一種山地風(fēng)電場3 5 k V集電線路防雷技術(shù)的應(yīng)用

劉艷，姚劍平

（國家電投集團(tuán)云南國際電力投資有限公司，昆明650228）

0 前言

云南省位于我國西南邊陲，地處低緯高原，因氣候類型多樣、地區(qū)差異懸殊、季節(jié)分配不均勻、年際變幅較大，災(zāi)害性天氣多發(fā)頻發(fā)，是全國雷暴高發(fā)區(qū)，全省大部分地區(qū)年均雷暴日數(shù)在60天以上。全省范圍的雷暴天氣一般從4月進(jìn)入雨季開始，到10月左右結(jié)束。其中楚雄州是云南省雷暴發(fā)生最為頻繁的地方，也是全國聞名的“雷都”之一，年均雷暴日達(dá)到62天以上。

云南省風(fēng)電場的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通常沿高山的山脊布置，因此風(fēng)電場的集電線路路徑根據(jù)風(fēng)機(jī)的位置分布特點(diǎn)，或在山脊，或跨越山谷，路徑總長達(dá)幾十公里甚至上百公里，極易遭受雷擊。

在我國線路防雷規(guī)程中，一般以40日/ 年的雷暴日作為線路防雷設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，這就使得集電線路的防雷在設(shè)計(jì)之初，標(biāo)準(zhǔn)比較低。因此，山地風(fēng)電場集電線路每年雷雨季節(jié)遭雷擊閃絡(luò)造成跳閘和停電十分頻繁。線路雷擊跳閘對線路和桿塔本體、升壓站和風(fēng)電機(jī)組等設(shè)備可能造成嚴(yán)重的損失，甚至威脅人身安全。線路雷擊跳閘后，線路運(yùn)維人員開展故障排查和處理工作時(shí)，也面臨較大人身安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，研究并采取促使提高線路防雷水平，對確保風(fēng)電場集電線路的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重大意義。

本文以位于楚雄州的某山地風(fēng)電場為例，著眼于應(yīng)用一種新型防雷技術(shù)，即風(fēng)電場集電線路避雷器改造、人工定位引雷系統(tǒng)性防雷解決方案及加裝高原型避雷器的塔桿的接地裝置的改造方式，達(dá)到預(yù)防和減少集電線路跳閘事故的目的。

1 35 kV集電線路雷擊跳閘主要原因

輸電線路雷擊跳閘是大氣過電壓通過輸電線路的桿塔形成導(dǎo)電通道，從而導(dǎo)致輸電線路的絕緣擊穿。根據(jù)對云南省楚雄州境內(nèi)某風(fēng)電場的35 kV 集電線路雷擊跳閘的情況分析，無論是雷電反擊或繞擊而造成的線路跳閘，都與桿塔的塔型、絕緣強(qiáng)度、接地電阻、線路沿線的地形及雷電活動(dòng)等多個(gè)因素綜合影響相關(guān)。以此山地風(fēng)電場為例，簡要分析35 kV 集電線路雷擊跳閘的原因。

1.1 某風(fēng)電場基本情況

風(fēng)電場整體的布置分為南部、北部兩個(gè)區(qū)域，主風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng)向。其中南部風(fēng)場共有八回集電線路，橫切迎風(fēng)面布置，且有多處跨越溝箐容易遭受雷擊。在南、北部風(fēng)場中間有一條500 kV 輸電線路穿過，雷云到來時(shí)南部風(fēng)場和500 kV 輸電線路在北部風(fēng)場前端，大部分雷云會先對橫切迎風(fēng)面的線路進(jìn)行放電，當(dāng)風(fēng)向?yàn)槲髂戏綍r(shí)南部風(fēng)場遭受雷擊的風(fēng)險(xiǎn)概率比北部風(fēng)場高得多。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年遭遇雷擊跳閘次數(shù)10次之多。

此風(fēng)電場集電線路經(jīng)過地區(qū)年平均雷電日數(shù)為62 d，屬重雷區(qū)。且線路沿線露出地層巖性主要為頁巖、砂巖、泥巖和第四系黏性土組成。在設(shè)計(jì)階段考慮：

1）線路全線均架設(shè)雙地線，雙回路桿塔地線保護(hù)角小于10°、單回路桿塔地線保護(hù)角小于15°，地線間的水平距離不大于導(dǎo)線與地線間垂直距離的5倍，氣溫考慮在15℃，無風(fēng)時(shí)檔距中央導(dǎo)地線間最小距離滿足下式要求：S1≥0.012L+1（1）

