山地多石風電場集電線路直擊雷防護技術研究與實踐

國家電投集團江蘇新能源有限公司 魏 賽 周慶根 顧漢富 張樹臣 劉湘毅

徐州賈汪風電場位于徐州市賈汪區(qū)，為江蘇境內(nèi)第一家山地風電項目。賈汪風電總裝機容量為74MW，于2014年9月開工建設，2015年6月全容量并網(wǎng)。賈汪風電屬于三類山地風場，全年平均風速5m/s左右，可利用小時數(shù)為2009小時，大風期主要集中在春冬兩季。山體為多石地質結構，集電線路無法敷設電纜，采用架空避雷線方式，桿塔大多在山坡上，桿塔接地電阻平均為20Ω。

1 防雷狀況及其分析

集電線路及雷擊事故情況。賈汪風電場37臺風機均建在多石地質結構的山頂上，海拔80～200米，該地區(qū)夏季雷暴頻繁，平均雷暴天數(shù)為29天，4條35kV集電線路共33km，桿塔高度平均20m，集電線路屢次遭受雷擊。為解決雷擊問題，全部桿塔安裝了避雷器但防雷效果有限，經(jīng)統(tǒng)計2015～2019年每年發(fā)生2～3起因雷擊引起線路跳閘事件，主要集中在1#集電線路，1#集電線路共35基桿塔，全長2.25km，桿塔間距離平均為64.3m。

雷電基本特征。雷電流波形分為波頭、波長、幅值，雷擊是持續(xù)多次的過程，分為首次雷擊、后續(xù)雷擊、長時間雷擊等。其中首次雷擊幅值最大、能量最強。根據(jù)我國大部分地區(qū)多年實測得到的1205個數(shù)據(jù)統(tǒng)計，雷電流幅值≥40kA的雷電流占45%，≥80kA的雷電流占17%，≥108kA的雷電流占10%；我國實測最大雷電流330kA只占0.1%，其余27.9%雷電流幅值＜40kA。雷電流波形是個復雜的過程，根據(jù)統(tǒng)計規(guī)律總結的首次雷擊電流波形參數(shù)為10/350μs，即波頭時間τf=10μs、波長時間τt=350μs。

雷電對集電線路的反擊和繞擊。雷電接閃過程及其隨機性非常復雜，分為繞擊和反擊，反擊是雷擊線路桿塔或避雷線時，雷電流通過雷擊點阻抗使該點對地電位大大升高，當雷擊點與導線間的電位差超過絕緣的沖擊放電電壓時會對導線發(fā)生閃絡，使導線出現(xiàn)過電壓；繞擊是雷電繞過避雷線直接擊中導線，直接在導線上引起過電壓[1-2]。35kV的輸電線路屬于電壓等級低的高壓線路、耐雷水平較低，在賈汪風電場由于山體多為巖石、土壤電阻率高，不能很好地泄放雷電到地下去，升高了桿塔的雷擊電壓，使得線路耐雷水平更低。

圖1 雷電對集電線路的反擊和繞擊

圖2 新型直擊雷防護裝置

35kV絕緣子雷電沖擊閃絡實驗。賈汪風電場集電線路為復合材料的絕緣子串，50%閃絡電壓為295kV，集電線路桿塔接地電阻為20Ω時，當雷電流到達14.75kA時發(fā)生雷擊閃絡的概率為50%。

有地線線路耐雷水平要求。國家標準《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合設計規(guī)范》[3]（GB/T 50064-2014）中規(guī)定，有地線線路的反擊耐雷水平（kA）不宜低于以下所列數(shù)值。單回線路系統(tǒng)標稱電壓（kV）及其反擊耐雷水平（kA）分別為：35/24～36、66/31～47、110/56～68、220/87～96、330/120～151、500/158～177、750/208～232；同塔雙回線路系統(tǒng)標稱電壓（kV）及其反擊耐雷水 平（kA）分 別 為：110/50～61、220/79～92、330/108～137、500/142～162、750/192～224。

