對山區(qū)某風(fēng)電場集電線路雷擊事件的原因分析及防范措施

摘要：山東省濟(jì)南山區(qū)某風(fēng)電場集電線路在2012年夏季經(jīng)常發(fā)生雷擊跳閘事故，通過對集電線路雷擊事故進(jìn)行原因分析，提出在多雷山區(qū)風(fēng)電場集電線路、電氣設(shè)備采取的防雷措施。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電場 集電線路 雷擊 防雷措施

0 引言

截止到2012年8月，山東電網(wǎng)共有55座風(fēng)電場，裝機(jī)容量達(dá)到342.9萬千瓦，最高發(fā)電負(fù)荷219.8萬千瓦。根據(jù)“十二五”發(fā)展規(guī)劃，預(yù)計未來風(fēng)電行業(yè)仍將會保持高速發(fā)展，但風(fēng)電場普遍存在比較容易遭受雷擊等不利因素的影響，為打造電網(wǎng)友好性風(fēng)電場，采取防范措施避免風(fēng)電場雷擊事故發(fā)生，確保風(fēng)電場安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行。

風(fēng)電場集電線路是風(fēng)電場主要組成部分，該風(fēng)電場共六條集電線路，總長度為34.2公里，集電線路所徑之處為曠野山脈，集電線路長，遭遇雷擊的機(jī)率較大，雷擊放電引起很高的雷擊過電壓，是造成線路跳閘事故的主要原因。據(jù)統(tǒng)計，雷擊引起線路跳閘事故占該風(fēng)電場事故的76%。雷害成為僅次于污閃影響風(fēng)電場運(yùn)行安全穩(wěn)定運(yùn)行的主要因素，因此，完全有必要研究并采取集電線路的防雷措施。

1 典型雷擊事件描述

該風(fēng)電場所處山東省濟(jì)南地區(qū)，是雷電活動較為活躍，高土壤電阻率、地形復(fù)雜的山區(qū)。進(jìn)入夏季后，該風(fēng)電場集電線路發(fā)生多次雷擊事故。最嚴(yán)重的一次雷擊：2012年07月31日20時43分19秒921毫秒，該風(fēng)電場35kV第V回集電線路0311開關(guān)過流I段保護(hù)動作出口，開關(guān)跳閘，第V回集電線路停運(yùn)。由于故障時濟(jì)南地區(qū)正在下雨，第V回集電線路巡檢道路無法通過。風(fēng)電場安排運(yùn)檢人員在8月1日早上對35kV第V回集電線路及所帶風(fēng)機(jī)、箱變進(jìn)行逐一檢查。8月1日上午對第V回集電線路進(jìn)行檢查，沒有發(fā)現(xiàn)異常。對第Ⅴ回集電線路所帶風(fēng)機(jī)、箱變進(jìn)行檢查時發(fā)現(xiàn)501箱變內(nèi)B相過電壓保護(hù)器、502箱變內(nèi)B相過電壓保護(hù)器、503箱變內(nèi)B相過電壓保護(hù)器、506箱變內(nèi)B相過電壓保護(hù)器、510箱變內(nèi)A相過電壓保護(hù)器、511箱變內(nèi)B相過電壓保護(hù)器、512箱變內(nèi)B相過電壓保護(hù)器發(fā)生動作。與第Ⅴ回集電線路事故記錄的時間吻合，其他箱變的過電壓保護(hù)器均未動作。巡視第Ⅴ回集電線路，沒有發(fā)現(xiàn)異常，集電線路避雷器沒有雷擊計數(shù)器，無法確認(rèn)是否動作。檢查站內(nèi)設(shè)備，全部正常。對第Ⅴ回集電線路測絕緣，A相對地絕緣值：6兆歐，B相對地絕緣值：6兆歐，C相對地絕緣值：6兆歐，A—B相絕緣值：14兆歐，A—C相絕緣值：14兆歐，B—C相絕緣值：14兆歐。08月01日17時40分，第Ⅴ回集電線路送電成功，風(fēng)機(jī)并網(wǎng)發(fā)電。

