風(fēng)電場集電線路防雷措施分析

戴勇干

(中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

風(fēng)電場集電系統(tǒng)一般采用中性點(diǎn)低電阻接地，單相接地時，按規(guī)范要求故障線路瞬時跳閘，不允許重合閘，同時該系統(tǒng)在風(fēng)機(jī)、箱變處的桿塔接地網(wǎng)常與風(fēng)機(jī)、箱變共用1個接地網(wǎng)，接地電阻一般≤4 Ω，遠(yuǎn)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(wǎng)系統(tǒng)中性點(diǎn)不接地或不直接接地系統(tǒng)，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(dǎo)致線路跳閘。衡量輸電線路的防雷水平有2個指標(biāo):耐雷水平和雷擊跳閘率。因而應(yīng)當(dāng)充分考慮到集電系統(tǒng)的特點(diǎn)，采取經(jīng)濟(jì)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(tǒng)單相接地跳閘次數(shù)，降低雷擊跳閘率，提高風(fēng)電場安全運(yùn)行的可靠性。本文結(jié)合相關(guān)規(guī)范的防雷要求詳細(xì)分析各種防雷措施的效果與對集電線路防雷的適應(yīng)性，根據(jù)雷電過電壓與集電系統(tǒng)特點(diǎn)及線路防雷要求對某風(fēng)電場雷擊事故原因進(jìn)行簡要分析。

1 設(shè)計(jì)規(guī)范對35 kV線路的防雷設(shè)計(jì)要求

集電線路防雷設(shè)計(jì)，綜合電力及風(fēng)電行業(yè)規(guī)范要求，其基本方式是進(jìn)線段配置避雷線1.0～1.5 km，另一種是全線架設(shè)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(hù)和絕緣配合設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)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(guī)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(guī)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(hù)，且接地電阻又遠(yuǎn)低于規(guī)范要求的情況下，集電線路是否有必要沿全線架設(shè)避雷線應(yīng)視情況確定。下面結(jié)合集電系統(tǒng)特點(diǎn)與線路運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，在滿足集電線路防雷要求與經(jīng)濟(jì)性的前提下，分析各類防雷措施應(yīng)用特點(diǎn)：

措施1：架設(shè)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(dǎo)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(dǎo)線的耦合作用降低絕緣子上的電壓；通過避雷線對導(dǎo)線的屏蔽作用，降低導(dǎo)線上的感應(yīng)過電壓；通過調(diào)整避雷線保護(hù)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(dǎo)致各電壓等級線路絕緣閃絡(luò)，而雷電感應(yīng)過電壓通常易于對35 kV及以下電壓等級線路產(chǎn)生絕緣閃絡(luò)。

無避雷線時的導(dǎo)線上雷電感應(yīng)過電壓為[1]：

Ug=ahd

(1)

式中：a為雷電流平均陡度，kA/μs；hd為導(dǎo)線對地平均高度，m。

當(dāng)有避雷線時，導(dǎo)線上感應(yīng)雷電過電壓為[2]：

Ug=ahd(1-k)

(2)

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

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》中35 kV防風(fēng)偏復(fù)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(dāng)雷電流大于該水平時，無避雷線線路將會出現(xiàn)絕緣閃絡(luò)，在無避雷器線段將由于接地點(diǎn)工頻續(xù)流而導(dǎo)致線路瞬時跳閘。當(dāng)雷電流水平達(dá)到51 kA時，有避雷線線路感應(yīng)電壓水平接近復(fù)合絕緣子U50%，對西北地區(qū)雷電流幅值概率由15.2%降低到6.9%，沒有本質(zhì)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(shè)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(yīng)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(fēng)機(jī)、箱變的接地網(wǎng)接地電阻一般均按≤4 Ω設(shè)計(jì)，該位置避雷線桿塔接地網(wǎng)通常與風(fēng)機(jī)、箱變接地網(wǎng)連接在一起，因此桿塔接地網(wǎng)接地電阻亦≤4 Ω，低于規(guī)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(fā)生閃絡(luò)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(shù)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(dá)64.81%；

