风电场集电线路防雷措施

金大光

（中国大唐集团有限公司内蒙古分公司蒙西事业部，内蒙古呼和浩特 010050）

0 引言

风电场是我国发电产业的重要组成部分之一。在风电场发电运行中，集电线路的作用是电力输送，但该线路很容易受到雷击的影响，导致线路经常发生故障跳闸，给风电场发电企业带来严重损失。基于此，加强对风电场集电线路防雷措施的研究，对推动风电场发电生产实现可持续发展具有重要意义。

1 风电场集电线路防雷的必要性

集电线路是风电场的关键组成部分，集电线路能否安全运行，将直接影响风电场的运营。风电场运行时，经常遇到的问题是雷击跳闸。一般情况下，风电场所处位置比较特殊，通常在沿海、山地、荒地等居住人口较少的边远区域，由于这些区域地势较高或者比较开阔，更容易受雷电的影响，遭受雷击次数较多，从而对风电场稳定运行带来严重影响。据相关数据统计，在风电场各类跳闸事故中，40%～70%是由雷电袭击集电线路所引起[1]。再加上相较于其他地区，风电场地区土壤电阻率更高，因此更容易遭受雷击。雷击不仅会严重破坏集电线路，还会破坏相应设备，引发开关跳闸，严重干扰风电场正常发电运营。如果雷击比较严重，雷电波还会通过线路直接进入变电所，最终造成更严重的破坏。基于此，必须加强风电场集电线路防雷措施的实施，提高线路防雷能力，维护风电场安全稳定发电。

2 风电场集电线路防雷措施

2.1 架设避雷线或耦合地线

风电场集电线路一般以架空线路为主，因此通过架设避雷线或者耦合地线，能够有效避免集电线路直接遭受雷击。在避雷线的分流作用下，塔顶的电位得到有效削减，可以将雷击影响降至最低。另一方面，还可以将避雷线与导线进行耦合处理，使绝缘子承受更低的电压，提高防雷效果。同时避雷线在导线遭受雷击时可起到一定的屏蔽作用。在此基础上，还可以合理调整避雷线保护角，以减轻雷电绕击。但由于雷电流幅值较大，直击雷很容易引发线路绝缘闪络问题，尤其是对一些电压等级较低的线路，在线路运行的过程中，很容易发生绝缘闪络，引发线路故障。

若不使用避雷线，线路运行时会受雷电感应影响，承受的电压Ug可用式（1）计算：

式中 Ug——无避雷线情况下导线的雷电感应过电压，kV

a——雷电流平均陡度，kA/μs

hd——导线对地平均高度，m

有避雷线的情况下，线路受感应雷电影响，承受的电压可用式（2）计算：

式中 Ug——有避雷线情况下导线的雷电感应过电压，kV

k——避雷线与导线之间的耦合系数

35 kV 上字形铁塔遭受雷击时，还应考虑电晕效应的影响，此时上导线避雷线与导线之间的耦合系数约为0.295，下导线避雷线与导线之间的耦合系数为0.217。

根据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》要求，35 kV 线路在接地线的情况下，线路最大反击耐雷水平为36 kA，结合该数据以及式（1）、式（2），即可得出在没有避雷线条件下，上导线感应电压为227 kV，下导线感应电压为192 kV。反之，在安装避雷线条件下，上导线感应电压为160 kV，下导线的感应电压为149 kV。数值对比说明，安装避雷线，上导线线路最大感应电压能降低30%，下导线线路的感应电压能降低22%。

根据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》要求，35 kV 线路绝缘子雷电全波冲击耐受电压为230 kV。因此，对35 kV 线路来说，无论是否安装避雷线，自身都能够承受反击耐雷水平。如果实际的雷电流高于该水平，无避雷线线路将会发生绝缘闪络，引发线路跳闸故障。在雷电流水平高达51 kA 的情况下，有避雷线线路感应电压水平与复合绝缘子U50%（指复合绝缘子最大承受电压数值的50%）比较接近，没有从根本上提升线路反击耐雷水平。而集电线路出于成本考量，通常情况下不会进行耦合地线设置[2]，但如果遇到一些特殊情况，如电力线路交叉横跨，出于线路安全考量，将进行避雷线改造，采用耦合地线。改造后线路感应过电压可明显降低（最高可降低20%），因此仍能够起到良好的防雷效果。

