风力发电场升压站雷击事故分析及防雷措施

徐元刚（四川省能投会东新能源开发有限公司，四川 会东 615200）

风力发电场升压站雷击事故分析及防雷措施

徐元刚
（四川省能投会东新能源开发有限公司，四川 会东 615200）

雷电对电力设施破坏很大，电力系统的防雷是一项综合性的系统工程，既要防直击雷、防感应雷，又要防雷电侵入波。以四川省会东县某风电场110 kV升压站遭受雷击为例进行雷击事故原因分析，并应用杆塔接地降低电阻、安装碳化硅普通阀式避雷器或金属氧化物避雷器和加强管理等防护措施效果明显。

风力发电场；升压站；雷击事故；原因分析；防雷措施

0　引言

四川省会东县位于四川省的西南部，在凉山彝族自治州最南端，年平均雷暴日数达68 d，属于多雷地区。在2016年5月，会东县**风电场（以下简称风电场）遭受雷击输电线路导线，雷电波沿导线侵入到升压站35 kV母线，造成一台800 kVA的厂用三相干式接地变压器高压侧A相烧坏以及多只集电线路避雷器爆炸，并造成部分低压电器损坏，直接经济损失达30万元。雷击造成风电场停产2 d，间接经济损失电量100万kW·h。

1　雷击事故分析

1.1风电场概况

风电场场址位于鲁南山脉山脊地带，山脊呈东北—西南走向，地势较开阔、山脉起伏相对较小，海拔高度2 800～3 050 m，风电场长度约9.5 km，平均宽度约1 km，面积约10 km2。风电场于2014年7月新投产33台1.5 MW的风力发电机组，总装机容量49.5 MW。每台风力发电机发出的电能经箱式变电站升压至35 kV后，经三条集电线路接入风电场110 kV升压站35 kV母线，后经主变升压到110 kV 以1回110 kV出线接至电网。110 kV采用变压器线路组接线，35 kV母线采用单母线接线，35 kV集电线路全线采用一条地线和一条OPGW光纤防雷，升压站设2只避雷针，场用电以一台35 kV接地变兼场用变方式供电。以一条集电线为例原设计接线方式如图1所示。

1.2雷击事故原因

当雷直击在升压站电力设备上将产生直击雷过电压；而雷击线路杆塔和避雷线可造成绝缘子串、塔头空气间隙和避雷线与导线间空气间隙闪络，形成对导线的反击；雷电波沿输电线路侵入到升压站电力设备上，产生侵入雷电波过电压，其幅值很高，会造成电力设备损害。雷击的具体表现如下：

1.2.1直击雷过电压

雷直击在升压站户外电力设备上，将产生幅值很高的直击雷过电压，其值将超过电力设备（主要为35 kv及以下设备）的耐雷水平，而当雷直击（无避雷线线路）和绕击（有避雷线线路）输电线路导线，将产生过电压，形成强大的雷电流。防直击雷主要是采用避雷针或避雷线。影响避雷针与避雷线的保护范围主要与避雷针的高度、配电设备的高度有关。线路的绕击率与避雷线对边导线的保护角、杆塔高度以及该地区的地形、地貌有关［1］。

1.2.2感应过电压

雷击线路杆塔或附近的避雷针、避雷线以及附近大地时，由于静电感应，在架空导线上产生感应过电压。其最大值可达300～400 kV，一般对35 kV及以下线路的绝缘有一定的威胁。因此避雷针、线应尽量远离35 kV及以下电压等级的配电装置，以降低感应过电压发生的概率。

1.2.3雷电反击过电压

雷击架空线路避雷针、线、杆塔顶部或其他建、构筑物时，将引起接地网冲击电位升高，造成对电气设备的反击，产生反击过电压。它与雷电流幅值、地网冲击电阻、引流点位置、杆塔型式、高度和设备充电回路时间常数有关。

1.2.4侵入雷电波过电压

雷击线路时，雷电波沿导线侵入到升压站电力设备上，产生侵入雷电波过电压。其幅值与升压站进线保护段耐雷水平、导线电晕衰减、雷击点距升压站的距离以及升压站接线、运行方式有关。应采取措施防止或减少近区雷击闪络［2］。

因此，过电压对电力设备的绝缘将造成很大的伤害，当过电压超过电力设备耐压水平时，易引发绝缘损坏。而雷电流产生的电动力与电热是造成电力设备破坏的主因。若不采取防护措施，势必造成电力设备和人身伤害事故。

