中国葛洲坝集团电力有限责任公司 湖北宜昌 443002
摘要：集电线路是风力发电场中重要的组成部分，多数风电场建设在山区，易遭受到雷击，造成线路跳闸或断线事故，严重影响了风电场的安全运行。本文通过对广东河源某风电场集电线路雷击事故的分析，由此提出防雷对策。
关键词：集电线路 雷击原因 防雷对策
1雷击事故概述
广东省河源市某风电场集电线路，在运行中发生多次雷击事故，导致线路多次跳闸，其中发生二次断线事故，严重影响了风电场的安全运行。本工程年雷暴日86天/年，属于雷电多发区域。为满足安全运行，分析雷击产生的原因是非常必要的。
1.1工程概况
1.1.1风电场
风电场建设规模为49.5MW，共33台风机，单机容量1.5MW。场址范围面积为12.4km2，位于海拔高程在700m～1100m之间，场区地形为高山区，地形起伏较大。风电场由风电机组、集电线路、升压站三部分组成。每台风机采用一机一变单元接线方式，风机出线电压为690V，经箱变升压至35kV后由集电线路送至110kV升压站接入电网。
1.1.2 集电线路
该风电场共设置三回35kV集电线路，由架空线路和电缆构成。每回线路接入11台风机，第一、二回线路采用同塔双回架设，共采用27基铁塔，其中双回路铁塔15基，单回路铁塔12基，绝缘子采用FXBW-35/70型复合绝缘子串。
1.1.3 防雷接地
本工程集电线路全线架设地线作为防雷保护，并将地线通过接地装置接地。接地装置材料选用φ10的圆钢，埋置深度不宜小于0.6m。接地电阻按设计规程的要求，在雷雨季节干燥时，每基杆塔不连接地线的工频电阻不超过表1.1.3-1中数值，若接地电阻不能满足要求，可利用接地模块降低接地电阻。
工频接地电阻表 表1.1.3-1
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1.2雷击事故经过
1.2.1第一次事故
2014年6月5日下午，集电线路遭受雷击后，第一、二回线路先后相继跳闸，#1-#22风机均停机。运行人员发现在第一回SN7铁塔上，B相的耐张线夹处导线断开，导线垂落至地面。6月7日下午恢复运行，累计停运52小时。
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图1.2.1 雷击断线点
1.2.2第二次事故
2014年7月8日下午，第一、二回集电线路发生多次雷击故障，引起线路过流保护及零序保护动作后线路跳闸，风机塔基柜中光纤盒外壳出现灼黑痕迹，集电线路电缆中间头击穿，箱变和线路避雷器外护套灼黑等问题。
1.2.3第三次事故
2015年2月22日晚，在第一回SN6铁塔上，B相的复合绝缘子短路烧断，造成断线事故。2月28日下午恢复运行，累计停运140小时。
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图1.2.3 复合绝缘子
2雷击事故分析
2.1雷击形式判断
首先要正确判断雷击形式。若对线路雷击事故的分析不到位，主要是分不清楚雷击线路是绕击还是反击。因此，提出的措施针对性不强，正确查找线路雷击跳闸原因，判断是因绕击还是反击，对我们采取有效防雷措施至关重要。
2.1.1雷击形式分类
雷击形式分为两类，即感应过电压和直击雷过电压。根据雷击线路部位的不同，直击雷过电压又分为3种：雷击于杆塔顶部及靠近杆塔的地线，即常说的反击雷；绕过避雷线击于导线，即绕击雷；雷击于避雷线档距中央，此种起跳闸的情况是及其罕见的，因此直击雷防护主要是反击过电压和绕击过电压的防护。
2.1.2区分雷击形式
区分雷电的绕击和反击，可通过现场故障表象、耐雷水平、雷电流的测量以及雷电定位系统提供的数据来进行综合分析判断。
绕击的发生有一些共同特点，例如故障都发生在边相、杆塔走向为山区大跨越、导线上有明显灼痕、被击杆塔地线无烧损痕迹等。反击一般有下列特征：多相故障一般是由反击引起，水平排列的中相或上三角排列的上相故障一般是由雷反击引起。
2.2雷击分析
2.2.1雷电绕击
第一次雷击断线事故，根据现场表象可初步判定为雷电绕击。主要表现为，SN7杆塔为双回鼓型铁塔，处于易受雷击地区，历年落雷频繁，且塔位处于线路的至高点；同时雷击断线点发生在线路边相，由于边相的保护角相对其他两相要大，因此容易绕击；被击杆塔地线无烧损痕迹等。第一次雷击时，先后出现跳闸现象，说明在雷电绕击的同时，也有会存在雷电的反击。
2.2.2雷电反击
第一次与第二次雷击跳闸，以及第二次雷击发生的光纤盒外壳出现灼黑痕迹，集电线路电缆中间头击穿，箱变和线路避雷器外护套灼黑等问题，主要是由于铁塔接地电阻值不满足设计要求，导致线路被雷击中后雷电流无法全部泄流至大地所造成，其次雷电绕击导线和感应雷放电也是造成线路跳闸的原因。
2.2.3雷电次生灾害
