降低风电场集电线路雷击跳闸事故方法分析

河北大唐国际新能源有限公司 宋祥斌

1 引言

随着国家对能源安全及环境保护的重视，风力发电在我国电力系统的占比正在逐年上升。由于风电场一般选址在地理条件较差的位置，特别位于山区高处的集电线路极易遭受雷击，从而给风力发电企业带来了较多不利影响，目前对于高压架空输电线路雷击跳闸的分类主要有输电线路反击雷引起的跳闸和输电线路绕击雷引起的跳闸。

2 线路防雷的一般任务和建议

2.1 线路防雷的一般任务

线预防雷电直接打击：通过在线路和设备上设置针绝缘子、避雷线、耐闪避雷器等防雷设施，使设备可以在雷电直接打击的情况下保持安全。防止雷电感应影响：通过设置接地电阻、防雷接地网等设施，使设备可以避免因雷电感应而受到影响。防止雷电冲击波影响：通过在设备上设置过压保护器、防雷电容器等设施，迅速消除雷电冲击波对设备的影响，防止设备遭受损坏[1]。避免雷电击穿：通过合理设置线路走向和线路参数，避免雷电击穿造成的短路事故和设备损坏。检测和维护：定期对线路和设备进行巡视和检测，及时修复和更换防雷设施，保证线路和设备的防雷性能处于良好状态。

2.2 线路防雷的建议

第一，确保接地良好。在线路设备和建筑物上必须设有良好的接地线路和接地极，以方便将雷击电流引入地中。第二，合理设置防雷设施。合理设置终端针、针绝缘子、耐闪避雷器、避雷带等防雷设施，以起到防雷作用。第三，定期检查维护。定期巡视检查防雷设施，确保其完好、可靠，及时清理污物，修复破损。第四，加装过电压保护器。适当加装过电压保护器，可以有效地对抗雷电过电压引起的过电压击穿[2]。第五，妥善安装线路导线。合理选择导线规格，以减小与空气间的放电和击穿可能性，纵向不分段，斜度不宜过大，拐角尽量平滑，避免导线之间三角形交错时角度太小过密。第六，积极进行雷电环境监测。了解地域情况及相关预警信息，及时采取有效的防雷措施。

3 雷击对线路的影响

雷击能够直接引起线路故障，当雷电击中线路时，会产生非常高的电压和电流，在瞬间烧坏线路设备或烧毁电线电缆，引起线路故障。雷击还会间接对线路的设备造成影响，雷电击中电力系统的设备和建筑物后，会产生电磁脉冲和过电压等，使线路设备受到影响，甚至烧毁设备。另外，还会增加运行和维护的成本，由于雷击引起的线路故障，需要进行抢修和更换损坏设备，增加了线路的维护费用。雷击会导致线路设备烧坏、线路故障等，给供电带来一定的影响，降低供电可靠性，为用户带来不便。

4 线路雷击跳闸事故的类型

4.1 输电线路反击雷跳闸

输电线路反击雷跳闸是一种常见的线路雷击跳闸事故类型。当雷电击中地面或其他物体时，会产生大量的电流和电压，这些电流和电压会通过接地系统进入输电线路。当雷电击中输电线路附近的物体时，产生电磁感应，导致线路上的电流和电压瞬间增大，超过了线路的额定负荷能力，从而导致线路跳闸。由于线路上的电流和电压瞬间增大，导致线路上的保护装置感应到异常电流或电压，从而触发跳闸保护装置，切断电源供应，以保护线路和设备的安全[3]。

4.2 输电线路绕击雷跳闸

输电线路绕击雷跳闸事故通常发生在雷电活动较为强烈的地区，尤其是在高压输电线路附近。这种情况下，雷电并没有直接接触到输电线路，但是由于雷电产生的强大电场和磁场的影响，导致线路上的设备受到感应电压和感应电流的干扰，进而引发设备跳闸。当雷电靠近输电线路时，雷电放电会产生强烈的电磁辐射，这些电磁辐射会在输电线路上感应出电压和电流。这些感应电压和电流可能会超过设备的耐受能力，导致设备跳闸。此外，雷电放电还会产生电磁脉冲，这些脉冲也会对输电线路上的设备造成干扰，引发跳闸事故。

