一種山地風電場3 5 k V集電線路防雷技術的應用

劉艷，姚劍平

（國家電投集團云南國際電力投資有限公司，昆明650228）

0 前言

云南省位于我國西南邊陲，地處低緯高原，因氣候類型多樣、地區差異懸殊、季節分配不均勻、年際變幅較大，災害性天氣多發頻發，是全國雷暴高發區，全省大部分地區年均雷暴日數在60天以上。全省范圍的雷暴天氣一般從4月進入雨季開始，到10月左右結束。其中楚雄州是云南省雷暴發生最為頻繁的地方，也是全國聞名的“雷都”之一，年均雷暴日達到62天以上。

云南省風電場的風力發電機組通常沿高山的山脊布置，因此風電場的集電線路路徑根據風機的位置分布特點，或在山脊，或跨越山谷，路徑總長達幾十公里甚至上百公里，極易遭受雷擊。

在我國線路防雷規程中，一般以40日/ 年的雷暴日作為線路防雷設計標準，這就使得集電線路的防雷在設計之初，標準比較低。因此，山地風電場集電線路每年雷雨季節遭雷擊閃絡造成跳閘和停電十分頻繁。線路雷擊跳閘對線路和桿塔本體、升壓站和風電機組等設備可能造成嚴重的損失，甚至威脅人身安全。線路雷擊跳閘后，線路運維人員開展故障排查和處理工作時，也面臨較大人身安全風險。因此，研究并采取促使提高線路防雷水平，對確保風電場集電線路的安全、經濟運行具有重大意義。

本文以位于楚雄州的某山地風電場為例，著眼于應用一種新型防雷技術，即風電場集電線路避雷器改造、人工定位引雷系統性防雷解決方案及加裝高原型避雷器的塔桿的接地裝置的改造方式，達到預防和減少集電線路跳閘事故的目的。

1 35 kV集電線路雷擊跳閘主要原因

輸電線路雷擊跳閘是大氣過電壓通過輸電線路的桿塔形成導電通道，從而導致輸電線路的絕緣擊穿。根據對云南省楚雄州境內某風電場的35 kV 集電線路雷擊跳閘的情況分析，無論是雷電反擊或繞擊而造成的線路跳閘，都與桿塔的塔型、絕緣強度、接地電阻、線路沿線的地形及雷電活動等多個因素綜合影響相關。以此山地風電場為例，簡要分析35 kV 集電線路雷擊跳閘的原因。

1.1 某風電場基本情況

風電場整體的布置分為南部、北部兩個區域，主風向為西南風向。其中南部風場共有八回集電線路，橫切迎風面布置，且有多處跨越溝箐容易遭受雷擊。在南、北部風場中間有一條500 kV 輸電線路穿過，雷云到來時南部風場和500 kV 輸電線路在北部風場前端，大部分雷云會先對橫切迎風面的線路進行放電，當風向為西南方時南部風場遭受雷擊的風險概率比北部風場高得多。根據統計，每年遭遇雷擊跳閘次數10次之多。

此風電場集電線路經過地區年平均雷電日數為62 d，屬重雷區。且線路沿線露出地層巖性主要為頁巖、砂巖、泥巖和第四系黏性土組成。在設計階段考慮：

1）線路全線均架設雙地線，雙回路桿塔地線保護角小于10°、單回路桿塔地線保護角小于15°，地線間的水平距離不大于導線與地線間垂直距離的5倍，氣溫考慮在15℃，無風時檔距中央導地線間最小距離滿足下式要求：S1≥0.012L+1（1）

2）35 kV 集電線路桿塔的安裝采用全線桿塔逐基接地，接地裝置在旱地和山區采用水平放射形接地體,在居民區及水田中采用閉合環型接地裝置。接地體用Φ10圓鋼敷設,其埋設深度為耕地0.8 m，巖石地區0.3 m，其余地區0.6 m；接地引下線用-5×40×170 mm 扁鋼和Φ12圓鋼；對于土壤電阻率很大、接地裝置又難以延伸敷設的塔位，采取綜合降阻措施，改成敷設垂直接地極或添加降阻劑或兩者聯合。

3）塔桿接地電阻，依據GB 50545—2010《110 kV ～750 kV架空輸電線路設計規范》，架空輸電線路桿的塔接地電阻值在不同土壤電阻率情況下的要求見表1。

表1架空輸電線路桿的塔接地電阻值在不同土壤電阻率

1.2 山地風電線路雷擊跳閘主要原因分析

1）地形地貌方面，線路在穿越山區時，受地形的升降起伏引起線路保護角的變化影響，地線屏蔽失效的區間增大，雷擊跳閘率較處于地勢平緩地區的集電線路的雷擊跳閘率則顯著增高。同時，海拔高度增高，雷擊跳閘概率隨之增大。

