風(fēng)電場輸電線路防雷技術(shù)的研究

劉昌衡，盧建寧，丁 劍

(1. 上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，上海 201418；2. 上?？睖y設(shè)計研究院有限公司，上海 200050)

1 3種防雷技術(shù)原理

架空輸電線路在風(fēng)電場中是舉足輕重的地位，長時間的裸露在自然界會發(fā)生雷擊、火災(zāi)、舞動、脫冰、斷線、倒塔、外力破壞、人身傷亡等事故，其中因為線路走廊較長、水文土壤條件較差、強(qiáng)對流天氣增多等不利因素，雷擊事故較為頻發(fā)，被認(rèn)為是影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的重要因素[1]。風(fēng)電場內(nèi)架空輸電線路應(yīng)基于地閃密度參數(shù)、地址參數(shù)、桿塔參數(shù)及耐雷性能進(jìn)行防雷設(shè)計，主要的3種防雷技術(shù)原理：

1.1 防直擊，使導(dǎo)線和鐵塔不受雷直擊

1.1.1 選址

架空輸電線路選址勘測時需要注意線路路徑，應(yīng)盡量避免海拔較高的地方，結(jié)合隆盛—六靖110 kV線路和某風(fēng)電場YB的集電線路近些年的跳閘記錄數(shù)據(jù)[2-3]，經(jīng)分析可以知道山脊處、海拔高的地方最容易在雷擊時產(chǎn)生故障，同時根據(jù)運行經(jīng)驗，容易起風(fēng)區(qū)域、大電阻率突變區(qū)域和突兀區(qū)域較容易遭受雷擊，也需要避開。

1.1.2 架設(shè)地線

風(fēng)電場內(nèi)因為要傳輸風(fēng)機(jī)控制信號，一般都會架設(shè)OPGW地線或ADSS地線，可以通過分流、耦合和屏蔽作用提高線路耐雷水平，地線是最有效和最基本的防雷措施，在雷電活動強(qiáng)的地區(qū)還可以采用架設(shè)藕合線方式提高耐雷水平[4-6]，架設(shè)耦合地線是指在導(dǎo)線的下方加掛地線，有文獻(xiàn)表明在采用架空地線后防雷效果不明顯的情況下，采用架設(shè)2根耦合地線可以大大的提高耐雷水平，并通過實例計算得出架設(shè)耦合地線后能使線路耦合系數(shù)增高93.2%，降低了繞擊率[7]，另一方面，耦合地線還可以采用地埋方式，是指在沿線路走向在土里埋設(shè) 1～2根地線，并可以連接到下一基鐵塔的接地裝置上，也可以架設(shè)雙地線增加保護(hù)角。

1.1.3 安裝避雷針

1980年國外學(xué)者開始研究線路避雷針工作原理，我國從1993年逐步開始相關(guān)數(shù)據(jù)的研究[8]，線路避雷針能較大程度的對線路進(jìn)行直擊雷保護(hù)[9],降低線路發(fā)生故障的頻率，線路避雷針的形式也是多種多樣的，這里介紹幾種避雷針：可控放電型避雷針由金屬環(huán)、非線性電阻、儲能裝置、支架和可控針組成[10]，在地面場強(qiáng)較低時，儲能裝置會將雷云電場下空氣中的電荷儲存，可控針在電場強(qiáng)度足夠高時突然發(fā)生電位跳躍式上升，釋放儲能裝置里的能量，自主引發(fā)上行先導(dǎo)，可以形成上行雷或者中和下行雷，從而發(fā)揮保護(hù)輸電線路的作用，相對于傳統(tǒng)的富蘭克林避雷針，這種避雷針還能減輕感應(yīng)過電壓。線路型頭部分裂均壓式避雷針具有寬大頭部結(jié)構(gòu)的特點，較大的等效半徑降低了桿塔的微小截面線狀迎面先導(dǎo)，同時也減少了雷電下行先導(dǎo)電位和桿塔迎面先導(dǎo)之間的泄露電阻，避免雷電壓向桿塔方向發(fā)展，從而降低雷擊跳閘率[11]；多短避雷針可以抑制下行雷，大大提高空間臨界擊穿電壓，同時抑制塔頂導(dǎo)線產(chǎn)生迎面先導(dǎo)，能有效防止絕緣子串附近的導(dǎo)線遭到繞擊作用。地線側(cè)向避雷針可以有效減小地線保護(hù)角，對導(dǎo)線產(chǎn)生屏蔽作用。在平原地區(qū)，若雷擊跳閘率很高，可以采用架空線改為直埋電纜方案，還可以安裝預(yù)放電棒、負(fù)角保護(hù)針和消雷器防止雷電直擊作用?？偟亩裕芾揍樀恼嬲饔檬俏纂?，雷擊發(fā)生時，由于結(jié)構(gòu)和高度原因，避雷針比鐵塔更容易使云電場發(fā)生畸變，先發(fā)生電離并先產(chǎn)生迎面先導(dǎo)，再將雷電流通過接地裝置泄入大地，達(dá)到保護(hù)鐵塔的作用。

