我國電網雷電監測與防護技術現狀及發展趨勢

《高電壓技術》2016年第42卷第11期

研究背景

雷電對電網安全運行影響頻繁，電網雷擊問題一直備受關注。我國電網防雷工作者經過多年努力，基于“發現問題–分析問題–解決問題”的技術路線，已形成一套較為成熟的電網防雷技術和規程。發現問題依靠雷電監測，廣域雷電地閃監測系統的雷電探測站由模擬式升級至新一代數字式，總體探測效率提升至90%以上，定位誤差≤500 m；分布式雷擊故障監測技術及系統進一步推廣應用，監測設備在26個省級電網輸電線路上安裝，雷擊/非雷擊故障辨識準確率達98%，繞擊/反擊識別準確率達95%，故障點定位準確率達89%；自然雷擊光學路徑觀測系統不斷完善，首次在國內捕獲了多張直擊于500 kV線路的雷電形態高清圖像。分析問題依靠防雷風險評估，輸電線路雷擊計算的相關理論和模型逐步完善，差異化防雷評估系統在25個省級電網安裝運行，指導超過500條330 kV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±500 kV直流線路避雷器并應用成功，±800 kV直流線路避雷器也于世界首次掛網試運行。防雷技術的發展與應用極大提升了輸電線路防雷運行與維護水平，雷擊跳閘率與故障停運率均處于世界最優水平。

我國電網建設規模加大，尤其特高壓交、直流輸電線路是能源輸送的重要通道規劃和建設規模增速明顯，同時，在全球氣候變化的背景之下，強對流天氣頻發，雷電活動增強趨勢明顯，電網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3個大的方面對近年來我國電網防雷技術的現狀進行回顧和總結，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的主要研究發展方向進行展望。

1、雷電監測技術

1.1廣域雷電監測

我國于2006年建成了覆蓋全國電網和大部分國土面積的全國雷電地閃監測網，中國成為擁有自主知識產權的雷電監測系統的國家，雷電監測網規模和工程應用水平居世界領先地位。2009年筆者團隊開展了全數字化雷電探測技術研究，成功研制出基于第3代全數字式雷電地閃探測站DLF–3000的廣域雷電地閃監測系統。目前我國電網建設的雷電監測網覆蓋全國除臺灣外的所有行政區域。廣域雷電監測系統有效支持了雷電參數長期統計和輸電線路雷擊故障查找。

我國電網雷電地閃監測網站點位置與重要輸電線路分布圖（截止到2016年9月）

1.2 雷擊監測

輸電線路分布式故障監測技術采用區段化、高電位測量，能夠監測出線路上各種電流形波較為豐富的瞬態特征，根據不同狀態下暫態行波特征，實現雷擊/非雷擊故障辨識、繞擊/反擊辨識和故障桿塔精確定位。

分布式雷擊故障監測系統工作示意圖

國網研發的輸電線路雷擊光學路徑監測系統，利用高靈敏光學觸發器智能感知雷擊過程，實時記錄雷擊光學圖像并自動發送給遠端服務器，實現了在本地就能掌握遠隔千里野外運行的輸電線路雷擊狀況。

雷擊光學路徑監測裝置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行高精度測量。2007年以來，我國也在云南、山西、廣州等地電網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

架空輸電線路分布范圍廣泛，沿線地形地貌復雜、雷電活動分布不均，加上線路結構、絕緣差異等因素，精細化評估線路雷擊風險的難度較大，但一直是防雷科研和生產運行努力的目標。

基于線路走廊雷電監測數據樣本庫，實現以地閃密度為依據的雷區等級劃分，并繪制全國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計分析，結果與IEEE概率推薦分布一致性明顯優于現行國標，指導輸電線路設計、運行管理和防雷改造。精細化地形地貌數據在防雷評估中主要使用地面傾角和地貌數據，導地線相對地面的準確高度采用弧垂和地貌數據進行修正，最大繞擊電流計算過程中需要調整地面傾角。3維激光掃描技術可實現線路結構信息的精細化測量，該方法能提取更加精確的桿塔定位坐標、導地線間的間距及弧垂、轉角塔外側跳線保護角等重要參數，該項技術已成功應用于三峽近區500 kV送出線雷電風險評估中并取得良好應用效果。

