一种山地风电场3 5 k V集电线路防雷技术的应用

刘艳，姚剑平

（国家电投集团云南国际电力投资有限公司，昆明650228）

0 前言

云南省位于我国西南边陲，地处低纬高原，因气候类型多样、地区差异悬殊、季节分配不均匀、年际变幅较大，灾害性天气多发频发，是全国雷暴高发区，全省大部分地区年均雷暴日数在60天以上。全省范围的雷暴天气一般从4月进入雨季开始，到10月左右结束。其中楚雄州是云南省雷暴发生最为频繁的地方，也是全国闻名的“雷都”之一，年均雷暴日达到62天以上。

云南省风电场的风力发电机组通常沿高山的山脊布置，因此风电场的集电线路路径根据风机的位置分布特点，或在山脊，或跨越山谷，路径总长达几十公里甚至上百公里，极易遭受雷击。

在我国线路防雷规程中，一般以40日/ 年的雷暴日作为线路防雷设计标准，这就使得集电线路的防雷在设计之初，标准比较低。因此，山地风电场集电线路每年雷雨季节遭雷击闪络造成跳闸和停电十分频繁。线路雷击跳闸对线路和杆塔本体、升压站和风电机组等设备可能造成严重的损失，甚至威胁人身安全。线路雷击跳闸后，线路运维人员开展故障排查和处理工作时，也面临较大人身安全风险。因此，研究并采取促使提高线路防雷水平，对确保风电场集电线路的安全、经济运行具有重大意义。

本文以位于楚雄州的某山地风电场为例，着眼于应用一种新型防雷技术，即风电场集电线路避雷器改造、人工定位引雷系统性防雷解决方案及加装高原型避雷器的塔杆的接地装置的改造方式，达到预防和减少集电线路跳闸事故的目的。

1 35 kV集电线路雷击跳闸主要原因

输电线路雷击跳闸是大气过电压通过输电线路的杆塔形成导电通道，从而导致输电线路的绝缘击穿。根据对云南省楚雄州境内某风电场的35 kV 集电线路雷击跳闸的情况分析，无论是雷电反击或绕击而造成的线路跳闸，都与杆塔的塔型、绝缘强度、接地电阻、线路沿线的地形及雷电活动等多个因素综合影响相关。以此山地风电场为例，简要分析35 kV 集电线路雷击跳闸的原因。

1.1 某风电场基本情况

风电场整体的布置分为南部、北部两个区域，主风向为西南风向。其中南部风场共有八回集电线路，横切迎风面布置，且有多处跨越沟箐容易遭受雷击。在南、北部风场中间有一条500 kV 输电线路穿过，雷云到来时南部风场和500 kV 输电线路在北部风场前端，大部分雷云会先对横切迎风面的线路进行放电，当风向为西南方时南部风场遭受雷击的风险概率比北部风场高得多。根据统计，每年遭遇雷击跳闸次数10次之多。

此风电场集电线路经过地区年平均雷电日数为62 d，属重雷区。且线路沿线露出地层岩性主要为页岩、砂岩、泥岩和第四系黏性土组成。在设计阶段考虑：

1）线路全线均架设双地线，双回路杆塔地线保护角小于10°、单回路杆塔地线保护角小于15°，地线间的水平距离不大于导线与地线间垂直距离的5倍，气温考虑在15℃，无风时档距中央导地线间最小距离满足下式要求：S1≥0.012L+1（1）

2）35 kV 集电线路杆塔的安装采用全线杆塔逐基接地，接地装置在旱地和山区采用水平放射形接地体,在居民区及水田中采用闭合环型接地装置。接地体用Φ10圆钢敷设,其埋设深度为耕地0.8 m，岩石地区0.3 m，其余地区0.6 m；接地引下线用-5×40×170 mm 扁钢和Φ12圆钢；对于土壤电阻率很大、接地装置又难以延伸敷设的塔位，采取综合降阻措施，改成敷设垂直接地极或添加降阻剂或两者联合。

3）塔杆接地电阻，依据GB 50545—2010《110 kV ～750 kV架空输电线路设计规范》，架空输电线路杆的塔接地电阻值在不同土壤电阻率情况下的要求见表1。

表1架空输电线路杆的塔接地电阻值在不同土壤电阻率

1.2 山地风电线路雷击跳闸主要原因分析

1）地形地貌方面，线路在穿越山区时，受地形的升降起伏引起线路保护角的变化影响，地线屏蔽失效的区间增大，雷击跳闸率较处于地势平缓地区的集电线路的雷击跳闸率则显著增高。同时，海拔高度增高，雷击跳闸概率随之增大。

