風電場輸電線路防雷技術的研究

劉昌衡，盧建寧，丁 劍

(1. 上海應用技術大學 電氣與電子工程學院，上海 201418；2. 上海勘測設計研究院有限公司，上海 200050)

1 3種防雷技術原理

架空輸電線路在風電場中是舉足輕重的地位，長時間的裸露在自然界會發生雷擊、火災、舞動、脫冰、斷線、倒塔、外力破壞、人身傷亡等事故，其中因為線路走廊較長、水文土壤條件較差、強對流天氣增多等不利因素，雷擊事故較為頻發，被認為是影響電網安全穩定運行的重要因素[1]。風電場內架空輸電線路應基于地閃密度參數、地址參數、桿塔參數及耐雷性能進行防雷設計，主要的3種防雷技術原理：

1.1 防直擊，使導線和鐵塔不受雷直擊

1.1.1 選址

架空輸電線路選址勘測時需要注意線路路徑，應盡量避免海拔較高的地方，結合隆盛—六靖110 kV線路和某風電場YB的集電線路近些年的跳閘記錄數據[2-3]，經分析可以知道山脊處、海拔高的地方最容易在雷擊時產生故障，同時根據運行經驗，容易起風區域、大電阻率突變區域和突兀區域較容易遭受雷擊，也需要避開。

1.1.2 架設地線

風電場內因為要傳輸風機控制信號，一般都會架設OPGW地線或ADSS地線，可以通過分流、耦合和屏蔽作用提高線路耐雷水平，地線是最有效和最基本的防雷措施，在雷電活動強的地區還可以采用架設藕合線方式提高耐雷水平[4-6]，架設耦合地線是指在導線的下方加掛地線，有文獻表明在采用架空地線后防雷效果不明顯的情況下，采用架設2根耦合地線可以大大的提高耐雷水平，并通過實例計算得出架設耦合地線后能使線路耦合系數增高93.2%，降低了繞擊率[7]，另一方面，耦合地線還可以采用地埋方式，是指在沿線路走向在土里埋設 1～2根地線，并可以連接到下一基鐵塔的接地裝置上，也可以架設雙地線增加保護角。

1.1.3 安裝避雷針

1980年國外學者開始研究線路避雷針工作原理，我國從1993年逐步開始相關數據的研究[8]，線路避雷針能較大程度的對線路進行直擊雷保護[9],降低線路發生故障的頻率，線路避雷針的形式也是多種多樣的，這里介紹幾種避雷針：可控放電型避雷針由金屬環、非線性電阻、儲能裝置、支架和可控針組成[10]，在地面場強較低時，儲能裝置會將雷云電場下空氣中的電荷儲存，可控針在電場強度足夠高時突然發生電位跳躍式上升，釋放儲能裝置里的能量，自主引發上行先導，可以形成上行雷或者中和下行雷，從而發揮保護輸電線路的作用，相對于傳統的富蘭克林避雷針，這種避雷針還能減輕感應過電壓。線路型頭部分裂均壓式避雷針具有寬大頭部結構的特點，較大的等效半徑降低了桿塔的微小截面線狀迎面先導，同時也減少了雷電下行先導電位和桿塔迎面先導之間的泄露電阻，避免雷電壓向桿塔方向發展，從而降低雷擊跳閘率[11]；多短避雷針可以抑制下行雷，大大提高空間臨界擊穿電壓，同時抑制塔頂導線產生迎面先導，能有效防止絕緣子串附近的導線遭到繞擊作用。地線側向避雷針可以有效減小地線保護角，對導線產生屏蔽作用。在平原地區，若雷擊跳閘率很高，可以采用架空線改為直埋電纜方案，還可以安裝預放電棒、負角保護針和消雷器防止雷電直擊作用。總的而言，避雷針的真正作用是吸引雷電，雷擊發生時，由于結構和高度原因，避雷針比鐵塔更容易使云電場發生畸變，先發生電離并先產生迎面先導，再將雷電流通過接地裝置泄入大地，達到保護鐵塔的作用。

