孫雷雷，王小霖，龔學(xué)毅

（1．廣州白云國際機場股份有限公司，廣州廣東 510403；2．華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣州廣東 510640）

廣州白云國際機場是中國第三大城市廣州的門戶，廣東省省會廣州市的一座大型民用機場，是連接外界與珠江三角洲地區(qū)的樞紐，重要性不言而喻，對白云機場的供電可靠性必需得到極高的保障[1]。維護白云機場電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行是保證其供電可靠性的重要手段。同時，珠江三角洲地區(qū)是廣東省雷電災(zāi)害高發(fā)區(qū)，同樣的土地面積上雷電災(zāi)害發(fā)生的次數(shù)是全省平均水平的1倍以上[2-8]。雷擊是威脅白云機場電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的重要因素，建立白云機場電網(wǎng)的雷擊風(fēng)險評估體系，對制定相應(yīng)電網(wǎng)雷電防護措施和應(yīng)對策略具有重要的意義。

目前，國內(nèi)外對雷電災(zāi)害的風(fēng)險評估已經(jīng)做了大量研究，國際電工委員會于2006年發(fā)布國際防雷標準IEC62305，這也是最早提出將風(fēng)險評估思想應(yīng)用于雷電防護管理的技術(shù)標準。本標準中明確提出雷害風(fēng)險Rx由危險事件的數(shù)目N、危害的概率Px、導(dǎo)致的損失Lx3大部分組成，并針對建筑物雷電防護風(fēng)險管理進行了完整的闡述[9]。但目前針對電網(wǎng)雷害風(fēng)險評估的研究甚少，一般以雷擊跳閘率作為評估指標，跳閘率高的線路即為雷害風(fēng)險較高的線路[10]。越來越多的研究表明，僅以雷擊跳閘率作為衡量電網(wǎng)雷害風(fēng)險的唯一指標是不合理的，電網(wǎng)的雷擊風(fēng)險需加入雷擊導(dǎo)致線路跳閘后對電網(wǎng)的影響等因素[11]，而IEC62305標準為建立電網(wǎng)的雷擊風(fēng)險評估模型提供了重要參考。

1997年運行以來的廣東雷電定位系統(tǒng)，積累了海量的雷電監(jiān)測實時數(shù)據(jù)，為研究白云機場的雷電活動規(guī)律提供了大量的數(shù)據(jù)樣本[12]。本文以白云機場1999—2008年的雷電定位數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，參考IEC62305中的雷擊風(fēng)險評估模型，提出了一種10 kV配網(wǎng)的雷擊風(fēng)險評估模型，評估白云機場各條10 kV配電線路的雷擊風(fēng)險，所得結(jié)果為指導(dǎo)電力部門采取有針對性的防護措施提供依據(jù)。

1 白云機場雷電分布規(guī)律

1.1 地閃頻次

廣州白云國際機場是中國第三大城市廣州的門戶，廣東省省會廣州市的一座大型民用機場，國內(nèi)三大航空樞紐機場之一，于2004年8月5日正式啟用，地處廣州市白云區(qū)人和鎮(zhèn)和花都區(qū)新華街道、花山鎮(zhèn)、花東鎮(zhèn)交界處，距廣州市中心海珠廣場的直線距離約28 km，占地面積約30 km2。廣州地區(qū)暴雪、龍卷風(fēng)等惡劣天氣發(fā)生的頻次較為稀少，雷擊是威脅機場設(shè)施、人員安全的主要自然災(zāi)害因素。圖1是根據(jù)雷電定位系統(tǒng)1999—2008年的雷電監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)格法[13]繪制的廣州地區(qū)地閃分布圖，圖1中用綠色方框標定的區(qū)域為白云機場。由圖1可知，廣州地區(qū)的地閃分布呈現(xiàn)出南北兩頭低、中間高的特點，白云機場處于雷電活動較為密集的中部地區(qū)。

為了更深入地研究白云機場的雷電地閃活動特征，將1999—2008年歷年雷電定位系統(tǒng)記錄的白云機場落雷，數(shù)除以機場總面積，得到的白云機場地閃密度與廣州地區(qū)歷年地閃密度對比，如圖2所示。

