风电场输电线路防雷技术的研究

刘昌衡，卢建宁，丁 剑

(1. 上海应用技术大学 电气与电子工程学院，上海 201418；2. 上海勘测设计研究院有限公司，上海 200050)

1 3种防雷技术原理

架空输电线路在风电场中是举足轻重的地位，长时间的裸露在自然界会发生雷击、火灾、舞动、脱冰、断线、倒塔、外力破坏、人身伤亡等事故，其中因为线路走廊较长、水文土壤条件较差、强对流天气增多等不利因素，雷击事故较为频发，被认为是影响电网安全稳定运行的重要因素[1]。风电场内架空输电线路应基于地闪密度参数、地址参数、杆塔参数及耐雷性能进行防雷设计，主要的3种防雷技术原理：

1.1 防直击，使导线和铁塔不受雷直击

1.1.1 选址

架空输电线路选址勘测时需要注意线路路径，应尽量避免海拔较高的地方，结合隆盛—六靖110 kV线路和某风电场YB的集电线路近些年的跳闸记录数据[2-3]，经分析可以知道山脊处、海拔高的地方最容易在雷击时产生故障，同时根据运行经验，容易起风区域、大电阻率突变区域和突兀区域较容易遭受雷击，也需要避开。

1.1.2 架设地线

风电场内因为要传输风机控制信号，一般都会架设OPGW地线或ADSS地线，可以通过分流、耦合和屏蔽作用提高线路耐雷水平，地线是最有效和最基本的防雷措施，在雷电活动强的地区还可以采用架设藕合线方式提高耐雷水平[4-6]，架设耦合地线是指在导线的下方加挂地线，有文献表明在采用架空地线后防雷效果不明显的情况下，采用架设2根耦合地线可以大大的提高耐雷水平，并通过实例计算得出架设耦合地线后能使线路耦合系数增高93.2%，降低了绕击率[7]，另一方面，耦合地线还可以采用地埋方式，是指在沿线路走向在土里埋设 1～2根地线，并可以连接到下一基铁塔的接地装置上，也可以架设双地线增加保护角。

1.1.3 安装避雷针

1980年国外学者开始研究线路避雷针工作原理，我国从1993年逐步开始相关数据的研究[8]，线路避雷针能较大程度的对线路进行直击雷保护[9],降低线路发生故障的频率，线路避雷针的形式也是多种多样的，这里介绍几种避雷针：可控放电型避雷针由金属环、非线性电阻、储能装置、支架和可控针组成[10]，在地面场强较低时，储能装置会将雷云电场下空气中的电荷储存，可控针在电场强度足够高时突然发生电位跳跃式上升，释放储能装置里的能量，自主引发上行先导，可以形成上行雷或者中和下行雷，从而发挥保护输电线路的作用，相对于传统的富兰克林避雷针，这种避雷针还能减轻感应过电压。线路型头部分裂均压式避雷针具有宽大头部结构的特点，较大的等效半径降低了杆塔的微小截面线状迎面先导，同时也减少了雷电下行先导电位和杆塔迎面先导之间的泄露电阻，避免雷电压向杆塔方向发展，从而降低雷击跳闸率[11]；多短避雷针可以抑制下行雷，大大提高空间临界击穿电压，同时抑制塔顶导线产生迎面先导，能有效防止绝缘子串附近的导线遭到绕击作用。地线侧向避雷针可以有效减小地线保护角，对导线产生屏蔽作用。在平原地区，若雷击跳闸率很高，可以采用架空线改为直埋电缆方案，还可以安装预放电棒、负角保护针和消雷器防止雷电直击作用。总的而言，避雷针的真正作用是吸引雷电，雷击发生时，由于结构和高度原因，避雷针比铁塔更容易使云电场发生畸变，先发生电离并先产生迎面先导，再将雷电流通过接地装置泄入大地，达到保护铁塔的作用。

1.2 防闪络,使输电线路受雷后绝缘不完全发生闪络

绝缘子的闪落与绝缘子污秽程度有很大关系，空气中的灰尘杂质积落在绝缘子上，在小雨、雾、露或雪天气时，湿润的电解质使绝缘子表面电导率增加，大气过电压作用下绝缘子串容易发生闪络放电。有文献分析了绝缘子闪落机理[12-13]，分析表明绝缘子污秽程度、湿润程度、过电压大小这3个方面对绝缘子闪络影响较大，设计前应考虑风电场周围污秽情况的发展趋势，运行状态下应及时对污秽进行清洗，这些措施都可以降低绝缘子的闪络，提高线路的防雷水平。当多回输电线路遭受雷击时，两条或多条线路可能同时发生闪络，对风电场的运行造成严重影响。为了降低了多回闪络率情况，有学者在EMTDC建立输电线路模型进行了仿真研究，在不增加总闪络率的情况下，提出新的多回线路绝缘等级高的不平衡绝缘设计方法[14-17]，这为设计人员提供了另一种防雷设计思路。雷电流不能及时的泄露到大地时，也是造成绝缘子串闪络的重要原因，可以通过降低接地电阻[18-23]，或适当加强线路绝缘或者采用差绝缘方式通过减少工频电场强度来阻止雷击时绝缘子完全闪落。

