風力發電場升壓站雷擊事故分析及防雷措施

徐元剛（四川省能投會東新能源開發有限公司，四川 會東 615200）

風力發電場升壓站雷擊事故分析及防雷措施

徐元剛
（四川省能投會東新能源開發有限公司，四川 會東 615200）

雷電對電力設施破壞很大，電力系統的防雷是一項綜合性的系統工程，既要防直擊雷、防感應雷，又要防雷電侵入波。以四川省會東縣某風電場110 kV升壓站遭受雷擊為例進行雷擊事故原因分析，并應用桿塔接地降低電阻、安裝碳化硅普通閥式避雷器或金屬氧化物避雷器和加強管理等防護措施效果明顯。

風力發電場；升壓站；雷擊事故；原因分析；防雷措施

0　引言

四川省會東縣位于四川省的西南部，在涼山彝族自治州最南端，年平均雷暴日數達68 d，屬于多雷地區。在2016年5月，會東縣**風電場（以下簡稱風電場）遭受雷擊輸電線路導線，雷電波沿導線侵入到升壓站35 kV母線，造成一臺800 kVA的廠用三相干式接地變壓器高壓側A相燒壞以及多只集電線路避雷器爆炸，并造成部分低壓電器損壞，直接經濟損失達30萬元。雷擊造成風電場停產2 d，間接經濟損失電量100萬kW·h。

1　雷擊事故分析

1.1風電場概況

風電場場址位于魯南山脈山脊地帶，山脊呈東北—西南走向，地勢較開闊、山脈起伏相對較小，海拔高度2 800～3 050 m，風電場長度約9.5 km，平均寬度約1 km，面積約10 km2。風電場于2014年7月新投產33臺1.5 MW的風力發電機組，總裝機容量49.5 MW。每臺風力發電機發出的電能經箱式變電站升壓至35 kV后，經三條集電線路接入風電場110 kV升壓站35 kV母線，后經主變升壓到110 kV 以1回110 kV出線接至電網。110 kV采用變壓器線路組接線，35 kV母線采用單母線接線，35 kV集電線路全線采用一條地線和一條OPGW光纖防雷，升壓站設2只避雷針，場用電以一臺35 kV接地變兼場用變方式供電。以一條集電線為例原設計接線方式如圖1所示。

1.2雷擊事故原因

當雷直擊在升壓站電力設備上將產生直擊雷過電壓；而雷擊線路桿塔和避雷線可造成絕緣子串、塔頭空氣間隙和避雷線與導線間空氣間隙閃絡，形成對導線的反擊；雷電波沿輸電線路侵入到升壓站電力設備上，產生侵入雷電波過電壓，其幅值很高，會造成電力設備損害。雷擊的具體表現如下：

1.2.1直擊雷過電壓

雷直擊在升壓站戶外電力設備上，將產生幅值很高的直擊雷過電壓，其值將超過電力設備（主要為35 kv及以下設備）的耐雷水平，而當雷直擊（無避雷線線路）和繞擊（有避雷線線路）輸電線路導線，將產生過電壓，形成強大的雷電流。防直擊雷主要是采用避雷針或避雷線。影響避雷針與避雷線的保護范圍主要與避雷針的高度、配電設備的高度有關。線路的繞擊率與避雷線對邊導線的保護角、桿塔高度以及該地區的地形、地貌有關［1］。

1.2.2感應過電壓

雷擊線路桿塔或附近的避雷針、避雷線以及附近大地時，由于靜電感應，在架空導線上產生感應過電壓。其最大值可達300～400 kV，一般對35 kV及以下線路的絕緣有一定的威脅。因此避雷針、線應盡量遠離35 kV及以下電壓等級的配電裝置，以降低感應過電壓發生的概率。

1.2.3雷電反擊過電壓

雷擊架空線路避雷針、線、桿塔頂部或其他建、構筑物時，將引起接地網沖擊電位升高，造成對電氣設備的反擊，產生反擊過電壓。它與雷電流幅值、地網沖擊電阻、引流點位置、桿塔型式、高度和設備充電回路時間常數有關。

1.2.4侵入雷電波過電壓

雷擊線路時，雷電波沿導線侵入到升壓站電力設備上，產生侵入雷電波過電壓。其幅值與升壓站進線保護段耐雷水平、導線電暈衰減、雷擊點距升壓站的距離以及升壓站接線、運行方式有關。應采取措施防止或減少近區雷擊閃絡［2］。

因此，過電壓對電力設備的絕緣將造成很大的傷害，當過電壓超過電力設備耐壓水平時，易引發絕緣損壞。而雷電流產生的電動力與電熱是造成電力設備破壞的主因。若不采取防護措施，勢必造成電力設備和人身傷害事故。