(2) 上下橫擔(dān)的耐雷水平基本相當(dāng)；

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

(4) 相比普通線路最高的耐雷水平(Ri=10 Ω)，風(fēng)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(jù)表1數(shù)據(jù)，在多雷區(qū)建議適當(dāng)降低桿塔接地電阻，當(dāng)選用復(fù)合絕緣子時，適當(dāng)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(luò)。

表1 不同接地電阻時桿塔的耐雷水平表

措施3：表1數(shù)據(jù)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(luò)[3]，基本上能夠在繼電保護(hù)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(fēng)機(jī)、發(fā)電機(jī)電壓配電裝置與電纜的安全。雷擊塔頂時，有關(guān)文獻(xiàn)[4]的仿真計(jì)算結(jié)論表明，裝設(shè)1組避雷器，當(dāng)沖擊接地電阻在5～100 Ω的范圍內(nèi)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(shè)避雷器增加時，線路的耐雷水平將會大幅提升；當(dāng)雷直擊導(dǎo)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(shè)避雷器，將可以大幅提高線路的耐雷水平；對于高電阻率風(fēng)電場接地電阻難以滿足規(guī)范要求時，裝設(shè)避雷器可以在一定程度上提高線路的耐雷水平。

風(fēng)電集電線路在箱變出口一般均裝設(shè)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(nèi)大幅增加，有利于集電系統(tǒng)安全運(yùn)行。

措施4：適當(dāng)加強(qiáng)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(lián)間隙，并聯(lián)間隙防雷是對傳統(tǒng)防雷保護(hù)方式的有效補(bǔ)充，日本、德國、法國等國家從20 世紀(jì)60 年代已開始研究在架空送電線路上使用并聯(lián)放電間隙并積累了豐富的技術(shù)資料和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)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(hù)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(gòu)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(jī)會，將導(dǎo)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(dāng)雷擊大地時，鄰近區(qū)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(jié)構(gòu)(如有沒有與大地直接接觸的金屬護(hù)層)等因素有關(guān)，有絕緣外護(hù)層的電纜比連續(xù)與土壤接觸的金屬護(hù)套電纜對雷電更敏感，如果在有絕緣外護(hù)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(dāng)電纜埋設(shè)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(shè)1條電纜，相當(dāng)于在高電阻率地區(qū)有1塊低電阻率的區(qū)域，而雷擊具有選擇性，雷電易襲擊電阻率較低的區(qū)域，所以埋電纜的區(qū)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(wǎng)中性點(diǎn)接線方式，當(dāng)中性點(diǎn)采用不直接接地方式時，可降低系統(tǒng)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(yùn)行，線路不會跳閘，相對提高線路的耐雷水平。而風(fēng)電場35 kV系統(tǒng)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(guī)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(yīng)。

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(fēng)電場集電線路，從節(jié)省占地和降低線路建設(shè)費(fèi)用，雙回路也是經(jīng)常采用的方式，當(dāng)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(shè)的線路，在設(shè)計(jì)時避開雷電活動頻繁地區(qū)。一般風(fēng)電場集電線路都必須跟隨風(fēng)電機(jī)組布置，而風(fēng)電機(jī)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(qū)，在集電線路連接完最后1臺風(fēng)機(jī)后則可以根據(jù)路徑情況回避雷電活動多的區(qū)域。

雷電是一種自然現(xiàn)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(zhì)因素，有一定的復(fù)雜性，因此解決線路的雷害問題，要從實(shí)際出發(fā)，因地制宜，綜合治理。結(jié)合以上分析及已有線路的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)進(jìn)行全面的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，制定出合理的防雷保護(hù)措施。

