風(fēng)電場(chǎng)35kV輸電線路雷擊跳閘原因分析及防雷措施研究

中國(guó)電建集團(tuán)海南電力設(shè)計(jì)研究院有限公司 蔡文發(fā)

可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的快速實(shí)施，使得人們?cè)桨l(fā)關(guān)注清潔、環(huán)保、綠色能源的應(yīng)用。風(fēng)能以其分布廣、儲(chǔ)量巨大、取之不盡、干凈環(huán)保、可循環(huán)等特點(diǎn)，被諸多電力企業(yè)所開發(fā)利用。但風(fēng)機(jī)建設(shè)一般主要分布于海上、山地等，此類地區(qū)氣候特征明顯，時(shí)常伴有自然災(zāi)害。以風(fēng)電場(chǎng)為例，線路雷擊就是常見故障之一，如發(fā)生了雷擊就會(huì)導(dǎo)致輸電線路出現(xiàn)跳閘現(xiàn)象，這就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)供電系統(tǒng)的運(yùn)行出現(xiàn)問(wèn)題，甚至?xí)绊懙饺粘Ｉa(chǎn)工作的開展，從而造成大面積的停電使得我國(guó)電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行受到影響。所以說(shuō)提升輸電線路的運(yùn)行穩(wěn)定性，做好雷擊預(yù)防工作非常必要。

1 實(shí)例分析

35kV 輸電線路雷擊事故現(xiàn)象。2020年度某風(fēng)電場(chǎng)35kV 輸電線路由于雷擊導(dǎo)致出現(xiàn)了跳閘現(xiàn)象。檢測(cè)人員通過(guò)分析變電站兩側(cè)的開關(guān)實(shí)際狀況可發(fā)現(xiàn)，遭受過(guò)雷擊的風(fēng)電場(chǎng)35kV 輸電線路以及電站兩側(cè)的開關(guān)都會(huì)受到破壞，甚至是電流互感器的絕緣也會(huì)受到影響，在對(duì)輸電線路檢測(cè)后，發(fā)現(xiàn)被雷擊的位置是處于輸電線路的中部位置，這就導(dǎo)致了其中的架空避雷線出現(xiàn)了斷路，在輸電線路的其他部位沒有發(fā)現(xiàn)明顯的損壞情況。

雷擊的類型。直接雷過(guò)電壓有三種現(xiàn)象：雷雨天氣的雷擊直接在塔桿的頂部；雷擊位置處于避雷線的中間；繞過(guò)避雷線機(jī)然后雷擊到導(dǎo)線上。雷擊過(guò)電壓的具體內(nèi)容分析：當(dāng)雷擊避雷線或是整個(gè)輸電線路的鐵塔時(shí)，雷電流會(huì)通過(guò)雷擊電阻抗，導(dǎo)致了導(dǎo)線與電位間的電位差距較大，甚至?xí)哂诮^緣沖擊所放的放電壓，這個(gè)時(shí)候就會(huì)出現(xiàn)反擊現(xiàn)象；雷電繞過(guò)避雷線后，擊中導(dǎo)線也同樣會(huì)出現(xiàn)繞擊現(xiàn)象。通過(guò)相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)及探究得出的結(jié)果如下：大多數(shù)情況下出現(xiàn)的是第1種現(xiàn)象，第2種現(xiàn)象出現(xiàn)的概率排第2位，概率較低的則是第3種現(xiàn)象。

2 35kV 輸電線路雷擊跳閘的主要原因分析

2.1 絕緣水平不足問(wèn)題

在以往的事故中使用傳統(tǒng)的老式避雷器，由于其運(yùn)行環(huán)境較差，因此在相電壓的作用下會(huì)產(chǎn)生較為強(qiáng)烈的電暈效應(yīng)，但由于周圍空氣中氧與氮的濃度較小，所以在避雷器氣壓及工頻下其放電電壓會(huì)逐步減小，甚至?xí)捎跊]有辦法將續(xù)流切斷引發(fā)避雷器爆炸的現(xiàn)象出現(xiàn)[1]。通過(guò)對(duì)平時(shí)日常運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行歸納總結(jié)，發(fā)現(xiàn)接地質(zhì)量與配電防雷息息相關(guān)。通過(guò)增加接地引線的長(zhǎng)度進(jìn)一步提升了接地地阻的數(shù)值，這種情況下接地裝置及接地引線如果質(zhì)量較差，在運(yùn)行過(guò)程中很可能會(huì)出現(xiàn)引線燒斷情況，導(dǎo)致雷擊電流并不能導(dǎo)入到地面。接地裝置由于受到裝置質(zhì)量、土壤以及環(huán)境等方面的影響，如雷電擊中的高壓線路在避雷針的作用下，雷電電流會(huì)在接地裝置上產(chǎn)生更高的電壓。