1.3 防建弧

输电线路发生闪络后不建立稳定的工频电弧[24-26]，也不使它转变为两相短路故障或不导致线路跳闸。雷电流具有幅值大波长短的特点，当雷电击中导线后，它会传输到绝缘子串上会发生闪落过程，绝缘子闪落后，闪落电弧是不会引起线路跳闸事故的，当闪络电弧将空气击穿离解，发展成稳定的工频续流，形成相间短路时故障会发生；继电保护装置在弧道发展成稳定电弧之前动作，可以阻止跳闸事件发生，从而保护线路。可以通过及时更换零值绝缘子[27]、装设自动重合闸装置[28]或者将系统中性点采用非直接接地方式来避免建立稳定工频电弧。

2 案例分析

本工程杆塔位于宁夏自治区，线路经过的区域个别月份常会有干雷天气出现，部分杆塔极易因雷击引起线路跳闸，而造成直接和间接的经济损失，同时影响供电稳定性。为了提出有针对性的防雷措施，需要根据工程经验、雷击痕迹和雷电定位监测系统监测结果判别雷击故障类型。雷击输电线路时产生的过电压分为感应雷过电压和直击雷过电压2种，其中直击雷根据雷击点的位置不同分为反击和绕击2种情况，对于220 kV及以上高电压线路，常常容易发生绕击[29]，而低电压线路容易发生反击，本线路为风电场内35 kV集电线路，优先考虑为反击或者感应雷造成的雷击跳闸事故。

2.1 雷击痕迹

在线路发生反击时，导线、金具、绝缘子会有明显的放电痕迹。最为直观的现象发生在绝缘子上，对于耐张塔来说，雷击点可能在横担上，先把横担烧伤后再烧伤绝缘子，放电的痕迹是从横担向绝缘子侧，横担烧伤较为严重；对于直线塔来说，放电痕迹多发生在悬垂绝缘子的伞裙上，悬垂线夹上也会常看到银白色的亮点。从发生故障的塔基数量或相数上看，反击较容易造成一基多相或者多基多相发生闪络，而绕击容易造成单基单相或者相邻两基多相发生闪络。

2.2 地址参数

本工程输电线路走廊为西部丘陵地带，地形有起伏，为荒漠区，中后部部分地形起伏较大。地质情况为：①粉砂层(Q4eo I)，由风积而成。以粉细砂为主，局部夹杂粉土薄层，含少量砾石及植物根系。层厚在0.40～1.80 m。②第二层为细砂层(Q4eo I)：红褐色，以细砂为主，局部夹粉质黏土薄层，含砂质团块，属第三系砂岩全风化堆积物。③砂岩(E)、粉质黏土、泥岩。考虑到本工程项目所处的区域电阻率较高，所以优化时以降阻为主，以减小保护角和增加耦合地线为辅。

3 仿真实验

结合本文第2节中涉及风场中输电线路的铁塔型号、导地线、绝缘子参数、地址参数、气象条件和其他必要参数，检验不同的接地电阻值对避雷的效果的影响，进行了仿真实验。在构建了铁塔模型、塔脚接地模型、架空导线模型、电缆模型和避雷器模型的基础上，进行3组仿真实验，其他条件相同情况下铁塔接地电阻分别是25、10和4 Ω。

3.1 仿真模型建立

3.1.1 铁塔模型

铁塔采用4段模型，用上相、中相和下相的横担位置将铁塔分成4段[30]，用无损耗线路可以模拟冲击波衰减的过程，用R-L并联电路的串接可以模拟不同频率冲击波在铁塔中衰减的快慢。

假定铁塔的上部和下部波阻抗相同，Zt1=Zt2=Zt3=Zt4=Zt[31]，其中

用铁塔全体衰减系数γ和各段相应的长度h1,h2,h3,h4计算各段的参数。

r=-2Zt×lnγ/H

Ri=r×hi

Li=α×τ×Ri

式中：r为单位长电阻；H=h1+h2+h3+h4，即铁塔全高。

3.1.2 塔脚接地

铁脚暂态模型跟接地电阻有关。从暂态接地电阻的测量结果来看，工频电阻较大时，初期的接地电阻小于工频电阻，即呈现电容性；工频电阻较小时，初期的接地电阻大于工频电阻，即呈现电感性。

3.1.3 架空线和电缆模型

用4线(单回路)/7线(双回路)Jmatri线路模型来描述在雷击附近的架空线路，各参数如表1和表2所示。

图中符号和单位之间用三相参数分布传输线路来模拟沿电缆的雷电侵入波传播。电缆R=0.493 Ω/km,X=0.149 Ω/km,C=0.11 μF/km,L=0.474 5 mH/km

