李靖強 王澤眾 楊曉娟 劉長征 徐 文

1.山東省濟寧市供電公司 山東 濟寧 272100；2.華北電力大學 北京 昌平 102206

0 引言

電力系統(tǒng)是由發(fā)電、輸電、配電三大部分構(gòu)成的， 架空輸電線路作為這三大部分的重要組成，它的安全與穩(wěn)定是我們需要密切關(guān)注的。由于架空輸電線路經(jīng)常地處荒野，構(gòu)成縱橫交錯，并且經(jīng)常會綿延數(shù)百至數(shù)千公里，極易發(fā)生雷擊現(xiàn)象，造成各種如跳閘或停電的安全事故，這將會給國民經(jīng)濟帶來十分重大的損失。 超、特高壓輸電線路一般比較長，且長期暴露在大氣中，暴露面積大；同時超、特高壓輸電線路的桿塔高度比較高， 引雷半徑比較大，因此遭受累積的可能性也就大。 據(jù)各類關(guān)于電網(wǎng)故障統(tǒng)計表明，超高壓總跳閘次數(shù)中，因雷擊引起的跳閘次數(shù)占40%～70%［1－2］，特別在土壤電阻率高、多雷、地形復雜的地區(qū)，因輸電線路引起的故障會更多。 因此，做好架空輸電線路的防雷工作對電力系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性有著至關(guān)重要的作用。

目前無論是用規(guī)程法還是電氣幾何模型法都無法很好地解釋超、特高壓輸電線路跳閘率以繞擊為主的事實，因此對超特高壓輸電線路的繞擊耐雷性能進行研究，對于優(yōu)化特高壓線路設(shè)計，使其防雷保護技術(shù)更趨完備， 具有重要的工程實際意義。在目前沒有設(shè)計、運行經(jīng)驗的情況下，如何針對繞擊雷害的特點做好1000 kV 特高壓線路的防雷工程設(shè)計，以提高線路的安全可靠性，并采取相應的有效防護對策，是亟待解決的問題。隨著試驗技術(shù)、無線通信技術(shù)、雷電模擬技術(shù)不斷進步以及對電網(wǎng)雷擊的認識提高，非常有必要系統(tǒng)地對電網(wǎng)雷電的參數(shù)監(jiān)測與防護關(guān)鍵技術(shù)進行攻關(guān)研究。

1 國內(nèi)外電網(wǎng)雷電監(jiān)測水平現(xiàn)狀

1.1 雷電參數(shù)測量

我國電網(wǎng)防雷保護仍屬于粗放型狀況，主要是對雷電的特性并沒有很好的掌握，特別是某些地區(qū)的雷電流幅值與上升時間的分布，源頭的防雷設(shè)計理念和可依賴的雷電參數(shù)等數(shù)據(jù)長期缺乏。不管是電氣幾何模型計算保護角，還是先導法計算雷擊或繞擊概率，最關(guān)鍵的是掌握雷電參數(shù)分布。

關(guān)于雷電參數(shù)測量和輸電線路閃擊路徑測量，國外曾進行了相關(guān)研究，早期采用磁鋼片進行定點測量， 多年前K.Berger在圣薩爾瓦托山上的觀測站測得的1001次負極性放電和26次正極性放電［4－5］。我國也進行了大量雷電定位與監(jiān)測系統(tǒng)的研究，并開發(fā)了相應的雷電監(jiān)測報警系統(tǒng)。 該系統(tǒng)基于正交交叉天線來測量電磁波輻射， 從而進行雷電定位，但由于對雷電電磁波傳播特性未能掌握，只能得到粗略的雷電幅值， 很難得到雷電的波形。 其實，雷電的分散性和隨地域變化的特點，對我國廣大的不同特征的輸電網(wǎng)而言， 雷電流參數(shù)是極為貧乏的和急需的。