由圖2可知，白云機場和廣州地區(qū)的地閃密度均呈現(xiàn)了一定的增長趨勢，2004—2008年的地閃密度要高于1999—2003年?？傮w上看，白云機場10 a的平均地閃為29.52次/km2，大于廣州地區(qū)的22.53次/km2，由于雷電活動的隨機性，白云機場的雷電地閃密度在2001年、2004—2007年遠遠高于廣州地區(qū)的平均值，在1999年、2000年、2002年、2003年、2008年與廣州地區(qū)平均值基本持平。

圖1 廣州地區(qū)1999—2008年地閃密度分布圖Fig.1 The ground flash density distribution in Guangzhou from 1999 to 2008

圖2 廣州和白云機場1999—2008年地閃密度走勢對比Fig.2 Trend of the ground flash density in Baiyun airport from 1999 to 2008 as compared with that of in Guangzhou

表1為白云機場的地閃頻次月際變化統(tǒng)計表，由表1可知，白云機場落雷較多的月份主要集中在每年的4—10月，在5—8月達到峰值，這與廣州地區(qū)的情況類似，相關(guān)部門應(yīng)該根據(jù)這一雷電活動規(guī)律調(diào)整某些工作的安排，例如：在4月之前完成各種防雷設(shè)備的檢修工作，以應(yīng)對雷雨季節(jié)的來臨。在雷雨季節(jié)啟動相關(guān)應(yīng)對機制，以處理一些因雷擊引起的設(shè)備故障或者人員安全問題。

1.2 雷電流幅值概率分布

雷電流幅值概率分布是用來表示雷電活動強弱特征并用來指導(dǎo)防雷設(shè)計的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在電網(wǎng)防雷評估中，它決定了一次雷擊產(chǎn)生的過電壓使絕緣發(fā)生閃絡(luò)的概率[14-15]。將白云機場各幅值段的雷電流頻次除以總的地閃頻次得到如圖3、圖4所示的機場歷年雷電流幅值概率密度分布曲線。由圖3、圖4可知，白云機場的雷電流主要集中在幅值為0~50 kA的范圍內(nèi)，60~80 kA的雷電流也占有一定比例，降低110 kV以上等級輸電線路的接地電阻可將線路的反擊耐雷水平控制在50 kA以上，但輸電線路的繞擊危險電流往往集中在0~50 kA，因此，白云機場的輸電線路防雷難點在于繞擊的防護。圖5為白云機場與廣州地區(qū)的雷電流幅值概率密度對比，由圖5可知，與廣州全區(qū)域相比，白云機場的雷電流幅值要相對分散，在0~10 kA和60~90 kA的幅值段所占的比例要高于廣州地區(qū)的平均值，在10~60 kA的幅值段所占的比例要低于廣州地區(qū)的平均值。

表1 白云機場1999—2008年地閃頻次月際變化Tab.1 The monthly ground flash frequency from 1999 to 2008

圖3 白云機場1999—2003年雷電流幅值概率密度分布Fig.3 The lightning current amplitude probability density distribution at Baiyun airport from 1999 to 2003

圖4 白云機場2004—2008年雷電流幅值概率密度分布Fig.4 The lightning current amplitude probability density distribution at Baiyun airport from 2004 to 2008

圖5 廣州和白云機場1999—2008年雷電流幅值概率密度分布對比Fig.5 The lightning current amplitude probability density distribution in Guangzhou and at Baiyun airport from 1999 to 2003

2 10kV配網(wǎng)雷擊風(fēng)險的定義和評價方法

2.1 10kV配網(wǎng)雷擊風(fēng)險的定義

不管是較早的國際標準IEC61024-1，還是后來的IEC61662，乃至現(xiàn)在運用比較廣泛、評估方法相對比較成熟的IEC62305，包括國內(nèi)的GB50343電子信息系統(tǒng)風(fēng)險評估以及行業(yè)標準《雷電災(zāi)害風(fēng)險評估技術(shù)規(guī)范》，所有的這些雷擊風(fēng)險評估的評估方法都只針對單體建筑，其評估結(jié)果可作為建筑物雷電防護的設(shè)計依據(jù)。ICE標準中許多關(guān)于雷擊風(fēng)險評估的思想和方法均值得借鑒和引用于輸、配電線路的雷擊風(fēng)險評估中[16-19]。

IEC62305-2給出了雷擊風(fēng)險評估的定義和基本關(guān)系，即：雷擊風(fēng)險R表示某個防雷對象、在某一地區(qū)、平均在某一時間段內(nèi)、在某種防雷系統(tǒng)之下，因雷擊造成的損失。如有多種互不相干的風(fēng)險存在，則R=∑RX。