1.2 防閃絡,使輸電線路受雷后絕緣不完全發生閃絡

絕緣子的閃落與絕緣子污穢程度有很大關系，空氣中的灰塵雜質積落在絕緣子上，在小雨、霧、露或雪天氣時，濕潤的電解質使絕緣子表面電導率增加，大氣過電壓作用下絕緣子串容易發生閃絡放電。有文獻分析了絕緣子閃落機理[12-13]，分析表明絕緣子污穢程度、濕潤程度、過電壓大小這3個方面對絕緣子閃絡影響較大，設計前應考慮風電場周圍污穢情況的發展趨勢，運行狀態下應及時對污穢進行清洗，這些措施都可以降低絕緣子的閃絡，提高線路的防雷水平。當多回輸電線路遭受雷擊時，兩條或多條線路可能同時發生閃絡，對風電場的運行造成嚴重影響。為了降低了多回閃絡率情況，有學者在EMTDC建立輸電線路模型進行了仿真研究，在不增加總閃絡率的情況下，提出新的多回線路絕緣等級高的不平衡絕緣設計方法[14-17]，這為設計人員提供了另一種防雷設計思路。雷電流不能及時的泄露到大地時，也是造成絕緣子串閃絡的重要原因，可以通過降低接地電阻[18-23]，或適當加強線路絕緣或者采用差絕緣方式通過減少工頻電場強度來阻止雷擊時絕緣子完全閃落。

1.3 防建弧

輸電線路發生閃絡后不建立穩定的工頻電弧[24-26]，也不使它轉變為兩相短路故障或不導致線路跳閘。雷電流具有幅值大波長短的特點，當雷電擊中導線后，它會傳輸到絕緣子串上會發生閃落過程，絕緣子閃落后，閃落電弧是不會引起線路跳閘事故的，當閃絡電弧將空氣擊穿離解，發展成穩定的工頻續流，形成相間短路時故障會發生；繼電保護裝置在弧道發展成穩定電弧之前動作，可以阻止跳閘事件發生，從而保護線路。可以通過及時更換零值絕緣子[27]、裝設自動重合閘裝置[28]或者將系統中性點采用非直接接地方式來避免建立穩定工頻電弧。

2 案例分析

本工程桿塔位于寧夏自治區，線路經過的區域個別月份常會有干雷天氣出現，部分桿塔極易因雷擊引起線路跳閘，而造成直接和間接的經濟損失，同時影響供電穩定性。為了提出有針對性的防雷措施，需要根據工程經驗、雷擊痕跡和雷電定位監測系統監測結果判別雷擊故障類型。雷擊輸電線路時產生的過電壓分為感應雷過電壓和直擊雷過電壓2種，其中直擊雷根據雷擊點的位置不同分為反擊和繞擊2種情況，對于220 kV及以上高電壓線路，常常容易發生繞擊[29]，而低電壓線路容易發生反擊，本線路為風電場內35 kV集電線路，優先考慮為反擊或者感應雷造成的雷擊跳閘事故。

2.1 雷擊痕跡

在線路發生反擊時，導線、金具、絕緣子會有明顯的放電痕跡。最為直觀的現象發生在絕緣子上，對于耐張塔來說，雷擊點可能在橫擔上，先把橫擔燒傷后再燒傷絕緣子，放電的痕跡是從橫擔向絕緣子側，橫擔燒傷較為嚴重；對于直線塔來說，放電痕跡多發生在懸垂絕緣子的傘裙上，懸垂線夾上也會常看到銀白色的亮點。從發生故障的塔基數量或相數上看，反擊較容易造成一基多相或者多基多相發生閃絡，而繞擊容易造成單基單相或者相鄰兩基多相發生閃絡。