目前，雷電探測是利用閃電輻射的聲、光、電磁場特性來遙測閃電放電參數(shù)：時間、位置、強度、極性、電荷、能量等。 由于聲、光受周圍環(huán)境的影響很大，很難用于精確測量雷電參數(shù)。因此，基于雷電輻射電磁場傳播特性的全新數(shù)字化雷電監(jiān)測系統(tǒng)是未來研發(fā)的重點。 美國、瑞士等國家已經(jīng)開展了很多工作，根據(jù)雷電電磁波的輻射特性，可通過雷電定位系統(tǒng)得到大量估算雷擊大地的雷電流峰值、上升時間和雷電電磁場數(shù)據(jù)反演等的重要參量［7］。 但是，現(xiàn)在的研究因模型簡單、只能由近場測量值進行雷電流反演計算等限制原因，還不能充分發(fā)揮雷電定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)量大、測量范圍廣等優(yōu)勢。

1.2 雷電參數(shù)分析與雷害評估

關(guān)于雷電參數(shù)分析與雷害評估研究，世界上發(fā)達國家對雷電的研究一直非常重視。美國是首先將雷電定位監(jiān)測系統(tǒng)應用于電力系統(tǒng)的國家， 并在2000年對第一個10年全國的雷電定位監(jiān)測運行數(shù)據(jù)進行詳細的分析與研究。日本在90年代末采用在輸電線路上加裝直擊雷記錄設(shè)備的方法進行雷電流參數(shù)，并對雷電定位監(jiān)測系統(tǒng)測量的雷電流進行校核精度［8］。 我國特高壓線路建設(shè)中也非常重視雷電危害的評估，在過去的一年多時間內(nèi)，多家研究所、高校及國外電力研究部門對特高壓線路雷擊跳閘率進行了分析計算，但由于未能很好地認識雷電物理過程及掌握雷電參數(shù)，各單位得出的研究結(jié)果也是差別很大，很難用于工程設(shè)計。

1.3 輸電線路雷擊跳閘率

繞擊是超高壓、特高壓輸電線路雷擊跳閘的主要原因，在繞擊跳閘率方面國內(nèi)外的多名專家做了研究。 在繞擊跳閘率計算時，多采用電氣幾何模型法［9］。經(jīng)典的電氣幾何模型是由Whitehead教授等根據(jù)計算分析和現(xiàn)場試驗結(jié)果，將雷電的放電特性與線路的結(jié)構(gòu)尺寸聯(lián)系起來而建立的一種幾何分析計算模型。 該模型是一種工程模型，其發(fā)展和完善一直得到了現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)的支持。作為繞擊計算方法EMG比傳統(tǒng)規(guī)程法前進了一大步，但是該模型沒有考慮到雷電放電的分散性，并認為繞擊與結(jié)構(gòu)物高度無關(guān)，也沒有考慮大地、避雷線、導線三者引雷能力的差別。而假定雷電先導對三者的擊距是相等的，從而影響了模型的精確性。

針對經(jīng)典電氣幾何模型的不足，Eriksson教授提出了改進的電氣幾何模型［10］。與經(jīng)典電氣幾何模型相比改進電氣幾何模型考慮了結(jié)構(gòu)物高度對引雷能力的影響，但其同樣也沒有考慮到雷擊放電過程的分散性的影響。隨著雷電先導理論的發(fā)展和長間隙放電研究的深入［9］，而后又提出雷電先導傳播模型（Leader Progression Model，LPM），用于雷電屏蔽性能的研究。

為適應超、特高壓輸電發(fā)展的需要，國內(nèi)學者也進行了一些對輸電線路雷電繞擊分析模型的研究和改進［11］。該方法全面的考慮了雷電先導發(fā)展過程中空間電場的變化情況及其對放電發(fā)展過程的影響，更加接近雷電發(fā)展的物理過程，適用于特高壓線路的繞擊耐雷性能計算。

