35 kV集电线路缺陷整改与避雷器击穿分析

安丽芳

（甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，甘肃 兰州 730000）

0 引 言

我国科技不断进步，人们对电力的需求也越来越大，因此提高电网的稳定性能至关重要。古浪风电场位于甘肃省武威市古浪县东南方向新堡乡境内，电场距古浪县城约120 km，距景泰县城约58 km[1]。海拔高程为2 600～3 050 m之间，属高海拔高寒地区，每年10月至次年5月均会出现低温雨雪天气。风电场的风力发电机组为双馈异步风力发电机组，型号为远景能源生产的EN-110/2.2MW，发电机组的总装机容量约为100 MW，年设计发电量2.24亿kW·h。目前风电机已经实行并网发电[2]。古浪风电场在确保安全生产的基础上，着力抓好经济运行指标提升，通过隐患排查与消缺整治提高设备利用率，开展设备健康分析，争创区域内风电一流指标[3]。古浪风电场中的35 kV架空集电线路自投运以来，生产运行中发生多次故障，截止目前，已损坏避雷器21个，损坏电缆终端头6个，引下线脱落27次，避雷器连接线断裂4次，损失电量194万kW·h。该风电场的35 kV架空集电线路频繁出现避雷器击穿、电缆头击穿爆裂、连接线脱落等问题，给风电场安全生产工作带来严重威胁，并造成了电量损失，受到电网考核[4]。基于此，本文提出了35 kV架空集电线路缺陷整改与避雷器击穿分析。

1 集电线路缺陷故障分析

氧化锌避雷器的保护性能有一定的优势，具有结构较为简单、容量大等优点，广泛应用于电网的建设中。在古浪风电场的架空集电线路风机终端塔上采用避雷器保护电力设备，并按照相关的规程规范对避雷器进行设计选型[5]。35 kV架空集电线路自投运以来，屡次出现避雷器击穿事故，现对避雷器的故障原因进行初步分析，其原因之一为集电线路设备的质量问题。古浪风电场建设在3 500 m的高海拔地区，因此产品实用性能必须满足高海拔的使用要求，使产品的爬电比距、绝缘性能满足工程地区使用条件[6]。原因之二为铁塔的接地电阻也必须满足高海拔的使用要求，建议对架空集电线路设备进行检测。

如果击穿事故出现在雷电季节的雷电时期，那么发生故障的原因也有可能是因为雷电流，而铁塔的接地电阻如果不满足要求，高电压的冲击电流不能及时地导向大地，则会出现击穿事故[7]。古浪风电场地理位置相对特殊，雷雨天气、冬春过渡时期、阴雨天气都容易使设备受潮，因此产品的密封性能也是避雷器运行中容易出现事故的致命点。

雷击事故产生的原因主要以箱变低压侧受损为主，当雷电流流入到接地网中，经过接地网传导到大地。受到接地电阻的影响，接地网电位会持续升高，与冲击接地雷电流的峰值成正比例变化，基于接地体在高频率的电流效应下，地电位的分布与雷击点和地网的分布情况存在一定的关联。在发生雷击时，接地网上方的电缆中会产生一定的电压，避雷器两端承受的电压与低压侧电缆的感应电压差较大。在SPD设备表面出现聚集水气的情况时，控制绝缘部分沿放电通道击穿，导致相间对地放电，形成工频续流，致使设备及架空集电线路形成缺陷故障。

综合上述分析，为避免避雷器发生故障，保证线路安全运行。一方面需加强设备质量的检验，另一方面需加强架空集电线路的运行监督。

2 基于35 kV的架空集电线路缺陷整改与避雷器击穿分析

2.1 构建雷电放电模型

选取Heidler函数算法，构建雷电放电模型，记录雷电的放电全过程，获取到雷电流放电中的电流波形变化，如图1所示。

图1 雷电放电电流波形变化

如图1所示，雷电流在5～30 kA变动时，避雷器通道内的阻抗为500～800 Ω；雷电流在20～300 kA变动时，避雷器通道内的阻抗为250～700 Ω，通常选取350 Ω。

