35 kV集電線路缺陷整改與避雷器擊穿分析

安麗芳

（甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000）

0 引 言

我國(guó)科技不斷進(jìn)步，人們對(duì)電力的需求也越來越大，因此提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性能至關(guān)重要。古浪風(fēng)電場(chǎng)位于甘肅省武威市古浪縣東南方向新堡鄉(xiāng)境內(nèi)，電場(chǎng)距古浪縣城約120 km，距景泰縣城約58 km[1]。海拔高程為2 600～3 050 m之間，屬高海拔高寒地區(qū)，每年10月至次年5月均會(huì)出現(xiàn)低溫雨雪天氣。風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，型號(hào)為遠(yuǎn)景能源生產(chǎn)的EN-110/2.2MW，發(fā)電機(jī)組的總裝機(jī)容量約為100 MW，年設(shè)計(jì)發(fā)電量2.24億kW·h。目前風(fēng)電機(jī)已經(jīng)實(shí)行并網(wǎng)發(fā)電[2]。古浪風(fēng)電場(chǎng)在確保安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，著力抓好經(jīng)濟(jì)運(yùn)行指標(biāo)提升，通過隱患排查與消缺整治提高設(shè)備利用率，開展設(shè)備健康分析，爭(zhēng)創(chuàng)區(qū)域內(nèi)風(fēng)電一流指標(biāo)[3]。古浪風(fēng)電場(chǎng)中的35 kV架空集電線路自投運(yùn)以來，生產(chǎn)運(yùn)行中發(fā)生多次故障，截止目前，已損壞避雷器21個(gè)，損壞電纜終端頭6個(gè)，引下線脫落27次，避雷器連接線斷裂4次，損失電量194萬kW·h。該風(fēng)電場(chǎng)的35 kV架空集電線路頻繁出現(xiàn)避雷器擊穿、電纜頭擊穿爆裂、連接線脫落等問題，給風(fēng)電場(chǎng)安全生產(chǎn)工作帶來嚴(yán)重威脅，并造成了電量損失，受到電網(wǎng)考核[4]?；诖耍疚奶岢隽?5 kV架空集電線路缺陷整改與避雷器擊穿分析。

1 集電線路缺陷故障分析

氧化鋅避雷器的保護(hù)性能有一定的優(yōu)勢(shì)，具有結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單、容量大等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電網(wǎng)的建設(shè)中。在古浪風(fēng)電場(chǎng)的架空集電線路風(fēng)機(jī)終端塔上采用避雷器保護(hù)電力設(shè)備，并按照相關(guān)的規(guī)程規(guī)范對(duì)避雷器進(jìn)行設(shè)計(jì)選型[5]。35 kV架空集電線路自投運(yùn)以來，屢次出現(xiàn)避雷器擊穿事故，現(xiàn)對(duì)避雷器的故障原因進(jìn)行初步分析，其原因之一為集電線路設(shè)備的質(zhì)量問題。古浪風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)在3 500 m的高海拔地區(qū)，因此產(chǎn)品實(shí)用性能必須滿足高海拔的使用要求，使產(chǎn)品的爬電比距、絕緣性能滿足工程地區(qū)使用條件[6]。原因之二為鐵塔的接地電阻也必須滿足高海拔的使用要求，建議對(duì)架空集電線路設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)。

如果擊穿事故出現(xiàn)在雷電季節(jié)的雷電時(shí)期，那么發(fā)生故障的原因也有可能是因?yàn)槔纂娏?，而鐵塔的接地電阻如果不滿足要求，高電壓的沖擊電流不能及時(shí)地導(dǎo)向大地，則會(huì)出現(xiàn)擊穿事故[7]。古浪風(fēng)電場(chǎng)地理位置相對(duì)特殊，雷雨天氣、冬春過渡時(shí)期、陰雨天氣都容易使設(shè)備受潮，因此產(chǎn)品的密封性能也是避雷器運(yùn)行中容易出現(xiàn)事故的致命點(diǎn)。