2 亟待開展的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 直接測量雷電流

近年來，由于雷電流參數(shù)是電網(wǎng)防雷設(shè)計的基礎(chǔ)參數(shù)，隨著雷電定位系統(tǒng)其在全國得到大量推廣應用，在雷電流幅值的分布和地面落雷密度方面積累了海量數(shù)據(jù)。其基本原理是用多個測量天線測量雷擊時的雷電電磁波，經(jīng)過計算機的反推計算確定雷擊地點、雷電流幅值以及極性。 由于電磁波的傳播受地形地貌的影響，經(jīng)反推計算的雷電流幅值在未知誤差，目前還不能實際校核，需要通過直擊雷電流的測量耐其進行標定。 同時，雷電流參數(shù)一直是架空輸電線路和大型電力設(shè)備防雷設(shè)計的基礎(chǔ)參散，但由于過去測量技術(shù)和成本問題，使得雷電流測量手段比較落后，導致我國可用雷電流監(jiān)測參數(shù)十分匱乏［12］。

現(xiàn)在國內(nèi)外對防雷的研究一般只精確到雷擊區(qū)域或點的大體位置，并無對輸電線路遭受雷擊過程進行真實描述， 使防雷工作長期無法得到突破。因此，十分有必要對雷擊輸電線路造成絕緣子閃絡(luò)的路徑進行研究。通過開發(fā)出輸電線路雷擊在線監(jiān)測系統(tǒng)，實測雷擊避雷線、導線和桿塔的電流幅值、波形、極性等參數(shù)，直接判斷遭受雷擊的桿塔位置和雷擊形式（繞擊或反擊），為采取準確靈敏的防雷措施，提供堅強的技術(shù)保證。 開展輸電線路直擊雷電流實測研究，可為我國電網(wǎng)獲取和積累雷電流實測參數(shù)，激活海量雷電定位系統(tǒng)雷電流教據(jù)，并為電網(wǎng)防雷工程設(shè)計提供依據(jù)， 降低電網(wǎng)雷害發(fā)生，推動我國電網(wǎng)防雷技術(shù)的發(fā)展。

2.2 雷擊輸電線路模擬與繞擊計算方法的設(shè)計

在特高壓與超高壓系統(tǒng)中，因反擊耐雷水平升高而造成的繞擊跳閘問題十分的突出［13］。并且根據(jù)對特高壓線路上美國、加拿大等國的防雷運行經(jīng)驗的研究發(fā)現(xiàn)，繞擊仍是雷擊跳閘事故中高壓輸電線路跳閘的主因［14－15］。 在輸電線路往更高電壓等級發(fā)展和出現(xiàn)新的線路結(jié)構(gòu)時， 原有以電氣幾何模型（EGM）為基礎(chǔ)的輸電線路直擊雷電屏蔽保護［16－18］，在指導新線路的防雷屏蔽設(shè)計時也表現(xiàn)出一些局限性，所以建立適當?shù)妮旊娋€路雷擊模擬與繞擊計算方法能夠有效的監(jiān)測線路的雷擊故障。

在輸電線路往更高電壓等級發(fā)展和出現(xiàn)新的線路結(jié)構(gòu)時，原有以電氣幾何模型（EGM）為基礎(chǔ)的輸電線路直擊雷電屏蔽保護［16－18］，在指導新線路的防雷屏蔽設(shè)計時也表現(xiàn)出一些局限性，所以建立適當?shù)妮旊娋€路雷擊模擬與繞擊計算方法能夠有效的監(jiān)測線路的雷擊故障。

