風電場集電線路防雷措施分析

2021-08-02 10:28:48戴勇干

西北水電 2021年3期

戴勇干

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065)

0 前言

風電場集電系統一般采用中性點低電阻接地，單相接地時，按規范要求故障線路瞬時跳閘，不允許重合閘，同時該系統在風機、箱變處的桿塔接地網常與風機、箱變共用1個接地網，接地電阻一般≤4 Ω，遠低于集電線路其他位置的桿塔接地電阻。

相比于6～66 kV配網系統中性點不接地或不直接接地系統，由于集電線路不允許采用重合閘，所有單相接地事故都將導致線路跳閘。衡量輸電線路的防雷水平有2個指標:耐雷水平和雷擊跳閘率。因而應當充分考慮到集電系統的特點，采取經濟合理的防雷措施，使集電線路具有一定的耐雷水平，減少集電系統單相接地跳閘次數，降低雷擊跳閘率，提高風電場安全運行的可靠性。本文結合相關規范的防雷要求詳細分析各種防雷措施的效果與對集電線路防雷的適應性，根據雷電過電壓與集電系統特點及線路防雷要求對某風電場雷擊事故原因進行簡要分析。

1 設計規范對35 kV線路的防雷設計要求

集電線路防雷設計，綜合電力及風電行業規范要求，其基本方式是進線段配置避雷線1.0～1.5 km，另一種是全線架設避雷線。以上2種防雷方式目前集電線路都在采用。同時對有避雷線35 kV線路的反擊耐雷水平要求，其中GB/T 50064-2014《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合設計規范》規定為24～36 kA，對雙回線路均無明確要求，而對桿塔耐雷水平有較大影響的桿塔接地電阻要求，所有規范要求都相同，最低值為10 Ω。

2 集電線路防雷措施

如前所述，規范對集電線路的防雷要求存在一定差別，在集電線路沿線箱變位置配置避雷器保護，且接地電阻又遠低于規范要求的情況下，集電線路是否有必要沿全線架設避雷線應視情況確定。下面結合集電系統特點與線路運行經驗，在滿足集電線路防雷要求與經濟性的前提下，分析各類防雷措施應用特點：

措施1：架設避雷線或耦合地線。該措施是架空線路防雷的基本措施，主要作用就是防止直擊導線，雷擊桿塔時通過避雷線的分流作用降低塔頂電位；通過其與導線的耦合作用降低絕緣子上的電壓；通過避雷線對導線的屏蔽作用，降低導線上的感應過電壓；通過調整避雷線保護角，可以在一定程度上減少繞擊。但是由于雷電流幅值大多在30～300 kA之間，直擊雷易導致各電壓等級線路絕緣閃絡，而雷電感應過電壓通常易于對35 kV及以下電壓等級線路產生絕緣閃絡。

無避雷線時的導線上雷電感應過電壓為[1]：

Ug=ahd

(1)

式中：a為雷電流平均陡度，kA/μs；hd為導線對地平均高度，m。

當有避雷線時，導線上感應雷電過電壓為[2]：

Ug=ahd(1-k)

(2)

式中：k為避雷線與導線之間的耦合系數，對于35 kV上字形鐵塔，考慮電暈效應后上導線約為0.295，下導線為0.217，按規范有地線時35 kV線路最高的反擊耐雷水平36 kA，計算上下導線的感應過電壓為：當無避雷線時，上導線227 kV，下導線191 kV；當有避雷線時，上導線160 kV，下導線149 kV，即有避雷線時，上導線最大感應電壓降低約30%，下導線約降低22%。

Q/GDW 13256.4-2019 《10～330 kV線路柱式絕緣子(含瓷、復合、橫擔、防風偏絕緣子)采購標準第4部分：35～330 kV防風偏復合絕緣子專用技術規范》中35 kV防風偏復合絕緣子雷電全波沖擊耐受電壓為230 kV，即35 kV一般有、無避雷線線路均可以承受反擊耐雷水平36 kA，當雷電流大于該水平時，無避雷線線路將會出現絕緣閃絡，在無避雷器線段將由于接地點工頻續流而導致線路瞬時跳閘。當雷電流水平達到51 kA時，有避雷線線路感應電壓水平接近復合絕緣子U50%，對西北地區雷電流幅值概率由15.2%降低到6.9%，沒有本質性地提高線路的反擊耐雷水平。

對于集電線路，一般不考慮專門增設該耦合地線。但是在與其他電力線路交叉跨越難以滿足要求時，將避雷線改為耦合地線也是可以采取的一種防雷措施，線路感應過電壓可以降低20%左右。