图1　原设计接线方式

2　存在的问题

2.1架空线路连接处未装设避雷器

与架空线路采用电缆连接时，当其长度超过50 m时，应在其两端装设阀式避雷器或保护间歇；长度不超过50 m的电缆，只在任何一端装设即可。而该升压站的35 kV单芯电缆长度为165 m，显然需在其两端装设阀式避雷器或保护间歇。而与架空线路连接处未装设避雷器，导致雷电波侵入升压站，造成场用变压器烧坏，是导致这起事故的直接原因。

2.2避雷器性能降低

每条集电线路距升压站2 km范围内，接地电阻需小于10 Ω。该风电场每基杆塔工频接地电阻达23.5 Ω，其接地电阻过大，而且风电场至投产以来，未对集电线路上的避雷器做预防性试验，特别是在雷雨季节到来前，需检查避雷器的性能。这次雷击造成多只集电线路避雷器爆炸，是与避雷器性能降低有关。在雷击时避雷器不能及时泄放雷电能量，致使雷电波侵入升压站，是导致这起事故的间接原因。

3　防护措施和解决方案

针对以上存在的问题，提出以下解决方案。

3.1进线段防护

当线路上出现过电压时，将有雷电波沿导线侵入升压站，其幅值较高。而线路的耐雷等级比升压站设备的耐雷等级要高很多。因此，在接近升压站进线的2 km范围内加装避雷线或者在进线段敷设电磁耦合地线是防雷的主要措施。该风电场全线架设避雷线，可以满足要求。但进线段2 km范围内的杆塔接地电阻过大，不能及时泄放雷电流，需将进线段2 km范围内的杆塔接地电阻降低到10 Ω以下［3］。

3.2雷电侵入波防护

防止雷电侵入波对升压站的破坏，主要是在进线上安装碳化硅普通阀式避雷器或金属氧化物避雷器。普通阀式避雷器是靠间隙自然灭弧，工频续流小，一般在80 A左右；而金属氧化物避雷器一般是无间隙避雷器，它没有灭弧与工频续流，是采用金属氧化物电阻片，具有优异的伏安特性，电阻片单位体积吸收能量大，还可并联使用，使能量吸收能力成倍提高。因此将集电线路进线单芯电缆连接改为两端接地，并在一端接地线上装设保护间歇（FC）；且在与架空线路连接处增设金属氧化锌避雷器（F3）防止雷电波的侵入，连接方式如图2所示。

图2　雷电侵入波防护连接方式

3.3加强管理

在雷雨季节来临之前对集电线路的所有避雷器做预防性试压，检查避雷器性能。考虑风电场风力季节性特点，可在每年枯风季节检查避雷器性能；或者在每只避雷器处安装在线监测装置，并加强巡视检查，发现有损坏的避雷器时，做到及时更换。

4　结语

电力系统的防雷是一项综合性的系统工程，既要防直击雷、防感应雷，又要防雷电侵入波；而雷电对35 kV及以下的电力设施破坏很大，35 kV系统在配电中运用广泛；升压站又是电能输送中必不可少的一环，如果发生雷击停电事故，将造成严重影响。因此在电力建设中，必须加强设计、施工管理，从源头上做好防雷措施；并加强运维管理，保证升压站设备安全经济运行。

［1］张小青.建筑防雷与接地技术［M］.北京：中国电力出版社，2003.

［2］袁志鑫.变电所防雷接地［J］.科技情报开发与经济，2008，18（2）:222-223.

［3］中华人民共和国电力部.DL/T620-1997，交流电气装置的过电压保护和绝缘配合［S］.北京：中国电力出版社，1997.

TheAnalysis of LightningAccident on Wind Farm Booster Station and Lightning Protection Measures

XU Yuan-gang
（Sichuan Province Energy Investments Huidong New Energy Development Co.Ltd.，Huidong，Sichuan 615200，China）

Lightning make great damage to power facilities，Lightning Protection is a comprehensive systems engineering in power system.The Lightning Accident analysised by author，which had happened in Sichuan Huidong County 110KV wind farm booster station，shows that making the tower grounding to reduce resistance，installing ordinary silicon carbide valve lightning arrester or metal oxide lightning arresters and strengthening the management can get a significant consequence.

wind farm booster station；lightning；accident；lightning protection

TM614；TM862

A

1673-1891（2016）02-0043-02

10.16104/j.issn.1673-1891.2016.02.013

2016-05-18

徐元刚（1970—），男，四川眉山人，学士，工程师，研究方向：风力发电生产管理。