風電場35kV輸電線路雷擊跳閘原因分析及防雷措施研究

中國電建集團海南電力設計研究院有限公司 蔡文發

可持續發展戰略的快速實施，使得人們越發關注清潔、環保、綠色能源的應用。風能以其分布廣、儲量巨大、取之不盡、干凈環保、可循環等特點，被諸多電力企業所開發利用。但風機建設一般主要分布于海上、山地等，此類地區氣候特征明顯，時常伴有自然災害。以風電場為例，線路雷擊就是常見故障之一，如發生了雷擊就會導致輸電線路出現跳閘現象，這就會導致整個供電系統的運行出現問題，甚至會影響到日常生產工作的開展，從而造成大面積的停電使得我國電網系統的運行受到影響。所以說提升輸電線路的運行穩定性，做好雷擊預防工作非常必要。

1 實例分析

35kV 輸電線路雷擊事故現象。2020年度某風電場35kV 輸電線路由于雷擊導致出現了跳閘現象。檢測人員通過分析變電站兩側的開關實際狀況可發現，遭受過雷擊的風電場35kV 輸電線路以及電站兩側的開關都會受到破壞，甚至是電流互感器的絕緣也會受到影響，在對輸電線路檢測后，發現被雷擊的位置是處于輸電線路的中部位置，這就導致了其中的架空避雷線出現了斷路，在輸電線路的其他部位沒有發現明顯的損壞情況。

雷擊的類型。直接雷過電壓有三種現象：雷雨天氣的雷擊直接在塔桿的頂部；雷擊位置處于避雷線的中間；繞過避雷線機然后雷擊到導線上。雷擊過電壓的具體內容分析：當雷擊避雷線或是整個輸電線路的鐵塔時，雷電流會通過雷擊電阻抗，導致了導線與電位間的電位差距較大，甚至會高于絕緣沖擊所放的放電壓，這個時候就會出現反擊現象；雷電繞過避雷線后，擊中導線也同樣會出現繞擊現象。通過相應的統計及探究得出的結果如下：大多數情況下出現的是第1種現象，第2種現象出現的概率排第2位，概率較低的則是第3種現象。

2 35kV 輸電線路雷擊跳閘的主要原因分析

2.1 絕緣水平不足問題

在以往的事故中使用傳統的老式避雷器，由于其運行環境較差，因此在相電壓的作用下會產生較為強烈的電暈效應，但由于周圍空氣中氧與氮的濃度較小，所以在避雷器氣壓及工頻下其放電電壓會逐步減小，甚至會由于沒有辦法將續流切斷引發避雷器爆炸的現象出現[1]。通過對平時日常運行的經驗進行歸納總結，發現接地質量與配電防雷息息相關。通過增加接地引線的長度進一步提升了接地地阻的數值，這種情況下接地裝置及接地引線如果質量較差，在運行過程中很可能會出現引線燒斷情況，導致雷擊電流并不能導入到地面。接地裝置由于受到裝置質量、土壤以及環境等方面的影響，如雷電擊中的高壓線路在避雷針的作用下，雷電電流會在接地裝置上產生更高的電壓。

2.2 接地模式的選擇問題

35kV 輸電線路分布范圍非常廣，也在一定程度上提高了雷擊的概率，由于自身絕緣水平問題，即使出現感應雷的現象也可能會引發跳閘。通過對現狀進行研究，證實對于35kV 輸電線路而言，中性點接地方式的區別會在一定程度上影響到輸電線路的雷擊程度，如：

若中性點不接地，當雷擊電通過輸電線路時會引發單相接地的短路故障，但又由于雷電流波長較短，相應的接地電弧就會自動熄滅，這時造成接地電荷極其不穩定。針對這個問題需注意，如接地相電壓減小，單相接地后則不可在長時間內運行，后面容性電流的存在方式則是電弧，電弧高溫會在很大程度上損壞設備，引發斷路器跳閘。輸電線路在受到雷擊后會造成單相接地的故障，而電流電感與故障間的電容電流是能進行的，因此可有效地抑制短路電弧的形成。但隨著35kV 輸電線路歷程逐漸增大，輸送的容量也會不斷增加，這時弧線圈處于欠補償狀態，要想熄滅所產生的電弧是非常困難的[2]。

