输电线路雷电灾害防御体系建设研究与应用

李国宝

（国网山西省电力公司，山西 太原 030021）

0 引言

输电线路是电力系统能量传输的重要组成部分，但由于架空线路多敷设在高山等偏远地区，易遭受雷击造成跳闸事故，严重影响电网安全运行和电能的持续供应[1-2]。据2010—2018年统计结果，雷击导致线路跳闸占35 kV及以上交流输电线路跳闸总数的39.4%～50.8%，雷击重启占±500 kV及以上直流输电线路故障重启总数的43.5%～64.3%。

为实现“骨干网架监测无盲点、线路故障监测高精准”的目标，依托输电通道雷击风险预警、雷电定位监测和输电线路差异化防雷评估系统，形成了“雷击前期风险预警、雷击快速定位、差异化防雷评估和治理”的全过程雷电灾害防御体系[3]。通过对海量雷电监测数据的深度挖掘，逐步建立雷电参数、雷电地闪分布参数，搭建输电线路雷击计算的相关理论和模型[4]。充分利用差异化防雷评估技术，为在运线路防雷改造提供参考，并将新建线路差异化防雷评估逐步融入线路初步设计，为新建线路防雷设计提供依据[5]。实现输电线路雷电预警监测、在运线路差异化防雷评估，提升输电线路防雷水平，保障输电通道安全运行，构建切实有效的电网雷电防治体系[6]。

1 雷电灾害防御体系简介

1.1 雷击风险预警功能

输电线路雷电灾害防御体系是利用计算机技术实现输电线路雷击闪络的风险预警。其物理结构如图1所示，主要包括子站、通信模块、计算模块、软件模块和数据库模块、网络通信以及协议模块。其中，子站用于实时监测大气中电场数据和雷电定位数据；计算模块用于统计分析雷电数据和线路台账、定义预警等级及风险概率，并将分析数据存入数据库模块；软件模块用于部署客户端软件，实现主动推送和被动查询相应的雷电预警信息[7]。

雷电发生时会产生强大的光信号、声信号和电磁辐射信号，由于雷电电磁辐射信号主要以低频沿地球表面方式传播，能量较大时其传播范围可达数百公里或更远，最适合大范围监测。雷电风险预警计算是基于对雷电活动规律和输电线路雷击原理分析，关联电场强度、雷电位置等监测数据与线路台账信息，实现输电线路的雷击闪络风险预警，是雷电预警系统中心站的核心运算模块[8]。雷电风险预警数据主要由4部分组成。

图1 雷电灾害防御体系物理结构

a）监测数据：包括系统子站地理位置、电场强度以及雷击位置的经纬度、电流大小等。

据查，本条线路历史上出现过4次跳闸，雷击跳闸率为0.731 7次/（百公里·年）。据雷击点定位查询，故障时间点前后时间内，故障线路周边范围有雷电活动记录

c）用户数据：包括基本信息、目标线路及访问权限等。

d）预警数据：通过计算模块获得线路的雷电预警结果信息。

两种方案对比分析：挡墙长度的增加，有利于水土流失的防护，加强了该区的水土保持功能。此外在植物措施方面仍采用植被恢复方案，只是树种和绿化面积有一定的调整，但不影响其功能。

图2 雷击风险预警流程图

雷击预警探测子站采取沿线多点带状布站原则，基于雷电临近预警算法，能够提前30 min对系统子站10 km范围内的雷电活动提前预报，并通过微信、短信方式向系统中登记的手机号码及时推送雷电预警信息，实现重点输电通道重点覆盖。雷击风险预警流程如图2所示。

沿线逐基杆塔绕击跳闸率计算结果如图5所示，A级占47.39%，B级占8.82%，C级占8.50%，D级占35.29%，即有43.79%的线路预防绕击能力不理想，风险较大。

1.2 雷击定位功能

输电线路差异化防雷评估系统，基于线路雷击数量、线路形态和地理位置差异，进行输电线路雷电活动分析，评估线路全线每基杆塔雷击跳闸率，提出差异化防雷措施，指导新建线路防雷设计和在运线路防雷改造，实现有针对性的单基“建模—评估—治理”，其评估流程如图4所示[10]。

雷电定位系统由探测站、中心处理系统、用户系统三部分组成。其中，探测站主要负责采集、识别、处理及发送信号功能，并支持数据存储和远程调用；中心处理系统负责接收并分析雷电信息数据，实现对雷电位置的定位；用户系统负责将经过分析处理后的雷电数据与电网线路信息和地理位置信息进行合并，其数据处理流程如图3所示。

今年初在《偶像练习生》节目中，范丞丞拿手的rap竟频频忘词甚至中断表演，他委屈地说，“就像种的菜一样，等它可以收成的时候，一下子被偷光了一样，一下子什么都没了。”当晚，范冰冰即发文鼓励：“没关系的！菜被偷了还可以再种不是吗？加油吧！”

[1]周宁等：《基于改进生态足迹模型的重庆市生态承载力研究》，《重庆师范大学学报》（自然科学版）2018年第2期。

图3 雷电定位系统数据处理流程

1.3 差异化防雷评估功能

雷电定位系统融合地理位置、遥测信号和全球定位系统，具备自动采集、高精、面广等优点，能精确捕获雷击点的位置、时间，并对线路流过的电流参数和雷击次数进行实时分析，用户可以通过客户端实现实时监测、故障点查询、数据统计和活动规律分析等。同时，雷电定位系统采用多个探测站同时测量雷电产生的电磁辐射，剔除云闪信号，对地闪定位，采用相同的时钟标定技术，系统间能够共享探测站原始信号，实现与周边省份联网，实现边界探测站的数据共享，提升探测效率和定位精度[9]。

