含分布式水電的電網雷擊風險評估*

張勇軍 黃慧 劉洋海 陳志峰

(1.華南理工大學電力學院∥廣東省綠色能源技術重點實驗室，廣東廣州510640;2.廣東電網公司韶關供電局，廣東韶關512026)

隨著人民生產生活對電力的依賴程度不斷提高，供電單位一直致力于降低電網風險.電網跳閘原因一般歸結為雷擊、鳥害、山火、覆冰、污閃等，其中雷擊跳閘［1-5］比重最大，約占60% ～80%.高雷擊跳閘率給電網帶來了巨大的風險，是電網風險的重要組成部分.

分布式發電［6-8］和電力市場［9］是未來智能電網［10-13］的重要特征.含有分布式發電的電網雷擊風險評估的模型和方法是當前電力系統防雷研究的新問題，隨著可再生能源的比重不斷增加，這個問題將會更加突出.

文章首先從水電聯絡線、水電站和用戶3個角度分析含分布式水電電網在防雷方面存在的問題，然后對比水電聯絡線和普通線路在雷擊風險構成和風險分擔方面存在的差異，提出了4個雷擊風險評估指標，建立雷擊風險評估模型，雷擊的反擊和繞擊分別采用規程法［14-15］和電氣幾何法［15］.小水電豐富的韶關電網110kV線路雷擊風險評估結果顯示，雷擊風險主要集中在水電聯絡線路上，水電附近具有極大的失負荷風險，因雷擊而導致的可再生資源浪費十分嚴重.

1 分布式水電電網防雷存在的問題

文章從水電聯絡線、水電站、用戶3個方面分析目前電網防雷存在的問題及與未來電網的差距.

1.1 水電聯絡線的情況

水電聯絡線雷擊跳閘率高且保護系統不夠靈活完善［13］.水電一般處于山區，線路長，建設年代較早，且設計防雷水平低，如避雷線保護角過大等，導致水電聯絡線雷擊跳閘率高.水電聯絡線一般在主網側配置線路無壓重合閘，水電側一般不配置重合閘，即使配置有重合閘，也并不同時適應于豐水期和枯水期，重合成功的幾率十分低.

目前的110kV水電聯絡線為今后微網和主網的連接線，該線路應具備較高的可靠性及故障開合能力［6，13］.因此，目前水電聯絡線的可靠性和保護的靈活性尚未達到要求.

1.2 水電站情況

雷擊后水電機組支撐能力差.根據調查，我國的水電機組存在技術落后的情況，部分機組倉倉促上馬、無序開發所配置的保護十分簡單，大部分機組甚至只有過電流保護、同期并網等，調節能力十分差，持續發電的可靠性低.一般110kV水電聯絡線發生故障，若水電出力和本地負荷不平衡，則水電機組較快失穩，負荷停電.

水電站是未來電力市場的主體，高發電可靠性將節省不可再生能源，同時也給水電公司帶來利益.水電站又承擔著主網或聯絡線故障時充當本地負荷電源的任務［6］，因此急需提高水電機組的技術水平和管理水平，以提高調節能力和可靠性.

1.3 用戶情況

用戶電能質量低.由于水電聯絡線雷擊跳閘率高、水電機組支撐能力差，同時水電位于山區，停電轉供能力不強，因此，小水電周邊負荷供電可靠性較差，停電時間較長.除此外，由于水電開機關機，常出現電壓偏高以及電壓暫降、暫升現象，易造成用戶精密儀器失靈或者毀壞.

2 水電聯絡線和普通線路雷擊風險對比

詳細對比分析水電聯絡線和普通線路的雷擊風險構成和風險承擔，能夠更好地突出水電聯絡線雷擊風險的特殊性，是水電聯絡線雷擊風險評估的基礎，對于今后各風險承擔者的風險管理、防雷改造、可靠性提高等有很好的指導意義.文中從雷擊風險構成和風險承擔角度分析了水電聯絡線和普通線路雷擊風險差異，結果見表1.

表1中，水電機組調節和保護動作分別增加了水電和電網公司的運行成本.水電資源損失和負荷停電損失為能源的損失和缺供，是風險損失的核心部分.普通線路沒有水電資源損失，雷擊風險后果相對水電聯絡線較輕.目前，電網公司、水電所有者、用戶三者之間尚無明確的可靠性交易機制［9］，這也是目前水電聯絡線可靠性差、水電無序開發、用戶供電可靠性低的根本原因.隨著分布式發電局面的逐漸形成、電力市場意識的強化和智能電網技術的進步，風險的各方承擔將更明晰，水電資源的利用率、供電可靠性將大大地提高.