1.2 防閃絡(luò),使輸電線路受雷后絕緣不完全發(fā)生閃絡(luò)

絕緣子的閃落與絕緣子污穢程度有很大關(guān)系，空氣中的灰塵雜質(zhì)積落在絕緣子上，在小雨、霧、露或雪天氣時，濕潤的電解質(zhì)使絕緣子表面電導(dǎo)率增加，大氣過電壓作用下絕緣子串容易發(fā)生閃絡(luò)放電。有文獻(xiàn)分析了絕緣子閃落機(jī)理[12-13]，分析表明絕緣子污穢程度、濕潤程度、過電壓大小這3個方面對絕緣子閃絡(luò)影響較大，設(shè)計前應(yīng)考慮風(fēng)電場周圍污穢情況的發(fā)展趨勢，運行狀態(tài)下應(yīng)及時對污穢進(jìn)行清洗，這些措施都可以降低絕緣子的閃絡(luò)，提高線路的防雷水平。當(dāng)多回輸電線路遭受雷擊時，兩條或多條線路可能同時發(fā)生閃絡(luò)，對風(fēng)電場的運行造成嚴(yán)重影響。為了降低了多回閃絡(luò)率情況，有學(xué)者在EMTDC建立輸電線路模型進(jìn)行了仿真研究，在不增加總閃絡(luò)率的情況下，提出新的多回線路絕緣等級高的不平衡絕緣設(shè)計方法[14-17]，這為設(shè)計人員提供了另一種防雷設(shè)計思路。雷電流不能及時的泄露到大地時，也是造成絕緣子串閃絡(luò)的重要原因，可以通過降低接地電阻[18-23]，或適當(dāng)加強(qiáng)線路絕緣或者采用差絕緣方式通過減少工頻電場強(qiáng)度來阻止雷擊時絕緣子完全閃落。

1.3 防建弧

輸電線路發(fā)生閃絡(luò)后不建立穩(wěn)定的工頻電弧[24-26]，也不使它轉(zhuǎn)變?yōu)閮上喽搪饭收匣虿粚?dǎo)致線路跳閘。雷電流具有幅值大波長短的特點，當(dāng)雷電擊中導(dǎo)線后，它會傳輸?shù)浇^緣子串上會發(fā)生閃落過程，絕緣子閃落后，閃落電弧是不會引起線路跳閘事故的，當(dāng)閃絡(luò)電弧將空氣擊穿離解，發(fā)展成穩(wěn)定的工頻續(xù)流，形成相間短路時故障會發(fā)生；繼電保護(hù)裝置在弧道發(fā)展成穩(wěn)定電弧之前動作，可以阻止跳閘事件發(fā)生，從而保護(hù)線路?？梢酝ㄟ^及時更換零值絕緣子[27]、裝設(shè)自動重合閘裝置[28]或者將系統(tǒng)中性點采用非直接接地方式來避免建立穩(wěn)定工頻電弧。

2 案例分析

本工程桿塔位于寧夏自治區(qū)，線路經(jīng)過的區(qū)域個別月份常會有干雷天氣出現(xiàn)，部分桿塔極易因雷擊引起線路跳閘，而造成直接和間接的經(jīng)濟(jì)損失，同時影響供電穩(wěn)定性。為了提出有針對性的防雷措施，需要根據(jù)工程經(jīng)驗、雷擊痕跡和雷電定位監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測結(jié)果判別雷擊故障類型。雷擊輸電線路時產(chǎn)生的過電壓分為感應(yīng)雷過電壓和直擊雷過電壓2種，其中直擊雷根據(jù)雷擊點的位置不同分為反擊和繞擊2種情況，對于220 kV及以上高電壓線路，常常容易發(fā)生繞擊[29]，而低電壓線路容易發(fā)生反擊，本線路為風(fēng)電場內(nèi)35 kV集電線路，優(yōu)先考慮為反擊或者感應(yīng)雷造成的雷擊跳閘事故。

2.1 雷擊痕跡

在線路發(fā)生反擊時，導(dǎo)線、金具、絕緣子會有明顯的放電痕跡。最為直觀的現(xiàn)象發(fā)生在絕緣子上，對于耐張塔來說，雷擊點可能在橫擔(dān)上，先把橫擔(dān)燒傷后再燒傷絕緣子，放電的痕跡是從橫擔(dān)向絕緣子側(cè)，橫擔(dān)燒傷較為嚴(yán)重；對于直線塔來說，放電痕跡多發(fā)生在懸垂絕緣子的傘裙上，懸垂線夾上也會?？吹姐y白色的亮點。從發(fā)生故障的塔基數(shù)量或相數(shù)上看，反擊較容易造成一基多相或者多基多相發(fā)生閃絡(luò)，而繞擊容易造成單基單相或者相鄰兩基多相發(fā)生閃絡(luò)。

