風(fēng)電場(chǎng)集電線路防雷保護(hù)的研究

鄧渝亭陳 亮

（1. 河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，南京 210098; 2. 中國能源建設(shè)集團(tuán)遼寧電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，沈陽 110179）

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風(fēng)電場(chǎng)集電線路防雷保護(hù)的研究

鄧渝亭1陳 亮2

（1. 河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，南京 210098; 2. 中國能源建設(shè)集團(tuán)遼寧電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，沈陽 110179）

風(fēng)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(shì)。線路頻繁遭受雷擊，不僅影響風(fēng)機(jī)和電氣設(shè)備正常運(yùn)行，而且危及電網(wǎng)安全。本文以投運(yùn)風(fēng)電場(chǎng)線路雷擊記錄為樣本，分析了各個(gè)風(fēng)機(jī)避雷器動(dòng)作頻次與地形地貌、不同季節(jié)、線路相別的相關(guān)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(fēng)電場(chǎng)集電線路的避雷措施，并給出意見和建議。

風(fēng)電場(chǎng)；集電線；防雷保護(hù)

隨著國家對(duì)風(fēng)力發(fā)電的鼓勵(lì)、國家財(cái)政對(duì)風(fēng)力發(fā)電補(bǔ)貼政策的落實(shí)以及特高壓建設(shè)帶來的棄風(fēng)問題的緩解，風(fēng)電裝機(jī)有望在未來幾年內(nèi)保持快速增長。風(fēng)電場(chǎng)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(jì)，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(duì)于輸電線路所擁有的防雷電能力，在實(shí)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(shí)的跳閘率作為衡量指標(biāo)[3]。如何防護(hù)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(yùn)行的可靠性，減少因線路故障帶來的風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)濟(jì)損失一直都是風(fēng)電工程中關(guān)注的問題。

本文以遼寧地區(qū)某投運(yùn)風(fēng)電場(chǎng)線路防雷保護(hù)出線的問題為例，結(jié)合歷年雷擊記錄數(shù)據(jù)，分析了各個(gè)風(fēng)機(jī)避雷器動(dòng)作頻次與地形地貌、不同季節(jié)、線路相別的相關(guān)性，探討了風(fēng)電場(chǎng)集電線路避雷措施適宜性，為今后風(fēng)電場(chǎng)線路避雷措施提供了解決方案。

1　工程概況

風(fēng)電場(chǎng)集電線路是風(fēng)電場(chǎng)主要組成部分，遼寧西部某風(fēng)電場(chǎng)安裝單機(jī)容量 1.5MW 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組66臺(tái)，以6回35kV集電線路，接入風(fēng)電場(chǎng)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(tái)風(fēng)機(jī)。升壓站內(nèi)35kV母線采用小電阻接地系統(tǒng)。

該風(fēng)電場(chǎng)集電線路位于山地及丘陵地區(qū)，經(jīng)過多年運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，線路路編號(hào)為 YB的集電線路每年春夏季，當(dāng)有雷雨時(shí)經(jīng)常發(fā)生線路非正常跳閘。

2　風(fēng)電線路雷擊事故分析

2.1線路避雷器動(dòng)作數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)的巡檢卡與防雷檢測(cè)報(bào)告統(tǒng)計(jì)得出，某風(fēng)電場(chǎng)2014年1—9月各臺(tái)風(fēng)機(jī)避雷器動(dòng)作統(tǒng)計(jì)如圖1所示，各月避雷器動(dòng)作統(tǒng)計(jì)如圖2所示。

圖1　各臺(tái)風(fēng)機(jī)各相避雷器動(dòng)作次數(shù)統(tǒng)計(jì)圖

圖2　避雷器各月動(dòng)作次數(shù)走勢(shì)圖

由圖1、圖2可知：

1）YB07—YB11風(fēng)機(jī)避雷器動(dòng)作次數(shù)占整條線路動(dòng)作次數(shù)的 63.4%，明顯高于其他風(fēng)機(jī)，其中YB08風(fēng)機(jī)避雷器動(dòng)作次數(shù)最多A、B、C三相合計(jì)達(dá)20次。

2）YB07—YB11，4臺(tái)風(fēng)機(jī)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(dòng)作次數(shù)從6月份開始明顯增加，7月份避雷器動(dòng)作次數(shù)翻了一倍，6—9月份動(dòng)作次數(shù)占總數(shù)量的78%。YB07—YB11，4臺(tái)風(fēng)機(jī)在6—9月份避雷器動(dòng)作頻次明顯高于其他風(fēng)機(jī)，占整條線路動(dòng)作次數(shù)的55%。

2.2線路斷路器事故跳閘數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)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(jì)見表1。