若中性點接小電阻接地，在出現雷擊情況時，針對發生的短路故障，能在短時間內檢測并對短路線路進行隔離，避免故障范圍不斷擴大。接地故障的短路電流會設置連續不斷的電弧，將系統與故障隔開，線路出現單相接地故障以后，電網經受雷擊出現的跳閘率也會有大幅度增加。采用這種接線方式可提高零序電流保護的靈敏性，但會減小電網出現故障的概率，而架空線路主要發生的是瞬時故障，因此這也是引發線路跳閘的一個重要原因。

2.3 雷擊閃絡故障

對于風電場35kV 輸電線路而言，在搭設的桿塔數量較多情況下，接地電阻的數量也會隨之增加，與此同時35kV 輸電線路防雷抗雷水平將會受到不良影響，此外如線路分布十分密集，會提高遭受雷擊的概率，雷電流幅值很有可能超過設計的抗雷水平，會引發非常嚴重的雷擊閃絡故障。不僅如此，如線路絕緣水平不符合相應標準規范、絕緣能力不足，也會使輸電線路防雷和抗雷的能力受到影響。

如，絕緣子設計的串長有25片，再經過均壓環設計之后電氣間隙大約是23片，這種情況下塔頭間的間距是非常小的，會在一定程度上影響輸電線路的防雷和抗雷能力，有可能導致合成絕緣子出現防雷失誤的現象，受到非常嚴重的雷擊。有關實例表明，對于35kV 輸電線路而言，合成絕緣子很容易發生雷擊閃絡故障，在確保電氣間隙科學合理的基礎上，適當提高絕緣子長度可優化防雷效果，但隨著絕緣子長度的增加會改變絕緣子串對桿塔的風偏裕度，這在一定程度上提高了絕緣子串的出現風偏跳閘的幾率。因此需做好線路防雷及防風偏統一控制工作，最大限度的減小輸電線路雷擊跳閘影響。

3 35kV 輸電線路雷擊跳閘的預防措施

3.1 進行架空避雷線的架設

如風電場35kV 輸電線路沒有進行避雷設施的安裝，會在很大程度上提高雷擊的概率，受感應雷影響，除引發雷擊跳閘外還有很多其他不良后果。因此風電場在實際運行過程中，可通過全線都設置架空避雷線的方式有效應對感應雷。架空避雷線后，感應過電壓的具體表達式為Ui′=Ui(1-k)；Ui′為架設架空避雷線之后的感應電壓；Ui 為未架設架空避雷線的感應電壓；k 為耦合地線或避雷線對于導線的耦合系數。

從上述表達式中可看出，地線會對輸電線路導線產生耦合作用，從而使輸電線路的感應電壓不斷減小，但在架設架空避雷線后能減小導線上的感應雷過電壓，并將電壓減小到原來的1-k 倍，隨著系數K 的不斷增大導線上的感應過電壓會逐漸減小。針對這種現象，需采取有效措施優化未架空避雷線的線路桿塔，如全線架設架空避雷線的方式，以此給輸電線路運行的穩定性提供保障。

在2019～2020年底針對某風電場35kV 輸電線路受到的雷擊跳閘次數進行了統計得知，期間線路1和線路2只是單純進行了架空避雷線，在這個期間分別受到了13次和7次的雷擊，總次數為20次，其他線路雷擊跳閘的次數均不超3次。相比于其他的線路來說，進行了全線架空避雷線就會有效降低雷擊跳閘次數，特別是對于風電場35kV 輸電線路來說，通過采取此種類似的方式能有效達到防雷目的。

3.2 合理安裝避雷器

對風電場35kV 輸電線路來說，通過安裝避雷器能有效保護配電線路，防止其被雷擊中而出現跳閘。通過安裝避雷器能吸收掉放電過程中產生的能量并對配電線路進行保護，這樣的避雷裝置不僅能保護絕緣子另一端的電位，還可降低兩端間的電位差，對于輸電線路來說，其過壓幅值基本相差不大，因此為有效提升其防雷效果，就需安裝相應的避雷器，在安裝過程中避雷器需與配電變壓器共同接在一個接地裝置上[3]。這種情況下的接地方式，一般是采用3點1地的接地方式，在輸電線路中避雷器發揮了其保護作用，對于風電場35kV 輸電線路可選擇安裝避雷器，以此來保證整個輸電線路的正常運行。