2）35 kV 集電線路桿塔的安裝采用全線桿塔逐基接地，接地裝置在旱地和山區(qū)采用水平放射形接地體,在居民區(qū)及水田中采用閉合環(huán)型接地裝置。接地體用Φ10圓鋼敷設(shè),其埋設(shè)深度為耕地0.8 m，巖石地區(qū)0.3 m，其余地區(qū)0.6 m；接地引下線用-5×40×170 mm 扁鋼和Φ12圓鋼；對于土壤電阻率很大、接地裝置又難以延伸敷設(shè)的塔位，采取綜合降阻措施，改成敷設(shè)垂直接地極或添加降阻劑或兩者聯(lián)合。

3）塔桿接地電阻，依據(jù)GB 50545—2010《110 kV ～750 kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》，架空輸電線路桿的塔接地電阻值在不同土壤電阻率情況下的要求見表1。

表1架空輸電線路桿的塔接地電阻值在不同土壤電阻率

1.2 山地風(fēng)電線路雷擊跳閘主要原因分析

1）地形地貌方面，線路在穿越山區(qū)時(shí)，受地形的升降起伏引起線路保護(hù)角的變化影響，地線屏蔽失效的區(qū)間增大，雷擊跳閘率較處于地勢平緩地區(qū)的集電線路的雷擊跳閘率則顯著增高。同時(shí)，海拔高度增高，雷擊跳閘概率隨之增大。

2）雷擊塔頂及桿塔附近的避雷線，雷電流經(jīng)桿塔入地，造成塔頂較高電位，使絕緣子閃絡(luò)。集電線路桿塔的接地電阻不合格是影響線路雷擊跳閘率的重要因素之一。計(jì)算表明桿塔的接地電阻每增加10Ω～20Ω，線路的雷擊跳閘率會增加50%～100%。地質(zhì)條件、土壤腐蝕性和外力破壞都會影響接地電阻，因此在設(shè)計(jì)和施工階段，科學(xué)、合理地配置線路桿塔的絕緣水平和接地裝置的布置方式，會有效提高桿塔的防雷能力，尤其是能提高線路遭受繞擊時(shí)的耐雷水平，從而降低線路雷擊跳閘率。

表2

3）集電電路避雷線的保護(hù)角與繞擊區(qū)成正比，即保護(hù)角越大，其形成的繞擊區(qū)則越大，會導(dǎo)致增加繞擊次數(shù)。而在山坡上，坡面坡度的增大，則會降低避雷線屏蔽的有效性，增加繞擊次數(shù)。

4）設(shè)計(jì)的絕緣子的耐雷水平不能滿足實(shí)際要求。

5）集電線路終端塔雖安裝有避雷器，但由于避雷器選型的問題耐壓水平過低，一旦雷擊避雷器就容易擊穿，線路上的雷電流將無法有效泄放導(dǎo)致線路跳閘。

2 輸電線路感應(yīng)雷與直擊雷過電壓

2.1 感應(yīng)雷電過電壓

2.1.1 雷擊架空輸電線路方式

圖1雷擊架空輸電線路方式

2.1.2 雷擊大地時(shí)的感應(yīng)雷過電壓

根據(jù)理論分析和實(shí)測結(jié)果，我國規(guī)程中給出：當(dāng)雷擊點(diǎn)距輸電線路的距離s大于65 m 時(shí)，導(dǎo)線上產(chǎn)生的感應(yīng)過電壓最大值為。有避雷線時(shí)：

式中：

I—雷電流幅值，kA;

hd—導(dǎo)線懸掛平均高度，m；

s—雷擊點(diǎn)至線路的水平距離m；

hs—避雷線懸掛的平均高度（m）；

K0—避雷線和導(dǎo)線間的耦合系數(shù)。

2.1.3 雷擊塔頂/避雷線時(shí)導(dǎo)線上的感應(yīng)過電壓

式中：

a—電位系數(shù)kV/m

線路上感應(yīng)過電壓的極性與雷電流極性相反，峰值一般不高最大可達(dá)值約為300 kV-400 kV，波頭較長，陡度較小。

感應(yīng)電壓幅值比較小，一般只對35 kV 及以下線路絕緣有威脅。線路耐雷水平越高，閃絡(luò)跳閘率越低。

2.2 直擊雷過電壓

2.2.1 雷直擊導(dǎo)線過電壓

耐雷水平：

35 kV 電壓線路的雷電繞/直擊耐雷水平I0為3.5kA。

2.2.2 雷擊塔頂反擊時(shí)的過電壓及耐雷水平

當(dāng)雷擊線路桿塔頂端時(shí)，雷電流I將流經(jīng)桿塔及其接地電阻Rch流入大地。考慮桿塔的電感Lgt，雷電流波行為斜角平頂波，波頭為2.6 微秒，幅值為I，陡度為α=I/2.6。雷擊時(shí)塔頂最大電位為：

