降低風電場集電線路雷擊跳閘事故方法分析

河北大唐國際新能源有限公司 宋祥斌

1 引言

隨著國家對能源安全及環境保護的重視，風力發電在我國電力系統的占比正在逐年上升。由于風電場一般選址在地理條件較差的位置，特別位于山區高處的集電線路極易遭受雷擊，從而給風力發電企業帶來了較多不利影響，目前對于高壓架空輸電線路雷擊跳閘的分類主要有輸電線路反擊雷引起的跳閘和輸電線路繞擊雷引起的跳閘。

2 線路防雷的一般任務和建議

2.1 線路防雷的一般任務

線預防雷電直接打擊：通過在線路和設備上設置針絕緣子、避雷線、耐閃避雷器等防雷設施，使設備可以在雷電直接打擊的情況下保持安全。防止雷電感應影響：通過設置接地電阻、防雷接地網等設施，使設備可以避免因雷電感應而受到影響。防止雷電沖擊波影響：通過在設備上設置過壓保護器、防雷電容器等設施，迅速消除雷電沖擊波對設備的影響，防止設備遭受損壞[1]。避免雷電擊穿：通過合理設置線路走向和線路參數，避免雷電擊穿造成的短路事故和設備損壞。檢測和維護：定期對線路和設備進行巡視和檢測，及時修復和更換防雷設施，保證線路和設備的防雷性能處于良好狀態。

2.2 線路防雷的建議

第一，確保接地良好。在線路設備和建筑物上必須設有良好的接地線路和接地極，以方便將雷擊電流引入地中。第二，合理設置防雷設施。合理設置終端針、針絕緣子、耐閃避雷器、避雷帶等防雷設施，以起到防雷作用。第三，定期檢查維護。定期巡視檢查防雷設施，確保其完好、可靠，及時清理污物，修復破損。第四，加裝過電壓保護器。適當加裝過電壓保護器，可以有效地對抗雷電過電壓引起的過電壓擊穿[2]。第五，妥善安裝線路導線。合理選擇導線規格，以減小與空氣間的放電和擊穿可能性，縱向不分段，斜度不宜過大，拐角盡量平滑，避免導線之間三角形交錯時角度太小過密。第六，積極進行雷電環境監測。了解地域情況及相關預警信息，及時采取有效的防雷措施。

3 雷擊對線路的影響

雷擊能夠直接引起線路故障，當雷電擊中線路時，會產生非常高的電壓和電流，在瞬間燒壞線路設備或燒毀電線電纜，引起線路故障。雷擊還會間接對線路的設備造成影響，雷電擊中電力系統的設備和建筑物后，會產生電磁脈沖和過電壓等，使線路設備受到影響，甚至燒毀設備。另外，還會增加運行和維護的成本，由于雷擊引起的線路故障，需要進行搶修和更換損壞設備，增加了線路的維護費用。雷擊會導致線路設備燒壞、線路故障等，給供電帶來一定的影響，降低供電可靠性，為用戶帶來不便。

4 線路雷擊跳閘事故的類型

4.1 輸電線路反擊雷跳閘

輸電線路反擊雷跳閘是一種常見的線路雷擊跳閘事故類型。當雷電擊中地面或其他物體時，會產生大量的電流和電壓，這些電流和電壓會通過接地系統進入輸電線路。當雷電擊中輸電線路附近的物體時，產生電磁感應，導致線路上的電流和電壓瞬間增大，超過了線路的額定負荷能力，從而導致線路跳閘。由于線路上的電流和電壓瞬間增大，導致線路上的保護裝置感應到異常電流或電壓，從而觸發跳閘保護裝置，切斷電源供應，以保護線路和設備的安全[3]。

4.2 輸電線路繞擊雷跳閘

輸電線路繞擊雷跳閘事故通常發生在雷電活動較為強烈的地區，尤其是在高壓輸電線路附近。這種情況下，雷電并沒有直接接觸到輸電線路，但是由于雷電產生的強大電場和磁場的影響，導致線路上的設備受到感應電壓和感應電流的干擾，進而引發設備跳閘。當雷電靠近輸電線路時，雷電放電會產生強烈的電磁輻射，這些電磁輻射會在輸電線路上感應出電壓和電流。這些感應電壓和電流可能會超過設備的耐受能力，導致設備跳閘。此外，雷電放電還會產生電磁脈沖，這些脈沖也會對輸電線路上的設備造成干擾，引發跳閘事故。