2.2 接地模式的選擇問(wèn)題

35kV 輸電線路分布范圍非常廣，也在一定程度上提高了雷擊的概率，由于自身絕緣水平問(wèn)題，即使出現(xiàn)感應(yīng)雷的現(xiàn)象也可能會(huì)引發(fā)跳閘。通過(guò)對(duì)現(xiàn)狀進(jìn)行研究，證實(shí)對(duì)于35kV 輸電線路而言，中性點(diǎn)接地方式的區(qū)別會(huì)在一定程度上影響到輸電線路的雷擊程度，如：

若中性點(diǎn)不接地，當(dāng)雷擊電通過(guò)輸電線路時(shí)會(huì)引發(fā)單相接地的短路故障，但又由于雷電流波長(zhǎng)較短，相應(yīng)的接地電弧就會(huì)自動(dòng)熄滅，這時(shí)造成接地電荷極其不穩(wěn)定。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題需注意，如接地相電壓減小，單相接地后則不可在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)運(yùn)行，后面容性電流的存在方式則是電弧，電弧高溫會(huì)在很大程度上損壞設(shè)備，引發(fā)斷路器跳閘。輸電線路在受到雷擊后會(huì)造成單相接地的故障，而電流電感與故障間的電容電流是能進(jìn)行的，因此可有效地抑制短路電弧的形成。但隨著35kV 輸電線路歷程逐漸增大，輸送的容量也會(huì)不斷增加，這時(shí)弧線圈處于欠補(bǔ)償狀態(tài)，要想熄滅所產(chǎn)生的電弧是非常困難的[2]。

若中性點(diǎn)接小電阻接地，在出現(xiàn)雷擊情況時(shí)，針對(duì)發(fā)生的短路故障，能在短時(shí)間內(nèi)檢測(cè)并對(duì)短路線路進(jìn)行隔離，避免故障范圍不斷擴(kuò)大。接地故障的短路電流會(huì)設(shè)置連續(xù)不斷的電弧，將系統(tǒng)與故障隔開，線路出現(xiàn)單相接地故障以后，電網(wǎng)經(jīng)受雷擊出現(xiàn)的跳閘率也會(huì)有大幅度增加。采用這種接線方式可提高零序電流保護(hù)的靈敏性，但會(huì)減小電網(wǎng)出現(xiàn)故障的概率，而架空線路主要發(fā)生的是瞬時(shí)故障，因此這也是引發(fā)線路跳閘的一個(gè)重要原因。

2.3 雷擊閃絡(luò)故障

對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)35kV 輸電線路而言，在搭設(shè)的桿塔數(shù)量較多情況下，接地電阻的數(shù)量也會(huì)隨之增加，與此同時(shí)35kV 輸電線路防雷抗雷水平將會(huì)受到不良影響，此外如線路分布十分密集，會(huì)提高遭受雷擊的概率，雷電流幅值很有可能超過(guò)設(shè)計(jì)的抗雷水平，會(huì)引發(fā)非常嚴(yán)重的雷擊閃絡(luò)故障。不僅如此，如線路絕緣水平不符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、絕緣能力不足，也會(huì)使輸電線路防雷和抗雷的能力受到影響。

如，絕緣子設(shè)計(jì)的串長(zhǎng)有25片，再經(jīng)過(guò)均壓環(huán)設(shè)計(jì)之后電氣間隙大約是23片，這種情況下塔頭間的間距是非常小的，會(huì)在一定程度上影響輸電線路的防雷和抗雷能力，有可能導(dǎo)致合成絕緣子出現(xiàn)防雷失誤的現(xiàn)象，受到非常嚴(yán)重的雷擊。有關(guān)實(shí)例表明，對(duì)于35kV 輸電線路而言，合成絕緣子很容易發(fā)生雷擊閃絡(luò)故障，在確保電氣間隙科學(xué)合理的基礎(chǔ)上，適當(dāng)提高絕緣子長(zhǎng)度可優(yōu)化防雷效果，但隨著絕緣子長(zhǎng)度的增加會(huì)改變絕緣子串對(duì)桿塔的風(fēng)偏裕度，這在一定程度上提高了絕緣子串的出現(xiàn)風(fēng)偏跳閘的幾率。因此需做好線路防雷及防風(fēng)偏統(tǒng)一控制工作，最大限度的減小輸電線路雷擊跳閘影響。

