鄧渝亭陳 亮

（1. 河海大學能源與電氣學院，南京 210098; 2. 中國能源建設集團遼寧電力勘測設計院有限公司，沈陽 110179）

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風電場集電線路防雷保護的研究

鄧渝亭1陳 亮2

（1. 河海大學能源與電氣學院，南京 210098; 2. 中國能源建設集團遼寧電力勘測設計院有限公司，沈陽 110179）

風能是一種可再生的清潔能源，大力發(fā)展清潔能源是世界各國的戰(zhàn)略選擇。雷害長期困擾電網(wǎng)，近年來呈逐年加劇之勢。線路頻繁遭受雷擊，不僅影響風機和電氣設備正常運行，而且危及電網(wǎng)安全。本文以投運風電場線路雷擊記錄為樣本，分析了各個風機避雷器動作頻次與地形地貌、不同季節(jié)、線路相別的相關性，探討雷電天氣斷路器跳閘原因和集電線路雷電過電壓類型。提出了適合風電場集電線路的避雷措施，并給出意見和建議。

風電場；集電線；防雷保護

隨著國家對風力發(fā)電的鼓勵、國家財政對風力發(fā)電補貼政策的落實以及特高壓建設帶來的棄風問題的緩解，風電裝機有望在未來幾年內(nèi)保持快速增長。風電場大多采用 35kV架空線路。引起輸電線路故障跳閘的原因有很多，其中因雷擊引起的跳閘次數(shù)位居所有跳閘原因之首[1]。據(jù)統(tǒng)計，因雷擊線路造成的跳閘事故占電網(wǎng)總事故的 60%以上[2]。對于輸電線路所擁有的防雷電能力，在實際工程中往往使用輸電線路的耐雷水平以及在遭受雷擊時的跳閘率作為衡量指標[3]。如何防護輸電線路事故，盡可能減少線路雷擊害事故的次數(shù)提高線路運行的可靠性，減少因線路故障帶來的風電場經(jīng)濟損失一直都是風電工程中關注的問題。

本文以遼寧地區(qū)某投運風電場線路防雷保護出線的問題為例，結合歷年雷擊記錄數(shù)據(jù)，分析了各個風機避雷器動作頻次與地形地貌、不同季節(jié)、線路相別的相關性，探討了風電場集電線路避雷措施適宜性，為今后風電場線路避雷措施提供了解決方案。

1　工程概況

風電場集電線路是風電場主要組成部分，遼寧西部某風電場安裝單機容量 1.5MW 風力發(fā)電機組66臺，以6回35kV集電線路，接入風電場升壓站，線路總長度 31.5km，其中雙回路 2.7km，單回路28.8km，每條線路各帶11臺風機。升壓站內(nèi)35kV母線采用小電阻接地系統(tǒng)。

該風電場集電線路位于山地及丘陵地區(qū)，經(jīng)過多年運行發(fā)現(xiàn)，線路路編號為 YB的集電線路每年春夏季，當有雷雨時經(jīng)常發(fā)生線路非正常跳閘。

2　風電線路雷擊事故分析

2.1線路避雷器動作數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

根據(jù)風電場的巡檢卡與防雷檢測報告統(tǒng)計得出，某風電場2014年1—9月各臺風機避雷器動作統(tǒng)計如圖1所示，各月避雷器動作統(tǒng)計如圖2所示。

圖1　各臺風機各相避雷器動作次數(shù)統(tǒng)計圖

圖2　避雷器各月動作次數(shù)走勢圖

由圖1、圖2可知：

1）YB07—YB11風機避雷器動作次數(shù)占整條線路動作次數(shù)的 63.4%，明顯高于其他風機，其中YB08風機避雷器動作次數(shù)最多A、B、C三相合計達20次。

2）YB07—YB11，4臺風機的避雷器A、C兩相的次數(shù)要明顯高于B相，A相占42%、B相占41%，占總數(shù)量的83%。

3）線路的避雷器動作次數(shù)從6月份開始明顯增加，7月份避雷器動作次數(shù)翻了一倍，6—9月份動作次數(shù)占總數(shù)量的78%。YB07—YB11，4臺風機在6—9月份避雷器動作頻次明顯高于其他風機，占整條線路動作次數(shù)的55%。

2.2線路斷路器事故跳閘數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

2012年6月3日—2014年7月16日，YB線在雷雨天事故跳閘統(tǒng)計見表1。

表1　YB線事故統(tǒng)計表

3　線路跳閘原因分析

一般而言，排除避雷器自身缺陷造成誤動外，避雷器動作均由線路過電壓引起。線路過電壓包括兩種情況：①內(nèi)部過電壓：主要是有系統(tǒng)內(nèi)部的設備及操作設備時引起的過電壓。②外部過電壓：主要為系統(tǒng)外部產(chǎn)生的過電壓，如雷電、單相接地等情況。由避雷器動作統(tǒng)計可知，集電線路避雷器動作集中在6—9月份，正是該地區(qū)的雷雨季。季節(jié)和地勢高低的變化，不會導致集電線路正常運行時內(nèi)部過電壓和避雷器動作機率明顯增減，由此可以得出避雷器動作次數(shù)大幅增加主要由雷電過電壓引起。

風電場YB線在2012年—2014年7月的8次跳閘事故中有7次保護動作可以判斷是雷擊直接造成的，其中6次發(fā)生在持續(xù)雷雨天氣并伴隨相應避雷器動作、4次絕緣擊穿。造成線路兩相接地短路 1次、單相接地短路4次，由此可見風電場集電線路雷擊對跳閘的影響很大。