3 雷擊事故分析

3.1 項(xiàng)目概述

某風(fēng)電場分4期建設(shè)，每期裝機(jī)容量50 MW。工程所在地地勢相對平坦，場地較開闊。依據(jù)當(dāng)?shù)貧庀蟓h(huán)境條件，當(dāng)?shù)啬昶骄妆┤諗?shù)為25 d，屬于中雷區(qū)。按規(guī)范要求，集電線路在靠近升壓站側(cè)架設(shè)1.0～1.5 km避雷線，同時在箱變內(nèi)布置有1組過電壓保護(hù)裝置，在箱變35 kV側(cè)出線經(jīng)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(fēng)電場發(fā)電前期出現(xiàn)過集電線路遭雷擊導(dǎo)致線路跳閘的情況，但沒有損壞設(shè)備，但于2014年9月則發(fā)生1次由于雷擊造成設(shè)備損壞事故，1臺風(fēng)機(jī)箱變高壓側(cè)過電壓保護(hù)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(fēng)電場發(fā)電前期發(fā)生雷擊線路跳閘，無設(shè)備損壞，這是由于雷擊產(chǎn)生的雷電過電壓高于線路絕緣子的雷電閃絡(luò)電壓，絕緣子対地閃絡(luò)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(jù)措施2的分析，本項(xiàng)目絕緣子設(shè)計(jì)選用4×LXWP5-70及FXBW5-35/70，因此本次絕緣子串閃絡(luò)應(yīng)當(dāng)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(dǎo)致電纜頭損壞和過電壓保護(hù)器擊穿，分析認(rèn)為：在線路遭雷擊后，導(dǎo)線上雷電過電壓先經(jīng)過箱變出口線路側(cè)的避雷器，避雷器沒有出現(xiàn)問題，因此箱變內(nèi)的過電壓保護(hù)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(dǎo)致的。過電壓保護(hù)器的基本參數(shù)與避雷器基本一致，正常情況下，過電壓保護(hù)器與電纜頭在避雷器的保護(hù)下是不會出現(xiàn)這種情況的[6]，分析認(rèn)為是由于過電壓保護(hù)器承受過電壓、熱負(fù)荷能力不足是導(dǎo)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(zhì)量不佳，或者產(chǎn)品本身存在一定的質(zhì)量問題，在運(yùn)行一段時間后，已無法承受避雷器的殘壓水平的過電壓導(dǎo)致其損壞。

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

4 結(jié) 論

(1) 對于雷電活動較多地區(qū)，集電線路沿全線架設(shè)避雷線，可以在一定程度上提高線路的耐雷水平，但不能從根本上解決線路閃絡(luò)問題。對于雷電活動相對較少的西北地區(qū)，避雷線防雷效果沒有本質(zhì)改善，可不考慮沿全線架設(shè)避雷線。

(2) 集電線路防雷措施的采取應(yīng)當(dāng)根據(jù)項(xiàng)目現(xiàn)場環(huán)境條件及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行綜合考慮確定。目前風(fēng)機(jī)、箱變及附近桿塔的避雷器配置及接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)可以滿足集電線路及相關(guān)設(shè)備的防雷要求。對于個別經(jīng)常遭受雷擊或?qū)崪y接地電阻難以下降時，建議考慮增設(shè)線路避雷器保護(hù)，使線路耐雷水平滿足規(guī)范及線路安全運(yùn)行要求。

(3) 在加強(qiáng)防雷措施的同時，應(yīng)定期檢測過電壓保護(hù)裝置及電纜頭性能是否滿足要求，如箱變需要進(jìn)行技改時，建議將過電壓保護(hù)器裝置更換為避雷器。

(4) 電纜線路可以在一定程度上降低遭受雷擊的概率，但應(yīng)盡量回避高電阻率區(qū)域及地形突變區(qū)域。為降低電纜線路遭受雷擊的概率，可以在電纜線路上方敷設(shè)1根屏蔽線，可以大幅降低土壤的電位值，有利于確保電纜線路安全。

(5) 由于線路跳閘事故中瞬時性故障占到60%～70%，為避免電量損失，建議后期加強(qiáng)線路重合閘的可行性研究[7]。