基于网格法的1000kv东线工程1000kV皖电东送输变电工程沿线的雷电分布特征

基于网格法的1000kv东线工程1000kV皖电东送输变电工程沿线的雷电分布特征

0基于网格法的输电线路阵风锋场特高压线路应用状况淮南特高压能源输变电工程（东线）是国家“安徽东运”战略的重要组成部分。它是继晋东南、南阳、荆门（中轴线）特高压交流试验模式之后，第一个商业交流特高压建设项目成功实施。建设中线工程时,我国工程技术界对前苏联和日本的特高压线路雷击跳闸运行经验高度重视,在充分调研沿线雷电分布特征基础上,对晋东南雷击严重区段采取了重点保护设计方案。与中线工程相比,东线工程面临的防雷形势更加严峻,东线工程起于安徽淮南变电站,止于上海沪西变电站,全长641.6km,采用双回同塔设计,途经淮河、长江大跨越。沿线所经安徽、浙江和上海的区域地形、气候环境多样,雷电活动复杂多变;电网运行经验也表明,华东地区输电线路雷击跳闸统计值在全国范围内较高。我国的输电线路防雷设计主要依据电力行业标准《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》(DL/T620-1997),设计中能选用的雷电参数,如地闪密度等,仍然是基于气象雷电日资料,这种单一的雷电参数肯定无法代表数百km长输电线路沿线雷电分布,也因此会造成较大的设计偏差。目前提出的输电线路差异化防雷策略,应该是特别适合于长距离的特高压输电线路,而输电线路差异化防雷技术的基础之一,就是雷电参数的差异化。针对东线工程所经历区域、特别是输电线路沿线雷电参数的空缺,本文采用网格法对安徽、江苏、浙江和上海电网雷电定位系统2005～2008年地闪主放电资料进行统计分析,通过绘制东线工程穿越的4省市的雷区分布图,标出多雷区;进而再以东线线路走廊为对象,将全线分成均匀的统计段,采用线路走廊网格法统计分析沿线每段的地闪密度Ng、雷电日Td和线路走廊雷电流幅值分布特征;用统计值对该特高压线路绕击闪络率进行校核计算,找出易受雷击并可能发生闪络的易闪段。本文研究提供的东线工程沿线的基础性雷电参数,标出的输电线路雷击易击段和易闪段,对东线特高压输电线路的防雷差异化设计以及今后运行有较大的参考价值。1u3000数据来源雷电监测资料来源于我国电网雷电定位系统,取东线特高压输电线路跨越安徽、江苏、浙江、上海4大区域较为完整、统一的雷电定位系统自动监测数据:2005～2008年共计562.6万次地闪主放电资料,进行雷电参数统计样本预处理,得统计样本库,其中,年地闪情况见表1。2穿过该区域的风险地图2.1地闪密度分布采用自然分色法,对统计样本库中的安徽、浙江、江苏、上海4区域地闪数据,按0.015°×0.015°网格绘制地闪密度2维空间分布,如图1所示,图中地闪密度色标分割点分别是:4.9、6.1、8.8、11.6次/(km2·a)。地闪密度值及其时空上的分布图清晰地展示出:浙江东北部、安徽省东南部、江苏中西部、上海东部近4a地闪密度平均值均超过8.8次/(km2·a)(若折算成雷电日则约为97d),是典型的多雷区。由图可见,东线特高压输电线路中部和东部正经过了这些多雷区,而西部和东部所经区域地闪活动则相对较弱。2.2山区雷达地区皖南和安徽中西部为山地,包括黄山、九华山、大别山地等,安徽其余地区为主要为平原和丘陵。江苏省地形多为平原,只有北部徐州地区、西南部分别为徐海丘陵和宁镇丘陵;多湖泊,且南部的太湖、中西部的洪泽湖、高邮湖为较大的水系。浙江省地形多为丘陵和山地,仅浙北东部为浙北平原,浙江中西部有金衢盆地。