2.2 架空线路改为直埋电缆

风电场集电线路通常采用架空方式，将架空方式改为直埋方式，在遭受雷击时能够削弱雷电的冲击力。当雷电情况比较严重，发生雷击大地现象，会对邻近区域的电缆造成破坏。一般情况下，电缆损坏程度与雷击电流大小等有着密切的关系。如果电缆有绝缘外护层，相较于带有金属护套的电缆，其对雷电更加敏感，因此在实际运行时将会承受更大的雷电损害。为解决这一问题，可在绝缘外护层电缆上方安装1 条屏蔽线，屏蔽线与土壤接触，能有效降低土壤电位值，减轻雷击危害影响。

2.3 减小杆塔工频接地电阻

风电场避雷线杆塔接地网一般直接与风机、箱变接地网连接，因此杆塔接地网接地电阻与风机、箱变接地电阻情况相同，均在4 Ω 以内，这对杆塔耐雷水平的提高非常有利。当杆塔接地电阻不同、绝缘子片数存在差异时，实际耐雷水平也不一样。当杆塔接地电阻不断增加，其耐雷水平下降较为明显。与普通线路最高耐雷水平相比，风电场集电线路箱变位置杆塔的耐雷水平更高。因此在雷电比较频繁的风电场集电线路区域，建议适当降低杆塔接地电阻，如果采用复合绝缘子，可提高其U50%值，并与同一回路的绝缘子串值U50%保持一致，能够有效防止出现选择性闪络问题，提高线路的耐雷水平。

3 风电场集电线路方案案例分析

3.1 风电场概况

某风电场总装机容量200 MW，风电场所在位置地势开阔，年平均雷暴日数为26 d，属于中雷区。在规范要求的指导下，集电线路在靠近升压站侧完成避雷线的架设。该风电场正式发电初期，在阴雨雷电天气，集电线路遭受雷击引发跳闸故障，但没有造成设备损坏，但随后遭受一次比较强的雷击，1 台风机箱变高压侧过电压保护器被击穿，电缆头也遭受了不同程度的损坏。

3.2 事故分析

该风电场早期发电运行时发生了一次集电线路雷击跳闸事故，但设备完好。经实地调查发现，当时线路在遭受雷击时，产生的雷电过电压比线路绝缘子雷电闪络电压高，引发了单相接地跳闸问题。从事故过程分析，线路的防雷水平已经无法抵御雷击，即使设置了避雷线，也无法彻底解决跳闸问题。改进方法是选择降低工频电阻的避雷措施，绝缘子采用4×LXWP5-70 与FXBW5-3570，提高其U50%值，并与同一回路的绝缘子串U50%值保持一致，问题得以解决。

后续集电线路遭受雷击后引发设备损坏，经分析认为，雷电先经过箱变出口线路侧避雷器，避雷器完好无损，之所以损坏箱变内过电压保护器与电缆头，是因为受避雷器残压所影响[3]。过电压保护器与避雷器的基本参数相同，因此过电压保护器与电缆头没有损坏，但如果过电压保护器承受过电压、热负荷能力不足，将会导致损坏；而受避雷器残压影响，或电缆头本身质量不佳，将导致电缆头损坏。因此需要加强电缆头质量检查。

4 结语

结合实际，总结风电场集电线路防雷保护工作要点如下：①如果风电场所处区域雷电活动比较频繁，可以沿全线进行避雷线的架设，能有效提高集电线路防雷水平，但并不能彻底避免雷电线路闪络问题，如果该区域雷电活动比较少，出于成本以及避雷线实际防雷效果考虑，可以不进行避雷线的全线架设；②集电线路防雷要充分考虑现场实际条件，既要保证防雷效果，又要体现防雷的经济实用性。目前，风机、箱变及附近杆塔的避雷器配置，能够满足集电线路及相关设备的防雷要求。但针对一些经常遭受雷击的区域，为降低雷击的影响，可以选择增加线路避雷器进行防雷保护，可以有效提高防雷效果，保障线路安全稳定运行；③除了要加强防雷措施的实施，还应考虑到设备的损坏主要受产品质量和性能的影响，因此要从源头上控制设备质量，加强对设备性能的检查，如过压保护装置及电缆头性能的检查，以降低雷击对风电场运行的影响；④分析风电场集电线路跳闸事故典型案例，很多故障都是在一瞬间发生，平时很难预防，建议在风电场发展后期加强线路重合闸方面的研究，保障风电场安全稳定运行。