电缆线路的零序阻抗一般是通过实测确定，在近似计算中，可取r0=10r1,x0=(3.5～4.6)x1,式中的正序电阻和正序电抗通常是由制造厂提供。

3.1.4 氧化锌避雷器

金属氧化锌避雷器采用非线性电感模型。

表1 4线(单回路)Jmatri线路模型Tab.1 4-wire (single loop) jmatri line model

表2 7线(双回路)Jmatri线路情况Tab.2 7-wire (double circuit) jmatri line

图1 (a) 线路侧避雷器电压;(b) A相避雷器电压Fig.1 (a) line side arrester voltage,(b) A-phase voltage of arrester

图2 (a) 线路侧避雷器电压; (b) A相避雷器电压Fig.2 (a) line side arrester voltage,(b) A-phase voltage of arrester

3.2 仿真实验结果

(1) 铁塔接地电阻25 Ω,箱变接地电阻4 Ω时，仿真数据如图1所示。

(2) 铁塔接地电阻10 Ω,箱变接地电阻4 Ω时，仿真数据如图2所示。

(3) 铁塔接地电阻4 Ω,箱变接地电阻4 Ω时，仿真数据如图3所示。

图3 (a) 线路侧避雷器电压; (b) A相避雷器电压Fig.3 (a) line side arrester voltage,(b) A-phase voltage of arrester

综合分析图表线路侧电压值变化可以知道：接地电阻越小，雷电过电压越小；综合分析图表中避雷器A相电压可以知道：尽管安装了线路侧避雷器，电缆仍然承受很高的过电压，由于雷电波的反射，箱变侧避雷器过电压高于线路侧避雷器过电压，这就解释了为什么出现箱变侧避雷器爆炸，而线路侧避雷器完好的原因。

3.3 解决方案

本工程已经采用常见的措施提高耐雷水平，例如：架设OPGW地线，部分塔型保护角小于0°，安装线路型避雷器等，但是仍有部分铁塔容易遭受雷击，发生雷击跳闸事件，使风场安全仍存在安全隐患。现在考虑因素为：原杆塔接地电阻大，易造成线路因雷击等频繁跳闸，急需对接地设计进行优化。

3.3.1 采用传统的接地方案。

杆塔所在区域大部分空旷区域，施工条件较恶劣，施工难度大，使用水平接地体设计、垂直和水平综合接地体设计、石墨接地棒接地体设计等传统接地方式开挖量大，搬运麻烦，且埋设后与土壤接触不紧密，接地效果差，很难满足接地电阻要求。

以500 Ω土壤的杆塔为例，水平接地体设计需要接地钢材198.8 kg，放射长度为25 m，需要开挖土石方量为34.5 m3；综合接地体设计需要接地钢材231.7 kg，放射长度20 m，需要开挖土石方量为28.8 m3；石墨接地棒接地体设计需要接地钢材169.3 kg，放射长度20 m，需要开挖土石方量为28.8 m3，接地模块20只。

3.3.2 采用CET杆塔专用接地装置

优化方案考虑使用开挖量小、占地面积较少、放射长度短、降阻效果明显、造价相对较低的CET杆塔专用接地装置。

现以立在500 Ω土壤的杆塔为例，计算所需装置数量。

距离塔基边缘铺设一圈地网的接地电阻

式中：ρ为校正后计算用土壤电阻率，500 Ω·m；S为塔基周围铺设地网面积(边长取9 m)，81 m2。

要达到10 Ω的接地要求，并联的CET需要达到的接地电阻为：

式中：R1为塔基边缘地网接地电阻，27.78 Ω；R为杆塔要求接地电阻，10 Ω；η为并联利用系数，0.85；R2=12.24 Ω。

单套CET杆塔专用接地装置的接地电阻

Rv=0.07ρ=35 Ω

要达到12.24 Ω的接地要求，需要CET的数量为：

4套CET并联接地电阻

4套CET与原地网并联后接地电阻

同理可以可得其他土壤电阻率下所需CET装置数量,如图3所示。

表3 CET数量配置表Tab.3 Configuration of CET quantity

其他注意事项：

(1) 接地线的长度尽量短，地网在杆塔周围45 m内完成(参照ρ≤500 Ω·m)。

(2) 考虑安全因素，地网埋设埋深在0.6 m以下，部分区域确实不能开挖时，可降低要求，但不能小于0.4 m。

(3) 接地系统中所有电气连接采用可靠放热焊接，接头应做良好防腐涂层处理。

4 结 语

雷击杆塔和导地线在输电线路中是较为常见的事故，风电场中架空输电线路的防雷设计对其安全运行有着举足轻重的地位，目前主要的防雷原理有3点：防直击雷、防闪络和防建弧。在设计时应计算耐雷水平和雷击跳闸率，科学合理采取某些措施，例如：增加绝缘子片数提高爬电距离、采用双地线减小保护角等；运行后雷击跳闸次数过多时，可以采取：降低接地电阻、增加耦合地线、及时清洗绝缘子、增加线路避雷器等措施。根据风电场不同情况，采取有针对性的防雷设计方案才可以保证风电场安全稳定和减少人身事故。