèi)雷電地閃監(jiān)測網(wǎng)，中國成為擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的雷電監(jiān)測系統(tǒng)的國家，雷電監(jiān)測網(wǎng)規(guī)模和工程應(yīng)用水平居****地位。2009年筆者團(tuán)隊開展了全數(shù)字化雷電探測技術(shù)研究，成功研制出基于第3代全數(shù)字式雷電地閃探測站DLF–3000的廣域雷電地閃監(jiān)測系統(tǒng)。目前我國電網(wǎng)建設(shè)的雷電監(jiān)測網(wǎng)覆蓋國內(nèi)除臺灣外的所有行政區(qū)域。廣域雷電監(jiān)測系統(tǒng)有效支持了雷電參數(shù)長期統(tǒng)計和輸電線路雷擊故障查找。

我國電網(wǎng)雷電地閃監(jiān)測網(wǎng)站點位置與重要輸電線路分布圖（截止到2016年9月）

1.2雷擊監(jiān)測

輸電線路分布式故障監(jiān)測技術(shù)采用區(qū)段化、高電位測量，能夠監(jiān)測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，實現(xiàn)雷擊/非雷擊故障辨識、繞擊/反擊辨識和故障桿塔**定位。

分布式雷擊故障監(jiān)測系統(tǒng)工作示意圖

國網(wǎng)研發(fā)的輸電線路雷擊光學(xué)路徑監(jiān)測系統(tǒng)，利用高靈敏光學(xué)觸發(fā)器智能感知雷擊過程，實時記錄雷擊光學(xué)圖像并自動發(fā)送給遠(yuǎn)端服務(wù)器，實現(xiàn)了在本地就能掌握遠(yuǎn)隔千里野外運行的輸電線路雷擊狀況。

雷擊光學(xué)路徑監(jiān)測裝置2015年6月25日捕獲的雷擊輸電線路本體照片

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

2、防雷評估技術(shù)

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

基于線路走廊雷電監(jiān)測數(shù)據(jù)樣本庫，實現(xiàn)以地閃密度為依據(jù)的雷區(qū)等級劃分，并繪制國內(nèi)范圍的雷電地閃密度分布圖；對輸電線路走廊雷電流幅值累積概率曲線的統(tǒng)計分析，結(jié)果與IEEE概率推薦分布一致性明顯優(yōu)于現(xiàn)行國標(biāo)，指導(dǎo)輸電線路設(shè)計、運行管理和防雷改造。精細(xì)化地形地貌數(shù)據(jù)在防雷評估中主要使用地面傾角和地貌數(shù)據(jù)，導(dǎo)地線相對地面的準(zhǔn)確高度采用弧垂和地貌數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，*大繞擊電流計算過程中需要調(diào)整地面傾角。3維激光掃描技術(shù)可實現(xiàn)線路結(jié)構(gòu)信息的精細(xì)化測量，該方法能提取更加**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)，該項技術(shù)已成功應(yīng)用于三峽近區(qū)500kV送出線雷電風(fēng)險評估中并取得良好應(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強度、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估系統(tǒng)，已應(yīng)用于26個省級電網(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、運行維護(hù)和改造的重要工具，應(yīng)用成果顯著。

差異化防雷評估方法

差異化防雷評估系統(tǒng)軟件界面

3、雷電防護(hù)措施

3.1防雷擊閃絡(luò)措施

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，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線路避雷器已實現(xiàn)廣泛應(yīng)用。安裝避雷線、塔頭針主要是通過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，且具有蛇形開挖方便施工的特點，已在多個省級電網(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

3.2防系統(tǒng)停電措施

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

截至2015年，國網(wǎng)安裝并聯(lián)間隙線路總長度約8454km，目前安裝間隙后線路雷擊跳閘運行數(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%，低于其他電壓等級線路并聯(lián)間隙保護(hù)成功率。國網(wǎng)組織專項研究完善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電壓和并聯(lián)間隙疏導(dǎo)電弧優(yōu)勢為一體，同時該裝置具有造價低廉、安裝方便等優(yōu)點，初步在湖北、四川等地試運行。自動重合閘裝置獲得普遍應(yīng)用，且通過多年的實際運行經(jīng)驗表明，其對電網(wǎng)絕大部分瞬時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性故障引起直流閉鎖。

掛網(wǎng)運行的220kV雷擊閃絡(luò)限制器

結(jié)論

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

隨著以特高壓為骨干網(wǎng)架的堅強智能電網(wǎng)建設(shè)和全球能源互聯(lián)網(wǎng)的推進(jìn)，以及配電網(wǎng)運行可靠性要求不斷提升和新能源接入引起的新型電網(wǎng)**問題，對電網(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)測技術(shù)方面，針對配電網(wǎng)和新能源電站，開展高精度雷電監(jiān)測技術(shù)研究；提高輸電線路分布式雷擊故障監(jiān)測系統(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；擴大雷擊光學(xué)路徑觀測和雷電流直接測量的工程應(yīng)用規(guī)模，為雷擊機理研究提供更多數(shù)據(jù)資料。

2）防雷評估技術(shù)方面，開展精細(xì)化雷電參數(shù)挖掘分析，主要包括短時高密度突發(fā)雷暴活動統(tǒng)計方法研究、多重雷擊或后續(xù)回?fù)魠?shù)特征統(tǒng)計分析、輸電線路本體雷擊特征參數(shù)統(tǒng)計分析、雷電放電直流持續(xù)分量特征統(tǒng)計；深入研究重要輸電通道、直流和配網(wǎng)線路防雷性能評估方法，重點關(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)對線路防雷性能的影響。

3）雷電防護(hù)措施方面，開展結(jié)合運行經(jīng)驗、試驗檢測和模擬計算評估防雷措施的有效性，重點加強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經(jīng)濟(jì)影響；針對現(xiàn)階段電網(wǎng)防雷的新形勢，重點關(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)計和新型閃絡(luò)限制器參數(shù)。