从雷区分布图中可见:①受到从海面运动而来的夏季季风影响,冷暖气流在地形抬升处交汇,在沿海迎峰面,强对流天气极易形成,这个区域雷电容易出现。如浙江沿海山区地闪密度普遍较大。②在较大水系附近,属土壤电阻率突变地区,兼有大量的水汽,容易遭受雷击。如江苏南部的太湖、中西部的洪泽湖、高邮湖附近区域地闪密度相对较大。③山区雷电活动多强于平原地区。如安徽中西部山区及皖南山区雷电活动强于其平原地区。3输电线路沿线电弧对东线特高压输电线路沿线雷电活动统计采用“线路走廊网格法”:以输电线路为中心,统计线路走廊半宽度取0.05°(约5km),沿径向按统计宽度将输电线路进行等分,形成63个0.1°×0.1°网格,如图2所示。统计各个网格中的雷电参数,对这些数据按照一定的规则进行等级划分,即得到输电线路沿线雷电分布。统计均采用国网电力科学研究院开发的雷电参数统计程序(LPSP)完成。3.1缓冲区分布3.1.1区域闪密度分布东线特高压线路走廊沿线2005～2008年平均年地闪密度分布见图3。东线特高压沿线各区段2005～2008年平均年地闪密度Ng在3.7～12.4次/(km2·a),均值为7.5次/(km2·a),各区段地闪密度均大于规程推荐值2.8次/(km2·a),相比中线工程平均年地闪密度最大值2.78次/(km2·a),东线工程沿线雷电活动频繁强烈得多。东线特高压沿线地闪密度分布大致可分为四大段,从西到东地闪密度先减小,再增大,后减小。位于安徽中部的#1～#10段,以及浙北西部、上海境内#52～#63段地闪密度主要在6.0～8.0次/(km2·a)范围内;位于安徽中西部的#11～#26网格段地闪密度最小减小,在4.0～6.0次/(km2·a)范围内;皖南和浙北东部的#27～#51段地闪密度较大,主要在8.0～12.0次/(km2·a)范围内变化,浙北西部区段雷电频度最大。从全线来看,#1段及位于皖南和浙北西部的#27～#51段为易受雷击段。图4为#48网格段附近的地形特征。从地形上来看,东线特高压交流输电工程在安徽省东南部、浙江省北西部部分经过了山区或走廊附近有山脉,其余地区几乎都为平原。可见山区落雷密度比平原地区大。同时山区地形使输电线路存在暴露面,雷电绕击输电线路概率更大,应受到重点雷电防护。3.1.2特高压沿线地闪密度分布规律2005～2008年中,东线特高压线路走廊0.1°统计宽度内的地闪主放电次数分别为4.7、4.6、5.3、5.5万次,其中,正极性雷比率约为5%。这些地闪沿线分配情况见图5所示。采用平均年自然分割法数据对各年沿线地闪密度值进行等级划分,共分成5级。可见,东线特高压沿线雷电密度分布特征明显,各年的分布规律较为相似,均反映出在特高压线路中部,即位于安徽省东南部和浙江省北西部地区的雷电活动最强,地闪密度最大;向两端发展,地闪密度减小;然后在线路最西部,即安徽省中部地区,地闪活动又略有增强。由于雷电活动的随机性,使各年地闪密度分布也存在一定的差异性。多年平均的雷电分布规律才具有较强的代表性。通常认为,以太阳黑子活动周期内的数据统计结果比较科学合理,文引用有关文献,指出1a的平均雷电日约有35%～40%的标准偏差,5a的约30%,而10a的也约25%。本文以4a雷电监测数据为基础,统计结果有较大的参考价值。3.1.3特高压沿线区域文对雷电日统计方法及雷电日参数应用的弊端已有详细阐述。本文按0.1°×0.1°统计网格统计雷电日,获得的东线特高压沿线各区段雷电日统计值在40～60d范围内变化(见图6)。值得注意的是,这些雷电日统计值是未与长期气象资料比对的,这里给出只是为了方便与地闪密度参数的直观比较。