表3各級電壓輸電線路雷擊塔頂反擊耐雷水平

2.2.3 有避雷線時(shí)直擊雷過電壓

a.繞擊；

b.雷擊塔頂；

c.雷擊檔距中央。

①雷繞過避雷線擊于導(dǎo)線的過電壓及耐雷水平。

雷繞過避雷線擊于導(dǎo)線的次數(shù)與雷擊線路總次數(shù)之比稱為繞擊率Pa

避雷器外側(cè)導(dǎo)線的保護(hù)角α，桿塔高度h；地形條件：對山區(qū)線路

繞擊時(shí)的過電壓為：

故線路的耐雷水平為：

繞擊耐雷水平與保護(hù)角關(guān)系很大。

②雷擊有避雷線塔頂桿塔

分流系數(shù)計(jì)算：

βg與雷電流陡度無關(guān)，而隨時(shí)間變化。為了便于計(jì)算，工程上t 值取0～2.6 微秒的平均值，因此有：

所以由上可得桿塔的分流系數(shù)βg。

表3

絕緣子串上的電壓如不計(jì)耦合系數(shù)：

計(jì)耦合系數(shù)：

雷擊塔頂時(shí)的耐雷水平：

由此可見影響因素有：1.桿塔沖擊接地電阻；2.桿塔分流系數(shù)；3.導(dǎo)線與避雷線耦合系數(shù)Kc；4.桿塔等值電感；5.絕緣子串沖擊放電電壓U50%。

由此得出結(jié)論；防雷擊跳閘的手段

①增加絕緣子，可以增加耐雷措施。

②降低接地電阻，對于一般高度的桿塔，沖擊接地電阻Rch的電壓降是塔頂電位的主要成分。

③提高耦合系數(shù)Kc，常規(guī)做法是，降單根避雷線改為雙避雷線，甚至在導(dǎo)線下方增設(shè)耦合地線，其作用是增強(qiáng)導(dǎo)線、地線間的耦合作用。

3 集電線路防雷的措施及應(yīng)用

線路跳閘雷擊引起線路導(dǎo)致跳閘需滿足一定的條件：

雷擊中→雷電流≥線路耐雷水平→引發(fā)閃絡(luò)→建立穩(wěn)定的工頻電弧→跳閘。

針對此條件線路防雷設(shè)置四道防線：①防止雷擊中導(dǎo)線；

②防止雷擊中后引起絕緣閃絡(luò)；

③防止雷擊閃絡(luò)后轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的工頻電?。虎芊乐咕€路供電中斷。

3.1 在35 kV集電線路安裝氧化鋅避雷器

從南、北部風(fēng)場升壓站出線前四桿塔桿安裝了YT-G-51 高原型中壓氧化鋅避雷器各96 組。因雷電擊中地線后地線和線路上存在閃絡(luò)的可能，在線路上會出現(xiàn)感應(yīng)過電壓與繞擊過電壓重疊的浪涌，因此選擇線路避雷器時(shí)需要考慮站端與機(jī)端可能承受的最大預(yù)期雷電流。在進(jìn)升壓站前3桿依次安裝20 kA、10 kA、5 kA 能量配合的3組3級避雷器對雷電流進(jìn)行逐級泄放。安裝了采用脫扣器連接的高原型氧化鋅避雷器，一方面提高了線路的絕緣水平，另外可通過脫扣裝置的情況快速查找到故障點(diǎn)。

3.2 在易遭受雷擊的塔桿上安裝防繞擊主動(dòng)接閃避雷針

圖2塔桿上安裝防繞擊主動(dòng)接閃避雷針

在強(qiáng)雷電區(qū)域，為防止線路繞擊，地線和導(dǎo)線應(yīng)采用負(fù)保護(hù)角。而風(fēng)電場現(xiàn)場實(shí)際為正保護(hù)角，為減少線路的繞擊，在共36基塔桿易遭受雷擊的塔桿上安裝防繞擊避雷針，重點(diǎn)在選型方面，避雷針針頭采用歐米加Ω-25X 提前預(yù)放電避雷針。