3 雷擊風險指標

明確的雷擊風險指標，是雷擊風險評估的基礎，文中采用的分布式電網聯絡線雷擊風險的指標如下:

1)年雷擊跳閘率k 為雷擊暴露次數N和線路跳閘可能性pf的乘積，既體現了線路跳閘的地理因素，又體現了保護設計水平.

2)雷擊重合閘成功率μ 綜合體現了重合閘的配置與否以及重合閘類型與電網運行方式的合適性.若未配置重合閘，則重合閘成功率為0.

3)年可再生資源損失風險RG為可再生資源電廠因雷擊故障少發的電量.

4)年缺供電量風險RL為因雷擊導致的用戶停電電量.

以上4個指標能夠綜合反映電網、用戶、可再生資源電廠的雷擊風險，適用于分布式電網的雷擊風險評估.

4 雷擊風險計算模型

文中從雷擊風險的線路雷擊暴露次數N、線路跳閘可能性pf和故障損失C三方面建立雷擊風險評估模型.雷擊暴露和線路跳閘可能性的乘積即為線路的雷擊跳閘率.雷擊風險Rl如下式:

表1 水電聯絡線和普通線路雷擊風險比較Table 1 Lightning risk comparison between hydropower grid-connected line and normal line

4.1 雷擊暴露

雷擊暴露次數N體現了線路所在地的雷擊頻度，它與雷對地閃密度Ng以及線路對地的屏蔽面積A有關，即

式中:Ng=γNl，γ為地面落雷密度，Nl為地區年雷暴日;A=10hb，hb為避雷線高度.

4.2 線路跳閘可能性

跳閘可能性pf是指線路在一個雷害情況下發生跳閘的可能性，計算公式如下:

式中，η為建弧率，g為擊桿率，p1為超過反擊耐雷水平的雷電流概率，p2為引發繞擊的雷電流概率，pa為繞擊率.

反擊耐雷水平I1采用規程法［14-15］計算.p1的計算式如下:

繞擊耐雷水平采用電氣幾何模型法［4］計算，根據桿塔的物理模型計算繞擊的最小臨界電流I2min和最大臨界電流I2max，計算公式為

式中，Z為導線的波阻抗，U50%為絕緣子50%放電電壓，α、θ分別為避雷線保護角和山坡傾角，hc為導線高度，r2max為繞擊最大擊距.能夠引發繞擊的雷電流概率為

4.3 損失

文中選取表1中兩個核心的損失作為分布式電源的雷擊風險損失C:

式中，CL、CG分別為缺供電量損失和可再生資源損失，pG、pL分別為因雷擊而損失的發電功率和負荷數，tG、tL分別為雷擊導致的發電機停運時間和負荷停電時間.由于分布式電源的管理完善程度以及元件備自投、停電轉供配置參差不齊，各線路故障導致的可再生資源浪費量、負荷停電量、停電時間都有很大的區別.

5 算例分析

韶關境內含有豐富的水利資源，大小水電站達千余個，水電總裝機近165萬kW，廣泛地分布在農村地區，為典型的分布式水電地區，普通線路主要集中在市區和郊區.數個大型水電直接升壓到110kV，其余小水電一般T接在10kV和35kV線路上，通過110kV變電站與主網連接.韶關電網110 kV約有一半長度的線路為小水電聯絡線.利用第4節模型，按照韶關每年80個雷電日計算，取停電時間為4h，其它雷電的繞擊、反擊參數依據電網實際情況而定，停電負荷量和發電量根據夏豐小方式平均情況而定.則韶關電網110kV線路的雷擊風險計算結果如表2所示.

表2 雷擊風險評估結果Table 2 Evaluation results of lightning risk

由表2可知，韶關電網110 kV線路的雷擊風險絕大部分集中在T接水電的線路上，市區和郊區的普通線路跳閘率低且重合閘成功率高，且由于備自投、停電轉供較完善，缺供電量風險基本可以忽略.水電聯絡線的缺供電量風險達到普通線路的30倍，且可再生資源損失風險也極大，嚴重地浪費了可再生資源.

6 結語

多水電地區的雷擊風險絕大部分集中在水電聯絡線上，分布式水電附近負荷存在極大的缺供電量風險，可再生資源浪費十分嚴重，影響了農村電網的安全經濟運行.據此，筆者提出如下建議:

(1)加強線路的巡視，如絕緣子、接地電阻檢測等;提高水電聯絡線的防雷水平，如增強絕緣、降低桿塔的接地電阻等;在高雷擊風險的線路段安裝線路避雷器.

(2)增強水電站與主網連接線路的保護，完善重合閘配置率，并采取不同的重合閘方式以適應水電大方式和小方式.

(3)增強水電站的保護，提高水電出力有功、無功、電壓的調節能力.

(4)增強水電地區配網結構，合理地增加聯絡開關，增強負荷轉供能力.

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