雷擊風(fēng)險的基本關(guān)系[20]：

式中，N為防雷對象的年雷擊次數(shù)；P為雷擊損壞的概率；L為雷擊造成的損失。電網(wǎng)中輸、配電線路無論是發(fā)生瞬時性的故障，還是永久性的故障，均會引起送電失敗，導(dǎo)致線路跳閘。我國規(guī)程采用雷擊跳閘率作為評價輸、配電線路耐雷性能的重要指標，它表示一定長度的線路在一定的時間范圍內(nèi)可能發(fā)生的跳閘次數(shù)。規(guī)程中配電線路的雷電直擊跳閘分為直擊桿塔跳閘和直擊導(dǎo)線跳閘。直擊桿塔的跳閘率計算公式[21]：

式中，n1為線路雷電反擊跳閘率，次/100 km·a；N為輸電線路的年雷擊次數(shù)；g為擊桿率；η為雷擊建弧率；P1為根據(jù)雷電流幅值概率分布函數(shù)求得的大于線路反擊耐雷水平的概率。

圖6 配電線路電氣幾何模型示意圖Fig.6 Electrical geometric model diagram for the distribution line

電氣幾何模型中直擊導(dǎo)線的跳閘率計算公式[22]：

式中，Ie為可發(fā)生繞擊跳閘的臨界雷電流，kA；Imax為最大繞擊電流，kA；p（I）為雷電流幅值概率密度。

此外，當雷電擊于線路附近的地面時，在導(dǎo)線上產(chǎn)生的過電壓可能使絕緣發(fā)生閃絡(luò)跳閘事故，感應(yīng)雷擊跳閘率的計算公式為：

對比式（1）、式（2）、式（3）、式（4）可知，式（1）、式（2）、式（3）、式（4）均包含雷擊次數(shù)，式（2）中的g、η、P1均為概率，約去式（3）、式（4）中的落雷次數(shù)N后，其余部分參數(shù)的乘積也是沒有量綱概率值。因此，借鑒IEC標準對建筑物雷擊風(fēng)險的定義，本文定義10 kV配電網(wǎng)的雷擊風(fēng)險為：在某一地區(qū)、平均在某一時間段內(nèi)、因雷擊使10 kV配電網(wǎng)造成的損失。

2.2 10kV配電線路故障損失評價方法

2.2.1 跳閘重合閘成功的故障

線路絕緣子發(fā)生因雷擊引起的閃絡(luò)事故后，形成穩(wěn)定的工頻電弧，使斷路器動作，發(fā)生跳閘事故。當線路未發(fā)生永久性故障時（例如：絕緣子炸碎、變壓器遭受雷電波入侵發(fā)生爆炸等），電弧熄滅后，自動重合閘啟動，繼續(xù)正常供電。絕大部分雷擊引起的線路跳閘能夠重合閘成功，但有損失：

1）我國電力行業(yè)規(guī)程規(guī)定，斷路器因雷擊引起的動作次數(shù)達到或者接近限定值時，必須進入檢修狀態(tài)，因此，會產(chǎn)生一定的負荷損失和檢修費用；

2）線路絕緣子因閃絡(luò)產(chǎn)生電弧灼燒的痕跡，必需更換，產(chǎn)生了一定的設(shè)備費和檢修費用。

跳閘重合閘成功的故障損失：

2.2.2 跳閘重合閘失敗但強送成功的故障

如果重合閘啟動時，故障點絕緣未恢復(fù)或者由于繼保漏洞，導(dǎo)致斷路器再次動作跳開，根據(jù)運行規(guī)則，需要手動強送電。手動強送電成功后，電力恢復(fù)供應(yīng)，但由于手動強送電與斷路器跳閘存在一定的時間間隔，線路產(chǎn)生了負荷損失。因此，跳閘重合閘失敗，但強送成功的故障損失除了故障類型1中產(chǎn)生的損失之外，還會增加一部分負荷損失。重合閘失敗，強送成功的故障損失：

