風(fēng)電場集電線路防雷措施

金大光

（中國大唐集團有限公司內(nèi)蒙古分公司蒙西事業(yè)部，內(nèi)蒙古呼和浩特 010050）

0 引言

風(fēng)電場是我國發(fā)電產(chǎn)業(yè)的重要組成部分之一。在風(fēng)電場發(fā)電運行中，集電線路的作用是電力輸送，但該線路很容易受到雷擊的影響，導(dǎo)致線路經(jīng)常發(fā)生故障跳閘，給風(fēng)電場發(fā)電企業(yè)帶來嚴(yán)重?fù)p失。基于此，加強對風(fēng)電場集電線路防雷措施的研究，對推動風(fēng)電場發(fā)電生產(chǎn)實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 風(fēng)電場集電線路防雷的必要性

集電線路是風(fēng)電場的關(guān)鍵組成部分，集電線路能否安全運行，將直接影響風(fēng)電場的運營。風(fēng)電場運行時，經(jīng)常遇到的問題是雷擊跳閘。一般情況下，風(fēng)電場所處位置比較特殊，通常在沿海、山地、荒地等居住人口較少的邊遠(yuǎn)區(qū)域，由于這些區(qū)域地勢較高或者比較開闊，更容易受雷電的影響，遭受雷擊次數(shù)較多，從而對風(fēng)電場穩(wěn)定運行帶來嚴(yán)重影響。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，在風(fēng)電場各類跳閘事故中，40%～70%是由雷電襲擊集電線路所引起[1]。再加上相較于其他地區(qū)，風(fēng)電場地區(qū)土壤電阻率更高，因此更容易遭受雷擊。雷擊不僅會嚴(yán)重破壞集電線路，還會破壞相應(yīng)設(shè)備，引發(fā)開關(guān)跳閘，嚴(yán)重干擾風(fēng)電場正常發(fā)電運營。如果雷擊比較嚴(yán)重，雷電波還會通過線路直接進入變電所，最終造成更嚴(yán)重的破壞?；诖耍仨毤訌婏L(fēng)電場集電線路防雷措施的實施，提高線路防雷能力，維護風(fēng)電場安全穩(wěn)定發(fā)電。

2 風(fēng)電場集電線路防雷措施

2.1 架設(shè)避雷線或耦合地線

風(fēng)電場集電線路一般以架空線路為主，因此通過架設(shè)避雷線或者耦合地線，能夠有效避免集電線路直接遭受雷擊。在避雷線的分流作用下，塔頂?shù)碾娢坏玫接行鳒p，可以將雷擊影響降至最低。另一方面，還可以將避雷線與導(dǎo)線進行耦合處理，使絕緣子承受更低的電壓，提高防雷效果。同時避雷線在導(dǎo)線遭受雷擊時可起到一定的屏蔽作用。在此基礎(chǔ)上，還可以合理調(diào)整避雷線保護角，以減輕雷電繞擊。但由于雷電流幅值較大，直擊雷很容易引發(fā)線路絕緣閃絡(luò)問題，尤其是對一些電壓等級較低的線路，在線路運行的過程中，很容易發(fā)生絕緣閃絡(luò)，引發(fā)線路故障。

若不使用避雷線，線路運行時會受雷電感應(yīng)影響，承受的電壓Ug可用式（1）計算：

式中 Ug——無避雷線情況下導(dǎo)線的雷電感應(yīng)過電壓，kV

a——雷電流平均陡度，kA/μs

hd——導(dǎo)線對地平均高度，m

有避雷線的情況下，線路受感應(yīng)雷電影響，承受的電壓可用式（2）計算：

式中 Ug——有避雷線情況下導(dǎo)線的雷電感應(yīng)過電壓，kV

k——避雷線與導(dǎo)線之間的耦合系數(shù)

35 kV 上字形鐵塔遭受雷擊時，還應(yīng)考慮電暈效應(yīng)的影響，此時上導(dǎo)線避雷線與導(dǎo)線之間的耦合系數(shù)約為0.295，下導(dǎo)線避雷線與導(dǎo)線之間的耦合系數(shù)為0.217。

