柔性接地技術(shù)在高山地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)集電線路防雷技術(shù)改造

四川鹽源華電新能源有限公司 周俊杰 黑龍江恒電防雷工程有限公司 徐博塵 黑龍江恒電防雷工程有限公司 閆 君

1 概述

涼風(fēng)坳風(fēng)電場(chǎng)總計(jì)2條35kV架空集電線路，線路總長約25km，擁有桿塔總計(jì)90基，線路海拔高度2550-3100米。從2017年至2020年，2條集電線路總計(jì)在4個(gè)雷雨季節(jié)期間總共發(fā)生了14次雷擊跳閘故障，其中1號(hào)線路9次，2號(hào)線路5次，集電線路由于雷擊跳閘造成電量損失總計(jì)有364萬千瓦時(shí)。根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)提供的檢測(cè)數(shù)據(jù)以及事故記錄和分析報(bào)告，我們對(duì)風(fēng)電場(chǎng)集電線路在雷雨天氣下跳閘原因進(jìn)行了排查和分析，對(duì)1、2號(hào)線路的桿塔布線方式和避雷器進(jìn)行了檢查，對(duì)所有桿塔所在地環(huán)境進(jìn)行了實(shí)地踏勘和測(cè)量，最終確定涼風(fēng)坳風(fēng)場(chǎng)集電線路在雷雨環(huán)境下出現(xiàn)頻繁跳閘的情況的根本原因在于線路處于高海拔、強(qiáng)雷暴地區(qū)，土壤電阻率較高，很多桿塔工頻接地電阻偏大，不利于風(fēng)電場(chǎng)所處特殊環(huán)境下對(duì)防雷的要求，并且雷電沖擊接地電阻遠(yuǎn)大于工頻接地電阻，在遭受雷擊時(shí)往往會(huì)產(chǎn)生非常大的過電壓對(duì)線路發(fā)生反擊，導(dǎo)致線路絕緣擊穿、頻繁跳閘。

針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的事故原因，從降低接地電阻方法、接閃技術(shù)、防電涌、泄流措施及避免感應(yīng)雷等諸多方面對(duì)各種技術(shù)選項(xiàng)進(jìn)行技術(shù)對(duì)比分析后，我們選擇了使用柔性接地技術(shù)對(duì)集電線路桿塔的接地網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造處理，降低集電線路在雷電沖擊作用下的接地電阻。改造完成后一年以來集電線路運(yùn)行穩(wěn)定，未發(fā)生由于雷擊造成的跳閘情況。

2 技術(shù)分析

2.1 雷電的形成

雷電是在雷雨云之間或在云地之間產(chǎn)生的一種放電現(xiàn)象，雷雨云是產(chǎn)生雷電的先決條件。在雷雨云的形成過程中，云層中會(huì)產(chǎn)生并積聚大量的正電荷或負(fù)電荷，同時(shí)在地面以及地面上的金屬物體上將會(huì)感應(yīng)出與之極性相反的電荷，當(dāng)云地之間的電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到一定程度、周圍環(huán)境滿足一定條件的情況下就會(huì)擊穿空氣形成放電通道從而發(fā)生放電現(xiàn)象。

2.2 跳閘的原因

雷雨天氣集電線路桿塔發(fā)生跳閘事故有諸多因素。線路接閃角度過小時(shí)容易發(fā)生雷電繞擊；絕緣水平不夠容易導(dǎo)致絕緣子爬電發(fā)生擊穿；避雷器性能不足導(dǎo)致啟動(dòng)電壓不匹配引起誤跳閘或不跳閘擊穿絕緣；工頻接地電阻不合格導(dǎo)致繼電保護(hù)無法配合；沖擊接地電阻過大導(dǎo)致接地網(wǎng)結(jié)構(gòu)易受損，產(chǎn)生極高的過電壓發(fā)生反擊引起跳閘或設(shè)備燒毀等事故。

高海拔、地形復(fù)雜地區(qū)發(fā)生雷擊跳閘的概率更高，大多是因?yàn)樗幍乩砦恢煤０屋^高、桿塔跨度較大、土壤環(huán)境極不均勻、接地網(wǎng)設(shè)計(jì)不合理，在發(fā)生雷擊時(shí)，高頻沖擊接地電阻過大產(chǎn)生過電壓發(fā)生反擊導(dǎo)致線路頻繁跳閘。

2.3 雷電過電壓的產(chǎn)生

雷電過電壓有兩種基本形式：直接雷擊過電壓和間接雷擊過電壓。直接雷擊過電壓是雷電直接擊中電氣設(shè)備、線路或建（構(gòu)）筑物，強(qiáng)大的雷電流通過這些物體放電入地的過程中產(chǎn)生高于正常工作電壓的一種異常電壓升高現(xiàn)象；間接雷擊過電壓是由雷電通過靜電感應(yīng)或電磁感應(yīng)在電氣設(shè)備、線路或其他物體上感應(yīng)出的過電壓。除此之外，架空線路遭受直接雷擊或間接雷擊引起的過電壓波，沿線路進(jìn)行傳播也會(huì)導(dǎo)致其他地方存在過電壓。