3 35kV 輸電線路雷擊跳閘的預(yù)防措施

3.1 進(jìn)行架空避雷線的架設(shè)

如風(fēng)電場(chǎng)35kV 輸電線路沒有進(jìn)行避雷設(shè)施的安裝，會(huì)在很大程度上提高雷擊的概率，受感應(yīng)雷影響，除引發(fā)雷擊跳閘外還有很多其他不良后果。因此風(fēng)電場(chǎng)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，可通過(guò)全線都設(shè)置架空避雷線的方式有效應(yīng)對(duì)感應(yīng)雷。架空避雷線后，感應(yīng)過(guò)電壓的具體表達(dá)式為Ui′=Ui(1-k)；Ui′為架設(shè)架空避雷線之后的感應(yīng)電壓；Ui 為未架設(shè)架空避雷線的感應(yīng)電壓；k 為耦合地線或避雷線對(duì)于導(dǎo)線的耦合系數(shù)。

從上述表達(dá)式中可看出，地線會(huì)對(duì)輸電線路導(dǎo)線產(chǎn)生耦合作用，從而使輸電線路的感應(yīng)電壓不斷減小，但在架設(shè)架空避雷線后能減小導(dǎo)線上的感應(yīng)雷過(guò)電壓，并將電壓減小到原來(lái)的1-k 倍，隨著系數(shù)K 的不斷增大導(dǎo)線上的感應(yīng)過(guò)電壓會(huì)逐漸減小。針對(duì)這種現(xiàn)象，需采取有效措施優(yōu)化未架空避雷線的線路桿塔，如全線架設(shè)架空避雷線的方式，以此給輸電線路運(yùn)行的穩(wěn)定性提供保障。

在2019～2020年底針對(duì)某風(fēng)電場(chǎng)35kV 輸電線路受到的雷擊跳閘次數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)得知，期間線路1和線路2只是單純進(jìn)行了架空避雷線，在這個(gè)期間分別受到了13次和7次的雷擊，總次數(shù)為20次，其他線路雷擊跳閘的次數(shù)均不超3次。相比于其他的線路來(lái)說(shuō)，進(jìn)行了全線架空避雷線就會(huì)有效降低雷擊跳閘次數(shù)，特別是對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)35kV 輸電線路來(lái)說(shuō)，通過(guò)采取此種類似的方式能有效達(dá)到防雷目的。

3.2 合理安裝避雷器

對(duì)風(fēng)電場(chǎng)35kV 輸電線路來(lái)說(shuō)，通過(guò)安裝避雷器能有效保護(hù)配電線路，防止其被雷擊中而出現(xiàn)跳閘。通過(guò)安裝避雷器能吸收掉放電過(guò)程中產(chǎn)生的能量并對(duì)配電線路進(jìn)行保護(hù)，這樣的避雷裝置不僅能保護(hù)絕緣子另一端的電位，還可降低兩端間的電位差，對(duì)于輸電線路來(lái)說(shuō)，其過(guò)壓幅值基本相差不大，因此為有效提升其防雷效果，就需安裝相應(yīng)的避雷器，在安裝過(guò)程中避雷器需與配電變壓器共同接在一個(gè)接地裝置上[3]。這種情況下的接地方式，一般是采用3點(diǎn)1地的接地方式，在輸電線路中避雷器發(fā)揮了其保護(hù)作用，對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)35kV 輸電線路可選擇安裝避雷器，以此來(lái)保證整個(gè)輸電線路的正常運(yùn)行。

3.3 強(qiáng)化防雷管理工作

根據(jù)目前已有的資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，整理出已受到雷擊的輸電線路信息，對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)35kV 輸電線路來(lái)說(shuō)，其防雷擊管理工作是一項(xiàng)長(zhǎng)期而且繁瑣的工作，須根據(jù)相關(guān)資料來(lái)建立完善的檔案進(jìn)行分析，并嚴(yán)格按照時(shí)間段來(lái)統(tǒng)計(jì)，還需根據(jù)單條線路實(shí)施橫向統(tǒng)計(jì)分析；定期對(duì)接地地主進(jìn)線統(tǒng)計(jì)排查，并組織相關(guān)的技術(shù)人員對(duì)風(fēng)電場(chǎng)35kV 輸電線路的桿塔進(jìn)行測(cè)試，確保輸電線路的完善性，特別是在雷雨季到來(lái)之前就必須對(duì)不合格的接地線進(jìn)行處理[4]。