目前，以模擬電荷法為基礎(chǔ)，計及線路的運行電壓和雷電先導通道在地面和線路上的感應電壓，建立雷電先導通道模型和輸電線路模型的方法得到了很好的應用。 模擬電荷法 （Charge Simulation Method）于1969年由H.Steinbigler提出［19］，可用于計算高壓電極、 高壓輸電線和其他高壓電器附近的高壓電場。 根據(jù)輸電線路以及桿塔參數(shù)應用模擬電荷法設(shè)置的模擬電荷建立輸電線路模型， 能夠估計雷電通道參數(shù)并建立雷電通道模型， 從而計算出不同特高壓塔型下，回擊雷電流幅值，雷電流位置，導線、避雷線出現(xiàn)電暈放電時雷電通道頭部的高度［20－24］。 該方法可反映雷擊過程的基本規(guī)律，而通過該規(guī)律所得到的對地雷擊距離與IEEE給出的推薦擊距公式基本一致，具有良好的實踐性與可靠性。

2.3 建立雷電數(shù)據(jù)庫

關(guān)于基于雷電參數(shù)數(shù)據(jù)庫和全波過程模擬的電網(wǎng)“防雷差異化設(shè)計”研究，IEC已經(jīng)開始使用近十多年來的雷電定位系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)［25－26］，推薦了典型的防雷設(shè)計和校核用雷電參數(shù)，但是，仍然是沿用無差別化優(yōu)化設(shè)計思想。隨著超高壓電網(wǎng)的迅猛發(fā)展，尤其特高壓輸電網(wǎng)的出現(xiàn)，必須利用雷電參數(shù)庫，根據(jù)特高壓輸電線路的特殊結(jié)構(gòu)和各區(qū)域特點，對特高壓線路雷害進行正確評估，并找到輸電線路容易受雷擊并發(fā)生閃絡(luò)的薄弱線段，針對輸電線路易閃段重點提出防護措施，實現(xiàn)輸電線路的“差異化防雷設(shè)計”，可以大大減少電力系統(tǒng)雷害事故，提高系統(tǒng)可靠性，特別是在特高壓輸電系統(tǒng)，建立一個完整、可靠的雷電數(shù)據(jù)庫顯得尤為重要。

2.4 雷電屏蔽模擬試驗技術(shù)

由雷電屏蔽理論可知， 在保護角小于一定程度， 雷擊繞擊最大電流小于繞擊耐雷水平的情況下，線路一般不會發(fā)生繞擊跳閘事故。 但是輸電線路某些局部區(qū)域會因氣象、 地形和塔型等因素，出現(xiàn)繞擊跳閘率居高不下的情況。而因為調(diào)整保護角將會引起桿塔的機械性能發(fā)生變化，所以在運行線路上采取這一措施是十分困難的。 并且，在特殊的大傾角山區(qū)，由保護角的調(diào)整所引起的屏蔽效果也不會顯著增加。 因此，除了在建設(shè)階段選擇合適線路保護角等措施外，還需采用一些便于在運行時實施的雷電屏蔽增效措施［27－28］。

雷電屏蔽模擬試驗技術(shù)的主要思想是用長間隙放電來模擬自然雷擊的過程，其理論基礎(chǔ)是二者之間的相似性。因通過長間隙放電來模擬雷擊過程是不可行的，所以可以利用長間隙放電來模擬雷擊的自然放電。通過對不同長度間隙進行沖擊放電試驗，可觀測雷擊放電過程并得到各種物理參數(shù)的變化規(guī)律，用于雷電屏蔽的各種仿真研究。

3 結(jié)論與展望

在電力系統(tǒng)中，防雷工程是一項復雜、系統(tǒng)的工程。 目前，雖然在智能電網(wǎng)的雷電監(jiān)測與防護領(lǐng)域我國已經(jīng)取得不少成果，但仍有不少關(guān)鍵技術(shù)難題亟需解決。 只有結(jié)合各種系統(tǒng)的實際情況，并綜合應用本文討論過的各種防護措施，才能提高智能電網(wǎng)的防雷水平， 減少各種雷害事故對電網(wǎng)的影響，提高電網(wǎng)的安全運行水平。除此之外，通過對本文討論的各項關(guān)鍵技術(shù)開展分析與研究，還會為我國相關(guān)防雷標準和規(guī)程的制定與修改提供一定的依據(jù)。

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