當(dāng)雷電云層形成時(shí)，雷電云層內(nèi)部會形成一個(gè)下行先導(dǎo)并以階梯形式向地面移動(dòng)，下行先導(dǎo)攜帶著的電荷與地面建立起電場，此時(shí)地面上的凸起物體或金屬部件產(chǎn)生一個(gè)上行的先導(dǎo)，此上行先導(dǎo)向上傳播與下行先導(dǎo)會合后，閃電電流就流過所形成的通道。因?yàn)榈孛嫔系耐蛊鹞矬w或金屬部件可能會形成多個(gè)上行先導(dǎo)，而與下行先導(dǎo)會合的第一個(gè)上行先導(dǎo)，就決定了雷擊的具體位置。

安裝防繞擊主動(dòng)接閃避雷針，提前放電避雷針的工作原理就是在桿塔頂端部位人為產(chǎn)生一個(gè)比普通避雷針更快、更靈敏的上行先導(dǎo)。在同等條件（高度）下，主動(dòng)提前預(yù)放電型避雷針較普通避雷針保護(hù)范圍更大，其主要特點(diǎn)一是采用無放射性元素的不銹鋼材料，耐腐蝕和抗風(fēng)能力較強(qiáng)；二是無需供電，無需配置相關(guān)耗能元件，免維護(hù)；三是重量輕，安裝簡單，無需加裝同軸屏蔽電纜。

圖3相同條件下具有提前45us的上行先導(dǎo)觸發(fā)時(shí)間

3.3 安裝避雷器及避雷針的塔桿接地系統(tǒng)改造

風(fēng)電場原設(shè)計(jì)的塔桿接地電阻值要求是在斷開地線、不同土壤電阻率的條件下，各塔桿的接地電阻值是10歐到30歐不等，原設(shè)計(jì)施工采用圓鋼水平敷設(shè)120米，埋深0.6米。加裝主動(dòng)接閃型避雷器后，塔桿的接地電阻原則上應(yīng)盡可能低，其四季實(shí)測最大值需小于8歐姆。因此需要對桿塔接地網(wǎng)進(jìn)行改造，改造的接地網(wǎng)在平面內(nèi)敷設(shè)成條狀，水平接地體采用40×4熱度鋅扁鋼，垂直接地體采用50×5×1500熱鍍鋅角鋼。水平接地體的埋設(shè)深度應(yīng)大于0.6 米，焊接工藝嚴(yán)格執(zhí)行國家相關(guān)規(guī)范要求。接地體埋設(shè)時(shí)要重點(diǎn)做好：

安裝接地體的埋設(shè)深度應(yīng)大于0.6米，有條件的情況下宜適當(dāng)深埋。角鋼及鋼管接地體采用垂直埋設(shè)的方式。

圖4接地極安裝圖

1）接地體敷設(shè)完畢后,對基坑進(jìn)行回填。回填土內(nèi)不能夾雜有石塊和建筑垃圾等，應(yīng)以原土或細(xì)粘土等進(jìn)行回填，且至少應(yīng)保證接地體周圍有30～50 cm 細(xì)土，并采用水澆沉實(shí)法（結(jié)合專用回填料效果更佳），在回填土?xí)r應(yīng)分層夯實(shí)。

2）扁鋼與接地體用電焊焊接時(shí)應(yīng)將扁鋼拉直，焊后清除表面的藥皮，并涂刷瀝青做防腐處理。

3）接地極連接完畢后，應(yīng)檢查并核對接地極材質(zhì)、安裝位置、焊接的質(zhì)量，接地體的截面、規(guī)格等是否符合設(shè)計(jì)及施工驗(yàn)收規(guī)范要求。滿足條件后，方可回填，分層進(jìn)行夯實(shí)。

4 結(jié)束語

通過在35 kV 集電線路加裝帶脫扣裝置的高原型避雷器、在塔桿上安裝主動(dòng)接閃桿并獨(dú)立引下雷電流、接地裝置進(jìn)行降阻改等措施，經(jīng)驗(yàn)證某風(fēng)電場線路雷擊跳閘次數(shù)得到了顯著降低，減少了因雷擊跳閘造成的發(fā)電量損失，同時(shí)也有效避免了線路運(yùn)維人員在故障查找、高空作業(yè)時(shí)的安全風(fēng)險(xiǎn)。

此項(xiàng)防雷改造技術(shù)難度低，無需對原有桿塔結(jié)構(gòu)、受力和材料改變的情況下就可完成，同時(shí)停電時(shí)間短，多條線路可逐條進(jìn)行停電改造，不影響風(fēng)電場其他線路正常運(yùn)行，對省內(nèi)山地風(fēng)電場的線路防雷具有很強(qiáng)的借鑒意義。