雷擊原因分析。依據(jù)GB/T 50064-2014，參考《35kV絕緣子雷電沖擊下閃絡特性實驗分析》實驗數(shù)據(jù)，賈汪風電集電線路桿塔接地電阻至少應小于12.3Ω。全國范圍內(nèi)統(tǒng)計40kA～80kA范圍內(nèi)的雷電流占45%，40kA以下的雷電流占27.9%。雖然全國統(tǒng)計與實驗室實驗結果與賈汪實際情況會有些差異，但可以說明接地電阻高是集電線路遭受雷擊的主要原因。由于地質條件限制，接地電阻很難做到20Ω以下，通過安裝避雷線、避雷器等沒能解決雷擊問題，只能尋找其他直擊雷防護方案。

2 新型直擊雷防護裝置

為了解決賈汪風電場直擊雷雷電防護問題，引進新型直擊雷防護技術，基本要求是能滿足桿塔接地電阻20Ω的現(xiàn)狀。

2.1 雷電過程簡介

雷云對大地放電通常分為先導放電、主放電和輝光放電三個階段：先導放電。開始時往往從雷云邊緣向地面發(fā)展，以逐級推進方式向下發(fā)展。這種放電稱為先導放電（下行先導），當先導接近地面時，地面上一些高聳的物體會發(fā)出向上的迎面先導（上行先導）；主放電。當上行先導與下行先導相遇時，就出現(xiàn)了強烈的電荷中和過程，出現(xiàn)極大的電流（數(shù)十到數(shù)百千安），伴隨著雷鳴和閃光，這就是雷電的主放電階段；輝光放電。主放電完成后，云中剩余的電荷沿著原來的主放電通道繼續(xù)流入大地，看到的是一片模糊的發(fā)光，這就是輝光放電。

2.2 新型直擊雷防護裝置介紹

新型直擊雷防護裝置接地電阻設計指標為30Ω，在其他項目應用中80Ω情況下仍可正常工作，該技術適用于賈汪風電場直擊雷防護應用。新型直擊雷防護裝置與引雷入地技術不同，是通過阻斷雷電通道的技術讓雷不落在防護區(qū)域、達到防雷目的。該裝置為無源設備，通過十幾年應用設備可靠、技術成熟。從雷電過程可知，當上行先導與下行先導相遇時打通放電通道是形成雷電主放電的關鍵點，該裝置是在此關鍵點以納秒級速度斷開接地，阻斷了主放電的過程，產(chǎn)品結構如下：

工作過程如下：狀態(tài)1：感應場強達到闕值前開關為斷開狀態(tài)；狀態(tài)2：感應場強達到闕值后開關導通，迅速從地面裝載或釋放大量電子、提供感應能量；狀態(tài)3：感應場強達到擊穿空氣條件后，激發(fā)先導放電，感應場強跌落到闕值以下，開關迅速斷開，回到狀態(tài)1。其中：狀態(tài)3阻斷雷電通道，狀態(tài)1、2不具備雷電形成條件。由此可知，狀態(tài)3時感應電極發(fā)出上行先導，具備了“與下行先導相遇”條件，即形成放電通道的條件，但此時變阻抑制器總是呈高阻狀態(tài)，達到了阻斷雷電通道目的；在狀態(tài)2時，變阻抑制器導通，目的是為了從大地補充感應電極的能量形成狀態(tài)3，此過程接地電流很小，對接地電阻要求設計為30Ω。

3 工程設計與安裝

工程設計。依據(jù)為雷擊事件資料和現(xiàn)場考察分析，賈汪風電場共4條35kV集電線路，雷擊主要集中在1#集電線路，共35基桿塔全長2.25km。經(jīng)過現(xiàn)場考察，1#線路沿著平原與山地交界面架設，是氣流抬升易形成雷電的典型地貌，由于本項目規(guī)模限制，全部集電線路直擊雷防護裝置35臺安裝在1#集電線路。原有避雷線、避雷器等防雷設施保持不變，在繼續(xù)發(fā)揮原有防雷功能條件下，不影響新型直擊雷防護裝置功能；工程安裝。新型直擊雷防護裝置安裝在桿塔頂端高出1米的位置，不需要專門的接地引下線，利用鐵塔即可完成接地功能。該裝置為無源設備，僅使用金屬安裝附件固定在桿塔上即可。

綜上，新型直擊雷防護設備安裝后，經(jīng)過一個雷雨季節(jié)的運行，1#集電線路沒有發(fā)生雷擊跳閘事故，雷電監(jiān)測裝置沒有記錄到雷電流數(shù)據(jù)，解決了自賈汪風電投運以來通過加裝避雷線和避雷器都沒有解決的防雷難題。