国网辖区特高压直流线路防雷运行现状分析

王剑 ,谷山强 2,3 ,彭波 ,赵淳 2,3 ,任华 2,3 ,吴敏 2,3 ,马龙涛 4  

(1.国家电网公司,北京市 西城区 100031; 2.南瑞集团有限公司(国网电力科学研究院有限公司),江苏省 南京市 211106;3.国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司,湖北省 武汉市 430074;4.国网铜川供电公司,陕西省 铜川市 727031)

摘要

据统计,国网所辖特高压直流线路雷击故障概率较特高压交流线路高,有必要对国网特高压直流线路防雷运行现状进行分析。国网三大特高压直流线路(复奉线、锦苏线、宾金线,简称“三大直流”)的雷电参数及雷击重启情况表明宾金线的雷击重启率较高。在提出若干影响特高压直流线路雷击重启的因素基础上,分别研究了各因素对雷击重启的影响程度,并基于各因素间的相关性分析,分别得到了单因素和多重因素组合对雷击重启的影响程度。通过电气几何模型,分析杆塔耐雷性能,得出了宾金线雷击重启率高的原因为导线和横担间的空气间隙距离较短。对两个典型的雷击重启失败,进而造成单极闭锁的案例进行了分析,结果表明后续多重雷击以及正极性雷电的长连续电流是造成特高压直流线路重启失败的重要原因。最后对目前的防雷现状进行了总结,为特高压直流线路防雷治理工作提供了重要的理论依据。

关键词 : 三大直流;雷击重启;地闪密度;耐雷性能;单极闭锁

基金项目: 国家电网公司科技项目(电网雷击敏感致灾因子特性及针对性防护方法研究)。

0 引言

国家电网公司所辖第一条特高压交流线路(1000 kV长南I线)于2009年1月正式投运,第一条特高压直流线路(±800 kV复奉线)于2010年7月正式投运。截止到2017年12月底,国网辖区已投运±800 kV特高压直流输电线路共计8条,线路总里程约为9792 km;已投运1000 kV特高压交流线路9条,总里程约为15925 km。雷击跳闸(重启)率表示每百公里线路、标准雷电地闪密度(2.78次/(km ·a))下每年的雷击跳闸(重启)次数(交流、直流线路分别以跳闸、重启表征发生线路继电保护切除故障)。自特高压线路投运至2017年12月底,特高压交流线路雷击跳闸次数为4次,特高压直流线路雷击重启20次,如表1所示。特高压直流线路雷击重启率为0.125次/ (100 km ·a),远高于特高压交流线路0.04次/(100 km ·a)。

表1 特高压交、直流输电线路雷击跳闸(重启)统计 
Table 1 Statistics of lightning flashover of UHV transmission line

特高压直流线路中,复奉线于2009年12月投运,线路里程1891 km;锦苏线于2012年6月投运,线路里程2057 km;宾金线于2014年7月投运,线路里程1652 km [1] 。这3条特高压直流线路里程长,沿线地区大多为多雷区,电能输送目的地均集中在用电负荷较大的华东地区,其重要性高于其他特高压直流线路,被称为国网公司三大特高压直流输电线路,简称“三大直流”。本文主要针对“三大直流”进行研究。

截至2017年12月底,三大直流共发生各类重启28次。其中,雷击导致重启19次,占所有重启的67.9%,是造成“三大直流”线路重启的首要原因,如表2所示。

表2 “三大直流”重启原因及重启次数统计 
Table 2 Statistics of the factors on “Three major UHVDC lines”flashover

对特高压直流线路投运以来的雷击重启情况进行统计,结果表明20次雷击重启中,宾金线雷击重启9次,锦苏线雷击重启7次,复奉线雷击重启3次,祁韶线雷击重启1次。“三大直流”雷击重启共计19次,占所有特高压直流线路雷击重启故障总数的95%。

