风电场集电线路防雷措施分析

戴勇干

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

风电场集电系统一般采用中性点低电阻接地，单相接地时，按规范要求故障线路瞬时跳闸，不允许重合闸，同时该系统在风机、箱变处的杆塔接地网常与风机、箱变共用1个接地网，接地电阻一般≤4 Ω，远低于集电线路其他位置的杆塔接地电阻。

相比于6～66 kV配网系统中性点不接地或不直接接地系统，由于集电线路不允许采用重合闸，所有单相接地事故都将导致线路跳闸。衡量输电线路的防雷水平有2个指标:耐雷水平和雷击跳闸率。因而应当充分考虑到集电系统的特点，采取经济合理的防雷措施，使集电线路具有一定的耐雷水平，减少集电系统单相接地跳闸次数，降低雷击跳闸率，提高风电场安全运行的可靠性。本文结合相关规范的防雷要求详细分析各种防雷措施的效果与对集电线路防雷的适应性，根据雷电过电压与集电系统特点及线路防雷要求对某风电场雷击事故原因进行简要分析。

1 设计规范对35 kV线路的防雷设计要求

集电线路防雷设计，综合电力及风电行业规范要求，其基本方式是进线段配置避雷线1.0～1.5 km，另一种是全线架设避雷线。以上2种防雷方式目前集电线路都在采用。同时对有避雷线35 kV线路的反击耐雷水平要求，其中GB/T 50064-2014《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》规定为24～36 kA，对双回线路均无明确要求，而对杆塔耐雷水平有较大影响的杆塔接地电阻要求，所有规范要求都相同，最低值为10 Ω。

2 集电线路防雷措施

如前所述，规范对集电线路的防雷要求存在一定差别，在集电线路沿线箱变位置配置避雷器保护，且接地电阻又远低于规范要求的情况下，集电线路是否有必要沿全线架设避雷线应视情况确定。下面结合集电系统特点与线路运行经验，在满足集电线路防雷要求与经济性的前提下，分析各类防雷措施应用特点：

措施1：架设避雷线或耦合地线。该措施是架空线路防雷的基本措施，主要作用就是防止直击导线，雷击杆塔时通过避雷线的分流作用降低塔顶电位；通过其与导线的耦合作用降低绝缘子上的电压；通过避雷线对导线的屏蔽作用，降低导线上的感应过电压；通过调整避雷线保护角，可以在一定程度上减少绕击。但是由于雷电流幅值大多在30～300 kA之间，直击雷易导致各电压等级线路绝缘闪络，而雷电感应过电压通常易于对35 kV及以下电压等级线路产生绝缘闪络。

无避雷线时的导线上雷电感应过电压为[1]：

Ug=ahd

(1)

式中：a为雷电流平均陡度，kA/μs；hd为导线对地平均高度，m。

当有避雷线时，导线上感应雷电过电压为[2]：

Ug=ahd(1-k)

(2)

式中：k为避雷线与导线之间的耦合系数，对于35 kV上字形铁塔，考虑电晕效应后上导线约为0.295，下导线为0.217，按规范有地线时35 kV线路最高的反击耐雷水平36 kA，计算上下导线的感应过电压为：当无避雷线时，上导线227 kV，下导线191 kV；当有避雷线时，上导线160 kV，下导线149 kV，即有避雷线时，上导线最大感应电压降低约30%，下导线约降低22%。

Q/GDW 13256.4-2019 《10～330 kV线路柱式绝缘子(含瓷、复合、横担、防风偏绝缘子)采购标准 第4部分：35～330 kV防风偏复合绝缘子专用技术规范》中35 kV防风偏复合绝缘子雷电全波冲击耐受电压为230 kV，即35 kV一般有、无避雷线线路均可以承受反击耐雷水平36 kA，当雷电流大于该水平时，无避雷线线路将会出现绝缘闪络，在无避雷器线段将由于接地点工频续流而导致线路瞬时跳闸。当雷电流水平达到51 kA时，有避雷线线路感应电压水平接近复合绝缘子U50%，对西北地区雷电流幅值概率由15.2%降低到6.9%，没有本质性地提高线路的反击耐雷水平。

对于集电线路，一般不考虑专门增设该耦合地线。但是在与其他电力线路交叉跨越难以满足要求时，将避雷线改为耦合地线也是可以采取的一种防雷措施，线路感应过电压可以降低20%左右。

措施2：降低杆塔的工频接地电阻。风机、箱变的接地网接地电阻一般均按≤4 Ω设计，该位置避雷线杆塔接地网通常与风机、箱变接地网连接在一起，因此杆塔接地网接地电阻亦≤4 Ω，低于规范对一般线路杆塔的接地电阻值，从而杆塔的耐雷水平得以大幅提升。在一定程度上降低绝缘发生闪络的情况，降低反击电压及反击的可能性。在不同的接地电阻、不同绝缘子片数时杆塔的耐雷水平见表1。