2 故障原因分析

2.1 從第V回集電線路開關(guān)0311保護(hù)裝置記錄看，是過流I段保護(hù)動作，動作電流28.04A，遠(yuǎn)大于過流I段保護(hù)定值I=15.7A，延時43ms保護(hù)正確動作出口跳開0311開關(guān)。據(jù)此推斷第V回集電線路或所帶箱變發(fā)生了短路故障。

2.2 從故障錄波波形來分析：從35kV第V回集電線路電流波形來看：

故障時，A、B、C三相電流都同時升高，說明在第V回集電線路上發(fā)生了三相短路故障。

從35kV II母線電壓波形來看：

故障時，35kVII母線電壓A、B、C三相同時等幅降低，且波形對稱，可以判斷在第V回線集電路上發(fā)生了非金屬性三相短路。

2.3 從現(xiàn)場檢查情況來看：對第V回集電線路及箱變、風(fēng)機(jī)逐一檢查，未發(fā)現(xiàn)三相、相間及單相對地故障痕跡。第V回集電線路所帶17臺箱變中，從箱變的過電壓保護(hù)器中記錄的動作時間來看，有7臺箱變的過電壓保護(hù)在本次故障時動作。

綜合以上分析，此次第V回集電線路0311開關(guān)跳閘的故障原因為雷擊造成此集電線路上不同箱變的不同相別避雷器同時動作，導(dǎo)致出現(xiàn)三相非金屬性短路，使得0311開關(guān)保護(hù)跳閘。

3 集電線路遭雷擊的判別與防雷性能評價

3.1 通過幾次雷擊事故分析，雷擊產(chǎn)生電磁感應(yīng)所引起的感應(yīng)雷過電壓，遭受雷擊概率最大的是桿塔地網(wǎng)接地電阻過高及避雷線保護(hù)角過大的線路。

3.2 防雷性能評價。集電線路防雷性能的優(yōu)劣的重要指標(biāo)一般有兩個：一是線路雷擊跳閘率，二是線路耐雷水平。

線路雷擊跳閘率是指每100km線路每年（折算到40個雷暴日下）由雷擊引起的線路跳閘次數(shù)，它是衡量線路耐雷性能的綜合指標(biāo)。線路耐雷水平越高，雷擊跳閘率越低，說明線路的防雷性能越好。所以如何提高線路耐雷水平，降低雷擊跳閘率是防雷設(shè)計中非常重要的工作。

線路耐雷水平是指雷擊線路時，線路絕緣子不會發(fā)生閃絡(luò)的最大雷電流幅值。低于耐雷水平的雷電流擊于線路不會引起閃絡(luò)，反之，則必然會引起閃絡(luò)。集電線路雷電流超過線路耐雷水平引起絕緣子發(fā)生閃絡(luò)沖擊時，由于沖擊閃絡(luò)時間很短不會引起線路跳閘，但若在雷電消失后由工作電壓產(chǎn)生的工頻短路電流電弧持續(xù)存在，將引起線路跳閘。

4 防止集電線路遭雷擊損壞的對策

當(dāng)發(fā)生雷擊事件時，為什么風(fēng)機(jī)葉片或塔筒沒有遭受雷擊，而是集電線路頻繁遭受雷擊，大致計算，雷擊風(fēng)機(jī)葉片或塔筒，按三類防雷建筑物首次雷擊的雷電流強(qiáng)度，電流I=100kA（10/350us），按照GB50057-94（2000）規(guī)定及計算方法，50%的雷電流流入風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)地網(wǎng)，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)接地電阻為4歐姆（雷擊時，實際沖擊電阻會小一些）。為此，該風(fēng)電場對數(shù)次雷擊事故高度重視，邀請設(shè)計院、施工單位、當(dāng)?shù)貧庀缶止餐逃憫?yīng)對方案：