从以上统计数据可以看出,特高压直流线路防雷形势较为严峻,有必要进行防雷运行现状分析研究。

1 特高压直流线路防雷运行现状

1.1 雷电参数情况

统计宾金线自投运(2014年)至2017年三大直流线路走廊逐年的地闪密度情况,可看出三大直流2014和2016年雷电活动均相对较强,2015年雷电活动相对弱;除了2017年,宾金线每年雷电活动始终强于复奉、锦苏线,4年平均地闪密度为复奉线的1.33倍、锦苏线的1.37倍。三大直流2014 ~ 2017年各年及平均年地闪密度如图1所示。

图1 三大直流2014 ~ 2017年地闪密度 
Fig.1 Lightning density of “Three major UHVDC lines” during 2014 to 2017

1.2 雷击重启情况

截至2017年底,“三大直流”19次雷击重启中,复奉线3次、锦苏线7次,宾金线9次,各年雷击重启情况如图2所示,重启成功14次,重启成功率为73.7%。19次雷击形式全部为雷电绕击。

图2 三大直流各年雷击重启情况 
Fig.2 Lightning flashover status of “Three major UHVDC lines”

结合各年线路的地闪密度,计算归算至标准地闪密度下(2.78次/(km ·a))“三大直流”各年雷击重启率如图3所示。可以看出,复奉线从2010年投运起到2017年,共发生雷击重启3次,平均雷击重启率为0.018次/(100 km·a),在“三大直流”中雷击重启率最低;锦苏线自从2012年投运起到2017年,共发生雷击重启7次,平均雷击重启率为0.047次/(100 km·a);宾金线从2014年投运起到2017年,共发生雷击重启9次,其中2016年发生3次,其他年份均各发生2次,投运后平均雷击重启率为0.103次/(100 km·a),为“三大直流”中雷击重启率最高线路。

图3 “三大直流”雷击重启率 
Fig.3 Lightning flashover rate of “Three major UHVDC lines”

2 雷击特征分析

为了研究各影响因素和雷击闪络次数相关性的影响,本文选用相关系数对该影响程度进行评价。根据数理统计学,两组数据X、Y的相关系数ρ可用下式计算 [4] 

式中,Cov(X,Y)为X、Y的协方差;D(X)、D(Y)分别为X、Y的方差。

同时,引入“雷击重启概率”,表征在某特定时间段内,每一百基杆塔中发生雷击重启的次数。

2.1 雷击闪络单影响因素分析

2.1.1 地闪密度

地闪密度越高,表明雷电发生越频繁,杆塔雷击重启概率越大。对“三大直流”输电走廊地闪密度及雷击故障点进行统计,其中地闪密度统计1 km网格范围内2014 ~ 2017年的平均地闪密度,用“x”标记雷击重启杆塔位置,如图4所示。“三大直流”投运以来共发生雷击重启19次,其中位于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。

图4 “三大直流”地闪密度及雷击故障点 
Fig.4 Lightning density and fault point of “Three major UHVDC lines”

根据“三大直流”2014 ~ 2017年地闪密度分布情况,统计“三大直流”输电线路各雷区等级杆塔重启情况如图5所示。可见,地闪密度与雷击重启概率呈现较强的相关性,地闪密度越高,雷击重启概率越高,相关系数达0.93。

图5 “三大直流”不同雷区等级雷击重启情况 
Fig.5 Lightning flashover in different lightning level of “Three major UHVDC lines”

2.1.2 档距

一般情况下,档距越大,分流作用越低(含相邻杆塔的分流、雷击档距中央的分流),线路的雷击重启率增高,且大档距一般跨越山谷、河流等,档距中央导线高度较高,地面对导线的雷电屏蔽作用减弱,容易发生雷电绕击 [5] 

对三大直流的档距进行统计后得到,“三大直流”中档距最小179 m,档距最大2052 m。以400 m、500 m、600 m和700 m为分割点对档距进行分类,统计不同档距杆塔雷击故障重启概率分布如图6所示。杆塔雷击重启概率与平均档距之间存在非常强的正相关性,相关系数为0.99,档距越大,线路的雷击故障重启概率越高。档距在700 m及以上杆塔雷击重启概率达到0.325次/百基。