(1) 随着杆塔接地电阻的增加，其耐雷水平迅速下降，至Ri=30 Ω时，耐雷水平相对4 Ω时总下降达64.81%；

(2) 上下横担的耐雷水平基本相当；

(3) 对于风机/箱变处杆塔接地电阻一般≤4 Ω(冲击系数一般α<1[1])，因此其杆塔的耐雷水平已远高于规范要求的36 kA；

(4) 相比普通线路最高的耐雷水平(Ri=10 Ω)，风电场集电线路箱变位置杆塔的耐雷水平高出29.83%；

(5) 同一线路中杆塔的绝缘子U50%存在差异时，线路的耐雷水平将取决于线路中U50%较低的绝缘子，根据表1数据，在多雷区建议适当降低杆塔接地电阻，当选用复合绝缘子时，适当提升其U50%值，同时对同一回线路的绝缘子串U50%值尽可能基本一致，避免其选择性闪络。

表1 不同接地电阻时杆塔的耐雷水平表

措施3：表1数据表明在箱变出口35 kV电缆终端位置安装避雷器，利用避雷器的残压大幅降低雷电过电压造成闪络[3]，基本上能够在继电保护装置动作以前完成灭弧。因此安装了避雷器的集电线路可以大幅度提高耐雷水平，避免或减少线路跳闸，同时也确保了风机、发电机电压配电装置与电缆的安全。雷击塔顶时，有关文献[4]的仿真计算结论表明，装设1组避雷器，当冲击接地电阻在5～100 Ω的范围内时，耐雷水平可提高到1.2～1.6倍(有避雷线线路)或1.5～2倍(无避雷线线路)，相邻杆塔装设避雷器增加时，线路的耐雷水平将会大幅提升；当雷直击导线时，线路有、无避雷线的耐雷水平分别只有2.6、2.5 kA，此时需在相邻杆塔装设避雷器，将可以大幅提高线路的耐雷水平；对于高电阻率风电场接地电阻难以满足规范要求时，装设避雷器可以在一定程度上提高线路的耐雷水平。

风电集电线路在箱变出口一般均装设避雷器，因此对其对线路的反击耐雷水平均可以在一定范围内大幅增加，有利于集电系统安全运行。

措施4：适当加强集电线路绝缘水平也是提升耐雷水平措施之一，如U70BLP、U100BLP型玻璃绝缘子，4片比3片的耐雷水平提高33%左右。

措施5：绝缘子串加并联间隙，并联间隙防雷是对传统防雷保护方式的有效补充，日本、德国、法国等国家从20 世纪60 年代已开始研究在架空送电线路上使用并联放电间隙并积累了丰富的技术资料和运行经验，现在几乎所有的绝缘子串上都安装有形状各异的放电间隙。通过加装放电间隙可以保护绝缘子避免电弧烧伤，有助于工频电弧熄灭。

措施6：避雷针防雷，通常用于建构筑物防雷，极少用于输电线路。由于安装避雷针后杆塔落雷几率将增大，对于集电线路而言，增加了反击的机会，将导致杆塔绝缘子频繁地承受因雷击避雷针而形成的反击电压。

措施7：架空线路改为直埋电缆，电缆直埋可以在一定程度上降低雷击的可能性。当雷击大地时，邻近区域的电缆损坏率上升，雷击损坏程度与雷击电流、大地电阻率、电缆结构(如有没有与大地直接接触的金属护层)等因素有关，有绝缘外护层的电缆比连续与土壤接触的金属护套电缆对雷电更敏感，如果在有绝缘外护层的电缆的上方，安装1条与土壤接触的屏蔽线，可使土壤的电位值降低80%以上[5]。另外电缆直埋有1个不利之处，直埋电缆的地方落雷概率要比其他地方高，尤其是当电缆埋设在土壤电阻率较高的地方。这是由于在土壤电阻率较高的地方埋设1条电缆，相当于在高电阻率地区有1块低电阻率的区域，而雷击具有选择性，雷电易袭击电阻率较低的区域，所以埋电缆的区域雷击概率高。这亦是雷电直击电缆的主要原因之一。

措施8：电网中性点接线方式，当中性点采用不直接接地方式时，可降低系统工频过电压的同时，线路可以在单相接地故障时仍可短时带故障运行，线路不会跳闸，相对提高线路的耐雷水平。而风电场35 kV系统一般采用中低电阻接地，雷击时引起的单相接地故障均瞬时跳闸，同时规范也要求集电线路不采用重合闸，因此本措施对集电线路不适应。