隨著電力系統廣域雷電監測系統的建設和數據積累，學者們提出了基于輸電線路走廊雷電活動強度、地形地貌及線路結構等差異化因子的全線路雷擊故障風險逐桿塔分析方法。基于該方法研發出的輸電線路差異化防雷評估系統，已應用于26個省級電網，指導500多條線路防雷改造已成為指導電網防雷設計、運行維護和改造的重要工具，應用成果顯著。

差異化防雷評估方法

差異化防雷評估系統軟件界面

3、雷電防護措施

3.1 防雷擊閃絡措施

防雷擊閃絡故障措施是從降低線路雷擊跳閘率為出發點，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±500 kV、±800 kV直流線路避雷器，2016年，±800 kV直流線路避雷器在賓金線成功掛網，±500 kV線路避雷器已實現廣泛應用。安裝避雷線、塔頭針主要是通過其吸引雷電將雷電流導入大地，防止雷電直擊被保護設施。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，已在多個省級電網公司應用并取得良好應用效果。

±500 kV直流線路避雷器

±800 kV直流線路避雷器

3.2 防系統停電措施

系統停電措施是以保證電網系統安全穩定性為立足點，此措施主要包括：并聯間隙、新型雷擊閃絡限制器、自動重合閘裝置、直流線路故障重啟策略。

截至2015年，國網安裝并聯間隙線路總長度約8454 km，目前安裝間隙后線路雷擊跳閘運行數據表明：220 kV線路間隙保護平均成功率為92.3%；安裝并聯間隙后500 kV線路重合閘成功率為100%，但間隙保護平均成功率僅為80%，低于其他電壓等級線路并聯間隙保護成功率。國網組織專項研究完善500 kV線路并聯間隙，進一步降低并聯間隙保護失效概率。110~220 kV交流輸電線路雷擊閃絡限制器兼具避雷器限制過電壓和并聯間隙疏導電弧優勢為一體，同時該裝置具有造價低廉、安裝方便等優點，初步在湖北、四川等地試運行。自動重合閘裝置獲得普遍應用，且通過多年的實際運行經驗表明，其對電網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。

掛網運行的220 kV雷擊閃絡限制器

結 論

近年來電網防雷工作圍繞雷電監測、防雷評估與防雷措施開展了大量理論研究、系統研發與工程應用，這些工作有力支撐了我國電網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架的堅強智能電網建設和全球能源互聯網的推進，以及配電網運行可靠性要求不斷提升和新能源接入引起的新型電網安全問題，對電網防雷技術提出了新的和更高的要求。

后續研究

1）雷電監測技術方面，針對配電網和新能源電站，開展高精度雷電監測技術研究；提高輸電線路分布式雷擊故障監測系統定位精度，在工程應用上進行技術經濟性研究；擴大雷擊光學路徑觀測和雷電流直接測量的工程應用規模，為雷擊機理研究提供更多數據資料。

2）防雷評估技術方面，開展精細化雷電參數挖掘分析，主要包括短時高密度突發雷暴活動統計方法研究、多重雷擊或后續回擊參數特征統計分析、輸電線路本體雷擊特征參數統計分析、雷電放電直流持續分量特征統計；深入研究重要輸電通道、直流和配網線路防雷性能評估方法，重點關注擊中線路本體的雷電參數、3維地形呈現的多面體幾何特征參數對線路防雷性能的影響。

3）雷電防護措施方面，開展結合運行經驗、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和應用，以減小電網雷擊跳閘引起的社會經濟影響；針對現階段電網防雷的新形勢，重點關注全電壓系列直流線路避雷器的研發及應用、優化500 kV線路用并聯間隙結構設計和新型閃絡限制器參數。