为了研究避雷器的击穿作用，在模型中设置风机遭受雷电击穿时，箱变两侧的电压参数值，如表1所示。

表1为本文构建的雷电放电模型的电压参数设置，保证箱变低压侧的电涌保护器能够稳定运行，限制模型中低压侧的电压情况，保护避雷器正常运行。

表1 箱变两侧电压参数设置

2.2 计算35 kV架空集电线路接地电阻

采用热镀锌扁钢，采用一定的措施控制风电机组之间的距离，保证距离大于1.3 m，布置环形接地体在集电线路周围，结合集电线路与避雷器所在地的环境条件，设置环形接地体作为自然接地体。在环形接地体上安装热镀锌角钢，并设置接地体的水平接地线，增设长度约为2.6 m的接地极，敷设接地体，根据风电场的实际雷击情况调整接地体敷设方向。35 kV架空集电线路接地体的接地电阻计算公式为：

式中：ρ表示土壤的电阻率，通常取值1 200 Ω；L表示接地极的总长度；h表示接地极的埋设深度；d为接地极的水平直径长度；k为降阻的常规系数；A表示接地极的形状系数，通常情况下取值范围为0.1～1。复合接地网的接地电阻计算公式为：

式中：R1=5.5Ω，代表集电线路水平接地体的电阻；Rn2表示多根集电线路的垂直接地极电阻。35 kV集电线路的实际值与计算结果之间存在较小的误差，通常情况下，选取相对复杂环境下的计算结果。由于风电场内土壤的电阻率较普通环境高，在集电线路的缺陷整改过程中采用外引接地的方式，扩大接地网的受力面积，增大接地极与地面之间的距离，进行有效降阻。

2.3 整改箱变室的等电位连接

35 kV架空集电线路与箱变室内设备具有一定的独立性，杆塔接地与箱变中性点不能够直接连接，降低雷电流对设备运行的干扰。在箱变室的等电位连接中，控制两个接地点之间的独立性，将接地点与接地网之间分开引接，保证引接点的距离大于8.9 m。将风电场设备的电压开关保护器的内部，基于高温材料的作用，制作成具有耐高温性的电极，利用分隔片分隔放电部件，提高雷电释放能力，预防雷电波较大时的放电作用。在35 kV架空集电线路中配合使用限压型保护器，当线路长度过短时，增加退耦装置，改造高能量电涌保护器，在导体的电极两端安装绝缘隔板，保证导体首尾端与接地网的紧密连接。

3 实验分析

3.1 实验准备

本次实验在山东省某高压实验室进行，选用1 500 kV的冲击电压发生器，基于Marx多级回路产生雷电冲击波形与其他特殊冲击电压波形。设置冲击电压的稳定性较高，雷电电流波形的参数以IEC 61250.1为标准。在雷电间隙的冲击中，采用多断点冲击方式。分别选用两种不同类型的35 kV绝缘子，一种为FWMS3复合绝缘子，控制绝缘长度小于555 mm；另一种为LPT-45玻璃绝缘子，绝缘长度小于600 mm。保证避雷器的绝缘部分保持干燥，通过防雷间隙两端的接地极连接避雷器与集电线路，隔离雷电冲击以外的其他电压作用。控制负极性冲击次数，每隔半个小时测试一次空气的湿度，采用升降法测量集电线路电压，在若干次冲击放电实验后，当实验的样品被雷电击穿后，降低实验冲击电压，至少进行40次冲击实验，使击穿次数占总实验次数的50%，提高实验的准确率。

3.2 结果分析

为了验证本文提出的35 kV架空集电线路缺陷整改与避雷器击穿分析结果的有效性，设置本文提出的缺陷整改与避雷器击穿方法为实验组，传统的灭弧间隙防雷方法为对照组。对比两种方法降低雷电流冲击压力的速度，实验的对比结果如图2所示。

图2 实验结果

根据图2可知，本文提出的35kV架空集电线路缺陷整改与避雷器击穿分析能够快速降低雷电波冲击的压力，较传统方法相比，对于冲击电压的控制速度较快，能够有效地提高集电线路的可靠性，保护避雷器的稳定运行。

4 结 论

在电网规模不断扩大的背景下，35 kV架空集电线路受到雷击的破坏可能不断增大。本文提出了35 kV架空集电线路缺陷整改与避雷器击穿分析，通过本文的研究分析，改善了传统的避雷器防雷方面的缺陷，提高了集电线路的可靠性。通过实验证明，本文提出的方法能够快速降低雷电波的冲击电压，保护避雷器的稳定运行。