2.2 地址參數(shù)

本工程輸電線路走廊為西部丘陵地帶，地形有起伏，為荒漠區(qū)，中后部部分地形起伏較大。地質(zhì)情況為：①粉砂層(Q4eo I)，由風(fēng)積而成。以粉細(xì)砂為主，局部夾雜粉土薄層，含少量礫石及植物根系。層厚在0.40～1.80 m。②第二層為細(xì)砂層(Q4eo I)：紅褐色，以細(xì)砂為主，局部夾粉質(zhì)黏土薄層，含砂質(zhì)團(tuán)塊，屬第三系砂巖全風(fēng)化堆積物。③砂巖(E)、粉質(zhì)黏土、泥巖?？紤]到本工程項目所處的區(qū)域電阻率較高，所以優(yōu)化時以降阻為主，以減小保護(hù)角和增加耦合地線為輔。

3 仿真實驗

結(jié)合本文第2節(jié)中涉及風(fēng)場中輸電線路的鐵塔型號、導(dǎo)地線、絕緣子參數(shù)、地址參數(shù)、氣象條件和其他必要參數(shù)，檢驗不同的接地電阻值對避雷的效果的影響，進(jìn)行了仿真實驗。在構(gòu)建了鐵塔模型、塔腳接地模型、架空導(dǎo)線模型、電纜模型和避雷器模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)行3組仿真實驗，其他條件相同情況下鐵塔接地電阻分別是25、10和4 Ω。

3.1 仿真模型建立

3.1.1 鐵塔模型

鐵塔采用4段模型，用上相、中相和下相的橫擔(dān)位置將鐵塔分成4段[30]，用無損耗線路可以模擬沖擊波衰減的過程，用R-L并聯(lián)電路的串接可以模擬不同頻率沖擊波在鐵塔中衰減的快慢。

假定鐵塔的上部和下部波阻抗相同，Zt1=Zt2=Zt3=Zt4=Zt[31]，其中

用鐵塔全體衰減系數(shù)γ和各段相應(yīng)的長度h1,h2,h3,h4計算各段的參數(shù)。

r=-2Zt×lnγ/H

Ri=r×hi

Li=α×τ×Ri

式中：r為單位長電阻；H=h1+h2+h3+h4，即鐵塔全高。

3.1.2 塔腳接地

鐵腳暫態(tài)模型跟接地電阻有關(guān)。從暫態(tài)接地電阻的測量結(jié)果來看，工頻電阻較大時，初期的接地電阻小于工頻電阻，即呈現(xiàn)電容性；工頻電阻較小時，初期的接地電阻大于工頻電阻，即呈現(xiàn)電感性。

3.1.3 架空線和電纜模型

用4線(單回路)/7線(雙回路)Jmatri線路模型來描述在雷擊附近的架空線路，各參數(shù)如表1和表2所示。

圖中符號和單位之間用三相參數(shù)分布傳輸線路來模擬沿電纜的雷電侵入波傳播。電纜R=0.493 Ω/km,X=0.149 Ω/km,C=0.11 μF/km,L=0.474 5 mH/km

電纜線路的零序阻抗一般是通過實測確定，在近似計算中，可取r0=10r1,x0=(3.5～4.6)x1,式中的正序電阻和正序電抗通常是由制造廠提供。

3.1.4 氧化鋅避雷器

金屬氧化鋅避雷器采用非線性電感模型。

表1 4線(單回路)Jmatri線路模型Tab.1 4-wire (single loop) jmatri line model

表2 7線(雙回路)Jmatri線路情況Tab.2 7-wire (double circuit) jmatri line

圖1 (a) 線路側(cè)避雷器電壓;(b) A相避雷器電壓Fig.1 (a) line side arrester voltage,(b) A-phase voltage of arrester

圖2 (a) 線路側(cè)避雷器電壓; (b) A相避雷器電壓Fig.2 (a) line side arrester voltage,(b) A-phase voltage of arrester

3.2 仿真實驗結(jié)果

(1) 鐵塔接地電阻25 Ω,箱變接地電阻4 Ω時，仿真數(shù)據(jù)如圖1所示。

(2) 鐵塔接地電阻10 Ω,箱變接地電阻4 Ω時，仿真數(shù)據(jù)如圖2所示。

(3) 鐵塔接地電阻4 Ω,箱變接地電阻4 Ω時，仿真數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 (a) 線路側(cè)避雷器電壓; (b) A相避雷器電壓Fig.3 (a) line side arrester voltage,(b) A-phase voltage of arrester