針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)35kV 輸電線路的雷擊跳閘問(wèn)題要開展專門的分析討論大會(huì)，針對(duì)不同類型的雷擊跳閘現(xiàn)象進(jìn)行分析，從而得到相應(yīng)的防雷擊措施，總結(jié)過(guò)往的預(yù)防經(jīng)驗(yàn)，提升風(fēng)電場(chǎng)35kV 輸電線路防雷擊能力；根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)35kV 輸電線路避雷器上的信息來(lái)建立檔案管理體系，并根據(jù)實(shí)際的工作狀況來(lái)看尋雷電活動(dòng)的規(guī)律，有針對(duì)性地采取預(yù)防措施；電力企業(yè)要加強(qiáng)與當(dāng)?shù)貧庀蠊芾聿块T的溝通，針對(duì)當(dāng)?shù)氐睦子晏鞖庵贫ㄍ晟频念A(yù)警管理系統(tǒng)，確保在當(dāng)?shù)乩子昙緛?lái)臨之前強(qiáng)化對(duì)于輸電線路的管理，確保輸電線路能安全穩(wěn)定運(yùn)行，避免受到雷擊而出現(xiàn)跳閘。

3.4 布置耦合地線

通常情況下，防止風(fēng)電場(chǎng)35kV 輸電線路被雷擊的有效措施就是布置耦合地線，但由于地形和設(shè)備導(dǎo)線間很容易發(fā)生耦合作用，且輸電線被雷擊的主因是由于輸電線路上具有較強(qiáng)的高壓電流，但由于耦合地線具有分流的作用，因此如果輸電線路中的高壓電流過(guò)大，那么通過(guò)耦合地線就可進(jìn)行分流，從而使得輸電線被雷擊的幾率大大下降，從而保障整個(gè)輸電線路能安全穩(wěn)定的工作，另一方面，通過(guò)架設(shè)耦合地線還可提升整個(gè)輸電線路的抗雷性，在一定程度上減小輸電線路的跳閘現(xiàn)象。

3.5 選擇不平衡絕緣

目前高壓架空輸電線路的設(shè)計(jì)一般都是采用雙回路的模式，相比于其他輸電線路，這種模式可選擇傳統(tǒng)的防雷技術(shù)，保障整個(gè)輸電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。通過(guò)不平衡的絕緣能控制其遭受雷擊的干擾，確保整個(gè)輸電線路能安全穩(wěn)定的運(yùn)行。目前對(duì)于不平衡絕緣措施的主要應(yīng)用就是選擇在雙回路設(shè)計(jì)過(guò)程中增加絕緣子串的數(shù)量，如回路的串片數(shù)量較少，在雷擊的狀況下可能會(huì)出現(xiàn)閃絡(luò)問(wèn)題，為使得導(dǎo)線能達(dá)到地形的功能，在這個(gè)過(guò)程中就需提高導(dǎo)線回路的耦合作業(yè)，這樣才能提升整個(gè)回路的防雷能力，確保輸電線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行[5]。

3.6 提高高桿塔絕緣能力

由于風(fēng)電廠的輸電線路一般都是屬于室外環(huán)境，所處地理環(huán)境復(fù)雜且不確定性較高，甚至部分風(fēng)電場(chǎng)的輸電線路可能會(huì)處于一些較為特殊或惡劣的地理環(huán)境中，復(fù)雜的地形狀況以及環(huán)境的惡劣會(huì)導(dǎo)致輸電線路塔桿的高度越來(lái)越高，目的就是為避免輸電線路遭受到雷擊。這種高度的塔桿主要目的是為提升輸電線路整體的絕緣性能，具體的防雷操作可通過(guò)增加絕緣子串的數(shù)量來(lái)提升塔桿整體的絕緣性能從而避免遭受雷擊，或是盡量降低雷擊所造成的惡劣影響，還可選擇延長(zhǎng)塔桿頭部間的間隔。但如塔桿高度超過(guò)一定數(shù)值就很容易造成輸電線路出現(xiàn)繞擊的現(xiàn)象，而在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中，一般塔桿高度在超過(guò)50米后就會(huì)增設(shè)避雷線，這樣既能保證塔桿的高度，也能防止輸電線路遭受到繞擊現(xiàn)象。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于大部分風(fēng)電場(chǎng)而言，一般不會(huì)使用避雷線保護(hù)35kV 輸電線路，這就使得輸電線路在面對(duì)雷擊時(shí)處于完全暴露狀態(tài)，極易引發(fā)雷擊跳閘。通過(guò)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)35kV 輸電線路實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行分析，本文提出了相應(yīng)的防雷措施，以期給我國(guó)風(fēng)電場(chǎng)35kV輸電線路運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性提供有效借鑒，促進(jìn)我國(guó)電力企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。