對山區某風電場集電線路雷擊事件的原因分析及防范措施

摘要：山東省濟南山區某風電場集電線路在2012年夏季經常發生雷擊跳閘事故，通過對集電線路雷擊事故進行原因分析，提出在多雷山區風電場集電線路、電氣設備采取的防雷措施。

關鍵詞：風電場 集電線路 雷擊 防雷措施

0 引言

截止到2012年8月，山東電網共有55座風電場，裝機容量達到342.9萬千瓦，最高發電負荷219.8萬千瓦。根據“十二五”發展規劃，預計未來風電行業仍將會保持高速發展，但風電場普遍存在比較容易遭受雷擊等不利因素的影響，為打造電網友好性風電場，采取防范措施避免風電場雷擊事故發生，確保風電場安全、可靠、穩定運行。

風電場集電線路是風電場主要組成部分，該風電場共六條集電線路，總長度為34.2公里，集電線路所徑之處為曠野山脈，集電線路長，遭遇雷擊的機率較大，雷擊放電引起很高的雷擊過電壓，是造成線路跳閘事故的主要原因。據統計，雷擊引起線路跳閘事故占該風電場事故的76%。雷害成為僅次于污閃影響風電場運行安全穩定運行的主要因素，因此，完全有必要研究并采取集電線路的防雷措施。

1 典型雷擊事件描述

該風電場所處山東省濟南地區，是雷電活動較為活躍，高土壤電阻率、地形復雜的山區。進入夏季后，該風電場集電線路發生多次雷擊事故。最嚴重的一次雷擊：2012年07月31日20時43分19秒921毫秒，該風電場35kV第V回集電線路0311開關過流I段保護動作出口，開關跳閘，第V回集電線路停運。由于故障時濟南地區正在下雨，第V回集電線路巡檢道路無法通過。風電場安排運檢人員在8月1日早上對35kV第V回集電線路及所帶風機、箱變進行逐一檢查。8月1日上午對第V回集電線路進行檢查，沒有發現異常。對第Ⅴ回集電線路所帶風機、箱變進行檢查時發現501箱變內B相過電壓保護器、502箱變內B相過電壓保護器、503箱變內B相過電壓保護器、506箱變內B相過電壓保護器、510箱變內A相過電壓保護器、511箱變內B相過電壓保護器、512箱變內B相過電壓保護器發生動作。與第Ⅴ回集電線路事故記錄的時間吻合，其他箱變的過電壓保護器均未動作。巡視第Ⅴ回集電線路，沒有發現異常，集電線路避雷器沒有雷擊計數器，無法確認是否動作。檢查站內設備，全部正常。對第Ⅴ回集電線路測絕緣，A相對地絕緣值：6兆歐，B相對地絕緣值：6兆歐，C相對地絕緣值：6兆歐，A—B相絕緣值：14兆歐，A—C相絕緣值：14兆歐，B—C相絕緣值：14兆歐。08月01日17時40分，第Ⅴ回集電線路送電成功，風機并網發電。

2 故障原因分析

2.1 從第V回集電線路開關0311保護裝置記錄看，是過流I段保護動作，動作電流28.04A，遠大于過流I段保護定值I=15.7A，延時43ms保護正確動作出口跳開0311開關。據此推斷第V回集電線路或所帶箱變發生了短路故障。

2.2 從故障錄波波形來分析：從35kV第V回集電線路電流波形來看：

故障時，A、B、C三相電流都同時升高，說明在第V回集電線路上發生了三相短路故障。

從35kV II母線電壓波形來看：

故障時，35kVII母線電壓A、B、C三相同時等幅降低，且波形對稱，可以判斷在第V回線集電路上發生了非金屬性三相短路。

2.3 從現場檢查情況來看：對第V回集電線路及箱變、風機逐一檢查，未發現三相、相間及單相對地故障痕跡。第V回集電線路所帶17臺箱變中，從箱變的過電壓保護器中記錄的動作時間來看，有7臺箱變的過電壓保護在本次故障時動作。

綜合以上分析，此次第V回集電線路0311開關跳閘的故障原因為雷擊造成此集電線路上不同箱變的不同相別避雷器同時動作，導致出現三相非金屬性短路，使得0311開關保護跳閘。

3 集電線路遭雷擊的判別與防雷性能評價

3.1 通過幾次雷擊事故分析，雷擊產生電磁感應所引起的感應雷過電壓，遭受雷擊概率最大的是桿塔地網接地電阻過高及避雷線保護角過大的線路。

3.2 防雷性能評價。集電線路防雷性能的優劣的重要指標一般有兩個：一是線路雷擊跳閘率，二是線路耐雷水平。

線路雷擊跳閘率是指每100km線路每年（折算到40個雷暴日下）由雷擊引起的線路跳閘次數，它是衡量線路耐雷性能的綜合指標。線路耐雷水平越高，雷擊跳閘率越低，說明線路的防雷性能越好。所以如何提高線路耐雷水平，降低雷擊跳閘率是防雷設計中非常重要的工作。