2.2 地址參數

本工程輸電線路走廊為西部丘陵地帶，地形有起伏，為荒漠區，中后部部分地形起伏較大。地質情況為：①粉砂層(Q4eo I)，由風積而成。以粉細砂為主，局部夾雜粉土薄層，含少量礫石及植物根系。層厚在0.40～1.80 m。②第二層為細砂層(Q4eo I)：紅褐色，以細砂為主，局部夾粉質黏土薄層，含砂質團塊，屬第三系砂巖全風化堆積物。③砂巖(E)、粉質黏土、泥巖。考慮到本工程項目所處的區域電阻率較高，所以優化時以降阻為主，以減小保護角和增加耦合地線為輔。

3 仿真實驗

結合本文第2節中涉及風場中輸電線路的鐵塔型號、導地線、絕緣子參數、地址參數、氣象條件和其他必要參數，檢驗不同的接地電阻值對避雷的效果的影響，進行了仿真實驗。在構建了鐵塔模型、塔腳接地模型、架空導線模型、電纜模型和避雷器模型的基礎上，進行3組仿真實驗，其他條件相同情況下鐵塔接地電阻分別是25、10和4 Ω。

3.1 仿真模型建立

3.1.1 鐵塔模型

鐵塔采用4段模型，用上相、中相和下相的橫擔位置將鐵塔分成4段[30]，用無損耗線路可以模擬沖擊波衰減的過程，用R-L并聯電路的串接可以模擬不同頻率沖擊波在鐵塔中衰減的快慢。

假定鐵塔的上部和下部波阻抗相同，Zt1=Zt2=Zt3=Zt4=Zt[31]，其中

用鐵塔全體衰減系數γ和各段相應的長度h1,h2,h3,h4計算各段的參數。

r=-2Zt×lnγ/H

Ri=r×hi

Li=α×τ×Ri

式中：r為單位長電阻；H=h1+h2+h3+h4，即鐵塔全高。

3.1.2 塔腳接地

鐵腳暫態模型跟接地電阻有關。從暫態接地電阻的測量結果來看，工頻電阻較大時，初期的接地電阻小于工頻電阻，即呈現電容性；工頻電阻較小時，初期的接地電阻大于工頻電阻，即呈現電感性。

3.1.3 架空線和電纜模型

用4線(單回路)/7線(雙回路)Jmatri線路模型來描述在雷擊附近的架空線路，各參數如表1和表2所示。

圖中符號和單位之間用三相參數分布傳輸線路來模擬沿電纜的雷電侵入波傳播。電纜R=0.493 Ω/km,X=0.149 Ω/km,C=0.11 μF/km,L=0.474 5 mH/km

電纜線路的零序阻抗一般是通過實測確定，在近似計算中，可取r0=10r1,x0=(3.5～4.6)x1,式中的正序電阻和正序電抗通常是由制造廠提供。

3.1.4 氧化鋅避雷器

金屬氧化鋅避雷器采用非線性電感模型。

表1 4線(單回路)Jmatri線路模型Tab.1 4-wire (single loop) jmatri line model

表2 7線(雙回路)Jmatri線路情況Tab.2 7-wire (double circuit) jmatri line

圖1 (a) 線路側避雷器電壓;(b) A相避雷器電壓Fig.1 (a) line side arrester voltage,(b) A-phase voltage of arrester

圖2 (a) 線路側避雷器電壓; (b) A相避雷器電壓Fig.2 (a) line side arrester voltage,(b) A-phase voltage of arrester

3.2 仿真實驗結果

(1) 鐵塔接地電阻25 Ω,箱變接地電阻4 Ω時，仿真數據如圖1所示。

(2) 鐵塔接地電阻10 Ω,箱變接地電阻4 Ω時，仿真數據如圖2所示。

(3) 鐵塔接地電阻4 Ω,箱變接地電阻4 Ω時，仿真數據如圖3所示。

圖3 (a) 線路側避雷器電壓; (b) A相避雷器電壓Fig.3 (a) line side arrester voltage,(b) A-phase voltage of arrester