2.4 電荷堆積與泄放規(guī)律

雷電的實(shí)質(zhì)就是電荷的運(yùn)動(dòng)過程，以及在此過程中附帶的一些其他效應(yīng)。當(dāng)集電線路遭受雷擊時(shí)，巨大的雷電能量在一瞬間會(huì)通過桿塔防雷裝置向大地泄放，從物質(zhì)的角度來講就是數(shù)以億計(jì)的電荷經(jīng)過接閃器、引下線、接地網(wǎng)等防雷裝置進(jìn)入大地，并與大地中的異性電荷進(jìn)行中和，這個(gè)過程中接地網(wǎng)的作用就是促進(jìn)電荷的中和以及容納剩余電荷。

在電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中提到，發(fā)電廠、變電所配電裝置構(gòu)架上避雷針（含懸掛避雷線的架構(gòu)）的集中接地裝置應(yīng)與主接地網(wǎng)連接，由連接點(diǎn)至變壓器接地點(diǎn)沿接地極的長度不應(yīng)小于15米[1]。對(duì)這二者之間的距離要求不小于15米的主要原因是雷電流在入地點(diǎn)的15米范圍內(nèi)會(huì)泄放90%以上的能量，從而避免過大的能量對(duì)主變壓器產(chǎn)生沖擊和干擾。對(duì)于桿塔防雷來講也是一樣，如果接地網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和性能無法滿足雷電能量泄放的要求，雷電荷就無法在短時(shí)間內(nèi)被中和，在接地網(wǎng)小范圍內(nèi)將會(huì)堆積大量的電荷，從而導(dǎo)致產(chǎn)生極高的過電壓對(duì)線路和桿塔本身造成危害。

2.5 土壤環(huán)境與接地體在高頻沖擊作用下的性質(zhì)漂移

目前國內(nèi)電氣設(shè)備的工作頻率為50赫茲，而雷電是一種迅猛的放電現(xiàn)象，其頻率可以達(dá)到數(shù)十兆赫茲甚至數(shù)百兆赫茲，在雷電發(fā)生時(shí)，一道雷電往往伴隨多次閃擊，形成組合雷電波，雷電波次數(shù)可以達(dá)到十幾次到二十幾次，甚至三十幾次、四十幾次，在雷電的高頻沖擊作用下，土壤環(huán)境與接地體的性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化，這種變化主要體現(xiàn)在阻抗的瞬時(shí)改變。依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)接地網(wǎng)工頻接地電阻的測(cè)量只能反應(yīng)工頻狀態(tài)下的接地網(wǎng)狀態(tài)，而雷電高頻沖擊作用下的接地電阻以目前的測(cè)量儀器無法直接測(cè)得，現(xiàn)通過對(duì)接地網(wǎng)的仿真分析和模擬數(shù)據(jù)計(jì)算來推斷接地網(wǎng)在高頻狀態(tài)下的沖擊接地電阻變化。

在雷電沖擊電流的作用下，接地體可看作是由電感、電容、電導(dǎo)和電阻組成的π型等值電路，如圖2所示，桿塔整體接地網(wǎng)可看作是由多段π型等值電路的組合，圖中Ri和Li分別表示各段接地體的自身電阻和電感，Ci和Gi分別表示各段接地體的對(duì)地電容和泄漏電導(dǎo)。建立基于ATP-EMTP的仿真模型，分析在多次組合雷電波作用下的接地網(wǎng)沖擊電阻變化規(guī)律。通過初步的仿真數(shù)據(jù)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，雷擊狀態(tài)下桿塔接地裝置的阻抗呈非線性上升變化趨勢(shì)，在初期雷電沖擊作用下，接地電阻上升較為迅猛，隨著組合雷電波沖擊次數(shù)的增加，接地電阻變化趨于飽和。

圖1 π型等值電路模型

圖2 沖擊接地電阻變化

在數(shù)據(jù)模擬分析中，以入地電流為1000A、20次組合閃擊作為標(biāo)準(zhǔn)雷電環(huán)境，桿塔工頻接地電阻為10Ω，對(duì)桿塔在雷電沖擊作用下的沖擊接地電阻和過電壓進(jìn)行計(jì)算對(duì)比。在國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中對(duì)于復(fù)合接地體的技術(shù)參數(shù)中要求，接地體經(jīng)過沖擊電流耐受試驗(yàn)后的電阻變化率不大于20%[2]。在20次的組合雷電波作用下，接地網(wǎng)接地電阻將變?yōu)椋?0×1.2020=383.38Ω。