雷擊事故產(chǎn)生的原因主要以箱變低壓側(cè)受損為主，當(dāng)雷電流流入到接地網(wǎng)中，經(jīng)過接地網(wǎng)傳導(dǎo)到大地。受到接地電阻的影響，接地網(wǎng)電位會(huì)持續(xù)升高，與沖擊接地雷電流的峰值成正比例變化，基于接地體在高頻率的電流效應(yīng)下，地電位的分布與雷擊點(diǎn)和地網(wǎng)的分布情況存在一定的關(guān)聯(lián)。在發(fā)生雷擊時(shí)，接地網(wǎng)上方的電纜中會(huì)產(chǎn)生一定的電壓，避雷器兩端承受的電壓與低壓側(cè)電纜的感應(yīng)電壓差較大。在SPD設(shè)備表面出現(xiàn)聚集水氣的情況時(shí)，控制絕緣部分沿放電通道擊穿，導(dǎo)致相間對(duì)地放電，形成工頻續(xù)流，致使設(shè)備及架空集電線路形成缺陷故障。

綜合上述分析，為避免避雷器發(fā)生故障，保證線路安全運(yùn)行。一方面需加強(qiáng)設(shè)備質(zhì)量的檢驗(yàn)，另一方面需加強(qiáng)架空集電線路的運(yùn)行監(jiān)督。

2 基于35 kV的架空集電線路缺陷整改與避雷器擊穿分析

2.1 構(gòu)建雷電放電模型

選取Heidler函數(shù)算法，構(gòu)建雷電放電模型，記錄雷電的放電全過程，獲取到雷電流放電中的電流波形變化，如圖1所示。

圖1 雷電放電電流波形變化

如圖1所示，雷電流在5～30 kA變動(dòng)時(shí)，避雷器通道內(nèi)的阻抗為500～800 Ω；雷電流在20～300 kA變動(dòng)時(shí)，避雷器通道內(nèi)的阻抗為250～700 Ω，通常選取350 Ω。

為了研究避雷器的擊穿作用，在模型中設(shè)置風(fēng)機(jī)遭受雷電擊穿時(shí)，箱變兩側(cè)的電壓參數(shù)值，如表1所示。

表1為本文構(gòu)建的雷電放電模型的電壓參數(shù)設(shè)置，保證箱變低壓側(cè)的電涌保護(hù)器能夠穩(wěn)定運(yùn)行，限制模型中低壓側(cè)的電壓情況，保護(hù)避雷器正常運(yùn)行。

表1 箱變兩側(cè)電壓參數(shù)設(shè)置

2.2 計(jì)算35 kV架空集電線路接地電阻

采用熱鍍鋅扁鋼，采用一定的措施控制風(fēng)電機(jī)組之間的距離，保證距離大于1.3 m，布置環(huán)形接地體在集電線路周圍，結(jié)合集電線路與避雷器所在地的環(huán)境條件，設(shè)置環(huán)形接地體作為自然接地體。在環(huán)形接地體上安裝熱鍍鋅角鋼，并設(shè)置接地體的水平接地線，增設(shè)長(zhǎng)度約為2.6 m的接地極，敷設(shè)接地體，根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)際雷擊情況調(diào)整接地體敷設(shè)方向。35 kV架空集電線路接地體的接地電阻計(jì)算公式為：

式中：ρ表示土壤的電阻率，通常取值1 200 Ω；L表示接地極的總長(zhǎng)度；h表示接地極的埋設(shè)深度；d為接地極的水平直徑長(zhǎng)度；k為降阻的常規(guī)系數(shù)；A表示接地極的形狀系數(shù)，通常情況下取值范圍為0.1～1。復(fù)合接地網(wǎng)的接地電阻計(jì)算公式為：

式中：R1=5.5Ω，代表集電線路水平接地體的電阻；Rn2表示多根集電線路的垂直接地極電阻。35 kV集電線路的實(shí)際值與計(jì)算結(jié)果之間存在較小的誤差，通常情況下，選取相對(duì)復(fù)雜環(huán)境下的計(jì)算結(jié)果。由于風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)土壤的電阻率較普通環(huán)境高，在集電線路的缺陷整改過程中采用外引接地的方式，擴(kuò)大接地網(wǎng)的受力面積，增大接地極與地面之間的距離，進(jìn)行有效降阻。