綜合分析圖表線路側(cè)電壓值變化可以知道：接地電阻越小，雷電過電壓越??；綜合分析圖表中避雷器A相電壓可以知道：盡管安裝了線路側(cè)避雷器，電纜仍然承受很高的過電壓，由于雷電波的反射，箱變側(cè)避雷器過電壓高于線路側(cè)避雷器過電壓，這就解釋了為什么出現(xiàn)箱變側(cè)避雷器爆炸，而線路側(cè)避雷器完好的原因。

3.3 解決方案

本工程已經(jīng)采用常見的措施提高耐雷水平，例如：架設(shè)OPGW地線，部分塔型保護(hù)角小于0°，安裝線路型避雷器等，但是仍有部分鐵塔容易遭受雷擊，發(fā)生雷擊跳閘事件，使風(fēng)場安全仍存在安全隱患?，F(xiàn)在考慮因素為：原桿塔接地電阻大，易造成線路因雷擊等頻繁跳閘，急需對接地設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化。

3.3.1 采用傳統(tǒng)的接地方案。

桿塔所在區(qū)域大部分空曠區(qū)域，施工條件較惡劣，施工難度大，使用水平接地體設(shè)計、垂直和水平綜合接地體設(shè)計、石墨接地棒接地體設(shè)計等傳統(tǒng)接地方式開挖量大，搬運麻煩，且埋設(shè)后與土壤接觸不緊密，接地效果差，很難滿足接地電阻要求。

以500 Ω土壤的桿塔為例，水平接地體設(shè)計需要接地鋼材198.8 kg，放射長度為25 m，需要開挖土石方量為34.5 m3；綜合接地體設(shè)計需要接地鋼材231.7 kg，放射長度20 m，需要開挖土石方量為28.8 m3；石墨接地棒接地體設(shè)計需要接地鋼材169.3 kg，放射長度20 m，需要開挖土石方量為28.8 m3，接地模塊20只。

3.3.2 采用CET桿塔專用接地裝置

優(yōu)化方案考慮使用開挖量小、占地面積較少、放射長度短、降阻效果明顯、造價相對較低的CET桿塔專用接地裝置。

現(xiàn)以立在500 Ω土壤的桿塔為例，計算所需裝置數(shù)量。

距離塔基邊緣鋪設(shè)一圈地網(wǎng)的接地電阻

式中：ρ為校正后計算用土壤電阻率，500 Ω·m；S為塔基周圍鋪設(shè)地網(wǎng)面積(邊長取9 m)，81 m2。

要達(dá)到10 Ω的接地要求，并聯(lián)的CET需要達(dá)到的接地電阻為：

式中：R1為塔基邊緣地網(wǎng)接地電阻，27.78 Ω；R為桿塔要求接地電阻，10 Ω；η為并聯(lián)利用系數(shù)，0.85；R2=12.24 Ω。

單套CET桿塔專用接地裝置的接地電阻

Rv=0.07ρ=35 Ω

要達(dá)到12.24 Ω的接地要求，需要CET的數(shù)量為：

4套CET并聯(lián)接地電阻

4套CET與原地網(wǎng)并聯(lián)后接地電阻

同理可以可得其他土壤電阻率下所需CET裝置數(shù)量,如圖3所示。

表3 CET數(shù)量配置表Tab.3 Configuration of CET quantity

其他注意事項：

(1) 接地線的長度盡量短，地網(wǎng)在桿塔周圍45 m內(nèi)完成(參照ρ≤500 Ω·m)。

(2) 考慮安全因素，地網(wǎng)埋設(shè)埋深在0.6 m以下，部分區(qū)域確實不能開挖時，可降低要求，但不能小于0.4 m。

(3) 接地系統(tǒng)中所有電氣連接采用可靠放熱焊接，接頭應(yīng)做良好防腐涂層處理。

4 結(jié) 語

雷擊桿塔和導(dǎo)地線在輸電線路中是較為常見的事故，風(fēng)電場中架空輸電線路的防雷設(shè)計對其安全運行有著舉足輕重的地位，目前主要的防雷原理有3點：防直擊雷、防閃絡(luò)和防建弧。在設(shè)計時應(yīng)計算耐雷水平和雷擊跳閘率，科學(xué)合理采取某些措施，例如：增加絕緣子片數(shù)提高爬電距離、采用雙地線減小保護(hù)角等；運行后雷擊跳閘次數(shù)過多時，可以采取：降低接地電阻、增加耦合地線、及時清洗絕緣子、增加線路避雷器等措施。根據(jù)風(fēng)電場不同情況，采取有針對性的防雷設(shè)計方案才可以保證風(fēng)電場安全穩(wěn)定和減少人身事故。