图6 “三大直流”不同档距杆塔雷击重启情况 
Fig.6 Lightning flashover in different span of “Three major UHVDC lines”

2.1.3 地面倾角

若杆塔原地线保护角为α′,杆塔所处区域存在地面倾角θ,则坡外侧导线等效地面倾角将增大至α(α=α′ + θ),根据EGM模型可知,导线的暴露弧长度增大,地线对坡外侧导线屏蔽作用减弱,坡外侧导线较平地更容易发生雷击重启,如图7所示。

图7 杆塔地面倾角示意图 
Fig.7 Sketch of ground angle of tower

图8 考虑地面倾角的EGM模型示意图 
Fig.8 EGMmodel with ground angle being taken into account

“三大直流”杆塔所处地面倾角中,最小为0°,最大为70°。杆塔地面倾角概率密度分布情况如图9所示,其中地面倾角间隔为1°,“x”标记为雷击故障杆塔所处位置的地面倾角。结果表明,杆塔数量随地面倾角的增大而减小,但在0°~ 13°范围内,故障杆塔的数量随地面倾角的增大而增大,表明杆塔的雷击重启概率与地面倾角呈正相关性,统计结果与理论分析结果一致。

图9 “三大直流”杆塔地面倾角的概率密度及雷击故障杆塔 
Fig.9 Probability density of ground angle and the fault point in“Three major UHVDC lines”

为了对不同倾角范围内的雷击重启情况进行统计分析,在保证各个地面倾角范围内杆塔数量基本一致情况下,选择1°、2.5°、5°和10°作为不等距分割点,对三大直流杆塔所处地面倾角进行分类,统计不同地面倾角范围的杆塔雷击重启概率如图10所示。

图10 “三大直流”不同地面倾角雷击重启概率 
Fig.10 Lightning flashover in different ground angle of “Three major UHVDC lines”

“三大直流”整体上随着地面倾角的增大,雷击重启概率逐渐增大,二者呈现非常强的相关性。经计算,雷击重启概率与地面倾角之间的相关系数为0.98。地面倾角越大,地面对坡外侧的屏蔽效果越差,造成坡外侧导线更容易发生雷电绕击 [5-6] ,进而导致杆塔雷击重启概率提高。

2.1.4 海拔

随着高海拔高度的增加,空气间隙的绝缘水平下降,输电线路耐雷水平随之降低。以500 kV输电线路为例,不同海拔高度下绝缘子串50%雷电冲击放电电压试验数据如下表所示。可以看出,绝缘子串的50%雷电冲击放电电压随海拔的增加而减小。

表3 不同海拔高度下500 kV绝缘子串放电电压 
Table 3 Discharge voltages of 500 kV insulators in different elevation

将“三大直流”杆塔海拔分为5类,分割点分别为:25 m、100 m、300 m、700 m,不同海拔地区杆塔的数量和雷击重启概率如图11所示。其中,平均海拔是指本海拔范围内所有杆塔的海拔的平均值。经计算,杆塔雷击故障重启概率与平均海拔之间的相关系数为0.79,即杆塔雷击重启概率与杆塔平均海拔具有较强的正相关性,海拔越高,雷击重启概率越大。

2.2 雷击重启多影响因素分析

图11 “三大直流”不同海拔杆塔雷击故障重启情况 
Fig.11 Lightning flashover in different elevation of “Three major UHVDC lines”

图12 不同雷区等级—海拔组合区间的杆塔分布及雷击重启情况 
Fig.12 Distribution and lightning flashover information of towers in different lightning density level and elevation

由2.1分析可知,“三大直流”杆塔雷击重启概率与杆塔的地闪密度、档距、地面倾角、海拔表现出较强的相关性。为了进一步研究在不同的影响因素共同作用对“三大直流”雷击重启的影响程度,本文选择了3种不同影响因素组合形式,分别研究这3种不同影响因素组合形式下雷击重启情况。

