風電場集電線路防雷技術的研究與實踐

李剛

摘要：風能是一種可再生的清潔能源，大力發展清潔能源是世界各國的戰略選擇。雷害長期困擾電網，近年來呈逐年加劇之勢。線路頻繁遭受雷擊，不僅影響風機和電氣設備正常運行，而且危及電網安全。本文以投運風電場線路雷擊記錄為樣本，分析了各個風機避雷器動作頻次與地形地貌、不同季節、線路相別的相關性，探討雷電天氣斷路器跳閘原因和集電線路雷電過電壓類型。提出了適合風電場集電線路的避雷措施，并給出意見和建議。

關鍵詞：風電場;集電線;防雷保護

風電場大多采用35kV 架空線路，引起輸電線路故障跳閘的原因有很多，其中因雷擊引起的跳閘次數位居所有跳閘原因之首。據統計，因雷擊線路造成的跳閘事故占電網總事故的60%以上。對于輸電線路所擁有的防雷電能力，在實際工程中往往使用輸電線路的耐雷水平以及在遭受雷擊時的跳閘率作為衡量指標。如何防護輸電線路事故，盡可能減少線路雷擊害事故的次數提高線路運行的可靠性，減少因線路故障帶來的風電場經濟損失一直都是風電工程中關注的問題。

本文以山東地區某投運風電場線路防雷保護發現的問題為例，結合歷年雷擊記錄數據，分析了避雷器動作頻次與地形地貌、不同季節、線路相別的相關性，探討了風電場集電線路避雷措施適宜性，為今后風電場線路避雷措施提供了解決方案。

1 工程概況

風電場集電線路是風電場主要組成部分，山東某風電場安裝單機容量1.5MW 風力發電機組66臺，以6回35kV集電線路，接入風電場升壓站，線路總長度31.5km，其中雙回路2.7km，單回路28.8km，每條線路各帶11臺風機。升壓站內35kV母線采用小電阻接地系統。

該風電場集電線路位于山地及丘陵地區，經過多年運行發現，線路路編號為YB的集電線路每年春夏季，當有雷雨時經常發生線路非正常跳閘。

2 風電線路雷擊事故分析

2.1 線路避雷器動作數據統計分析

根據風電場的巡檢卡與防雷檢測報告統計得出，某風電場2018年1—9月各臺風機避雷器動作統計如圖1 所示，各月避雷器動作統計如圖2所示。

由圖 1、圖2 可知：

1）YB07—YB11風機避雷器動作次數占整條線路動作次數的63.4%，明顯高于其他風機，其中YB08風機避雷器動作次數最多A、B、C三相合計達20次。

2）YB07—YB11，4臺風機的避雷器A、C兩相的次數要明顯高于B相，A相占42%、B 相占41%，占總數量的83%。

3）線路的避雷器動作次數從6月份開始明顯增加，7月份避雷器動作次數翻了一倍，6—9 月份動作次數占總數量的78%。YB07—YB11，4臺風機在6—9月份避雷器動作頻次明顯高于其他風機，占整條線路動作次數的55%。

3 線路跳閘原因分析

一般而言，排除避雷器自身缺陷造成誤動外，避雷器動作均由線路過電壓引起。線路過電壓包括兩種情況：①內部過電壓：主要是有系統內部的設備及操作設備時引起的過電壓。②外部過電壓：主要為系統外部產生的過電壓，如雷電、單相接地等情況。由避雷器動作統計可知，集電線路避雷器動作集中在6—9月份，正是該地區的雷雨季。季節和地勢高低的變化，不會導致集電線路正常運行時內部過電壓和避雷器動作機率明顯增減，由此可以得出避雷器動作次數大幅增加主要由雷電過電壓引起。風電場YB線在2016年6月—2018年7 月的8 次跳閘事故中有7 次保護動作可以判斷是雷擊直接造成的，其中6 次發生在持續雷雨天氣并伴隨相應避雷器動作、4次絕緣擊穿。造成線路兩相接地短路1次、單相接地短路4 次，由此可見風電場集電線路雷擊對跳閘的影響很大。

從地形地貌來看，YB07—YB11風機集中布置在該風電場海拔高度約為850～1000m的同一山脊上，該區域明顯高出周邊區域，YB08風機海拔高度為1017m，YB07、YB11風機海拔高度為952m且處于高山脊末端，分別位于最北與最南端。YB07—YB11 集電線路段共9 基桿塔，其中5 基為線路終端，位于風機距離40m 左右。該風場的風機輪轂高70m，風機接引器可以起到避雷針的作用，經計算風機保護有效半徑為50m，5 基終端塔在其保護范圍內，其余4級線路桿塔不在其保護范圍內，因此，遭受雷擊引起直擊雷過電壓使絕緣子串發生閃絡事件較多。