措施2：降低桿塔的工頻接地電阻。風機、箱變的接地網接地電阻一般均按≤4 Ω設計，該位置避雷線桿塔接地網通常與風機、箱變接地網連接在一起，因此桿塔接地網接地電阻亦≤4 Ω，低于規范對一般線路桿塔的接地電阻值，從而桿塔的耐雷水平得以大幅提升。在一定程度上降低絕緣發生閃絡的情況，降低反擊電壓及反擊的可能性。在不同的接地電阻、不同絕緣子片數時桿塔的耐雷水平見表1。

(1) 隨著桿塔接地電阻的增加，其耐雷水平迅速下降，至Ri=30 Ω時，耐雷水平相對4 Ω時總下降達64.81%；

(2) 上下橫擔的耐雷水平基本相當；

(3) 對于風機/箱變處桿塔接地電阻一般≤4 Ω(沖擊系數一般α<1[1])，因此其桿塔的耐雷水平已遠高于規范要求的36 kA；

(4) 相比普通線路最高的耐雷水平(Ri=10 Ω)，風電場集電線路箱變位置桿塔的耐雷水平高出29.83%；

(5) 同一線路中桿塔的絕緣子U50%存在差異時，線路的耐雷水平將取決于線路中U50%較低的絕緣子，根據表1數據，在多雷區建議適當降低桿塔接地電阻，當選用復合絕緣子時，適當提升其U50%值，同時對同一回線路的絕緣子串U50%值盡可能基本一致，避免其選擇性閃絡。

表1 不同接地電阻時桿塔的耐雷水平表

措施3：表1數據表明在箱變出口35 kV電纜終端位置安裝避雷器，利用避雷器的殘壓大幅降低雷電過電壓造成閃絡[3]，基本上能夠在繼電保護裝置動作以前完成滅弧。因此安裝了避雷器的集電線路可以大幅度提高耐雷水平，避免或減少線路跳閘，同時也確保了風機、發電機電壓配電裝置與電纜的安全。雷擊塔頂時，有關文獻[4]的仿真計算結論表明，裝設1組避雷器，當沖擊接地電阻在5～100 Ω的范圍內時，耐雷水平可提高到1.2～1.6倍(有避雷線線路)或1.5～2倍(無避雷線線路)，相鄰桿塔裝設避雷器增加時，線路的耐雷水平將會大幅提升；當雷直擊導線時，線路有、無避雷線的耐雷水平分別只有2.6、2.5 kA，此時需在相鄰桿塔裝設避雷器，將可以大幅提高線路的耐雷水平；對于高電阻率風電場接地電阻難以滿足規范要求時，裝設避雷器可以在一定程度上提高線路的耐雷水平。

風電集電線路在箱變出口一般均裝設避雷器，因此對其對線路的反擊耐雷水平均可以在一定范圍內大幅增加，有利于集電系統安全運行。

措施4：適當加強集電線路絕緣水平也是提升耐雷水平措施之一，如U70BLP、U100BLP型玻璃絕緣子，4片比3片的耐雷水平提高33%左右。

措施5：絕緣子串加并聯間隙，并聯間隙防雷是對傳統防雷保護方式的有效補充，日本、德國、法國等國家從20 世紀60 年代已開始研究在架空送電線路上使用并聯放電間隙并積累了豐富的技術資料和運行經驗，現在幾乎所有的絕緣子串上都安裝有形狀各異的放電間隙。通過加裝放電間隙可以保護絕緣子避免電弧燒傷，有助于工頻電弧熄滅。

措施6：避雷針防雷，通常用于建構筑物防雷，極少用于輸電線路。由于安裝避雷針后桿塔落雷幾率將增大，對于集電線路而言，增加了反擊的機會，將導致桿塔絕緣子頻繁地承受因雷擊避雷針而形成的反擊電壓。

措施7：架空線路改為直埋電纜，電纜直埋可以在一定程度上降低雷擊的可能性。當雷擊大地時，鄰近區域的電纜損壞率上升，雷擊損壞程度與雷擊電流、大地電阻率、電纜結構(如有沒有與大地直接接觸的金屬護層)等因素有關，有絕緣外護層的電纜比連續與土壤接觸的金屬護套電纜對雷電更敏感，如果在有絕緣外護層的電纜的上方，安裝1條與土壤接觸的屏蔽線，可使土壤的電位值降低80%以上[5]。另外電纜直埋有1個不利之處，直埋電纜的地方落雷概率要比其他地方高，尤其是當電纜埋設在土壤電阻率較高的地方。這是由于在土壤電阻率較高的地方埋設1條電纜，相當于在高電阻率地區有1塊低電阻率的區域，而雷擊具有選擇性，雷電易襲擊電阻率較低的區域，所以埋電纜的區域雷擊概率高。這亦是雷電直擊電纜的主要原因之一。