表1　YB線事故統(tǒng)計(jì)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(dòng)外，避雷器動(dòng)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(shè)備及操作設(shè)備時(shí)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(dòng)作統(tǒng)計(jì)可知，集電線路避雷器動(dòng)作集中在6—9月份，正是該地區(qū)的雷雨季。季節(jié)和地勢(shì)高低的變化，不會(huì)導(dǎo)致集電線路正常運(yùn)行時(shí)內(nèi)部過電壓和避雷器動(dòng)作機(jī)率明顯增減，由此可以得出避雷器動(dòng)作次數(shù)大幅增加主要由雷電過電壓引起。

風(fēng)電場(chǎng)YB線在2012年—2014年7月的8次跳閘事故中有7次保護(hù)動(dòng)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(yīng)避雷器動(dòng)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(fēng)電場(chǎng)集電線路雷擊對(duì)跳閘的影響很大。

從地形地貌來看，YB07—YB11風(fēng)機(jī)集中布置在該風(fēng)電場(chǎng)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(fēng)機(jī)海拔高度為1017m，YB07、YB11風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)距離40m左右。該風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)機(jī)輪轂高70m，風(fēng)機(jī)接引器可以起到避雷針的作用，經(jīng)計(jì)算風(fēng)機(jī)保護(hù)有效半徑為 50m，5基終端塔在其保護(hù)范圍內(nèi)，其余4級(jí)線路桿塔不在其保護(hù)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(luò)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(cè)邊導(dǎo)線的保護(hù)角度、地形地貌和地質(zhì)條件有關(guān)，山地類風(fēng)電場(chǎng)集電線路的繞擊率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于平地線路。這就是風(fēng)電場(chǎng)集電線路A、C相避雷器動(dòng)作次數(shù)最多的主要原因之一。

此外，風(fēng)電場(chǎng)YB07—YB11風(fēng)機(jī)區(qū)域?yàn)榍鹆辏叵掠需F礦、金礦等良導(dǎo)體金屬礦產(chǎn)存在。一方面，這些金屬礦可能存在磁場(chǎng)聚集雷云；另一方面這些金屬良導(dǎo)體可能導(dǎo)致雷云對(duì)地放電，在線桿塔上造成感應(yīng)過電壓，使避雷器或斷路器動(dòng)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(dòng)作的增多，引起線路保護(hù)動(dòng)作，造成線路跳閘事故。

4　防雷保護(hù)措施

通過分析上述的事故原因，結(jié)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(shí)施過程中每基桿塔都敷設(shè)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(shè)線路時(shí)，可以采取特殊的降阻方式，如增加埋設(shè)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(yùn)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(duì)山頂?shù)貏?shì)較高處的風(fēng)機(jī)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(chǎng)強(qiáng)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(jìn)一步提升集電線路的絕緣水平，采用陶瓷橫擔(dān)替代原鍍鋅鐵橫擔(dān)。因?yàn)?，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(duì)零值絕緣子進(jìn)行檢測(cè)，保證高壓集電線路的絕緣強(qiáng)度。

3）在容易遭受雷擊的重點(diǎn)區(qū)域加裝避雷針裝置，與風(fēng)機(jī)引雷裝置形成聯(lián)合保護(hù)，減少集電線路遭受雷擊概率，保護(hù)集電線路正常運(yùn)行。

5　結(jié)論

風(fēng)電場(chǎng)是利用風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，風(fēng)資源的好壞決定了整個(gè)風(fēng)場(chǎng)的效益，而風(fēng)資源與海拔高度成正比。為了使風(fēng)機(jī)處于更好的風(fēng)資源區(qū)域，風(fēng)機(jī)往往都會(huì)選擇地勢(shì)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(fēng)險(xiǎn)。建議風(fēng)電場(chǎng)在設(shè)計(jì)、建設(shè)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮以下方面：

1）采用架空集電線路時(shí)，集電線路采用雙地線設(shè)計(jì)，減少導(dǎo)線的保護(hù)角。地形比較復(fù)雜區(qū)域，可以考慮增設(shè)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(jí)。

3）集電線路桿塔接地裝置，在高土壤電阻率地區(qū)時(shí)，應(yīng)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(shè)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(qiáng)日常維護(hù)。

5）對(duì)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(shè)避雷扁鋼，可以有效的解決直擊雷和感應(yīng)雷，并且在電纜頭兩端均設(shè)置避雷器，對(duì)電纜進(jìn)行保護(hù)。

6）本工程集電線路的防雷、接地的設(shè)計(jì)優(yōu)于規(guī)程要求，實(shí)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(dòng)隨機(jī)性較強(qiáng)，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(zāi)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(dòng)強(qiáng)弱程度、地形地貌特點(diǎn)和土壤電阻率等情況，結(jié)合風(fēng)電場(chǎng)集電線路設(shè)計(jì)方案以及系統(tǒng)運(yùn)行方式等，確定合理的防雷保護(hù)方案。

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

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

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