線路耐雷水平是指雷擊線路時，線路絕緣子不會發生閃絡的最大雷電流幅值。低于耐雷水平的雷電流擊于線路不會引起閃絡，反之，則必然會引起閃絡。集電線路雷電流超過線路耐雷水平引起絕緣子發生閃絡沖擊時，由于沖擊閃絡時間很短不會引起線路跳閘，但若在雷電消失后由工作電壓產生的工頻短路電流電弧持續存在，將引起線路跳閘。

4 防止集電線路遭雷擊損壞的對策

當發生雷擊事件時，為什么風機葉片或塔筒沒有遭受雷擊，而是集電線路頻繁遭受雷擊，大致計算，雷擊風機葉片或塔筒，按三類防雷建筑物首次雷擊的雷電流強度，電流I=100kA（10/350us），按照GB50057-94（2000）規定及計算方法，50%的雷電流流入風機基礎地網，風機基礎接地電阻為4歐姆（雷擊時，實際沖擊電阻會小一些）。為此，該風電場對數次雷擊事故高度重視，邀請設計院、施工單位、當地氣象局共同商討應對方案：

4.1 提高集電線路耐雷水平。在多雷地區不易選擇使用普通型合成絕緣子，由于合成絕緣子兩端均壓環短接了部分空氣間隙，使其耐雷水平比同樣安裝高度的瓷絕緣子偏低。

采取對策：將原來的普通合成絕緣子更換為防雷絕緣子；采用陶瓷橫擔替代原鍍鋅鐵橫擔。進一步提升集電線路的絕緣水平。

4.2 降低桿塔接地電阻。為了提高集電線路的耐雷水平，每個桿塔一般都應敷設接地裝置，并與地線牢靠連接，以使擊中地線或塔頂的雷電流通過較低的接地電阻泄入大地。

采取對策：對于部分位于山頂地勢較高處桿塔或高土壤電阻率無避雷器的桿塔，可采用連接伸長接地體將每根桿塔的接地裝置連接起來的措施，以形成一條低電阻通道，防止桿塔頂部的雷電場強發生畸變。

4.3 重新測量接地電阻，發現不符合規定的及時整改。檢查接地引下線與接地裝置的連接是否符合要求，安裝是否規范、可靠。

4.4 完善避雷裝置，定期進行避雷器預試驗。風電場列入年度工作計劃在3月份雷雨季節前加強對線路的巡視。并抽取易受雷擊桿塔上的絕緣子進行耐壓試驗。

4.5 在降低桿塔接地電阻有困難時，可采用架設耦合地線的措施，即在導線下方再架設一條地線。一是加強避雷線與導線間的耦合，使線路絕緣上的過電壓降低；二是增加了對雷電流的分流作用。尤其在山區的集電線路效果更為明顯。

4.6 加裝避雷針裝置。根據當地氣象部門的雷擊統計和集電線路遭受雷擊時箱變過電壓指示儀顯示，在第V回集電線路501號～506號風機處的集電線路桿塔為山頂的高位桿塔或山谷迎風口處桿塔遭受雷擊的次數最多。

采取對策：在容易遭受雷擊的重點區域加裝避雷針裝置，將雷電提前引入避雷針，保護集電電路正常運行。

4.7 對集電線路開關試送一次。當遭受雷擊的情況下，保護動作跳閘，因地處山區，雷雨過后，上山道路無法通行，耽誤設備恢復正常運行時間。

采取對策：發生雷擊事件后，查看故障錄波器裝置，確認是因雷擊事故造成開關跳閘，當雷擊過后，可以先對跳閘的集電線路試送一次。當上山道路符合巡視條件時，再對集電線路加強巡視和檢查。

除此之外，可以在易遭受雷擊的線路集中區域通過填充降阻劑或置換接地體附近小范圍內高電阻率土石以降低接地電阻等等。

5 結束語

為提高集電線路的防雷性能，降低集電線路的雷擊跳閘率，應充分考慮當地地形、地貌特點、土壤電阻率的高低、氣象及線路運行等各方面的情況，根據技術經濟比較結果，然后采取相應的防雷措施。在平時運行維護工作中，加強防雷裝置和接地裝置的運行維護、定期檢查和測量，保證風電場的安全穩定運行。

參考文獻：

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