集电线路的防雷性能对于其稳定运行至关重要。如果集电线路本身具有较好的防雷性能，在雷击发生时，引起跳闸的概率就会降低。为了衡量集电线路的防雷性能，通常会使用两个重要指标：一是线路的耐雷水平，即线路能够承受的最大雷电电压；二是线路的雷击跳闸率，即在一定时间内，线路因雷击而发生跳闸的频率。因此，在设计和维护集电线路时，必须考虑其防雷性能，以确保其稳定运行和安全性[4]。

线路雷击跳闸率 = (每100km 线路每年由雷击引起的线路跳闸次数) / (40个雷暴日)

线路耐雷水平越高，雷击跳闸率越低，表示线路的防雷性能越好。因此，在防雷设计中，提高线路的耐雷水平和降低雷击跳闸率是非常重要的工作。根据《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》（DL/T 620-1997）规程，当雷击发生在有避雷线的杆塔顶部时，线路的耐雷水平计算：

式中，u50%为绝缘子串的50%冲击放电电压，kV；k、k0为导线和避雷线间的耦合系数和几何耦合系数；β 为杆塔分流系数；Ri为杆塔冲击接地电阻，Ω；Lt为杆塔电感，μH；ht、ha为杆塔高度和横担对地高度，m；hg、hc为避雷线和导线平均对地高度，m。

可以看出，要提高线路耐雷水平，可以通过增大u50%、k 或减小Ri、β、Lt、hc等来实现。

具体方法如下。一是增加线路杆塔上绝缘子串片数，从而提高绝缘子串的冲击放电电压（u50%）。二是降低杆塔接地电阻Ri，可以通过外引接地装置、换土、采用降阻剂等手段及方法，使集电线路杆塔的接地电阻达到较低的水平。三是降低杆塔和导线高度，在勘察设计阶段充分考虑雷击问题，优化线路走向，尽可能降低杆塔和导线的高度。四是架设耦合地线，设计时进行统筹考虑，尽量能够在杆塔上架设耦合地线。

根据以往现场经验，集电线路也会出现绕击雷引起跳闸的情况，对于绕击雷可以通过装设线路高压避雷器的方式来进行。具体的装设位置可以选在档距较大、陡度较大的杆塔上，同时可以加大避雷器的通流容量，进一步对雷电流进行泄放[5]。由于雷电危害的复杂多样，没有任何一种单一措施能对雷电带来的所有危害都起到防护作用。只有多种防护措施联合运用，才能将雷电带来的危害降最低。

5 风电场雷击事故的分析

5.1 典型故障

风电场雷击事故的典型故障通常涉及风力发电机组的主要组件，包括风轮、发电机、变频器等。当雷电击中风电场时，可能会导致以下故障。例如，风轮受到雷击可能会导致叶片损坏或断裂。雷电的高能量冲击会对叶片造成巨大的压力，可能导致叶片破裂或变形，进而影响风力发电机组的正常运行。此外，发电机也容易受到雷击的影响。雷电击中风电场时，可能会通过电网进入发电机，导致发电机内部的电气元件受损。这可能导致发电机输出功率下降或完全失效，从而影响风力发电机组的发电能力。另外，变频器也是风电场雷击事故的典型故障点。变频器是将风轮产生的交流电转换为适用于电网的直流电的装置。当雷电击中风电场时，可能会通过电网进入变频器，导致变频器内部的电子元件受损。这可能导致变频器无法正常工作，进而影响风力发电机组的发电能力。