图4 差异化评估流程

2 案例分析

2.1 线路基本情况

500 kV某线长136.8 km，共310基杆塔，为单双混架线路，其中双回杆塔192基，单回杆塔118基。导线型号为4×LGJ-400/35，地线型号为右侧OPGW，左侧GJ-100采取逐塔直接接地方式。

在杆塔类型上，单回杆塔占38.06%，双回杆塔占61.94%，直线塔占70.0%，转角塔占30%；在地形地貌上，线路沿坡占72.88%，丘陵占64.05%；在档距分布上，本文以1.5倍评估杆塔的平均档距为大档距标准，其值为670 m，全线大档距杆塔共64基，占20.65%。

2.2 线路雷击情况

b）台账数据：包括线路属性、杆塔的GPS坐标、绕反击耐雷水平值。

2.3 差异化防雷评估结果

由于线路发生绕击闪络故障时对线路的影响程度远大于反击闪络，因此在对线路进行闪络风险评估时，取绕击跳闸率与反击跳闸率的比值为9∶1，得到该线绕击跳闸率指标值为0.132 4次/（百公里·年），反击跳闸率指标值为0.014 7次/（百公里·年）。

参考国家电网公司发布的《110（66） kV～500 kV架空输电线路管理规范》中线路雷击跳闸率风险评估标准，由本线路年地闪密度平均值为2.922 2次/（百公里·年），计算得到线路对应的雷击跳闸率指标值为0.147 2次/百公里·年。

地方自媒体已然成为县级媒体建设中的活跃者，在两微一端平台发展迅速。以微信公众号为例，某些县甚至出现了百个城市的地方自媒体内容矩阵公司，地方自媒体的高速发展获取了相当一部分内容流量和本地商机。互联网公司最近几年普遍尝试下沉到四五线城市，下沉效应带来用户数量的快速上升，这将无可避免地对传统媒体格局造成巨大冲击。2014年以来的微博用户月活超过4亿，2018年快手用户日活过亿，这些用户很大程度上来自下沉县级市场的小镇青年。鲜活的案例与庞大的数字无不昭示着一批蓄势待发的潜力受众，势必在县级融媒体建设进程中扮演着至关重要的角色。

图6为该条线路杆塔反击跳闸率，其中A、B、C、D各级的杆塔数量比例为99.35%、0.65%、0.00%、0.00%，即具有良好的防反击性能。

表1 闪络评估等级划分指标

图5 杆塔绕击跳闸率

图6 杆塔反击跳闸率

沿线逐基杆塔雷击跳闸率计算结果如图7所示，雷击A、B、C、D各级的杆塔数量比例为47.71%、10.78%、8.17%、33.33%，即有41.50%的杆塔防雷能力不足，发生闪络概率较大。

图7 雷击跳闸率

3 差异化防雷改造措施

从各基杆塔雷击跳闸率计算结果来看，该线路防雷治理以绕击为主。目前防雷措施主要有架设耦合地线、提高导线绝缘能力、接地方式改造和安装辅助避雷设施等。在对现有防雷措施进行对比分析的基础上，本文主要采用增加避雷器来完成该条线路的改造，原则如下。

初始化时，每只蝙蝠的响度随机给出，通常定义初始响度初始脉冲率一般接近于0，在最优解求解过程中，Ai和ri是不断更新的。

a）之前已经发生过雷击事故的杆塔重点改造。

b）各基杆塔雷击跳闸率中绕击风险和反击风险等级为D或C的大档距杆塔和山顶。

c）各基杆塔雷击跳闸率中绕击风险和反击风险等级D、C级的杆塔。

这年学期毕业典礼上，我赢得了一个意外的奖章。校长图什曼在颁奖时说：“这枚奖章将颁给对学校做出了特殊服务和重要贡献的学生。该奖本学期的获得者具有善良的本性和友情的力量、勇气的力量，并以此激励了大部分同学，他的名字叫奥古斯特！”

经统计，针对该条线路完成138基杆塔改造，增加线路避雷器181只，改造后线路跳闸率为0.030 2次/（百公里·年），降低了88.77%；改造比率为45.10%。

该工程基础为预应力混凝土管桩，主体结构为型钢混凝土框架-剪力墙结构，与游泳馆和自行车馆相接，上部屋盖为多重弦支网壳结构+空腹桁架+鱼腹式桁架组合体系，屋盖总长520 m，宽120 m，主桁架最大跨度90 m，上弦最高点标高29.68 m，总质量2 610 t。屋面为铝镁锰合金直立锁边保温板，外墙采用蜂窝铝板和玻璃组合式幕墙。该工程结构设计独特，多重弦支网壳空间异形钢结构体系实现了钢结构“拱”与“索”的有效结合，为国内外首创，获国家发明专利和2012年中国建筑创作奖。“大跨度多重弦支网壳结构预应力高空张拉施工工法”被评为山西省省级工法。现将该工程应用新技术的情况介绍如下，供参考。

4 结束语

依托输电通道雷击风险预警、雷电定位监测和输电线路差异化防雷评估系统形成的全过程雷电灾害防御体系，提升了输电线路雷电监测预警能力，实现了雷击跳闸准确辨识与快速定位，为线路防雷设计和改造提供了决策依据，促进了输电通道监测信息化水平的持续提升，加强了对输电精益化运维管理的技术支撑能力。