根據(jù)GB/T 50064—2014《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合設(shè)計規(guī)范》要求，35 kV 線路在接地線的情況下，線路最大反擊耐雷水平為36 kA，結(jié)合該數(shù)據(jù)以及式（1）、式（2），即可得出在沒有避雷線條件下，上導(dǎo)線感應(yīng)電壓為227 kV，下導(dǎo)線感應(yīng)電壓為192 kV。反之，在安裝避雷線條件下，上導(dǎo)線感應(yīng)電壓為160 kV，下導(dǎo)線的感應(yīng)電壓為149 kV。數(shù)值對比說明，安裝避雷線，上導(dǎo)線線路最大感應(yīng)電壓能降低30%，下導(dǎo)線線路的感應(yīng)電壓能降低22%。

根據(jù)Q/GDW 13256.4—2019《10～330 kV 線路柱式絕緣子（含瓷、復(fù)合、橫擔(dān)、防風(fēng)偏絕緣子）采購標(biāo)準(zhǔn)第4 部分：35～330 kV防風(fēng)偏復(fù)合絕緣子專用技術(shù)規(guī)范》要求，35 kV 線路絕緣子雷電全波沖擊耐受電壓為230 kV。因此，對35 kV 線路來說，無論是否安裝避雷線，自身都能夠承受反擊耐雷水平。如果實際的雷電流高于該水平，無避雷線線路將會發(fā)生絕緣閃絡(luò)，引發(fā)線路跳閘故障。在雷電流水平高達(dá)51 kA 的情況下，有避雷線線路感應(yīng)電壓水平與復(fù)合絕緣子U50%（指復(fù)合絕緣子最大承受電壓數(shù)值的50%）比較接近，沒有從根本上提升線路反擊耐雷水平。而集電線路出于成本考量，通常情況下不會進行耦合地線設(shè)置[2]，但如果遇到一些特殊情況，如電力線路交叉橫跨，出于線路安全考量，將進行避雷線改造，采用耦合地線。改造后線路感應(yīng)過電壓可明顯降低（最高可降低20%），因此仍能夠起到良好的防雷效果。

2.2 架空線路改為直埋電纜

風(fēng)電場集電線路通常采用架空方式，將架空方式改為直埋方式，在遭受雷擊時能夠削弱雷電的沖擊力。當(dāng)雷電情況比較嚴(yán)重，發(fā)生雷擊大地現(xiàn)象，會對鄰近區(qū)域的電纜造成破壞。一般情況下，電纜損壞程度與雷擊電流大小等有著密切的關(guān)系。如果電纜有絕緣外護層，相較于帶有金屬護套的電纜，其對雷電更加敏感，因此在實際運行時將會承受更大的雷電損害。為解決這一問題，可在絕緣外護層電纜上方安裝1 條屏蔽線，屏蔽線與土壤接觸，能有效降低土壤電位值，減輕雷擊危害影響。

2.3 減小桿塔工頻接地電阻

風(fēng)電場避雷線桿塔接地網(wǎng)一般直接與風(fēng)機、箱變接地網(wǎng)連接，因此桿塔接地網(wǎng)接地電阻與風(fēng)機、箱變接地電阻情況相同，均在4 Ω 以內(nèi)，這對桿塔耐雷水平的提高非常有利。當(dāng)桿塔接地電阻不同、絕緣子片數(shù)存在差異時，實際耐雷水平也不一樣。當(dāng)桿塔接地電阻不斷增加，其耐雷水平下降較為明顯。與普通線路最高耐雷水平相比，風(fēng)電場集電線路箱變位置桿塔的耐雷水平更高。因此在雷電比較頻繁的風(fēng)電場集電線路區(qū)域，建議適當(dāng)降低桿塔接地電阻，如果采用復(fù)合絕緣子，可提高其U50%值，并與同一回路的絕緣子串值U50%保持一致，能夠有效防止出現(xiàn)選擇性閃絡(luò)問題，提高線路的耐雷水平。