5.2 事故的判定与特征

首先，判定风电场是否发生雷击事故需要考虑以下因素：风电场是否位于雷电活动频繁的地区，是否有雷电预警系统以及监测设备的数据记录等。其次，风电场雷击事故的特征表现为：风机叶片、塔筒、机舱等部位受到雷击损坏，可能导致设备故障、停机甚至火灾等后果。此外，风电场雷击事故还可能对电网产生影响，如引起电网短路、电压波动等问题。因此，风电场雷击事故的判定与特征需要综合考虑地理环境、监测设备数据、设备损坏情况以及电网运行状况等多个因素，以确保风电场的安全运行。

5.3 事故产生的原因

在案例事故中，通过对事故地区的分析以及对事故的判定和特征的分析。第一，该事故地区属于多雷地区，分布在此区段的10kV 架空线路受到雷击的概率相对比较高，并且案例中该风场在设计的时候没有考虑过环境的特殊性，没有按照基本的常规要求进行设计。第二，该案例中，风电场10kV的线路上没有安装避雷线，防雷主要依靠的是安装在线路上的避雷器，而避雷器只安装在变电站的出线侧以及配电变压器的终端杆，导致线路中间缺少保护，进而造成了一定的影响。第三，杆塔以及避雷器接地存在一定的缺陷[6]。部分的杆塔接地地阻比较大，导致泄流的能力降低，雷击不能够很好地流入大地，出现问题。

6 线路防雷的基本措施

6.1 基本措施

第一，设置避雷针。在线路的高处安装避雷针或避雷网，吸引雷电电流，有效减少雷击电压和雷电能量，保护线路设备免受雷击。第二，安装金属接地网和接地线。通过金属接地网和接地线将电力设备和建筑物接地，形成电位差，将雷电能量导向地球，避免对设备产生灾害性影响。第三，使用过电压保护器。在线路装置过电压保护器，当线路电压过高时，保护器会自动切断电源，防止线路设备受到过电压的损害。第四，加装防雷保护设备。在线路上加装防雷保护设备，如避雷器、雷电感应电流互感器和短路器等，能够有效地限制和减缓雷击电流的流动速度，减少雷击对线路设备的影响。第五，定期检查和维护。定期检查线路设备和防雷设备的运行状况，及时处理存在的隐患，确保线路防雷措施的有效性和可靠性。综上所述，采取避雷针、接地网和接地线、过电压保护器、防雷保护设备以及定期检查和维护等措施，可以有效地提高线路的防雷能力，保障线路设备的安全运行。

6.2 导线防止雷击断线和雷击跳闸

击断线和雷击跳闸是电力系统中常见的故障现象，通常会影响电网的稳定运行，甚至对人身和设备安全造成威胁。选用合适的设备和材料：在电网设计和建设中，应选用符合电网负荷特点的合适的电缆、电线等导线材料，并按照标准的规格和等级要求进行安装和接线。保护屏蔽导线：在需要采用屏蔽电缆和导线的场合，不仅要求屏蔽材料具备良好的防盗和抗干扰的性能，还需要保证接地良好，以达到减少外界干扰电流进入敏感设备的目的。注意防护措施：在电网的运营过程中，要注意维护线路与地面及水体的距离，避免线路遭受外力破坏和环境污染，同时要根据设备的使用寿命和特性要求进行定期的维护和更换。其次是雷击跳闸的防治措施。建立避雷系统：在电力系统中，需要建立避雷系统，对高层建筑物、电力供电设施、通信设施、航空设施等关键设施进行保护，并合理安装雷达设备，同时应用具有较好的抗雷性能的材料。

7 结语

随着近年来风电规模的不断扩大并且相关技术不断成熟，风电作为一种清洁、可再生的能源形式，已经成为当今世界能源发展的热点。但是，随着风电场规模的扩大，风机发电的直流电高压和变流器输出的交流电高频电压等因素，都会对风电场的集电线路产生影响，导致集电线路雷击跳闸事故的发生率逐年上升，严重影响了电网稳定性和风电运行效率。因此，针对集电线路雷击跳闸问题的研究具有重要的现实意义和前景，有助于推动风电场产业的健康发展和推广。