3.2特高压沿线统计累积概率密度分布曲线东线特高压输电线路沿线统计范围内,雷电流幅值累积概率分布与自然分布分别见图7、8所示。东线特高压沿线统计累积概率密度分布曲线拟合表达式为p=1(1+I/19.2)1.9(Ip=1(1+Ι/19.2)1.9(Ι为电流幅值),中值电流为19.2kA。与现行行标推荐曲线及IEEE推荐曲线均存在较大差异。4根据雷达参数的统计值计算序列计算4.1地闪密度和电弧流幅值特高压输电线路的绝缘水平很高,不容易发生反击,因此,绕击是特高压输电线路需重点防范的雷害。绕击跳闸率nr计算式为nr=2Ng10η∫ImIcDc(I)f(I)dI。nr=2Νg10η∫ΙcΙmDc(Ι)f(Ι)dΙ。式中,η为建弧率;Dc(I)为暴露弧或暴露距离;f(I)为雷电流幅值的概率密度函数;Ic为闪络临界雷电流;Im为最大雷电流;nr的单位为:次/(100km·a)。地闪密度和雷电流幅值是影响防雷计算的两个关键雷电参数。在其他条件不变时,nr与Ng成线性关系,是影响绕击跳闸率权重较大的因素。东线特高压沿线统计Ng与行标推荐Ng的比值在[1.3,4.4]范围内变化,皖南和浙北西部段内两者比值高达2.9～4.3倍。在其他条件不变时,随着地面倾角的增大,绕击跳闸率增加。考虑最严重情况,在皖南和浙北西部山区地面倾角按20°考虑,对皖电东送典型杆塔SZ322P型杆塔(-2.5°保护角),在地闪密度参数相同时,利用统计雷电流幅值与规程推荐雷电流幅值计算得到的绕击跳闸率比值约为1.7。结合Ng参数,可得利用统计推荐雷电参数与规程推荐雷电参数计算得到的绕击跳闸率比值n1/n2在该区段内可达3倍以上。另外,定性上分析,由图8可见,大约在34kA处,统计雷电流幅值累积概率密度分布曲线与推荐雷电流幅值概率密度分布曲线相交。而在此电流附近,是通常可能引起特高压输电线路绕击闪络的危险雷电流范围。在危险雷电流附近的雷电流幅值分布相近使雷电流幅值对绕击闪络率的影响不及地闪密度显著。考虑实际地形时,利用统计雷电参数相比行标推荐雷电参数会使局部地区雷害风险严重。4.2危险雷达压制参数电网雷害的发生有其特有的特征,受到电网绝缘水平的影响,只有在某些电流幅值段内的地闪才能引起雷击闪络,幅值不同的雷电流其危害程度也不同。可能引起绕击闪络的危险电流对应为绕击危险电流。因此,地闪密度和危险雷电流发生概率是易受雷击并发生闪络的薄弱段所具有的两大因素。地闪密度大,且容易出现危险雷电流的区段可视为易发生雷击闪络的薄弱段。综合这两大因素,提出危险雷电密度Ngc参数。绕击危险雷电密度Ngcr=Ngp1,其中p1为绕击危险雷电出现的概率。文献给出了特高压单回输电线路绕击闪络临界雷电流Ic=30kA。对于特高压双回输电线路,对皖电东送典型杆塔SZ322P型进行计算。由于绕击耐雷水平和最大绕击电流均与运行电压有较大关系,取一周波内的平均值和最大值分别为大致绕击耐雷水平(约为25kA)和最大绕击电流(约为40kA)。在此危险雷电流范围内,东线特高压输电线路沿线危险雷电密度分布见图9所示。从中提取出3个相对易闪段:一是位于淮南变电站附近的#1段,二是位于安徽东南部的#27～#30段,三是位于浙江省北西部的#43～#50段。5特高压线路绕击闪络率计算公式a)利用安徽、江苏、浙江、上海4省市雷电定位系统监测数据,统计分析了1000kV东线工程—安徽至上海送输变电工程沿线走廊雷电分布特征及雷电参数。b)浙江东北部、安徽省东南部、江苏中西部、上海东部近4a地闪密度平均值>8.8次/(km2·a),东线工程要经过这些区域。c)东线特高压沿线地闪密度在3.7～12.4次/(km2·a),范围内,