风电场35kV输电线路雷击跳闸原因分析及防雷措施研究

中国电建集团海南电力设计研究院有限公司 蔡文发

可持续发展战略的快速实施，使得人们越发关注清洁、环保、绿色能源的应用。风能以其分布广、储量巨大、取之不尽、干净环保、可循环等特点，被诸多电力企业所开发利用。但风机建设一般主要分布于海上、山地等，此类地区气候特征明显，时常伴有自然灾害。以风电场为例，线路雷击就是常见故障之一，如发生了雷击就会导致输电线路出现跳闸现象，这就会导致整个供电系统的运行出现问题，甚至会影响到日常生产工作的开展，从而造成大面积的停电使得我国电网系统的运行受到影响。所以说提升输电线路的运行稳定性，做好雷击预防工作非常必要。

1 实例分析

35kV 输电线路雷击事故现象。2020年度某风电场35kV 输电线路由于雷击导致出现了跳闸现象。检测人员通过分析变电站两侧的开关实际状况可发现，遭受过雷击的风电场35kV 输电线路以及电站两侧的开关都会受到破坏，甚至是电流互感器的绝缘也会受到影响，在对输电线路检测后，发现被雷击的位置是处于输电线路的中部位置，这就导致了其中的架空避雷线出现了断路，在输电线路的其他部位没有发现明显的损坏情况。

雷击的类型。直接雷过电压有三种现象：雷雨天气的雷击直接在塔杆的顶部；雷击位置处于避雷线的中间；绕过避雷线机然后雷击到导线上。雷击过电压的具体内容分析：当雷击避雷线或是整个输电线路的铁塔时，雷电流会通过雷击电阻抗，导致了导线与电位间的电位差距较大，甚至会高于绝缘冲击所放的放电压，这个时候就会出现反击现象；雷电绕过避雷线后，击中导线也同样会出现绕击现象。通过相应的统计及探究得出的结果如下：大多数情况下出现的是第1种现象，第2种现象出现的概率排第2位，概率较低的则是第3种现象。

2 35kV 输电线路雷击跳闸的主要原因分析

2.1 绝缘水平不足问题

在以往的事故中使用传统的老式避雷器，由于其运行环境较差，因此在相电压的作用下会产生较为强烈的电晕效应，但由于周围空气中氧与氮的浓度较小，所以在避雷器气压及工频下其放电电压会逐步减小，甚至会由于没有办法将续流切断引发避雷器爆炸的现象出现[1]。通过对平时日常运行的经验进行归纳总结，发现接地质量与配电防雷息息相关。通过增加接地引线的长度进一步提升了接地地阻的数值，这种情况下接地装置及接地引线如果质量较差，在运行过程中很可能会出现引线烧断情况，导致雷击电流并不能导入到地面。接地装置由于受到装置质量、土壤以及环境等方面的影响，如雷电击中的高压线路在避雷针的作用下，雷电电流会在接地装置上产生更高的电压。

2.2 接地模式的选择问题

35kV 输电线路分布范围非常广，也在一定程度上提高了雷击的概率，由于自身绝缘水平问题，即使出现感应雷的现象也可能会引发跳闸。通过对现状进行研究，证实对于35kV 输电线路而言，中性点接地方式的区别会在一定程度上影响到输电线路的雷击程度，如：

若中性点不接地，当雷击电通过输电线路时会引发单相接地的短路故障，但又由于雷电流波长较短，相应的接地电弧就会自动熄灭，这时造成接地电荷极其不稳定。针对这个问题需注意，如接地相电压减小，单相接地后则不可在长时间内运行，后面容性电流的存在方式则是电弧，电弧高温会在很大程度上损坏设备，引发断路器跳闸。输电线路在受到雷击后会造成单相接地的故障，而电流电感与故障间的电容电流是能进行的，因此可有效地抑制短路电弧的形成。但随着35kV 输电线路历程逐渐增大，输送的容量也会不断增加，这时弧线圈处于欠补偿状态，要想熄灭所产生的电弧是非常困难的[2]。