4.1 提高集電線路耐雷水平。在多雷地區(qū)不易選擇使用普通型合成絕緣子，由于合成絕緣子兩端均壓環(huán)短接了部分空氣間隙，使其耐雷水平比同樣安裝高度的瓷絕緣子偏低。

采取對策：將原來的普通合成絕緣子更換為防雷絕緣子；采用陶瓷橫擔(dān)替代原鍍鋅鐵橫擔(dān)。進(jìn)一步提升集電線路的絕緣水平。

4.2 降低桿塔接地電阻。為了提高集電線路的耐雷水平，每個桿塔一般都應(yīng)敷設(shè)接地裝置，并與地線牢靠連接，以使擊中地線或塔頂?shù)睦纂娏魍ㄟ^較低的接地電阻泄入大地。

采取對策：對于部分位于山頂?shù)貏葺^高處桿塔或高土壤電阻率無避雷器的桿塔，可采用連接伸長接地體將每根桿塔的接地裝置連接起來的措施，以形成一條低電阻通道，防止桿塔頂部的雷電場強(qiáng)發(fā)生畸變。

4.3 重新測量接地電阻，發(fā)現(xiàn)不符合規(guī)定的及時整改。檢查接地引下線與接地裝置的連接是否符合要求，安裝是否規(guī)范、可靠。

4.4 完善避雷裝置，定期進(jìn)行避雷器預(yù)試驗。風(fēng)電場列入年度工作計劃在3月份雷雨季節(jié)前加強(qiáng)對線路的巡視。并抽取易受雷擊桿塔上的絕緣子進(jìn)行耐壓試驗。

4.5 在降低桿塔接地電阻有困難時，可采用架設(shè)耦合地線的措施，即在導(dǎo)線下方再架設(shè)一條地線。一是加強(qiáng)避雷線與導(dǎo)線間的耦合，使線路絕緣上的過電壓降低；二是增加了對雷電流的分流作用。尤其在山區(qū)的集電線路效果更為明顯。

4.6 加裝避雷針裝置。根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀蟛块T的雷擊統(tǒng)計和集電線路遭受雷擊時箱變過電壓指示儀顯示，在第V回集電線路501號～506號風(fēng)機(jī)處的集電線路桿塔為山頂?shù)母呶粭U塔或山谷迎風(fēng)口處桿塔遭受雷擊的次數(shù)最多。

采取對策：在容易遭受雷擊的重點(diǎn)區(qū)域加裝避雷針裝置，將雷電提前引入避雷針，保護(hù)集電電路正常運(yùn)行。

4.7 對集電線路開關(guān)試送一次。當(dāng)遭受雷擊的情況下，保護(hù)動作跳閘，因地處山區(qū)，雷雨過后，上山道路無法通行，耽誤設(shè)備恢復(fù)正常運(yùn)行時間。

采取對策：發(fā)生雷擊事件后，查看故障錄波器裝置，確認(rèn)是因雷擊事故造成開關(guān)跳閘，當(dāng)雷擊過后，可以先對跳閘的集電線路試送一次。當(dāng)上山道路符合巡視條件時，再對集電線路加強(qiáng)巡視和檢查。

除此之外，可以在易遭受雷擊的線路集中區(qū)域通過填充降阻劑或置換接地體附近小范圍內(nèi)高電阻率土石以降低接地電阻等等。

5 結(jié)束語

為提高集電線路的防雷性能，降低集電線路的雷擊跳閘率，應(yīng)充分考慮當(dāng)?shù)氐匦?、地貌特點(diǎn)、土壤電阻率的高低、氣象及線路運(yùn)行等各方面的情況，根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較結(jié)果，然后采取相應(yīng)的防雷措施。在平時運(yùn)行維護(hù)工作中，加強(qiáng)防雷裝置和接地裝置的運(yùn)行維護(hù)、定期檢查和測量，保證風(fēng)電場的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

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