從地形地貌來看，YB07—YB11風機集中布置在該風電場海拔高度約為 850～1000m的同一山脊上，該區(qū)域明顯高出周邊區(qū)域，YB08風機海拔高度為1017m，YB07、YB11風機海拔高度為952m且處于高山脊末端，分別位于最北與最南端。YB07—YB11集電線路段共9基桿塔，其中5基為線路終端，位于風機距離40m左右。該風場的風機輪轂高70m，風機接引器可以起到避雷針的作用，經(jīng)計算風機保護有效半徑為 50m，5基終端塔在其保護范圍內(nèi)，其余4級線路桿塔不在其保護范圍內(nèi)，因此，遭受雷擊引起直擊雷過電壓使絕緣子串發(fā)生閃絡事件較多。

線路受到雷電繞擊的可能性與桿塔高度、避雷線外側邊導線的保護角度、地形地貌和地質(zhì)條件有關，山地類風電場集電線路的繞擊率遠遠高于平地線路。這就是風電場集電線路A、C相避雷器動作次數(shù)最多的主要原因之一。

此外，風電場YB07—YB11風機區(qū)域為丘陵，地下有鐵礦、金礦等良導體金屬礦產(chǎn)存在。一方面，這些金屬礦可能存在磁場聚集雷云；另一方面這些金屬良導體可能導致雷云對地放電，在線桿塔上造成感應過電壓，使避雷器或斷路器動作。

由此得出，集電線路跳閘主要由于遭受雷電過電壓造成避雷器動作的增多，引起線路保護動作，造成線路跳閘事故。

4　防雷保護措施

通過分析上述的事故原因，結合工程需要，最終本工程采用了以下方案解決線路過電壓。

1）在工程實施過程中每基桿塔都敷設了接地裝置，并與地線牢靠連接，以使雷電流通過較低的接地電阻泄入大地。在土壤電阻率較高地區(qū)架設線路時，可以采取特殊的降阻方式，如增加埋設深度，延長接地極的使用，就近增加垂直接地極或者接地深井、接地模塊等方式的運用。遭受雷擊的線路集中區(qū)域通過填充降阻劑或置換接地體附近小范圍內(nèi)高電阻率土石等方法降低接地電阻。對山頂?shù)貏葺^高處的風機桿塔或高土壤電阻率無避雷器的桿塔，防止桿塔頂部的雷電場強發(fā)生畸變可采用伸長接地體方式，將每根桿塔的接地裝置連接起來，以形成一條低電阻通道。

2）本工程原直線塔采用合成絕緣子，耐張塔采用瓷絕緣子。鑒于YB線集電線路經(jīng)常發(fā)生雷電過電壓，為進一步提升集電線路的絕緣水平，采用陶瓷橫擔替代原鍍鋅鐵橫擔。因為，耐雷水平與集電線路的絕緣水平成正比，建議集電線路慎用合成絕緣子，定期對零值絕緣子進行檢測，保證高壓集電線路的絕緣強度。

3）在容易遭受雷擊的重點區(qū)域加裝避雷針裝置，與風機引雷裝置形成聯(lián)合保護，減少集電線路遭受雷擊概率，保護集電線路正常運行。

5　結論

風電場是利用風能轉化為電能，風資源的好壞決定了整個風場的效益，而風資源與海拔高度成正比。為了使風機處于更好的風資源區(qū)域，風機往往都會選擇地勢較高的位置，而這些海拔較高的位置都伴隨著更高的雷擊風險。建議風電場在設計、建設時應重點考慮以下方面：

1）采用架空集電線路時，集電線路采用雙地線設計，減少導線的保護角。地形比較復雜區(qū)域，可以考慮增設耦合地線。

2）集電線路采用瓷絕緣子或玻璃絕緣子，并提高桿塔的絕緣等級。

3）集電線路桿塔接地裝置，在高土壤電阻率地區(qū)時，應采用特殊接地方式，保證桿塔的接地電阻長期有效。

4）集電線路桿塔上適度增設避雷器，并選用合適的參數(shù)、保證避雷器的產(chǎn)品質(zhì)量，加強日常維護。

5）對于高雷暴地區(qū)，建議采用電纜方案，避免產(chǎn)生雷擊事件。由于電纜為全絕緣體，在地中直埋，電纜上部鋪設避雷扁鋼，可以有效的解決直擊雷和感應雷，并且在電纜頭兩端均設置避雷器，對電纜進行保護。

6）本工程集電線路的防雷、接地的設計優(yōu)于規(guī)程要求，實際的雷擊跳閘率低于該地區(qū)的電網(wǎng)系統(tǒng)的跳閘率。但雷電活動隨機性較強，不論采取何種方案均有局限性，均不能完全保證免遭雷電災害。為提高集電線路的防雷水平，降低集電線路的雷擊跳閘率，需要全面考慮高壓集電線路經(jīng)過地區(qū)雷電活動強弱程度、地形地貌特點和土壤電阻率等情況，結合風電場集電線路設計方案以及系統(tǒng)運行方式等，確定合理的防雷保護方案。

[1] 魯肇東, 戚寶鋼. 試論輸電線路防雷技術[J]. 科技與企業(yè), 2013(24): 493.

[2] 元學軍. 淺析35kV架空線路的防雷保護技術[J]. 大科技, 2014(25): 121-121, 122.

[3] 陳銳郭, 王濤, 蔡亮. 當前輸電線路的防雷措施的探討[J]. 中國新技術新產(chǎn)品, 2011(15): 100.