若中性点接小电阻接地，在出现雷击情况时，针对发生的短路故障，能在短时间内检测并对短路线路进行隔离，避免故障范围不断扩大。接地故障的短路电流会设置连续不断的电弧，将系统与故障隔开，线路出现单相接地故障以后，电网经受雷击出现的跳闸率也会有大幅度增加。采用这种接线方式可提高零序电流保护的灵敏性，但会减小电网出现故障的概率，而架空线路主要发生的是瞬时故障，因此这也是引发线路跳闸的一个重要原因。

2.3 雷击闪络故障

对于风电场35kV 输电线路而言，在搭设的杆塔数量较多情况下，接地电阻的数量也会随之增加，与此同时35kV 输电线路防雷抗雷水平将会受到不良影响，此外如线路分布十分密集，会提高遭受雷击的概率，雷电流幅值很有可能超过设计的抗雷水平，会引发非常严重的雷击闪络故障。不仅如此，如线路绝缘水平不符合相应标准规范、绝缘能力不足，也会使输电线路防雷和抗雷的能力受到影响。

如，绝缘子设计的串长有25片，再经过均压环设计之后电气间隙大约是23片，这种情况下塔头间的间距是非常小的，会在一定程度上影响输电线路的防雷和抗雷能力，有可能导致合成绝缘子出现防雷失误的现象，受到非常严重的雷击。有关实例表明，对于35kV 输电线路而言，合成绝缘子很容易发生雷击闪络故障，在确保电气间隙科学合理的基础上，适当提高绝缘子长度可优化防雷效果，但随着绝缘子长度的增加会改变绝缘子串对杆塔的风偏裕度，这在一定程度上提高了绝缘子串的出现风偏跳闸的几率。因此需做好线路防雷及防风偏统一控制工作，最大限度的减小输电线路雷击跳闸影响。

3 35kV 输电线路雷击跳闸的预防措施

3.1 进行架空避雷线的架设

如风电场35kV 输电线路没有进行避雷设施的安装，会在很大程度上提高雷击的概率，受感应雷影响，除引发雷击跳闸外还有很多其他不良后果。因此风电场在实际运行过程中，可通过全线都设置架空避雷线的方式有效应对感应雷。架空避雷线后，感应过电压的具体表达式为Ui′=Ui(1-k)；Ui′为架设架空避雷线之后的感应电压；Ui 为未架设架空避雷线的感应电压；k 为耦合地线或避雷线对于导线的耦合系数。

从上述表达式中可看出，地线会对输电线路导线产生耦合作用，从而使输电线路的感应电压不断减小，但在架设架空避雷线后能减小导线上的感应雷过电压，并将电压减小到原来的1-k 倍，随着系数K 的不断增大导线上的感应过电压会逐渐减小。针对这种现象，需采取有效措施优化未架空避雷线的线路杆塔，如全线架设架空避雷线的方式，以此给输电线路运行的稳定性提供保障。

在2019～2020年底针对某风电场35kV 输电线路受到的雷击跳闸次数进行了统计得知，期间线路1和线路2只是单纯进行了架空避雷线，在这个期间分别受到了13次和7次的雷击，总次数为20次，其他线路雷击跳闸的次数均不超3次。相比于其他的线路来说，进行了全线架空避雷线就会有效降低雷击跳闸次数，特别是对于风电场35kV 输电线路来说，通过采取此种类似的方式能有效达到防雷目的。

3.2 合理安装避雷器

对风电场35kV 输电线路来说，通过安装避雷器能有效保护配电线路，防止其被雷击中而出现跳闸。通过安装避雷器能吸收掉放电过程中产生的能量并对配电线路进行保护，这样的避雷装置不仅能保护绝缘子另一端的电位，还可降低两端间的电位差，对于输电线路来说，其过压幅值基本相差不大，因此为有效提升其防雷效果，就需安装相应的避雷器，在安装过程中避雷器需与配电变压器共同接在一个接地装置上[3]。这种情况下的接地方式，一般是采用3点1地的接地方式，在输电线路中避雷器发挥了其保护作用，对于风电场35kV 输电线路可选择安装避雷器，以此来保证整个输电线路的正常运行。