2.2.1 地闪密度—海拔

“三大直流”不同雷击密度和海拔组合区间的杆塔雷击重启情况如图12所示。分析可知,各个雷区等级中,海拔对杆塔雷击重启概率的影响较大,海拔越高,杆塔的雷击重启占比越大。

B1级雷区中,海拔小于300 m的未发生雷击重启,海拔在300 ~ 700 m中共有312基,发生雷击重启1次,雷击重启占比33.3%;海拔700 m以上共有473基杆塔,发生雷击重启2次,杆塔占比37.7%,雷击重启占比66.7%。

B2级雷区雷击重启全部发生在700 m以上海拔地区。

C1级雷区海拔低于25 m的杆塔占比24.8%,未发生过雷击重启;25 ~ 100 m区域杆塔占比29%,雷击占比33.3%;100 ~ 300区域杆塔占比21.6%,雷击占比33.3%;300 ~ 700 m以上区域杆塔占比12.6%,雷击占比11.1%;海拔700 m以上区域杆塔占比11.9%,雷击占比22.2%。

C2级雷区100~300 m区域杆塔占比17%,雷击占比50%;700 m以上区域杆塔占比6.4%,雷击占比50%。

D1级杆塔均位于海拔超过300 m区域,未发生雷击重启。

2.2.2 地面倾角—海拔

“三大直流”不同地面倾角—海拔组合区间的杆塔雷击重启情况如图13所示。

图13 不同地面倾角—海拔组合区间杆塔分布及雷击重启情况 
Fig.13 Distribution and lightning flashover information of towers in different ground angle and elevation

分析可知,随着地面倾角越大,则海拔高的杆塔占比逐渐增加,当地面倾角小于1°时,大部分杆塔集中在海拔小于25 m的区域;当地面倾角处于1~2.5°范围内时,海拔处于0~25 m区域内的杆塔占比减少到23.8%,而25 m以上区域的杆塔数量占比均有所增加。因此,地面倾角与海拔呈现较强的正相关性。

各个地面倾角区间内的雷击重启情况也具有相似的变化规律,即随着地面倾角的增大,海拔高的区域的杆塔雷击重启的占比逐渐增加,地面倾角越小,则低海拔区域的杆塔雷击占比越大。地面倾角为0 ~ 1°时,所有的雷击重启均发生在海拔处于25~100 m区域内;当地面倾角处于1 ~ 2.5°范围内时,发生在25 ~ 100 m区域内的雷击重启占比缩减到50%,而100 ~ 300 m区域内的杆塔占比增加到50%。

2.2.3 地面倾角—档距

“三大直流”不同地面倾角—海拔组合区间的杆塔雷击重启情况如图14所示。分析可知,不同地面倾角大小,不同档距杆塔占比变化存在一定差别,700 m以上大档距杆塔数量占比随地面倾角增大而不断增加,而档距小于700 m的杆塔比例则有增有减,因此地面倾角与档距存在着较弱的正相关性。

图14 不同地面倾角—档距组合区间杆塔分布及雷击重启情况 
Fig.14 Distribution and lightning flashover information of towers in different ground angle and span

从不同地面倾角区域内杆塔雷击重启情况看,地面倾角越大,雷击重启杆塔档距的分布范围越广,且同样地面倾角条件下,大档距的杆塔更容易发生雷击重启。从目前雷击故障重启情况看,地面倾角小于10°时,雷击故障重启全部发生在档距大于500 m的杆塔上;当地面倾角大于10°时,雷击重启才出现在档距小于500 m的杆塔上。

3 宾金线雷击重启率偏高原因分析

由图3可知,“三大直流”中宾金线雷击重启率远高于另两条线路最高,故有必要分析产生差异的原因。

3.1 地形环境的差异

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。“三大直流”沿线杆塔处地面倾角分布对比如表4所示,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%;宾金线在 (0,2.5]的杆塔较复奉线少15.6%,较锦苏线少8.1%。经统计,宾金线杆塔的平均地面倾角是复奉、锦苏线平均地面倾角的1.14倍。地面倾角增大,将会造成最大绕击电流I max 增大,进而造成线路绕击重启率增大 [7-9] 