2）雷击塔顶及杆塔附近的避雷线，雷电流经杆塔入地，造成塔顶较高电位，使绝缘子闪络。集电线路杆塔的接地电阻不合格是影响线路雷击跳闸率的重要因素之一。计算表明杆塔的接地电阻每增加10Ω～20Ω，线路的雷击跳闸率会增加50%～100%。地质条件、土壤腐蚀性和外力破坏都会影响接地电阻，因此在设计和施工阶段，科学、合理地配置线路杆塔的绝缘水平和接地装置的布置方式，会有效提高杆塔的防雷能力，尤其是能提高线路遭受绕击时的耐雷水平，从而降低线路雷击跳闸率。

表2

3）集电电路避雷线的保护角与绕击区成正比，即保护角越大，其形成的绕击区则越大，会导致增加绕击次数。而在山坡上，坡面坡度的增大，则会降低避雷线屏蔽的有效性，增加绕击次数。

4）设计的绝缘子的耐雷水平不能满足实际要求。

5）集电线路终端塔虽安装有避雷器，但由于避雷器选型的问题耐压水平过低，一旦雷击避雷器就容易击穿，线路上的雷电流将无法有效泄放导致线路跳闸。

2 输电线路感应雷与直击雷过电压

2.1 感应雷电过电压

2.1.1 雷击架空输电线路方式

图1雷击架空输电线路方式

2.1.2 雷击大地时的感应雷过电压

根据理论分析和实测结果，我国规程中给出：当雷击点距输电线路的距离s大于65 m 时，导线上产生的感应过电压最大值为。有避雷线时：

式中：

I—雷电流幅值，kA;

hd—导线悬挂平均高度，m；

s—雷击点至线路的水平距离m；

hs—避雷线悬挂的平均高度（m）；

K0—避雷线和导线间的耦合系数。

2.1.3 雷击塔顶/避雷线时导线上的感应过电压

式中：

a—电位系数kV/m

线路上感应过电压的极性与雷电流极性相反，峰值一般不高最大可达值约为300 kV-400 kV，波头较长，陡度较小。

感应电压幅值比较小，一般只对35 kV 及以下线路绝缘有威胁。线路耐雷水平越高，闪络跳闸率越低。

2.2 直击雷过电压

2.2.1 雷直击导线过电压

耐雷水平：

35 kV 电压线路的雷电绕/直击耐雷水平I0为3.5kA。

2.2.2 雷击塔顶反击时的过电压及耐雷水平

当雷击线路杆塔顶端时，雷电流I将流经杆塔及其接地电阻Rch流入大地。考虑杆塔的电感Lgt，雷电流波行为斜角平顶波，波头为2.6 微秒，幅值为I，陡度为α=I/2.6。雷击时塔顶最大电位为：

