张勇军 黄慧 刘洋海 陈志峰

(1.华南理工大学电力学院∥广东省绿色能源技术重点实验室，广东广州510640;2.广东电网公司韶关供电局，广东韶关512026)

随着人民生产生活对电力的依赖程度不断提高，供电单位一直致力于降低电网风险.电网跳闸原因一般归结为雷击、鸟害、山火、覆冰、污闪等，其中雷击跳闸［1-5］比重最大，约占60% ～80%.高雷击跳闸率给电网带来了巨大的风险，是电网风险的重要组成部分.

分布式发电［6-8］和电力市场［9］是未来智能电网［10-13］的重要特征.含有分布式发电的电网雷击风险评估的模型和方法是当前电力系统防雷研究的新问题，随着可再生能源的比重不断增加，这个问题将会更加突出.

文章首先从水电联络线、水电站和用户3个角度分析含分布式水电电网在防雷方面存在的问题，然后对比水电联络线和普通线路在雷击风险构成和风险分担方面存在的差异，提出了4个雷击风险评估指标，建立雷击风险评估模型，雷击的反击和绕击分别采用规程法［14-15］和电气几何法［15］.小水电丰富的韶关电网110kV线路雷击风险评估结果显示，雷击风险主要集中在水电联络线路上，水电附近具有极大的失负荷风险，因雷击而导致的可再生资源浪费十分严重.

1 分布式水电电网防雷存在的问题

文章从水电联络线、水电站、用户3个方面分析目前电网防雷存在的问题及与未来电网的差距.

1.1 水电联络线的情况

水电联络线雷击跳闸率高且保护系统不够灵活完善［13］.水电一般处于山区，线路长，建设年代较早，且设计防雷水平低，如避雷线保护角过大等，导致水电联络线雷击跳闸率高.水电联络线一般在主网侧配置线路无压重合闸，水电侧一般不配置重合闸，即使配置有重合闸，也并不同时适应于丰水期和枯水期，重合成功的几率十分低.

目前的110kV水电联络线为今后微网和主网的连接线，该线路应具备较高的可靠性及故障开合能力［6，13］.因此，目前水电联络线的可靠性和保护的灵活性尚未达到要求.

1.2 水电站情况

雷击后水电机组支撑能力差.根据调查，我国的水电机组存在技术落后的情况，部分机组仓仓促上马、无序开发所配置的保护十分简单，大部分机组甚至只有过电流保护、同期并网等，调节能力十分差，持续发电的可靠性低.一般110kV水电联络线发生故障，若水电出力和本地负荷不平衡，则水电机组较快失稳，负荷停电.

水电站是未来电力市场的主体，高发电可靠性将节省不可再生能源，同时也给水电公司带来利益.水电站又承担着主网或联络线故障时充当本地负荷电源的任务［6］，因此急需提高水电机组的技术水平和管理水平，以提高调节能力和可靠性.

1.3 用户情况

用户电能质量低.由于水电联络线雷击跳闸率高、水电机组支撑能力差，同时水电位于山区，停电转供能力不强，因此，小水电周边负荷供电可靠性较差，停电时间较长.除此外，由于水电开机关机，常出现电压偏高以及电压暂降、暂升现象，易造成用户精密仪器失灵或者毁坏.

2 水电联络线和普通线路雷击风险对比

详细对比分析水电联络线和普通线路的雷击风险构成和风险承担，能够更好地突出水电联络线雷击风险的特殊性，是水电联络线雷击风险评估的基础，对于今后各风险承担者的风险管理、防雷改造、可靠性提高等有很好的指导意义.文中从雷击风险构成和风险承担角度分析了水电联络线和普通线路雷击风险差异，结果见表1.

表1中，水电机组调节和保护动作分别增加了水电和电网公司的运行成本.水电资源损失和负荷停电损失为能源的损失和缺供，是风险损失的核心部分.普通线路没有水电资源损失，雷击风险后果相对水电联络线较轻.目前，电网公司、水电所有者、用户三者之间尚无明确的可靠性交易机制［9］，这也是目前水电联络线可靠性差、水电无序开发、用户供电可靠性低的根本原因.随着分布式发电局面的逐渐形成、电力市场意识的强化和智能电网技术的进步，风险的各方承担将更明晰，水电资源的利用率、供电可靠性将大大地提高.

3 雷击风险指标

明确的雷击风险指标，是雷击风险评估的基础，文中采用的分布式电网联络线雷击风险的指标如下:

1)年雷击跳闸率k 为雷击暴露次数N和线路跳闸可能性pf的乘积，既体现了线路跳闸的地理因素，又体现了保护设计水平.