措施9：对双回路采用不平衡绝缘，通过使偏弱绝缘回路的跳闸减少另一回路的雷击跳闸。对于一般风电场集电线路，从节省占地和降低线路建设费用，双回路也是经常采用的方式，当两条线路相差1片绝缘子时，U50%相差约125 kV，随着接地电阻值的不同，线路反击耐雷水平相差12～5 kA。

措施10：对于新架设的线路，在设计时避开雷电活动频繁地区。一般风电场集电线路都必须跟随风电机组布置，而风电机组一般都选择在地形相对偏高的位置，集电线路主路径很难避开雷电活动相对多的地区，在集电线路连接完最后1台风机后则可以根据路径情况回避雷电活动多的区域。

雷电是一种自然现象，其对电力线路的影响不可避免，如上所述影响架空输电线路雷击的因素很多，既有自身的因素，也有其布置路径的地形地质因素，有一定的复杂性，因此解决线路的雷害问题，要从实际出发，因地制宜，综合治理。结合以上分析及已有线路的运行经验，应进行全面的技术经济比较，制定出合理的防雷保护措施。

3 雷击事故分析

3.1 项目概述

某风电场分4期建设，每期装机容量50 MW。工程所在地地势相对平坦，场地较开阔。依据当地气象环境条件，当地年平均雷暴日数为25 d，属于中雷区。按规范要求，集电线路在靠近升压站侧架设1.0～1.5 km避雷线，同时在箱变内布置有1组过电压保护装置，在箱变35 kV侧出线经电缆连接至架空集电线路之前均配置有1组避雷器，与杆塔避雷器的残压均为134 kV，方波通流容量为150 A，电缆终端的冲击耐受电压为200 kV。该风电场发电前期出现过集电线路遭雷击导致线路跳闸的情况，但没有损坏设备，但于2014年9月则发生1次由于雷击造成设备损坏事故，1台风机箱变高压侧过电压保护器击穿、电缆头损坏，箱变高压电缆室、箱变顶盖损坏。

3.2 雷击情况初步分析

(1) 该风电场发电前期发生雷击线路跳闸，无设备损坏，这是由于雷击产生的雷电过电压高于线路绝缘子的雷电闪络电压，绝缘子対地闪络后随后引起单相接地跳闸。此种情况下，雷电流高于线路耐雷水平，即使配置避雷线也难以确保不引起线路雷击跳闸。根据措施2的分析，本项目绝缘子设计选用4×LXWP5-70及FXBW5-35/70，因此本次绝缘子串闪络应当属于2种绝缘子U50%值存在较大差异所致。

(2) 2014年9月雷击导致电缆头损坏和过电压保护器击穿，分析认为：在线路遭雷击后，导线上雷电过电压先经过箱变出口线路侧的避雷器，避雷器没有出现问题，因此箱变内的过电压保护器击穿和电缆头的损坏是由于避雷器的残压或低于残压的过电压导致的。过电压保护器的基本参数与避雷器基本一致，正常情况下，过电压保护器与电缆头在避雷器的保护下是不会出现这种情况的[6]，分析认为是由于过电压保护器承受过电压、热负荷能力不足是导致其击穿的主要原因；电缆头的损坏，一方面是由于避雷器残压的作用，另一方面原因则可能是由于其施工质量不佳，或者产品本身存在一定的质量问题，在运行一段时间后，已无法承受避雷器的残压水平的过电压导致其损坏。

分析表明，虽然某风电场集电线路没有全线架设避雷线，但在避雷器的保护下设备是安全的，集电线路没有全线架设避雷线不是本次箱变电缆头与过电压保护器损坏的直接原因。

4 结 论

(1) 对于雷电活动较多地区，集电线路沿全线架设避雷线，可以在一定程度上提高线路的耐雷水平，但不能从根本上解决线路闪络问题。对于雷电活动相对较少的西北地区，避雷线防雷效果没有本质改善，可不考虑沿全线架设避雷线。

(2) 集电线路防雷措施的采取应当根据项目现场环境条件及经济性进行综合考虑确定。目前风机、箱变及附近杆塔的避雷器配置及接地网的设计可以满足集电线路及相关设备的防雷要求。对于个别经常遭受雷击或实测接地电阻难以下降时，建议考虑增设线路避雷器保护，使线路耐雷水平满足规范及线路安全运行要求。

(3) 在加强防雷措施的同时，应定期检测过电压保护装置及电缆头性能是否满足要求，如箱变需要进行技改时，建议将过电压保护器装置更换为避雷器。

(4) 电缆线路可以在一定程度上降低遭受雷击的概率，但应尽量回避高电阻率区域及地形突变区域。为降低电缆线路遭受雷击的概率，可以在电缆线路上方敷设1根屏蔽线，可以大幅降低土壤的电位值，有利于确保电缆线路安全。

(5) 由于线路跳闸事故中瞬时性故障占到60%～70%，为避免电量损失，建议后期加强线路重合闸的可行性研究[7]。