表3各级电压输电线路雷击塔顶反击耐雷水平

2.2.3 有避雷线时直击雷过电压

a.绕击；

b.雷击塔顶；

c.雷击档距中央。

①雷绕过避雷线击于导线的过电压及耐雷水平。

雷绕过避雷线击于导线的次数与雷击线路总次数之比称为绕击率Pa

避雷器外侧导线的保护角α，杆塔高度h；地形条件：对山区线路

绕击时的过电压为：

故线路的耐雷水平为：

绕击耐雷水平与保护角关系很大。

②雷击有避雷线塔顶杆塔

分流系数计算：

βg与雷电流陡度无关，而随时间变化。为了便于计算，工程上t 值取0～2.6 微秒的平均值，因此有：

所以由上可得杆塔的分流系数βg。

表3

绝缘子串上的电压如不计耦合系数：

计耦合系数：

雷击塔顶时的耐雷水平：

由此可见影响因素有：1.杆塔冲击接地电阻；2.杆塔分流系数；3.导线与避雷线耦合系数Kc；4.杆塔等值电感；5.绝缘子串冲击放电电压U50%。

由此得出结论；防雷击跳闸的手段

①增加绝缘子，可以增加耐雷措施。

②降低接地电阻，对于一般高度的杆塔，冲击接地电阻Rch的电压降是塔顶电位的主要成分。

③提高耦合系数Kc，常规做法是，降单根避雷线改为双避雷线，甚至在导线下方增设耦合地线，其作用是增强导线、地线间的耦合作用。

3 集电线路防雷的措施及应用

线路跳闸雷击引起线路导致跳闸需满足一定的条件：

雷击中→雷电流≥线路耐雷水平→引发闪络→建立稳定的工频电弧→跳闸。

针对此条件线路防雷设置四道防线：①防止雷击中导线；

②防止雷击中后引起绝缘闪络；

③防止雷击闪络后转化为稳定的工频电弧；④防止线路供电中断。

3.1 在35 kV集电线路安装氧化锌避雷器

从南、北部风场升压站出线前四杆塔杆安装了YT-G-51 高原型中压氧化锌避雷器各96 组。因雷电击中地线后地线和线路上存在闪络的可能，在线路上会出现感应过电压与绕击过电压重叠的浪涌，因此选择线路避雷器时需要考虑站端与机端可能承受的最大预期雷电流。在进升压站前3杆依次安装20 kA、10 kA、5 kA 能量配合的3组3级避雷器对雷电流进行逐级泄放。安装了采用脱扣器连接的高原型氧化锌避雷器，一方面提高了线路的绝缘水平，另外可通过脱扣装置的情况快速查找到故障点。

3.2 在易遭受雷击的塔杆上安装防绕击主动接闪避雷针

图2塔杆上安装防绕击主动接闪避雷针

在强雷电区域，为防止线路绕击，地线和导线应采用负保护角。而风电场现场实际为正保护角，为减少线路的绕击，在共36基塔杆易遭受雷击的塔杆上安装防绕击避雷针，重点在选型方面，避雷针针头采用欧米加Ω-25X 提前预放电避雷针。

当雷电云层形成时，雷电云层内部会形成一个下行先导并以阶梯形式向地面移动，下行先导携带着的电荷与地面建立起电场，此时地面上的凸起物体或金属部件产生一个上行的先导，此上行先导向上传播与下行先导会合后，闪电电流就流过所形成的通道。因为地面上的凸起物体或金属部件可能会形成多个上行先导，而与下行先导会合的第一个上行先导，就决定了雷击的具体位置。

安装防绕击主动接闪避雷针，提前放电避雷针的工作原理就是在杆塔顶端部位人为产生一个比普通避雷针更快、更灵敏的上行先导。在同等条件（高度）下，主动提前预放电型避雷针较普通避雷针保护范围更大，其主要特点一是采用无放射性元素的不锈钢材料，耐腐蚀和抗风能力较强；二是无需供电，无需配置相关耗能元件，免维护；三是重量轻，安装简单，无需加装同轴屏蔽电缆。

图3相同条件下具有提前45us的上行先导触发时间

3.3 安装避雷器及避雷针的塔杆接地系统改造

风电场原设计的塔杆接地电阻值要求是在断开地线、不同土壤电阻率的条件下，各塔杆的接地电阻值是10欧到30欧不等，原设计施工采用圆钢水平敷设120米，埋深0.6米。加装主动接闪型避雷器后，塔杆的接地电阻原则上应尽可能低，其四季实测最大值需小于8欧姆。因此需要对杆塔接地网进行改造，改造的接地网在平面内敷设成条状，水平接地体采用40×4热度锌扁钢，垂直接地体采用50×5×1500热镀锌角钢。水平接地体的埋设深度应大于0.6 米，焊接工艺严格执行国家相关规范要求。接地体埋设时要重点做好：

安装接地体的埋设深度应大于0.6米，有条件的情况下宜适当深埋。角钢及钢管接地体采用垂直埋设的方式。

图4接地极安装图

1）接地体敷设完毕后,对基坑进行回填。回填土内不能夹杂有石块和建筑垃圾等，应以原土或细粘土等进行回填，且至少应保证接地体周围有30～50 cm 细土，并采用水浇沉实法（结合专用回填料效果更佳），在回填土时应分层夯实。

2）扁钢与接地体用电焊焊接时应将扁钢拉直，焊后清除表面的药皮，并涂刷沥青做防腐处理。

3）接地极连接完毕后，应检查并核对接地极材质、安装位置、焊接的质量，接地体的截面、规格等是否符合设计及施工验收规范要求。满足条件后，方可回填，分层进行夯实。

4 结束语

通过在35 kV 集电线路加装带脱扣装置的高原型避雷器、在塔杆上安装主动接闪杆并独立引下雷电流、接地装置进行降阻改等措施，经验证某风电场线路雷击跳闸次数得到了显著降低，减少了因雷击跳闸造成的发电量损失，同时也有效避免了线路运维人员在故障查找、高空作业时的安全风险。

此项防雷改造技术难度低，无需对原有杆塔结构、受力和材料改变的情况下就可完成，同时停电时间短，多条线路可逐条进行停电改造，不影响风电场其他线路正常运行，对省内山地风电场的线路防雷具有很强的借鉴意义。