表4 “三大直流”沿线杆塔处地面倾角分布对比 
Table 4 Distribution of tower’s ground angle in “Three major UHVDC lines”

3.2 绝缘配置差异

通过对复奉线和宾金线典型杆塔设计图进行对比,发现宾金线塔头尺寸及绝缘子串长均小于复奉线。以ZC27152型直线塔为例,宾金线使用的塔头与复奉线相比,带电体对导线横担空气间隙(最小空气间隙)从7664 mm减小到6479 mm,缩短了15.5%,绕击耐雷水平也相应降低,如图15所示。

在考虑地面倾角的情况下,分别计算这两条线路典型杆塔的雷击重启率。取接地电阻值为15 Ω,地闪密度为2.78次/(km ·a),采用电气几何模型,计算得到两种典型杆塔雷击重启率如表5所示,即宾金线的雷击重启率约为复奉线的5倍多,与1.2中的统计结果相对应。

表5 宾金线及复奉线雷击重启率计算结果 
Table 5 Calculation result of lightning flashover rate of Binjin line and Fufeng line

4 典型雷击重启案例分析

4.1 2016年6月1日锦苏线雷击重启

图15 宾金线、复奉线杆塔结构尺寸对比 
Fig.15 Structure and size comparison between Binjin and Fufeng UHVDC transmission line

2016年6月1日05时41分,±800 kV锦苏线极I线路故障,保护动作,2次全压再启动不成功后闭锁。国网雷电定位系统显示,2016年6月1日05:41:45时刻前后2 s内,±800 kV锦苏线安徽段有9次雷电数据,见表6。9次雷电数据中前8次属于同一次雷电活动的回击,雷电流幅值均在10 kA ~ 35 kA,参与探测站数在7站及以上,雷电定位点距离线路在600 m以内,故障杆塔位于#3628 ~ #3633区段。

表6 2016年6月1日05:41:45时刻前后2 s内锦苏线落雷 
Table 6 Lightning information along Jinsu Line when the fault happened

对此次雷击故障原因分析如下:05:41:45.444时刻,序号1雷电击中极I导线,造成极I由整流转逆变运行;再启动过程中,05:41:45.661时刻,序号4雷电沿着前序雷电通道再次击中极I导线,造成极I第一次全压再启动失败,极I开始第二次全压再启动;去游离过程中,05:41:45.736序号5(距离序号4雷电75 ms)、05:41:45.792序号6(距离序号5雷电56 ms)雷电先后击中极I导线,引发弧道去游离不充分,造成极I第二次全压再启动失败,按照整定的保护策略(故障极功率大于2000 MW时全压再启动2次不成功则闭锁),极I闭锁。

综上分析,此次雷击闭锁原因为多重雷击导致线路两次重启失败,最终发生闭锁。

4.2 2017年7月2日宾金线雷击重启

2017年7月2日23时36分,±800 kV宾金线极II线路故障并发生闭锁。国网雷电定位系统显示,故障发生时刻前后30 s内,±800 kV宾金线线路走廊2 km范围内仅有1次雷电地闪数据。雷电流幅值为50.5 kA,极性为正极性,参与探测站数在40站及以上,疑似故障杆塔为#3224 ~ #3226区段。现场巡线后,最终确定故障杆塔为#3224。

利用电气几何模型(EGM)原理,计算得到最大绕击临界雷电流幅值约为68 kA。相关研究结果表明,正地闪回击之后常常伴随着连续电流,其持续时间一般为几十到几百毫秒,且正极性的雷电流的连续时间一般长于负极性雷电流 [10-11] 。通过对此次雷电流电场变化情况进行分析后发现,此次雷电流的连续时间将近600 ms,长于典型的负极性雷电流连续时间的平均值,如图16所示。

图16 雷电流电场变化相对值 
Fig.16 Relative change value of lightning current electric field

对本次雷击重启的过程进行分析如图17所示。极II导线遭受雷击后,线路保护动作,经过150 ms的去游离时间后,线路重启。由于连续电流的存在,造成第一次重启不成功,开始第二次重启;经过200 ms后,连续电流依然存在,造成第二次重启不成功,最终导致极II闭锁。