此時(shí)，產(chǎn)生的雷電過電壓為：1000×383.38=383380V。

柔性接地體技術(shù)的核心衍生產(chǎn)品經(jīng)過電力工業(yè)電氣設(shè)備質(zhì)量檢驗(yàn)測(cè)試中心的檢測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果表明，柔性接地體在沖擊電流耐受試驗(yàn)中的電阻變化率為0.36%，在標(biāo)準(zhǔn)雷電環(huán)境沖擊下，桿塔接地網(wǎng)的接地電阻將變?yōu)椋?0×1.003620=10.75Ω。

此時(shí)，產(chǎn)生的雷電過電壓為：1000×10.75=10750V。

由上述數(shù)據(jù)模擬分析結(jié)果可知，普通的降阻方式雖然可以降低接地網(wǎng)的工頻接地電阻，但是并不能有效降低沖擊接地電阻。在雷擊狀態(tài)下，接地網(wǎng)將會(huì)產(chǎn)生極高的過電壓，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)備絕緣所能承受的電壓上限，極易導(dǎo)致絕緣擊穿、線路跳閘等事故。而采用柔性接地技術(shù)進(jìn)行接地網(wǎng)改造不僅滿足工頻狀態(tài)下的防雷要求，還大大限制了接地裝置在雷電沖擊作用下的阻抗漂移，沖擊狀態(tài)下的接地電阻相比工頻接地電阻變化極小，從根本上改善了接地網(wǎng)的耐沖擊性能，改造完成后，集電線路全年雷雨季節(jié)運(yùn)行無跳閘事故發(fā)生。

2.6 腐蝕性對(duì)使用壽命以及泄放效果的影響

接地裝置是桿塔防雷接地的核心所在。由于接地裝置長期處在惡劣的環(huán)境中，在土壤中與氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)，與酸性或堿性物質(zhì)發(fā)生酸堿反應(yīng)，還要受到地下雜散電流的電化學(xué)反應(yīng)，長期運(yùn)行導(dǎo)致接地極發(fā)生腐蝕，接地裝置的壽命將會(huì)隨著接地極的腐蝕迅速縮短，對(duì)雷電能量的泄放效果也會(huì)隨之大打折扣。柔性接地體能夠隔絕空氣環(huán)境帶來的氧化，隔離酸堿帶來的腐蝕，同時(shí)柔性接地體均勻度極好不會(huì)發(fā)生電化學(xué)效應(yīng)，最大限度延緩了腐蝕。

在國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中對(duì)于復(fù)合接地體的技術(shù)參數(shù)中要求，接地體埋入地中后，其腐蝕率應(yīng)不大于0.03mm/年[2]，而柔性接地體技術(shù)的核心衍生產(chǎn)品經(jīng)過電力工業(yè)電氣設(shè)備質(zhì)量檢驗(yàn)測(cè)試中心的檢測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果表明，使用柔性接地體完全包裹的鍍鋅扁鋼腐蝕率僅為0.005mm/年。也就是說，在同等條件下，使用柔性接地體進(jìn)行防雷改造的接地網(wǎng)壽命是普通接地網(wǎng)的6倍，極大程度上提升了接地網(wǎng)的使用壽命。

3 成果總結(jié)

使用柔性接地技術(shù)對(duì)項(xiàng)目風(fēng)電場(chǎng)集電線路進(jìn)行改造，有效解決了高海拔（海拔2500米以上）、強(qiáng)雷暴、多石少土地貌接地電阻居高不下的問題；改造完成后，集電線路運(yùn)行穩(wěn)定，全年雷雨季運(yùn)行無跳閘事故發(fā)生；從理論角度對(duì)接地網(wǎng)的耐沖擊性能進(jìn)行了改造，使得雷電過電壓產(chǎn)生的危害降低到了無法影響到主要用電設(shè)備的程度，進(jìn)而消除了災(zāi)害的誘因。

本技術(shù)應(yīng)用的新型接地材料：柔性接地體，具有極強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)適用性，在整體造價(jià)不超過常規(guī)方案預(yù)算的前提下，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性帶來大幅提升，通過材料本身的防腐蝕性能延長了接地網(wǎng)的使用壽命，大大減少了運(yùn)維成本。柔性接地技術(shù)和柔性接地體材料對(duì)于新能源行業(yè)，尤其是風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)和運(yùn)維都具有很強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)適用性，并且具有著國際領(lǐng)先的技術(shù)水平和成功案例。由于該技術(shù)的特點(diǎn)，對(duì)于其他行業(yè)的接地環(huán)節(jié)都具有著很強(qiáng)的推廣性和適用性。