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我国电网雷电监测与防护技术现状及发展趋势

2016-12-22 浙江雷升电子有限公司 阅读

雷电对电网安全运行影响频繁,电网雷击问题一直备受关注。我国电网防雷工作者经过多年努力,基于“发现问题–分析问题–解决问题”的技术路线,已形成一套较为成熟的电网防雷技术和规程。发现问题依靠雷电监测,广域雷电地闪监测系统的雷电探测站由模拟式升级至新一代数字式,总体探测效率提升至90%以上,定位误差≤500 m;分布式雷击故障监测技术及系统进一步推广应用,监测设备在26个省级电网输电线路上安装,雷击/非雷击故障辨识准确率达98%,绕击/反击识别准确率达95%,故障点定位准确率达89%;自然雷击光学路径观测系统不断完善,首次在国内捕获了多张直击于500 kV线路的雷电形态高清图像。分析问题依靠防雷风险评估,输电线路雷击计算的相关理论和模型逐步完善,差异化防雷评估系统在25个省级电网安装运行,指导超过500条330 kV及以上线路的防雷改造。解决问题依靠防雷措施,继交流线路避雷器取得显著防雷效果之后,我国率先开发±500 kV直流线路避雷器并应用成功,±800 kV直流线路避雷器也于世界首次挂网试运行。防雷技术的发展与应用极大提升了输电线路防雷运行与维护水平,雷击跳闸率与故障停运率均处于世界最优水平。

我国电网建设规模加大,尤其特高压交、直流输电线路是能源输送的重要通道规划和建设规模增速明显,同时,在全球气候变化的背景之下,强对流天气频发,雷电活动增强趋势明显,电网防雷面临若干较突出问题。本文将主要从雷电观测、防雷评估和雷电防护3个大的方面对近年来我国电网防雷技术的现状进行回顾和总结,重点面向输电通道、直流与配电线路防雷问题对未来防雷技术的主要研究发展方向进行展望。

雷电监测技术

1.1 广域雷电监测

我国于2006年建成了覆盖全国电网和大部分国土面积的全国雷电地闪监测网,中国成为拥有自主知识产权的雷电监测系统的国家,雷电监测网规模和工程应用水平居世界领先地位。2009年笔者团队开展了全数字化雷电探测技术研究,成功研制出基于第3代全数字式雷电地闪探测站DLF–3000的广域雷电地闪监测系统。目前我国电网建设的雷电监测网覆盖全国除台湾外的所有行政区域。广域雷电监测系统有效支持了雷电参数长期统计和输电线路雷击故障查找。


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我国电网雷电地闪监测网站点位置与重要输电线路分布图(截止到2016年9月)

1.2 雷击监测

输电线路分布式故障监测技术采用区段化、高电位测量,能够监测出线路上各种电流形波较为丰富的瞬态特征,根据不同状态下暂态行波特征,实现雷击/非雷击故障辨识、绕击/反击辨识和故障杆塔精确定位。

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分布式雷击故障监测系统工作示意图

国网研发的输电线路雷击光学路径监测系统,利用高灵敏光学触发器智能感知雷击过程,实时记录雷击光学图像并自动发送给远端服务器,实现了在本地就能掌握远隔千里野外运行的输电线路雷击状况。

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雷击光学路径监测装置2015年6月25日捕获的雷击输电线路本体照片

通过在高塔或高建筑物或输电杆塔上安装电流测量传感器(罗氏线圈、同轴分流器等)可以对雷电流波形进行高精度测量。2007年以来,我国也在云南、山西、广州等地电网开展了一系列直击雷测量研究,主要通过定点安装全波形雷电流测量装置获取雷击杆塔顶部的雷电流时间、波形、幅值、极性。

防雷评估技术

架空输电线路分布范围广泛,沿线地形地貌复杂、雷电活动分布不均,加上线路结构、绝缘差异等因素,精细化评估线路雷击风险的难度较大,但一直是防雷科研和生产运行努力的目标。

基于线路走廊雷电监测数据样本库,实现以地闪密度为依据的雷区等级划分,并绘制全国范围的雷电地闪密度分布图;对输电线路走廊雷电流幅值累积概率曲线的统计分析,结果与IEEE概率推荐分布一致性明显优于现行国标,指导输电线路设计、运行管理和防雷改造。精细化地形地貌数据在防雷评估中主要使用地面倾角和地貌数据,导地线相对地面的准确高度采用弧垂和地貌数据进行修正,最大绕击电流计算过程中需要调整地面倾角。3维激光扫描技术可实现线路结构信息的精细化测量,该方法能提取更加精确的杆塔定位坐标、导地线间的间距及弧垂、转角塔外侧跳线保护角等重要参数,该项技术已成功应用于三峡近区500 kV送出线雷电风险评估中并取得良好应用效果。