3.3 强化防雷管理工作

根据目前已有的资料进行统计，整理出已受到雷击的输电线路信息，对于风电场35kV 输电线路来说，其防雷击管理工作是一项长期而且繁琐的工作，须根据相关资料来建立完善的档案进行分析，并严格按照时间段来统计，还需根据单条线路实施横向统计分析；定期对接地地主进线统计排查，并组织相关的技术人员对风电场35kV 输电线路的杆塔进行测试，确保输电线路的完善性，特别是在雷雨季到来之前就必须对不合格的接地线进行处理[4]。

针对风电场35kV 输电线路的雷击跳闸问题要开展专门的分析讨论大会，针对不同类型的雷击跳闸现象进行分析，从而得到相应的防雷击措施，总结过往的预防经验，提升风电场35kV 输电线路防雷击能力；根据风电场35kV 输电线路避雷器上的信息来建立档案管理体系，并根据实际的工作状况来看寻雷电活动的规律，有针对性地采取预防措施；电力企业要加强与当地气象管理部门的沟通，针对当地的雷雨天气制定完善的预警管理系统，确保在当地雷雨季来临之前强化对于输电线路的管理，确保输电线路能安全稳定运行，避免受到雷击而出现跳闸。

3.4 布置耦合地线

通常情况下，防止风电场35kV 输电线路被雷击的有效措施就是布置耦合地线，但由于地形和设备导线间很容易发生耦合作用，且输电线被雷击的主因是由于输电线路上具有较强的高压电流，但由于耦合地线具有分流的作用，因此如果输电线路中的高压电流过大，那么通过耦合地线就可进行分流，从而使得输电线被雷击的几率大大下降，从而保障整个输电线路能安全稳定的工作，另一方面，通过架设耦合地线还可提升整个输电线路的抗雷性，在一定程度上减小输电线路的跳闸现象。

3.5 选择不平衡绝缘

目前高压架空输电线路的设计一般都是采用双回路的模式，相比于其他输电线路，这种模式可选择传统的防雷技术，保障整个输电系统的安全稳定。通过不平衡的绝缘能控制其遭受雷击的干扰，确保整个输电线路能安全稳定的运行。目前对于不平衡绝缘措施的主要应用就是选择在双回路设计过程中增加绝缘子串的数量，如回路的串片数量较少，在雷击的状况下可能会出现闪络问题，为使得导线能达到地形的功能，在这个过程中就需提高导线回路的耦合作业，这样才能提升整个回路的防雷能力，确保输电线路的安全稳定运行[5]。

3.6 提高高杆塔绝缘能力

由于风电厂的输电线路一般都是属于室外环境，所处地理环境复杂且不确定性较高，甚至部分风电场的输电线路可能会处于一些较为特殊或恶劣的地理环境中，复杂的地形状况以及环境的恶劣会导致输电线路塔杆的高度越来越高，目的就是为避免输电线路遭受到雷击。这种高度的塔杆主要目的是为提升输电线路整体的绝缘性能，具体的防雷操作可通过增加绝缘子串的数量来提升塔杆整体的绝缘性能从而避免遭受雷击，或是尽量降低雷击所造成的恶劣影响，还可选择延长塔杆头部间的间隔。但如塔杆高度超过一定数值就很容易造成输电线路出现绕击的现象，而在实际的应用过程中，一般塔杆高度在超过50米后就会增设避雷线，这样既能保证塔杆的高度，也能防止输电线路遭受到绕击现象。

4 结语

对于大部分风电场而言，一般不会使用避雷线保护35kV 输电线路，这就使得输电线路在面对雷击时处于完全暴露状态，极易引发雷击跳闸。通过对风电场35kV 输电线路实际运行情况进行分析，本文提出了相应的防雷措施，以期给我国风电场35kV输电线路运行的安全性和稳定性提供有效借鉴，促进我国电力企业的可持续发展。