集電線路的防雷性能對于其穩定運行至關重要。如果集電線路本身具有較好的防雷性能，在雷擊發生時，引起跳閘的概率就會降低。為了衡量集電線路的防雷性能，通常會使用兩個重要指標：一是線路的耐雷水平，即線路能夠承受的最大雷電電壓；二是線路的雷擊跳閘率，即在一定時間內，線路因雷擊而發生跳閘的頻率。因此，在設計和維護集電線路時，必須考慮其防雷性能，以確保其穩定運行和安全性[4]。

線路雷擊跳閘率 = (每100km 線路每年由雷擊引起的線路跳閘次數) / (40個雷暴日)

線路耐雷水平越高，雷擊跳閘率越低，表示線路的防雷性能越好。因此，在防雷設計中，提高線路的耐雷水平和降低雷擊跳閘率是非常重要的工作。根據《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》（DL/T 620-1997）規程，當雷擊發生在有避雷線的桿塔頂部時，線路的耐雷水平計算：

式中，u50%為絕緣子串的50%沖擊放電電壓，kV；k、k0為導線和避雷線間的耦合系數和幾何耦合系數；β 為桿塔分流系數；Ri為桿塔沖擊接地電阻，Ω；Lt為桿塔電感，μH；ht、ha為桿塔高度和橫擔對地高度，m；hg、hc為避雷線和導線平均對地高度，m。

可以看出，要提高線路耐雷水平，可以通過增大u50%、k 或減小Ri、β、Lt、hc等來實現。

具體方法如下。一是增加線路桿塔上絕緣子串片數，從而提高絕緣子串的沖擊放電電壓（u50%）。二是降低桿塔接地電阻Ri，可以通過外引接地裝置、換土、采用降阻劑等手段及方法，使集電線路桿塔的接地電阻達到較低的水平。三是降低桿塔和導線高度，在勘察設計階段充分考慮雷擊問題，優化線路走向，盡可能降低桿塔和導線的高度。四是架設耦合地線，設計時進行統籌考慮，盡量能夠在桿塔上架設耦合地線。

根據以往現場經驗，集電線路也會出現繞擊雷引起跳閘的情況，對于繞擊雷可以通過裝設線路高壓避雷器的方式來進行。具體的裝設位置可以選在檔距較大、陡度較大的桿塔上，同時可以加大避雷器的通流容量，進一步對雷電流進行泄放[5]。由于雷電危害的復雜多樣，沒有任何一種單一措施能對雷電帶來的所有危害都起到防護作用。只有多種防護措施聯合運用，才能將雷電帶來的危害降最低。

5 風電場雷擊事故的分析

5.1 典型故障

風電場雷擊事故的典型故障通常涉及風力發電機組的主要組件，包括風輪、發電機、變頻器等。當雷電擊中風電場時，可能會導致以下故障。例如，風輪受到雷擊可能會導致葉片損壞或斷裂。雷電的高能量沖擊會對葉片造成巨大的壓力，可能導致葉片破裂或變形，進而影響風力發電機組的正常運行。此外，發電機也容易受到雷擊的影響。雷電擊中風電場時，可能會通過電網進入發電機，導致發電機內部的電氣元件受損。這可能導致發電機輸出功率下降或完全失效，從而影響風力發電機組的發電能力。另外，變頻器也是風電場雷擊事故的典型故障點。變頻器是將風輪產生的交流電轉換為適用于電網的直流電的裝置。當雷電擊中風電場時，可能會通過電網進入變頻器，導致變頻器內部的電子元件受損。這可能導致變頻器無法正常工作，進而影響風力發電機組的發電能力。