2）雷擊塔頂及桿塔附近的避雷線，雷電流經桿塔入地，造成塔頂較高電位，使絕緣子閃絡。集電線路桿塔的接地電阻不合格是影響線路雷擊跳閘率的重要因素之一。計算表明桿塔的接地電阻每增加10Ω～20Ω，線路的雷擊跳閘率會增加50%～100%。地質條件、土壤腐蝕性和外力破壞都會影響接地電阻，因此在設計和施工階段，科學、合理地配置線路桿塔的絕緣水平和接地裝置的布置方式，會有效提高桿塔的防雷能力，尤其是能提高線路遭受繞擊時的耐雷水平，從而降低線路雷擊跳閘率。

表2

3）集電電路避雷線的保護角與繞擊區成正比，即保護角越大，其形成的繞擊區則越大，會導致增加繞擊次數。而在山坡上，坡面坡度的增大，則會降低避雷線屏蔽的有效性，增加繞擊次數。

4）設計的絕緣子的耐雷水平不能滿足實際要求。

5）集電線路終端塔雖安裝有避雷器，但由于避雷器選型的問題耐壓水平過低，一旦雷擊避雷器就容易擊穿，線路上的雷電流將無法有效泄放導致線路跳閘。

2 輸電線路感應雷與直擊雷過電壓

2.1 感應雷電過電壓

2.1.1 雷擊架空輸電線路方式

圖1雷擊架空輸電線路方式

2.1.2 雷擊大地時的感應雷過電壓

根據理論分析和實測結果，我國規程中給出：當雷擊點距輸電線路的距離s大于65 m 時，導線上產生的感應過電壓最大值為。有避雷線時：

式中：

I—雷電流幅值，kA;

hd—導線懸掛平均高度，m；

s—雷擊點至線路的水平距離m；

hs—避雷線懸掛的平均高度（m）；

K0—避雷線和導線間的耦合系數。

2.1.3 雷擊塔頂/避雷線時導線上的感應過電壓

式中：

a—電位系數kV/m

線路上感應過電壓的極性與雷電流極性相反，峰值一般不高最大可達值約為300 kV-400 kV，波頭較長，陡度較小。

感應電壓幅值比較小，一般只對35 kV 及以下線路絕緣有威脅。線路耐雷水平越高，閃絡跳閘率越低。

2.2 直擊雷過電壓

2.2.1 雷直擊導線過電壓

耐雷水平：

35 kV 電壓線路的雷電繞/直擊耐雷水平I0為3.5kA。

2.2.2 雷擊塔頂反擊時的過電壓及耐雷水平

當雷擊線路桿塔頂端時，雷電流I將流經桿塔及其接地電阻Rch流入大地。考慮桿塔的電感Lgt，雷電流波行為斜角平頂波，波頭為2.6 微秒，幅值為I，陡度為α=I/2.6。雷擊時塔頂最大電位為：