線路受到雷電繞擊的可能性與桿塔高度、避雷線外側邊導線的保護角度、地形地貌和地質條件有關，山地類風電場集電線路的繞擊率遠遠高于平地線路。這就是風電場集電線路A、C 相避雷器動作次數最多的主要原因之一。

此外，風電場YB07—YB11風機區域為丘陵，地下有鐵礦、金礦等良導體金屬礦產存在。一方面，這些金屬礦可能存在磁場聚集雷云;另一方面這些金屬良導體可能導致雷云對地放電，在線桿塔上造成感應過電壓，使避雷器或斷路器動作。由此得出，集電線路跳閘主要由于遭受雷電過電壓造成避雷器動作的增多，引起線路保護動作，造成線路跳閘事故。

4 防雷保護措施

通過分析上述的事故原因，結合工程需要，最終本工程采用了以下方案解決線路過電壓。

1）在工程實施過程中每基桿塔都敷設了接地裝置，并與地線牢靠連接，以使雷電流通過較低的接地電阻泄入大地。在土壤電阻率較高地區架設線路時，可以采取特殊的降阻方式，如增加埋設深度， 延長接地極的使用，就近增加垂直接地極或者接地深井、接地模塊等方式的運用。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等方法降低接地電阻。對山頂地勢較高處的風機桿塔或高土壤電阻率無避雷器的桿塔，

防止桿塔頂部的雷電場強發生畸變可采用伸長接地體方式，將每根桿塔的接地裝置連接起來，以形成一條低電阻通道。

2）本工程原直線塔采用合成絕緣子，耐張塔采用瓷絕緣子。鑒于YB線集電線路經常發生雷電過電壓，為進一步提升集電線路的絕緣水平，采用陶瓷橫擔替代原鍍鋅鐵橫擔。因為，耐雷水平與集電線路的絕緣水平成正比，建議集電線路慎用合成絕緣子，定期對零值絕緣子進行檢測，保證高壓集電線路的絕緣強度。

3）在容易遭受雷擊的重點區域加裝避雷針裝置，與風機引雷裝置形成聯合保護，減少集電線路遭受雷擊概率，保護集電線路正常運行。

4）在山腳下，河邊無避雷線的桿塔，因土壤電阻率較高，最容易受直擊雷。在桿塔頂部安裝少—長針金屬消雷器可以使桿塔免受直擊雷的危害。在易受雷擊的桿塔上，中相安裝35kV氧化鋅避雷器，也能起到防雷作用。

5）前幾種防雷保護，只對較小雷電流有效，對特大雷電流還是無能為力的，為此35kV線路采用自動重合閘作為補救措施。當線路受到雷擊引起相間短路，保護動作使開關跳閘，經一段時限，自動重合閘使開關重新合閘。如果故障消除，線路可恢復供電，否則由保護再次使開關跳閘。

5 結論

風電場是利用風能轉化為電能，風資源的好壞決定了整個風場的效益，而風資源與海拔高度成正比。為了使風機處于更好的風資源區域，風機往往都會選擇地勢較高的位置，而這些海拔較高的位置都伴隨著更高的雷擊風險。建議風電場在設計、建設時應重點考慮以下方面：

1）采用架空集電線路時，集電線路采用雙地線設計，減少導線的保護角。地形比較復雜區域，可以考慮增設耦合地線。

2）集電線路采用瓷絕緣子或玻璃絕緣子，并提高桿塔的絕緣等級。

3）集電線路桿塔接地裝置，在高土壤電阻率地區時，應采用特殊接地方式，保證桿塔的接地電阻長期有效。

4）集電線路桿塔上適度增設避雷器，并選用合適的參數、保證避雷器的產品質量，加強日常維護。

5）對于高雷暴地區，建議采用電纜方案，避免產生雷擊事件。由于電纜為全絕緣體，在地中直埋，電纜上部鋪設避雷扁鋼，可以有效的解決直擊雷和感應雷，并且在電纜頭兩端均設置避雷器，對電纜進行保護。

6）本工程集電線路的防雷、接地的設計優于規程要求，實際的雷擊跳閘率低于該地區的電網系統的跳閘率。但雷電活動隨機性較強，不論采取何種方案均有局限性，均不能完全保證免遭雷電災害。為提高集電線路的防雷水平，降低集電線路的雷擊跳閘率，需要全面考慮高壓集電線路經過地區雷電活動強弱程度、地形地貌特點和土壤電阻率等情況，結合風電場集電線路設計方案以及系統運行方式等，確定合理的防雷保護方案。

7）在山腳下，河邊無避雷線的桿塔，因土壤電阻率較高，最容易受直擊雷。在桿塔頂部安裝少—長針金屬消雷器可以使桿塔免受直擊雷的危害。

8）對特大雷電流，采用自動重合閘作為補救措施，確保集電線路安全運行。

參考文獻

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