5.2 事故的判定與特征

首先，判定風電場是否發生雷擊事故需要考慮以下因素：風電場是否位于雷電活動頻繁的地區，是否有雷電預警系統以及監測設備的數據記錄等。其次，風電場雷擊事故的特征表現為：風機葉片、塔筒、機艙等部位受到雷擊損壞，可能導致設備故障、停機甚至火災等后果。此外，風電場雷擊事故還可能對電網產生影響，如引起電網短路、電壓波動等問題。因此，風電場雷擊事故的判定與特征需要綜合考慮地理環境、監測設備數據、設備損壞情況以及電網運行狀況等多個因素，以確保風電場的安全運行。

5.3 事故產生的原因

在案例事故中，通過對事故地區的分析以及對事故的判定和特征的分析。第一，該事故地區屬于多雷地區，分布在此區段的10kV 架空線路受到雷擊的概率相對比較高，并且案例中該風場在設計的時候沒有考慮過環境的特殊性，沒有按照基本的常規要求進行設計。第二，該案例中，風電場10kV的線路上沒有安裝避雷線，防雷主要依靠的是安裝在線路上的避雷器，而避雷器只安裝在變電站的出線側以及配電變壓器的終端桿，導致線路中間缺少保護，進而造成了一定的影響。第三，桿塔以及避雷器接地存在一定的缺陷[6]。部分的桿塔接地地阻比較大，導致泄流的能力降低，雷擊不能夠很好地流入大地，出現問題。

6 線路防雷的基本措施

6.1 基本措施

第一，設置避雷針。在線路的高處安裝避雷針或避雷網，吸引雷電電流，有效減少雷擊電壓和雷電能量，保護線路設備免受雷擊。第二，安裝金屬接地網和接地線。通過金屬接地網和接地線將電力設備和建筑物接地，形成電位差，將雷電能量導向地球，避免對設備產生災害性影響。第三，使用過電壓保護器。在線路裝置過電壓保護器，當線路電壓過高時，保護器會自動切斷電源，防止線路設備受到過電壓的損害。第四，加裝防雷保護設備。在線路上加裝防雷保護設備，如避雷器、雷電感應電流互感器和短路器等，能夠有效地限制和減緩雷擊電流的流動速度，減少雷擊對線路設備的影響。第五，定期檢查和維護。定期檢查線路設備和防雷設備的運行狀況，及時處理存在的隱患，確保線路防雷措施的有效性和可靠性。綜上所述，采取避雷針、接地網和接地線、過電壓保護器、防雷保護設備以及定期檢查和維護等措施，可以有效地提高線路的防雷能力，保障線路設備的安全運行。

6.2 導線防止雷擊斷線和雷擊跳閘

擊斷線和雷擊跳閘是電力系統中常見的故障現象，通常會影響電網的穩定運行，甚至對人身和設備安全造成威脅。選用合適的設備和材料：在電網設計和建設中，應選用符合電網負荷特點的合適的電纜、電線等導線材料，并按照標準的規格和等級要求進行安裝和接線。保護屏蔽導線：在需要采用屏蔽電纜和導線的場合，不僅要求屏蔽材料具備良好的防盜和抗干擾的性能，還需要保證接地良好，以達到減少外界干擾電流進入敏感設備的目的。注意防護措施：在電網的運營過程中，要注意維護線路與地面及水體的距離，避免線路遭受外力破壞和環境污染，同時要根據設備的使用壽命和特性要求進行定期的維護和更換。其次是雷擊跳閘的防治措施。建立避雷系統：在電力系統中，需要建立避雷系統，對高層建筑物、電力供電設施、通信設施、航空設施等關鍵設施進行保護，并合理安裝雷達設備，同時應用具有較好的抗雷性能的材料。

7 結語

隨著近年來風電規模的不斷擴大并且相關技術不斷成熟，風電作為一種清潔、可再生的能源形式，已經成為當今世界能源發展的熱點。但是，隨著風電場規模的擴大，風機發電的直流電高壓和變流器輸出的交流電高頻電壓等因素，都會對風電場的集電線路產生影響，導致集電線路雷擊跳閘事故的發生率逐年上升，嚴重影響了電網穩定性和風電運行效率。因此，針對集電線路雷擊跳閘問題的研究具有重要的現實意義和前景，有助于推動風電場產業的健康發展和推廣。