式中，P為線路輸送功率；t1為斷路器跳閘與手動強送成功時刻的時間間隔。

2.2.3 跳閘重合閘失敗且強送失敗的故障

當線路因雷擊引起避雷器擊穿、絕緣子擊爆等永久性故障導(dǎo)致斷路器動作后，線路重合閘啟動故障點仍然存在，手動強送失敗。需工作人員巡線查找故障點及故障原因，修復(fù)損壞的設(shè)備后，才可恢復(fù)供電，依次產(chǎn)生了負荷損失、設(shè)備費用、檢修費用等，由于檢修設(shè)備到恢復(fù)供電的時間間隔相對于故障類型1、2要長很多，如果這段時間內(nèi)的負荷不能及時轉(zhuǎn)供，將造成重大的負荷損失。重合閘失敗，強送失敗的故障損失：

式中，P為線路輸送功率；t2為斷路器跳閘與恢復(fù)供電時刻的時間間隔。

2.3 10kV配網(wǎng)雷擊風(fēng)險評價方法

綜2.1、2.2節(jié)所述，10 kV配網(wǎng)的雷擊故障按照故障原因可分為雷電直擊桿塔、雷電直擊線路和雷電感應(yīng)。按照故障類型可分為：跳閘重合閘成功、跳閘重合閘失敗，強送成功和跳閘重合閘失敗，強送失敗的故障。根據(jù)IEC標準，線路的總雷擊風(fēng)險是這幾種故障類型的疊加，即：

式中，L1、L2、L3分別為跳閘重合閘成功、跳閘重合閘失敗，強送成功和跳閘重合閘失敗，強送失敗的平均損失；α1為線路重合閘失敗的概率；α2為線路重合閘失敗，強送失敗的概率。α1、α2根據(jù)多年歷史跳閘數(shù)據(jù)統(tǒng)計值通過修正后求得。圖7為繪制的10 kV配網(wǎng)雷擊風(fēng)險評估體系圖。

圖7 10 kV配網(wǎng)雷擊風(fēng)險評估體系圖Fig.7 Diagram of the lightning risk assessment system for the 10 kV distribution network

3 10kV配網(wǎng)雷擊風(fēng)險的評估步驟

3.1 桿塔和線路的雷擊跳閘率計算

線路的雷擊跳閘率是各基桿塔雷擊跳閘率的加權(quán)之和，文獻[6]給出了線路雷擊跳閘率的計算公式為：

式中，lz為線路的總長度，m；li為各基桿塔的垂直檔距，m；nzi為各基桿塔的總雷擊跳閘率，次/100 km·a。

各基桿塔的雷擊跳閘率根據(jù)式（1）、式（2）、式（3）進行求取，其中，雷電地閃密度取白云機場的10 a地閃密度平均值，雷電流幅值概率分布函數(shù)取將白云機場10 a雷電流幅值概率分布曲線進行擬合得到的函數(shù)，所得的各基桿塔總雷擊跳閘率等于反擊、直擊導(dǎo)線和感應(yīng)雷跳閘率之和。

3.2 3種類型故障概率的求取

對于雷擊過電壓引起的絕緣子表面閃絡(luò)等瞬時故障，當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，保護立刻動作使線路或設(shè)備斷電，在非常短暫的時間內(nèi)，故障點的電弧就會自動熄滅，使絕緣得以恢復(fù)。電力系統(tǒng)中大部分（超過90%）因雷擊引起的閃絡(luò)跳閘事故能夠自動重合閘成功[23-26]。重合閘不成功的原因是線路發(fā)生了永久性故障或者繼保漏洞誤動作造成的，而繼保誤動作可通過手動強送電加以糾正。本文通過統(tǒng)計的辦法，根據(jù)珠江三角洲地區(qū)的10 a運行數(shù)據(jù)求取自動重合閘失敗率α1和手動強送電失敗率α2。

3.3 故障損失的求取

系統(tǒng)的每一次跳閘故障所造成的損失均不同，風(fēng)險模型當中的損失為平均損失。各種類型故障的平均損失有式（5）、式（6）、式（7）計算得到，但由于配電網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，在計算負荷損失時需考慮轉(zhuǎn)供的問題，在采用式（7）計算強送失敗的損失時，需先判定能否轉(zhuǎn)供的問題，圖8為線路負荷能否轉(zhuǎn)供的判定流程圖。

4 白云機場10 kV配網(wǎng)雷擊風(fēng)險評估

廣州白云機場是廣州地區(qū)重要性等級較高的負荷之一，對它的安全供電影響著整個珠三角乃至華南地區(qū)物流和人流的流通和運轉(zhuǎn)。作為機場來講，其導(dǎo)航、航管、航空通訊、氣象、消防、供電、弱電、助航燈光等系統(tǒng)處于永久工作狀態(tài)，一旦有因雷擊線路而引起的停電事故，將造成重大損失，故每一個重要性等級較高的系統(tǒng)均設(shè)有應(yīng)急備用電源，而雷擊引起線路供電中斷必然對電力部門造成負荷損失。