圖1　原設計接線方式

2　存在的問題

2.1架空線路連接處未裝設避雷器

與架空線路采用電纜連接時，當其長度超過50 m時，應在其兩端裝設閥式避雷器或保護間歇；長度不超過50 m的電纜，只在任何一端裝設即可。而該升壓站的35 kV單芯電纜長度為165 m，顯然需在其兩端裝設閥式避雷器或保護間歇。而與架空線路連接處未裝設避雷器，導致雷電波侵入升壓站，造成場用變壓器燒壞，是導致這起事故的直接原因。

2.2避雷器性能降低

每條集電線路距升壓站2 km范圍內，接地電阻需小于10 Ω。該風電場每基桿塔工頻接地電阻達23.5 Ω，其接地電阻過大，而且風電場至投產以來，未對集電線路上的避雷器做預防性試驗，特別是在雷雨季節到來前，需檢查避雷器的性能。這次雷擊造成多只集電線路避雷器爆炸，是與避雷器性能降低有關。在雷擊時避雷器不能及時泄放雷電能量，致使雷電波侵入升壓站，是導致這起事故的間接原因。

3　防護措施和解決方案

針對以上存在的問題，提出以下解決方案。

3.1進線段防護

當線路上出現過電壓時，將有雷電波沿導線侵入升壓站，其幅值較高。而線路的耐雷等級比升壓站設備的耐雷等級要高很多。因此，在接近升壓站進線的2 km范圍內加裝避雷線或者在進線段敷設電磁耦合地線是防雷的主要措施。該風電場全線架設避雷線，可以滿足要求。但進線段2 km范圍內的桿塔接地電阻過大，不能及時泄放雷電流，需將進線段2 km范圍內的桿塔接地電阻降低到10 Ω以下［3］。

3.2雷電侵入波防護

防止雷電侵入波對升壓站的破壞，主要是在進線上安裝碳化硅普通閥式避雷器或金屬氧化物避雷器。普通閥式避雷器是靠間隙自然滅弧，工頻續流小，一般在80 A左右；而金屬氧化物避雷器一般是無間隙避雷器，它沒有滅弧與工頻續流，是采用金屬氧化物電阻片，具有優異的伏安特性，電阻片單位體積吸收能量大，還可并聯使用，使能量吸收能力成倍提高。因此將集電線路進線單芯電纜連接改為兩端接地，并在一端接地線上裝設保護間歇（FC）；且在與架空線路連接處增設金屬氧化鋅避雷器（F3）防止雷電波的侵入，連接方式如圖2所示。

圖2　雷電侵入波防護連接方式

3.3加強管理

在雷雨季節來臨之前對集電線路的所有避雷器做預防性試壓，檢查避雷器性能。考慮風電場風力季節性特點，可在每年枯風季節檢查避雷器性能；或者在每只避雷器處安裝在線監測裝置，并加強巡視檢查，發現有損壞的避雷器時，做到及時更換。

4　結語

電力系統的防雷是一項綜合性的系統工程，既要防直擊雷、防感應雷，又要防雷電侵入波；而雷電對35 kV及以下的電力設施破壞很大，35 kV系統在配電中運用廣泛；升壓站又是電能輸送中必不可少的一環，如果發生雷擊停電事故，將造成嚴重影響。因此在電力建設中，必須加強設計、施工管理，從源頭上做好防雷措施；并加強運維管理，保證升壓站設備安全經濟運行。

［1］張小青.建筑防雷與接地技術［M］.北京：中國電力出版社，2003.

［2］袁志鑫.變電所防雷接地［J］.科技情報開發與經濟，2008，18（2）:222-223.

［3］中華人民共和國電力部.DL/T620-1997，交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合［S］.北京：中國電力出版社，1997.

TheAnalysis of LightningAccident on Wind Farm Booster Station and Lightning Protection Measures

XU Yuan-gang
（Sichuan Province Energy Investments Huidong New Energy Development Co.Ltd.，Huidong，Sichuan 615200，China）

Lightning make great damage to power facilities，Lightning Protection is a comprehensive systems engineering in power system.The Lightning Accident analysised by author，which had happened in Sichuan Huidong County 110KV wind farm booster station，shows that making the tower grounding to reduce resistance，installing ordinary silicon carbide valve lightning arrester or metal oxide lightning arresters and strengthening the management can get a significant consequence.

wind farm booster station；lightning；accident；lightning protection

TM614；TM862

A

1673-1891（2016）02-0043-02

10.16104/j.issn.1673-1891.2016.02.013

2016-05-18

徐元剛（1970—），男，四川眉山人，學士，工程師，研究方向：風力發電生產管理。