山地多石风电场集电线路直击雷防护技术研究与实践

国家电投集团江苏新能源有限公司 魏 赛 周庆根 顾汉富 张树臣 刘湘毅

徐州贾汪风电场位于徐州市贾汪区，为江苏境内第一家山地风电项目。贾汪风电总装机容量为74MW，于2014年9月开工建设，2015年6月全容量并网。贾汪风电属于三类山地风场，全年平均风速5m/s左右，可利用小时数为2009小时，大风期主要集中在春冬两季。山体为多石地质结构，集电线路无法敷设电缆，采用架空避雷线方式，杆塔大多在山坡上，杆塔接地电阻平均为20Ω。

1 防雷状况及其分析

集电线路及雷击事故情况。贾汪风电场37台风机均建在多石地质结构的山顶上，海拔80～200米，该地区夏季雷暴频繁，平均雷暴天数为29天，4条35kV集电线路共33km，杆塔高度平均20m，集电线路屡次遭受雷击。为解决雷击问题，全部杆塔安装了避雷器但防雷效果有限，经统计2015～2019年每年发生2～3起因雷击引起线路跳闸事件，主要集中在1#集电线路，1#集电线路共35基杆塔，全长2.25km，杆塔间距离平均为64.3m。

雷电基本特征。雷电流波形分为波头、波长、幅值，雷击是持续多次的过程，分为首次雷击、后续雷击、长时间雷击等。其中首次雷击幅值最大、能量最强。根据我国大部分地区多年实测得到的1205个数据统计，雷电流幅值≥40kA的雷电流占45%，≥80kA的雷电流占17%，≥108kA的雷电流占10%；我国实测最大雷电流330kA只占0.1%，其余27.9%雷电流幅值＜40kA。雷电流波形是个复杂的过程，根据统计规律总结的首次雷击电流波形参数为10/350μs，即波头时间τf=10μs、波长时间τt=350μs。

雷电对集电线路的反击和绕击。雷电接闪过程及其随机性非常复杂，分为绕击和反击，反击是雷击线路杆塔或避雷线时，雷电流通过雷击点阻抗使该点对地电位大大升高，当雷击点与导线间的电位差超过绝缘的冲击放电电压时会对导线发生闪络，使导线出现过电压；绕击是雷电绕过避雷线直接击中导线，直接在导线上引起过电压[1-2]。35kV的输电线路属于电压等级低的高压线路、耐雷水平较低，在贾汪风电场由于山体多为岩石、土壤电阻率高，不能很好地泄放雷电到地下去，升高了杆塔的雷击电压，使得线路耐雷水平更低。

图1 雷电对集电线路的反击和绕击

图2 新型直击雷防护装置

35kV绝缘子雷电冲击闪络实验。贾汪风电场集电线路为复合材料的绝缘子串，50%闪络电压为295kV，集电线路杆塔接地电阻为20Ω时，当雷电流到达14.75kA时发生雷击闪络的概率为50%。

有地线线路耐雷水平要求。国家标准《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》[3]（GB/T 50064-2014）中规定，有地线线路的反击耐雷水平（kA）不宜低于以下所列数值。单回线路系统标称电压（kV）及其反击耐雷水平（kA）分别为：35/24～36、66/31～47、110/56～68、220/87～96、330/120～151、500/158～177、750/208～232；同塔双回线路系统标称电压（kV）及其反击耐雷水 平（kA）分 别 为：110/50～61、220/79～92、330/108～137、500/142～162、750/192～224。

雷击原因分析。依据GB/T 50064-2014，参考《35kV绝缘子雷电冲击下闪络特性实验分析》实验数据，贾汪风电集电线路杆塔接地电阻至少应小于12.3Ω。全国范围内统计40kA～80kA范围内的雷电流占45%，40kA以下的雷电流占27.9%。虽然全国统计与实验室实验结果与贾汪实际情况会有些差异，但可以说明接地电阻高是集电线路遭受雷击的主要原因。由于地质条件限制，接地电阻很难做到20Ω以下，通过安装避雷线、避雷器等没能解决雷击问题，只能寻找其他直击雷防护方案。

2 新型直击雷防护装置

为了解决贾汪风电场直击雷雷电防护问题，引进新型直击雷防护技术，基本要求是能满足杆塔接地电阻20Ω的现状。

2.1 雷电过程简介

雷云对大地放电通常分为先导放电、主放电和辉光放电三个阶段：先导放电。开始时往往从雷云边缘向地面发展，以逐级推进方式向下发展。这种放电称为先导放电（下行先导），当先导接近地面时，地面上一些高耸的物体会发出向上的迎面先导（上行先导）；主放电。当上行先导与下行先导相遇时，就出现了强烈的电荷中和过程，出现极大的电流（数十到数百千安），伴随着雷鸣和闪光，这就是雷电的主放电阶段；辉光放电。主放电完成后，云中剩余的电荷沿着原来的主放电通道继续流入大地，看到的是一片模糊的发光，这就是辉光放电。

2.2 新型直击雷防护装置介绍

新型直击雷防护装置接地电阻设计指标为30Ω，在其他项目应用中80Ω情况下仍可正常工作，该技术适用于贾汪风电场直击雷防护应用。新型直击雷防护装置与引雷入地技术不同，是通过阻断雷电通道的技术让雷不落在防护区域、达到防雷目的。该装置为无源设备，通过十几年应用设备可靠、技术成熟。从雷电过程可知，当上行先导与下行先导相遇时打通放电通道是形成雷电主放电的关键点，该装置是在此关键点以纳秒级速度断开接地，阻断了主放电的过程，产品结构如下：

工作过程如下：状态1：感应场强达到阙值前开关为断开状态；状态2：感应场强达到阙值后开关导通，迅速从地面装载或释放大量电子、提供感应能量；状态3：感应场强达到击穿空气条件后，激发先导放电，感应场强跌落到阙值以下，开关迅速断开，回到状态1。其中：状态3阻断雷电通道，状态1、2不具备雷电形成条件。由此可知，状态3时感应电极发出上行先导，具备了“与下行先导相遇”条件，即形成放电通道的条件，但此时变阻抑制器总是呈高阻状态，达到了阻断雷电通道目的；在状态2时，变阻抑制器导通，目的是为了从大地补充感应电极的能量形成状态3，此过程接地电流很小，对接地电阻要求设计为30Ω。

3 工程设计与安装

工程设计。依据为雷击事件资料和现场考察分析，贾汪风电场共4条35kV集电线路，雷击主要集中在1#集电线路，共35基杆塔全长2.25km。经过现场考察，1#线路沿着平原与山地交界面架设，是气流抬升易形成雷电的典型地貌，由于本项目规模限制，全部集电线路直击雷防护装置35台安装在1#集电线路。原有避雷线、避雷器等防雷设施保持不变，在继续发挥原有防雷功能条件下，不影响新型直击雷防护装置功能；工程安装。新型直击雷防护装置安装在杆塔顶端高出1米的位置，不需要专门的接地引下线，利用铁塔即可完成接地功能。该装置为无源设备，仅使用金属安装附件固定在杆塔上即可。

综上，新型直击雷防护设备安装后，经过一个雷雨季节的运行，1#集电线路没有发生雷击跳闸事故，雷电监测装置没有记录到雷电流数据，解决了自贾汪风电投运以来通过加装避雷线和避雷器都没有解决的防雷难题。