表3各級電壓輸電線路雷擊塔頂反擊耐雷水平

2.2.3 有避雷線時直擊雷過電壓

a.繞擊；

b.雷擊塔頂；

c.雷擊檔距中央。

①雷繞過避雷線擊于導線的過電壓及耐雷水平。

雷繞過避雷線擊于導線的次數與雷擊線路總次數之比稱為繞擊率Pa

避雷器外側導線的保護角α，桿塔高度h；地形條件：對山區線路

繞擊時的過電壓為：

故線路的耐雷水平為：

繞擊耐雷水平與保護角關系很大。

②雷擊有避雷線塔頂桿塔

分流系數計算：

βg與雷電流陡度無關，而隨時間變化。為了便于計算，工程上t 值取0～2.6 微秒的平均值，因此有：

所以由上可得桿塔的分流系數βg。

表3

絕緣子串上的電壓如不計耦合系數：

計耦合系數：

雷擊塔頂時的耐雷水平：

由此可見影響因素有：1.桿塔沖擊接地電阻；2.桿塔分流系數；3.導線與避雷線耦合系數Kc；4.桿塔等值電感；5.絕緣子串沖擊放電電壓U50%。

由此得出結論；防雷擊跳閘的手段

①增加絕緣子，可以增加耐雷措施。

②降低接地電阻，對于一般高度的桿塔，沖擊接地電阻Rch的電壓降是塔頂電位的主要成分。

③提高耦合系數Kc，常規做法是，降單根避雷線改為雙避雷線，甚至在導線下方增設耦合地線，其作用是增強導線、地線間的耦合作用。

3 集電線路防雷的措施及應用

線路跳閘雷擊引起線路導致跳閘需滿足一定的條件：

雷擊中→雷電流≥線路耐雷水平→引發閃絡→建立穩定的工頻電弧→跳閘。

針對此條件線路防雷設置四道防線：①防止雷擊中導線；

②防止雷擊中后引起絕緣閃絡；

③防止雷擊閃絡后轉化為穩定的工頻電弧；④防止線路供電中斷。

3.1 在35 kV集電線路安裝氧化鋅避雷器

從南、北部風場升壓站出線前四桿塔桿安裝了YT-G-51 高原型中壓氧化鋅避雷器各96 組。因雷電擊中地線后地線和線路上存在閃絡的可能，在線路上會出現感應過電壓與繞擊過電壓重疊的浪涌，因此選擇線路避雷器時需要考慮站端與機端可能承受的最大預期雷電流。在進升壓站前3桿依次安裝20 kA、10 kA、5 kA 能量配合的3組3級避雷器對雷電流進行逐級泄放。安裝了采用脫扣器連接的高原型氧化鋅避雷器，一方面提高了線路的絕緣水平，另外可通過脫扣裝置的情況快速查找到故障點。

3.2 在易遭受雷擊的塔桿上安裝防繞擊主動接閃避雷針

圖2塔桿上安裝防繞擊主動接閃避雷針

在強雷電區域，為防止線路繞擊，地線和導線應采用負保護角。而風電場現場實際為正保護角，為減少線路的繞擊，在共36基塔桿易遭受雷擊的塔桿上安裝防繞擊避雷針，重點在選型方面，避雷針針頭采用歐米加Ω-25X 提前預放電避雷針。

當雷電云層形成時，雷電云層內部會形成一個下行先導并以階梯形式向地面移動，下行先導攜帶著的電荷與地面建立起電場，此時地面上的凸起物體或金屬部件產生一個上行的先導，此上行先導向上傳播與下行先導會合后，閃電電流就流過所形成的通道。因為地面上的凸起物體或金屬部件可能會形成多個上行先導，而與下行先導會合的第一個上行先導，就決定了雷擊的具體位置。

安裝防繞擊主動接閃避雷針，提前放電避雷針的工作原理就是在桿塔頂端部位人為產生一個比普通避雷針更快、更靈敏的上行先導。在同等條件（高度）下，主動提前預放電型避雷針較普通避雷針保護范圍更大，其主要特點一是采用無放射性元素的不銹鋼材料，耐腐蝕和抗風能力較強；二是無需供電，無需配置相關耗能元件，免維護；三是重量輕，安裝簡單，無需加裝同軸屏蔽電纜。

圖3相同條件下具有提前45us的上行先導觸發時間

3.3 安裝避雷器及避雷針的塔桿接地系統改造

風電場原設計的塔桿接地電阻值要求是在斷開地線、不同土壤電阻率的條件下，各塔桿的接地電阻值是10歐到30歐不等，原設計施工采用圓鋼水平敷設120米，埋深0.6米。加裝主動接閃型避雷器后，塔桿的接地電阻原則上應盡可能低，其四季實測最大值需小于8歐姆。因此需要對桿塔接地網進行改造，改造的接地網在平面內敷設成條狀，水平接地體采用40×4熱度鋅扁鋼，垂直接地體采用50×5×1500熱鍍鋅角鋼。水平接地體的埋設深度應大于0.6 米，焊接工藝嚴格執行國家相關規范要求。接地體埋設時要重點做好：

安裝接地體的埋設深度應大于0.6米，有條件的情況下宜適當深埋。角鋼及鋼管接地體采用垂直埋設的方式。

圖4接地極安裝圖

1）接地體敷設完畢后,對基坑進行回填。回填土內不能夾雜有石塊和建筑垃圾等，應以原土或細粘土等進行回填，且至少應保證接地體周圍有30～50 cm 細土，并采用水澆沉實法（結合專用回填料效果更佳），在回填土時應分層夯實。

2）扁鋼與接地體用電焊焊接時應將扁鋼拉直，焊后清除表面的藥皮，并涂刷瀝青做防腐處理。

3）接地極連接完畢后，應檢查并核對接地極材質、安裝位置、焊接的質量，接地體的截面、規格等是否符合設計及施工驗收規范要求。滿足條件后，方可回填，分層進行夯實。

4 結束語

通過在35 kV 集電線路加裝帶脫扣裝置的高原型避雷器、在塔桿上安裝主動接閃桿并獨立引下雷電流、接地裝置進行降阻改等措施，經驗證某風電場線路雷擊跳閘次數得到了顯著降低，減少了因雷擊跳閘造成的發電量損失，同時也有效避免了線路運維人員在故障查找、高空作業時的安全風險。

此項防雷改造技術難度低，無需對原有桿塔結構、受力和材料改變的情況下就可完成，同時停電時間短，多條線路可逐條進行停電改造，不影響風電場其他線路正常運行，對省內山地風電場的線路防雷具有很強的借鑒意義。