綜合分析圖表線路側電壓值變化可以知道：接地電阻越小，雷電過電壓越小；綜合分析圖表中避雷器A相電壓可以知道：盡管安裝了線路側避雷器，電纜仍然承受很高的過電壓，由于雷電波的反射，箱變側避雷器過電壓高于線路側避雷器過電壓，這就解釋了為什么出現箱變側避雷器爆炸，而線路側避雷器完好的原因。

3.3 解決方案

本工程已經采用常見的措施提高耐雷水平，例如：架設OPGW地線，部分塔型保護角小于0°，安裝線路型避雷器等，但是仍有部分鐵塔容易遭受雷擊，發生雷擊跳閘事件，使風場安全仍存在安全隱患。現在考慮因素為：原桿塔接地電阻大，易造成線路因雷擊等頻繁跳閘，急需對接地設計進行優化。

3.3.1 采用傳統的接地方案。

桿塔所在區域大部分空曠區域，施工條件較惡劣，施工難度大，使用水平接地體設計、垂直和水平綜合接地體設計、石墨接地棒接地體設計等傳統接地方式開挖量大，搬運麻煩，且埋設后與土壤接觸不緊密，接地效果差，很難滿足接地電阻要求。

以500 Ω土壤的桿塔為例，水平接地體設計需要接地鋼材198.8 kg，放射長度為25 m，需要開挖土石方量為34.5 m3；綜合接地體設計需要接地鋼材231.7 kg，放射長度20 m，需要開挖土石方量為28.8 m3；石墨接地棒接地體設計需要接地鋼材169.3 kg，放射長度20 m，需要開挖土石方量為28.8 m3，接地模塊20只。

3.3.2 采用CET桿塔專用接地裝置

優化方案考慮使用開挖量小、占地面積較少、放射長度短、降阻效果明顯、造價相對較低的CET桿塔專用接地裝置。

現以立在500 Ω土壤的桿塔為例，計算所需裝置數量。

距離塔基邊緣鋪設一圈地網的接地電阻

式中：ρ為校正后計算用土壤電阻率，500 Ω·m；S為塔基周圍鋪設地網面積(邊長取9 m)，81 m2。

要達到10 Ω的接地要求，并聯的CET需要達到的接地電阻為：

式中：R1為塔基邊緣地網接地電阻，27.78 Ω；R為桿塔要求接地電阻，10 Ω；η為并聯利用系數，0.85；R2=12.24 Ω。

單套CET桿塔專用接地裝置的接地電阻

Rv=0.07ρ=35 Ω

要達到12.24 Ω的接地要求，需要CET的數量為：

4套CET并聯接地電阻

4套CET與原地網并聯后接地電阻

同理可以可得其他土壤電阻率下所需CET裝置數量,如圖3所示。

表3 CET數量配置表Tab.3 Configuration of CET quantity

其他注意事項：

(1) 接地線的長度盡量短，地網在桿塔周圍45 m內完成(參照ρ≤500 Ω·m)。

(2) 考慮安全因素，地網埋設埋深在0.6 m以下，部分區域確實不能開挖時，可降低要求，但不能小于0.4 m。

(3) 接地系統中所有電氣連接采用可靠放熱焊接，接頭應做良好防腐涂層處理。

4 結 語

雷擊桿塔和導地線在輸電線路中是較為常見的事故，風電場中架空輸電線路的防雷設計對其安全運行有著舉足輕重的地位，目前主要的防雷原理有3點：防直擊雷、防閃絡和防建弧。在設計時應計算耐雷水平和雷擊跳閘率，科學合理采取某些措施，例如：增加絕緣子片數提高爬電距離、采用雙地線減小保護角等；運行后雷擊跳閘次數過多時，可以采取：降低接地電阻、增加耦合地線、及時清洗絕緣子、增加線路避雷器等措施。根據風電場不同情況，采取有針對性的防雷設計方案才可以保證風電場安全穩定和減少人身事故。