3.3 強化防雷管理工作

根據目前已有的資料進行統計，整理出已受到雷擊的輸電線路信息，對于風電場35kV 輸電線路來說，其防雷擊管理工作是一項長期而且繁瑣的工作，須根據相關資料來建立完善的檔案進行分析，并嚴格按照時間段來統計，還需根據單條線路實施橫向統計分析；定期對接地地主進線統計排查，并組織相關的技術人員對風電場35kV 輸電線路的桿塔進行測試，確保輸電線路的完善性，特別是在雷雨季到來之前就必須對不合格的接地線進行處理[4]。

針對風電場35kV 輸電線路的雷擊跳閘問題要開展專門的分析討論大會，針對不同類型的雷擊跳閘現象進行分析，從而得到相應的防雷擊措施，總結過往的預防經驗，提升風電場35kV 輸電線路防雷擊能力；根據風電場35kV 輸電線路避雷器上的信息來建立檔案管理體系，并根據實際的工作狀況來看尋雷電活動的規律，有針對性地采取預防措施；電力企業要加強與當地氣象管理部門的溝通，針對當地的雷雨天氣制定完善的預警管理系統，確保在當地雷雨季來臨之前強化對于輸電線路的管理，確保輸電線路能安全穩定運行，避免受到雷擊而出現跳閘。

3.4 布置耦合地線

通常情況下，防止風電場35kV 輸電線路被雷擊的有效措施就是布置耦合地線，但由于地形和設備導線間很容易發生耦合作用，且輸電線被雷擊的主因是由于輸電線路上具有較強的高壓電流，但由于耦合地線具有分流的作用，因此如果輸電線路中的高壓電流過大，那么通過耦合地線就可進行分流，從而使得輸電線被雷擊的幾率大大下降，從而保障整個輸電線路能安全穩定的工作，另一方面，通過架設耦合地線還可提升整個輸電線路的抗雷性，在一定程度上減小輸電線路的跳閘現象。

3.5 選擇不平衡絕緣

目前高壓架空輸電線路的設計一般都是采用雙回路的模式，相比于其他輸電線路，這種模式可選擇傳統的防雷技術，保障整個輸電系統的安全穩定。通過不平衡的絕緣能控制其遭受雷擊的干擾，確保整個輸電線路能安全穩定的運行。目前對于不平衡絕緣措施的主要應用就是選擇在雙回路設計過程中增加絕緣子串的數量，如回路的串片數量較少，在雷擊的狀況下可能會出現閃絡問題，為使得導線能達到地形的功能，在這個過程中就需提高導線回路的耦合作業，這樣才能提升整個回路的防雷能力，確保輸電線路的安全穩定運行[5]。

3.6 提高高桿塔絕緣能力

由于風電廠的輸電線路一般都是屬于室外環境，所處地理環境復雜且不確定性較高，甚至部分風電場的輸電線路可能會處于一些較為特殊或惡劣的地理環境中，復雜的地形狀況以及環境的惡劣會導致輸電線路塔桿的高度越來越高，目的就是為避免輸電線路遭受到雷擊。這種高度的塔桿主要目的是為提升輸電線路整體的絕緣性能，具體的防雷操作可通過增加絕緣子串的數量來提升塔桿整體的絕緣性能從而避免遭受雷擊，或是盡量降低雷擊所造成的惡劣影響，還可選擇延長塔桿頭部間的間隔。但如塔桿高度超過一定數值就很容易造成輸電線路出現繞擊的現象，而在實際的應用過程中，一般塔桿高度在超過50米后就會增設避雷線，這樣既能保證塔桿的高度，也能防止輸電線路遭受到繞擊現象。

4 結語

對于大部分風電場而言，一般不會使用避雷線保護35kV 輸電線路，這就使得輸電線路在面對雷擊時處于完全暴露狀態，極易引發雷擊跳閘。通過對風電場35kV 輸電線路實際運行情況進行分析，本文提出了相應的防雷措施，以期給我國風電場35kV輸電線路運行的安全性和穩定性提供有效借鑒，促進我國電力企業的可持續發展。