3 風(fēng)電場集電線路方案案例分析

3.1 風(fēng)電場概況

某風(fēng)電場總裝機容量200 MW，風(fēng)電場所在位置地勢開闊，年平均雷暴日數(shù)為26 d，屬于中雷區(qū)。在規(guī)范要求的指導(dǎo)下，集電線路在靠近升壓站側(cè)完成避雷線的架設(shè)。該風(fēng)電場正式發(fā)電初期，在陰雨雷電天氣，集電線路遭受雷擊引發(fā)跳閘故障，但沒有造成設(shè)備損壞，但隨后遭受一次比較強的雷擊，1 臺風(fēng)機箱變高壓側(cè)過電壓保護器被擊穿，電纜頭也遭受了不同程度的損壞。

3.2 事故分析

該風(fēng)電場早期發(fā)電運行時發(fā)生了一次集電線路雷擊跳閘事故，但設(shè)備完好。經(jīng)實地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時線路在遭受雷擊時，產(chǎn)生的雷電過電壓比線路絕緣子雷電閃絡(luò)電壓高，引發(fā)了單相接地跳閘問題。從事故過程分析，線路的防雷水平已經(jīng)無法抵御雷擊，即使設(shè)置了避雷線，也無法徹底解決跳閘問題。改進方法是選擇降低工頻電阻的避雷措施，絕緣子采用4×LXWP5-70 與FXBW5-3570，提高其U50%值，并與同一回路的絕緣子串U50%值保持一致，問題得以解決。

后續(xù)集電線路遭受雷擊后引發(fā)設(shè)備損壞，經(jīng)分析認(rèn)為，雷電先經(jīng)過箱變出口線路側(cè)避雷器，避雷器完好無損，之所以損壞箱變內(nèi)過電壓保護器與電纜頭，是因為受避雷器殘壓所影響[3]。過電壓保護器與避雷器的基本參數(shù)相同，因此過電壓保護器與電纜頭沒有損壞，但如果過電壓保護器承受過電壓、熱負(fù)荷能力不足，將會導(dǎo)致?lián)p壞；而受避雷器殘壓影響，或電纜頭本身質(zhì)量不佳，將導(dǎo)致電纜頭損壞。因此需要加強電纜頭質(zhì)量檢查。

4 結(jié)語

結(jié)合實際，總結(jié)風(fēng)電場集電線路防雷保護工作要點如下：①如果風(fēng)電場所處區(qū)域雷電活動比較頻繁，可以沿全線進行避雷線的架設(shè)，能有效提高集電線路防雷水平，但并不能徹底避免雷電線路閃絡(luò)問題，如果該區(qū)域雷電活動比較少，出于成本以及避雷線實際防雷效果考慮，可以不進行避雷線的全線架設(shè)；②集電線路防雷要充分考慮現(xiàn)場實際條件，既要保證防雷效果，又要體現(xiàn)防雷的經(jīng)濟實用性。目前，風(fēng)機、箱變及附近桿塔的避雷器配置，能夠滿足集電線路及相關(guān)設(shè)備的防雷要求。但針對一些經(jīng)常遭受雷擊的區(qū)域，為降低雷擊的影響，可以選擇增加線路避雷器進行防雷保護，可以有效提高防雷效果，保障線路安全穩(wěn)定運行；③除了要加強防雷措施的實施，還應(yīng)考慮到設(shè)備的損壞主要受產(chǎn)品質(zhì)量和性能的影響，因此要從源頭上控制設(shè)備質(zhì)量，加強對設(shè)備性能的檢查，如過壓保護裝置及電纜頭性能的檢查，以降低雷擊對風(fēng)電場運行的影響；④分析風(fēng)電場集電線路跳閘事故典型案例，很多故障都是在一瞬間發(fā)生，平時很難預(yù)防，建議在風(fēng)電場發(fā)展后期加強線路重合閘方面的研究，保障風(fēng)電場安全穩(wěn)定運行。