白云機場供電系統(tǒng)由1座110 kV變電站、2條110 kV進線、若干條10 kV配電線路組成。10 kV配電線路擔負著向負荷傳遞電能的重任，圖9為機場高壓供電系統(tǒng)拓撲圖。本文將10 kV電網(wǎng)雷害風(fēng)險評估技術(shù)應(yīng)用于白云機場10 kV電網(wǎng)，依次實現(xiàn)了“電網(wǎng)→線路→桿塔區(qū)段→桿塔”的全層級評估，為各級生產(chǎn)運行部門實施電網(wǎng)差異化防雷保護提供了科學(xué)依據(jù)。

圖9 白云機場高壓供電系統(tǒng)拓撲圖Fig.9 Topology of the high-voltage power supply system for Baiyin Airport

表2 白云機場10 kV配網(wǎng)雷擊風(fēng)險評估結(jié)果Tab.2 The result of lightning risk assessment for Baiyun airport 10 kV distribution network

表2中的風(fēng)險權(quán)值和風(fēng)險排序為白云機場10 kV電網(wǎng)截止于2008年的線路雷害風(fēng)險評估結(jié)果，在表中同時還給出了2009—2010年各條線路的雷擊跳閘次數(shù)以分析評估結(jié)果的有效性。根據(jù)運行部門要求的劃分等級數(shù)，可確定各等級的線路條數(shù)及對應(yīng)的線路名稱。2009—2010年全網(wǎng)9條線路共計發(fā)生19次雷擊跳閘，其中15次發(fā)生在2008年評價結(jié)果中風(fēng)險等級較高的前5條線路，占故障總數(shù)的77．8%。特別是風(fēng)險排序2～4位的線路B、D、H就集中發(fā)生了10次雷擊跳閘故障，占了故障總數(shù)的55．6%，且這3條線路在2009—2010年各發(fā)生了1次重合失敗的嚴重事故，導(dǎo)致系統(tǒng)中斷供電?？梢姡u價結(jié)果與實際故障情況比較相符。造成這3條線路雷擊風(fēng)險較高的原因主要是：

1）線路D、H的運行時間是所有線路中最長的，而線路B運行時間也較長；

2）線路B的計算跳閘率和實際跳閘率均很高；

3）線路N、O的設(shè)備損害程度顯著高于其他線路。

而線路I雖然位于風(fēng)險排序第1位，但2009和2010兩年僅發(fā)生1起雷擊故障，分析原因主要是：

1）2008年以前該線路的實際雷擊跳閘率遠高于其他線路，且發(fā)生過重合失敗的嚴重事故，故造成評估出的風(fēng)險等級很高；

2）截至2008年線路運行時間很短，因而運行經(jīng)驗受雷電活動隨機性影響較大?？梢姡@得更加準確的風(fēng)險評估結(jié)果有賴于進一步積累實際運行經(jīng)驗后對評估初值不斷修正。

5 結(jié)論

1）廣州白云機場處于廣州雷電活動最為密集的區(qū)域，雷電地閃密度高于廣州地區(qū)的平均值，且有逐年增長的趨勢。與廣州全區(qū)域相比，白云機場的雷電流幅值要相對分散，在0~10 kA和60~90 kA的幅值段所占的比例要高于廣州地區(qū)的平均值，在10~60 kA的幅值段所占的比例要低于廣州地區(qū)的平均值。

2）本文提出的10 kV配網(wǎng)雷擊風(fēng)險評估模型包括跳閘率計算和跳閘損失計算2個模塊，跳閘率計算分為直擊桿塔、直擊導(dǎo)線和感應(yīng)過電壓的跳閘率計算。跳閘損失計算根據(jù)跳閘重合成功、重合失敗，強送成功和重合失敗，強送失敗3種故障類型分別進行計算，加權(quán)求和得到總的跳閘損失。

3）采用本文提出的10 kV配網(wǎng)雷擊風(fēng)險評估模型得到的白云機場10 kV配電線路雷擊跳閘風(fēng)險值與實際運行情況較相符，為白云機場10 kV配電系統(tǒng)的防雷提供了重要參考。

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