2.3 整改箱變室的等電位連接

35 kV架空集電線路與箱變室內(nèi)設(shè)備具有一定的獨(dú)立性，桿塔接地與箱變中性點(diǎn)不能夠直接連接，降低雷電流對(duì)設(shè)備運(yùn)行的干擾。在箱變室的等電位連接中，控制兩個(gè)接地點(diǎn)之間的獨(dú)立性，將接地點(diǎn)與接地網(wǎng)之間分開引接，保證引接點(diǎn)的距離大于8.9 m。將風(fēng)電場(chǎng)設(shè)備的電壓開關(guān)保護(hù)器的內(nèi)部，基于高溫材料的作用，制作成具有耐高溫性的電極，利用分隔片分隔放電部件，提高雷電釋放能力，預(yù)防雷電波較大時(shí)的放電作用。在35 kV架空集電線路中配合使用限壓型保護(hù)器，當(dāng)線路長(zhǎng)度過短時(shí)，增加退耦裝置，改造高能量電涌保護(hù)器，在導(dǎo)體的電極兩端安裝絕緣隔板，保證導(dǎo)體首尾端與接地網(wǎng)的緊密連接。

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

本次實(shí)驗(yàn)在山東省某高壓實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，選用1 500 kV的沖擊電壓發(fā)生器，基于Marx多級(jí)回路產(chǎn)生雷電沖擊波形與其他特殊沖擊電壓波形。設(shè)置沖擊電壓的穩(wěn)定性較高，雷電電流波形的參數(shù)以IEC 61250.1為標(biāo)準(zhǔn)。在雷電間隙的沖擊中，采用多斷點(diǎn)沖擊方式。分別選用兩種不同類型的35 kV絕緣子，一種為FWMS3復(fù)合絕緣子，控制絕緣長(zhǎng)度小于555 mm；另一種為L(zhǎng)PT-45玻璃絕緣子，絕緣長(zhǎng)度小于600 mm。保證避雷器的絕緣部分保持干燥，通過防雷間隙兩端的接地極連接避雷器與集電線路，隔離雷電沖擊以外的其他電壓作用。控制負(fù)極性沖擊次數(shù)，每隔半個(gè)小時(shí)測(cè)試一次空氣的濕度，采用升降法測(cè)量集電線路電壓，在若干次沖擊放電實(shí)驗(yàn)后，當(dāng)實(shí)驗(yàn)的樣品被雷電擊穿后，降低實(shí)驗(yàn)沖擊電壓，至少進(jìn)行40次沖擊實(shí)驗(yàn)，使擊穿次數(shù)占總實(shí)驗(yàn)次數(shù)的50%，提高實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確率。

3.2 結(jié)果分析

為了驗(yàn)證本文提出的35 kV架空集電線路缺陷整改與避雷器擊穿分析結(jié)果的有效性，設(shè)置本文提出的缺陷整改與避雷器擊穿方法為實(shí)驗(yàn)組，傳統(tǒng)的滅弧間隙防雷方法為對(duì)照組。對(duì)比兩種方法降低雷電流沖擊壓力的速度，實(shí)驗(yàn)的對(duì)比結(jié)果如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)圖2可知，本文提出的35kV架空集電線路缺陷整改與避雷器擊穿分析能夠快速降低雷電波沖擊的壓力，較傳統(tǒng)方法相比，對(duì)于沖擊電壓的控制速度較快，能夠有效地提高集電線路的可靠性，保護(hù)避雷器的穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié) 論

在電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大的背景下，35 kV架空集電線路受到雷擊的破壞可能不斷增大。本文提出了35 kV架空集電線路缺陷整改與避雷器擊穿分析，通過本文的研究分析，改善了傳統(tǒng)的避雷器防雷方面的缺陷，提高了集電線路的可靠性。通過實(shí)驗(yàn)證明，本文提出的方法能夠快速降低雷電波的沖擊電壓，保護(hù)避雷器的穩(wěn)定運(yùn)行。