2)雷击重合闸成功率μ 综合体现了重合闸的配置与否以及重合闸类型与电网运行方式的合适性.若未配置重合闸，则重合闸成功率为0.

3)年可再生资源损失风险RG为可再生资源电厂因雷击故障少发的电量.

4)年缺供电量风险RL为因雷击导致的用户停电电量.

以上4个指标能够综合反映电网、用户、可再生资源电厂的雷击风险，适用于分布式电网的雷击风险评估.

4 雷击风险计算模型

文中从雷击风险的线路雷击暴露次数N、线路跳闸可能性pf和故障损失C三方面建立雷击风险评估模型.雷击暴露和线路跳闸可能性的乘积即为线路的雷击跳闸率.雷击风险Rl如下式:

表1 水电联络线和普通线路雷击风险比较Table 1 Lightning risk comparison between hydropower grid-connected line and normal line

4.1 雷击暴露

雷击暴露次数N体现了线路所在地的雷击频度，它与雷对地闪密度Ng以及线路对地的屏蔽面积A有关，即

式中:Ng=γNl，γ为地面落雷密度，Nl为地区年雷暴日;A=10hb，hb为避雷线高度.

4.2 线路跳闸可能性

跳闸可能性pf是指线路在一个雷害情况下发生跳闸的可能性，计算公式如下:

式中，η为建弧率，g为击杆率，p1为超过反击耐雷水平的雷电流概率，p2为引发绕击的雷电流概率，pa为绕击率.

反击耐雷水平I1采用规程法［14-15］计算.p1的计算式如下:

绕击耐雷水平采用电气几何模型法［4］计算，根据杆塔的物理模型计算绕击的最小临界电流I2min和最大临界电流I2max，计算公式为

式中，Z为导线的波阻抗，U50%为绝缘子50%放电电压，α、θ分别为避雷线保护角和山坡倾角，hc为导线高度，r2max为绕击最大击距.能够引发绕击的雷电流概率为

4.3 损失

文中选取表1中两个核心的损失作为分布式电源的雷击风险损失C:

式中，CL、CG分别为缺供电量损失和可再生资源损失，pG、pL分别为因雷击而损失的发电功率和负荷数，tG、tL分别为雷击导致的发电机停运时间和负荷停电时间.由于分布式电源的管理完善程度以及元件备自投、停电转供配置参差不齐，各线路故障导致的可再生资源浪费量、负荷停电量、停电时间都有很大的区别.

5 算例分析

韶关境内含有丰富的水利资源，大小水电站达千余个，水电总装机近165万kW，广泛地分布在农村地区，为典型的分布式水电地区，普通线路主要集中在市区和郊区.数个大型水电直接升压到110kV，其余小水电一般T接在10kV和35kV线路上，通过110kV变电站与主网连接.韶关电网110 kV约有一半长度的线路为小水电联络线.利用第4节模型，按照韶关每年80个雷电日计算，取停电时间为4h，其它雷电的绕击、反击参数依据电网实际情况而定，停电负荷量和发电量根据夏丰小方式平均情况而定.则韶关电网110kV线路的雷击风险计算结果如表2所示.

表2 雷击风险评估结果Table 2 Evaluation results of lightning risk

由表2可知，韶关电网110 kV线路的雷击风险绝大部分集中在T接水电的线路上，市区和郊区的普通线路跳闸率低且重合闸成功率高，且由于备自投、停电转供较完善，缺供电量风险基本可以忽略.水电联络线的缺供电量风险达到普通线路的30倍，且可再生资源损失风险也极大，严重地浪费了可再生资源.

6 结语

多水电地区的雷击风险绝大部分集中在水电联络线上，分布式水电附近负荷存在极大的缺供电量风险，可再生资源浪费十分严重，影响了农村电网的安全经济运行.据此，笔者提出如下建议:

(1)加强线路的巡视，如绝缘子、接地电阻检测等;提高水电联络线的防雷水平，如增强绝缘、降低杆塔的接地电阻等;在高雷击风险的线路段安装线路避雷器.

(2)增强水电站与主网连接线路的保护，完善重合闸配置率，并采取不同的重合闸方式以适应水电大方式和小方式.

(3)增强水电站的保护，提高水电出力有功、无功、电压的调节能力.

(4)增强水电地区配网结构，合理地增加联络开关，增强负荷转供能力.

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