5 结论

本文对特高压直流线路的运行现状进行了统计,分析了造成雷击重启的多种因素,研究了宾金线雷击重启率偏高的原因,并给出了目前特高压线路典型雷击闭锁案例,得到如下结论:

1)“三大直流”中,宾金线雷击重启率最高,达到0.103次/(100 km·a)。

2)地闪密度、档距、地面倾角、海拔高度这4个因素中,档距与雷击重启的相关程度最高,相关系数达到0.99。

3)随着地面倾角的增大,海拔高的区域的杆塔雷击重启的占比逐渐增加,地面倾角越小,则低海拔区域的杆塔雷击占比越大。

图17 宾金线雷击重启过程分析 
Fig.17 The recovery process of Binjin line

4)地面倾角越大,雷击重启杆塔档距的分布范围越广,且同样地面倾角条件下,大档距的杆塔更容易发生雷击重启。

5)宾金线沿线杆塔的平均地面倾角是复奉、锦苏线平均地面倾角的1.14倍,而宾金线导线与横担的最小空气间隙比复奉线短15.5%,这两个原因是宾金线雷击重启率高主要的原因。

6)一次地闪后的多重后续回击,容易使特高压线路雷击重启时去游离时间不够,造成重启失败,进而发生单极闭锁;正极性雷电由于连续电流时间较长,容易使特高压线路雷击重启时去游离不充分,造成重启失败,进而发生单极闭锁。

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Research on Lightning Protection Operation Status of UHVDC Transmission Lines in SGCC  

WANG Jian , GU Shanqiang 2,3 , PENG Bo , ZHAO Chun 2,3 , REN Hua 2,3 , WU Min 2,3 , MA Longtao 
(1.State Grid Corporation of China, Xicheng District, Beijing 100031, China;2.Nari Group Limited Corporation (State Grid Electric Power Research Institute), Nanjing 211106, Jiangsu Province, China;3.Wuhan NARI Limited Liability Company of State Grid Electric Power Research Institute, Wuhan 430074, Hubei Province, China;4.Tongchuan Power Supply Company of State Grid, Tongchuan 727031, Shaanxi Province, China)

Abstract: According to statistics, the fault rate of ultra-high voltage DC(UHVDC) transmission line is higher than that of ultra-high voltage AC(UHVAC) transmission line under management of State Grid Corporation of China(SGCC), so it is essential to analyze the lightning protection operation status of UHVDC transmission lines of SGCC.In this paper, lightning parameters and lightning flashover information of three major UHVDC lines in SGCC (Fufeng line, Jinping-South Jinsu line, Binjin line) are collected and analyzed.Results indicate that the lightning flashover rate of Yibin-Jinhua DC line is the highest.After that, factors which may have impacts on lightning flashover of UHVDC line are proposed, and the weight of these factors are studied.Weights of single factor and multiple factors based on correlation of them are obtained.By analyzing lightning protection performance using electric geometrical model, it can be inferred that the distance between conductor and cross armis relatively short, which results in a higher lightning flashover rate for Yibin-Jinhua DC line.Two typical cases of lightning flashover failure which caused monopole locking are proposed and analyzed, the result indicates that multiple subsequent strokes and long duration of continuous current of positive lightning stroke are two main reasons for lightning flashover failure.Finally, lightning protection operation status of UHVDC transmission lines is concluded, which provides a significant theoretic foundation for lightning protection of UHVDC.

Keywords: three major UHVDC lines; lightning flashover;lightning density; lightning performance; monopole locking

Science and Technology Foundation of SGCC.

王剑

作者简介:

王剑(1974),男,硕士,长期从事过电压与雷电防护技术研究,E-mail:wangjian@sgcc.com.cn。

彭波(1981),男,博士,高级工程师,长期从事过电压与雷电防护技术研究,E-mail:peng-bo@sgcc.com.cn。

(责任编辑 张鹏)


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