随着电力系统广域雷电监测系统的建设和数据积累,学者们提出了基于输电线路走廊雷电活动强度、地形地貌及线路结构等差异化因子的全线路雷击故障风险逐杆塔分析方法。基于该方法研发出的输电线路差异化防雷评估系统,已应用于26个省级电网,指导500多条线路防雷改造已成为指导电网防雷设计、运行维护和改造的重要工具,应用成果显著。

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差异化防雷评估方法

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差异化防雷评估系统软件界面

雷电防护措施

3.1 防雷击闪络措施

防雷击闪络故障措施是从降低线路雷击跳闸率为出发点,主要包括:避雷器、避雷线、塔头针和耦合地线、降低接地电阻、线路避雷器。

我国已成功研制了±500 kV、±800 kV直流线路避雷器,2016年,±800 kV直流线路避雷器在宾金线成功挂网,±500 kV线路避雷器已实现广泛应用。安装避雷线、塔头针主要是通过其吸引雷电将雷电流导入大地,防止雷电直击被保护设施。降低接地电阻为雷电流入地提供良好通道,基于柔化工艺的石墨基柔性接地体具有良好的导电性和耐腐蚀性,且具有蛇形开挖方便施工的特点,已在多个省级电网公司应用并取得良好应用效果。

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±500 kV直流线路避雷器

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±800 kV直流线路避雷器

3.2 防系统停电措施

系统停电措施是以保证电网系统安全稳定性为立足点,此措施主要包括:并联间隙、新型雷击闪络限制器、自动重合闸装置、直流线路故障重启策略。

截至2015年,国网安装并联间隙线路总长度约8454 km,目前安装间隙后线路雷击跳闸运行数据表明:220 kV线路间隙保护平均成功率为92.3%;安装并联间隙后500 kV线路重合闸成功率为100%,但间隙保护平均成功率仅为80%,低于其他电压等级线路并联间隙保护成功率。国网组织专项研究完善500 kV线路并联间隙,进一步降低并联间隙保护失效概率。110~220 kV交流输电线路雷击闪络限制器兼具避雷器限制过电压和并联间隙疏导电弧优势为一体,同时该装置具有造价低廉、安装方便等优点,初步在湖北、四川等地试运行。自动重合闸装置获得普遍应用,且通过多年的实际运行经验表明,其对电网绝大部分瞬时性接地故障均能重合闸成功,直流线路故障重启策略有效避免因线路瞬时性故障引起直流闭锁。

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挂网运行的220 kV雷击闪络限制器

近年来电网防雷工作围绕雷电监测、防雷评估与防雷措施开展了大量理论研究、系统研发与工程应用,这些工作有力支撑了我国电网雷击跳闸率与故障停运率的大幅降低。

随着以特高压为骨干网架的坚强智能电网建设和全球能源互联网的推进,以及配电网运行可靠性要求不断提升和新能源接入引起的新型电网安全问题,对电网防雷技术提出了新的和更高的要求。

1)雷电监测技术方面,针对配电网和新能源电站,开展高精度雷电监测技术研究;提高输电线路分布式雷击故障监测系统定位精度,在工程应用上进行技术经济性研究;扩大雷击光学路径观测和雷电流直接测量的工程应用规模,为雷击机理研究提供更多数据资料。

2)防雷评估技术方面,开展精细化雷电参数挖掘分析,主要包括短时高密度突发雷暴活动统计方法研究、多重雷击或后续回击参数特征统计分析、输电线路本体雷击特征参数统计分析、雷电放电直流持续分量特征统计;深入研究重要输电通道、直流和配网线路防雷性能评估方法,重点关注击中线路本体的雷电参数、3维地形呈现的多面体几何特征参数对线路防雷性能的影响。

3)雷电防护措施方面,开展结合运行经验、试验检测和模拟计算评估防雷措施的有效性,重点加强新型防雷措施的研发和应用,以减小电网雷击跳闸引起的社会经济影响;针对现阶段电网防雷的新形势,重点关注全电压系列直流线路避雷器的研发及应用、优化500 kV线路用并联间隙结构设计和新型闪络限制器参数。


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