措施8：電網中性點接線方式，當中性點采用不直接接地方式時，可降低系統工頻過電壓的同時，線路可以在單相接地故障時仍可短時帶故障運行，線路不會跳閘，相對提高線路的耐雷水平。而風電場35 kV系統一般采用中低電阻接地，雷擊時引起的單相接地故障均瞬時跳閘，同時規范也要求集電線路不采用重合閘，因此本措施對集電線路不適應。

措施9：對雙回路采用不平衡絕緣，通過使偏弱絕緣回路的跳閘減少另一回路的雷擊跳閘。對于一般風電場集電線路，從節省占地和降低線路建設費用，雙回路也是經常采用的方式，當兩條線路相差1片絕緣子時，U50%相差約125 kV，隨著接地電阻值的不同，線路反擊耐雷水平相差12～5 kA。

措施10：對于新架設的線路，在設計時避開雷電活動頻繁地區。一般風電場集電線路都必須跟隨風電機組布置，而風電機組一般都選擇在地形相對偏高的位置，集電線路主路徑很難避開雷電活動相對多的地區，在集電線路連接完最后1臺風機后則可以根據路徑情況回避雷電活動多的區域。

雷電是一種自然現象，其對電力線路的影響不可避免，如上所述影響架空輸電線路雷擊的因素很多，既有自身的因素，也有其布置路徑的地形地質因素，有一定的復雜性，因此解決線路的雷害問題，要從實際出發，因地制宜，綜合治理。結合以上分析及已有線路的運行經驗，應進行全面的技術經濟比較，制定出合理的防雷保護措施。

3 雷擊事故分析

3.1 項目概述

某風電場分4期建設，每期裝機容量50 MW。工程所在地地勢相對平坦，場地較開闊。依據當地氣象環境條件，當地年平均雷暴日數為25 d，屬于中雷區。按規范要求，集電線路在靠近升壓站側架設1.0～1.5 km避雷線，同時在箱變內布置有1組過電壓保護裝置，在箱變35 kV側出線經電纜連接至架空集電線路之前均配置有1組避雷器，與桿塔避雷器的殘壓均為134 kV，方波通流容量為150 A，電纜終端的沖擊耐受電壓為200 kV。該風電場發電前期出現過集電線路遭雷擊導致線路跳閘的情況，但沒有損壞設備，但于2014年9月則發生1次由于雷擊造成設備損壞事故，1臺風機箱變高壓側過電壓保護器擊穿、電纜頭損壞，箱變高壓電纜室、箱變頂蓋損壞。

3.2 雷擊情況初步分析

(1) 該風電場發電前期發生雷擊線路跳閘，無設備損壞，這是由于雷擊產生的雷電過電壓高于線路絕緣子的雷電閃絡電壓，絕緣子対地閃絡后隨后引起單相接地跳閘。此種情況下，雷電流高于線路耐雷水平，即使配置避雷線也難以確保不引起線路雷擊跳閘。根據措施2的分析，本項目絕緣子設計選用4×LXWP5-70及FXBW5-35/70，因此本次絕緣子串閃絡應當屬于2種絕緣子U50%值存在較大差異所致。

(2) 2014年9月雷擊導致電纜頭損壞和過電壓保護器擊穿，分析認為：在線路遭雷擊后，導線上雷電過電壓先經過箱變出口線路側的避雷器，避雷器沒有出現問題，因此箱變內的過電壓保護器擊穿和電纜頭的損壞是由于避雷器的殘壓或低于殘壓的過電壓導致的。過電壓保護器的基本參數與避雷器基本一致，正常情況下，過電壓保護器與電纜頭在避雷器的保護下是不會出現這種情況的[6]，分析認為是由于過電壓保護器承受過電壓、熱負荷能力不足是導致其擊穿的主要原因；電纜頭的損壞，一方面是由于避雷器殘壓的作用，另一方面原因則可能是由于其施工質量不佳，或者產品本身存在一定的質量問題，在運行一段時間后，已無法承受避雷器的殘壓水平的過電壓導致其損壞。

分析表明，雖然某風電場集電線路沒有全線架設避雷線，但在避雷器的保護下設備是安全的，集電線路沒有全線架設避雷線不是本次箱變電纜頭與過電壓保護器損壞的直接原因。