第三次事故发生时，当时并没有雷电，属于雷电次生灾害。经过检查是由于复合绝缘子击穿导致断线。通过分析，在第一次雷击事故时，该绝缘子已被雷击导致绝缘性能降低，经过一段时间的运行，最终击穿烧断。
2.3接地电阻分析
根据分析集电线路雷击跳闸的主要原因是铁塔接地电阻值不满足设计要求，因此认真分析总结接地电阻不合格的原因，对今后项目实施具有指导作用。
2.3.1设计不到位
许多线路通道的地形和土壤结构复杂，未能取得杆塔接地体所处位置的合适土壤电阻率，按经验估算设计，产生设计偏差，即便按图施工，接地体电阻也不能达到要求。
业主单位委托某电力科学研究院，对接地电阻值偏大的原因进行了试验和仿真分析。结果为按设计图纸施工，都无法满足接地电阻小于30Ω的要求。
业主方组织相关单位，对全线27基铁塔进行了接地电阻值测试，最高为SN7铁塔255Ω，大多电阻值在100Ω，考虑到季节系数的因素，27基铁塔的接地电阻值均未满足设计要求的30Ω。
2.3.2监理把关不严
在交通不便和土壤电阻率高的山区和岩石区域，施工十分困难，而接地工程又属于隐蔽工程，如施工过程中不能实行全过程的监理，就会出现施工质量问题。
不按图施工，尤其是在施工困难的山区、岩石地区，敷设长度不够，垂直接地极数量少，开挖困难埋深不够，回填土不符合要求。为了达到设计要求的电阻值，在接地体周围土壤中加入了食盐，这种方法虽然效果明显，但土壤经人工处理后，会降低接地的热稳定性。
2.3.3验收方法不当
施工方、监理部以及省质检站，委托某供电局对该接地电阻进行验收，采用的检测方法不当，导致交接验收质量不高。没有把真实的电阻值及时反映出来。
交接验收时采用CA64l3型电阻测量仪（钳形表）测量。使用钳形表的优点是在接地系统接触良好时，不用考虑接地体布置方式，就能准确测量出整个泄流通道的接地电阻，使用方法简单，效率高。但由于大多数杆塔基础与杆塔地网的距离非常接近，互电阻是比较大的。在高土壤电阻率条件下，钳形表测量的杆塔接地电阻可能会比真实值偏小。
3防雷措施
3.1防绕击措施
减小杆塔避雷线的保护角，设计一些零保护角或负保护角的杆塔供易雷击区杆塔选用，减小杆塔避雷线的保护角，从而达到减少线路遭受绕击雷的可能性。
在杆塔的迎风面安装线路型避雷器（或安装可控避雷针），限制线路上产生的过电压，从而保护线路设备。
线路在发生绕击的同时，不要忘记线路仍然会发生雷击杆塔和避雷线，仍然应降低杆塔接地电阻，加强线路绝缘等措施，降低雷击杆塔或避雷线时引起的线路故障。
3.2防反击措施
降低杆塔接地电阻是预防反击的主要措施之一。架设耦合地线。架设耦合地线能在雷击杆塔时起分流作用和耦合作用，降低杆塔绝缘子串上承受的电压，提高线路的耐雷水平。
提高线路绝缘水平，对于雷电易击区地段，可以比规程设计值略增大线间距离及每串绝缘子增加一片，提高线路本身的绝缘水平。
3.3其他防雷措施
在雷击多发区域，不宜使用复合绝缘子。各供电公司近年来大量使用复合绝缘子（含雷击多发区线路），主要考虑降低线路维护工作量，但复合绝缘子耐雷水平比同等安装长度的瓷或玻璃绝缘子低，已在其他工程验证，因此建议本工程更换为玻璃绝缘子。
通过绝缘子性能比较，不难看出复合绝缘子的工频干闪电压比瓷绝缘子低，不利于隔断工频续流，因此证明了第一次雷击断线事故时，导线是被其后的工频续流烧断的。
绝缘子性能对比表 表3.3
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3.4降阻方案的选择
3.4.1常规降阻方案
换土代价太高；外引接地没条件；深层接地网不适合，现场下层多为岩石，土壤电阻率高；降阻剂含有毒性重金属，目前在有些单位已停止使用，所以不建议使用。接地模块由于降阻效果低，一般不采用。
3.4.2深井爆破接地技术
在土壤越深、土壤电阻率越低的地区，或在有地下含水层的地方，先用钻机钻出深井，使用炸药爆破使深井周围形成岩石裂缝，用压力机将降阻材料，压入岩石裂缝中，然后埋入垂直接地极，并与水平接地网相连。相当于，在地下较大范围的岩石内形成一个网状，向外延伸散流带。从整体看构成了一个低电阻率区域，并加强了接地极与土壤（岩石）的接触，从而大幅度增大接地极的等效直径，改善接地极周围土壤的电阻率分布，以及接地极和土壤的散流性能。
3.4.3推荐方案
本工程属于高土壤电阻率地区，常规降阻方案无法满足现场要求，针对这—特殊情况，根据本工程的地质钻孔柱状图显示，基岩埋深不深，5.0m层以下已基本为基岩，可采用深井爆破接地，但从土壤电阻率资料来看，20.0m层以下的土壤电阻率很高，所以爆破深度不宜过深。因此，推荐采用采用深井爆破接地方案。
根据测量27基杆塔数据，主要考虑经济性及安全方面，依据现场实际情况，针对这27基铁塔中阻值较大的14基采用8孔深井接地，另外13基采用4孔深井接地。
采用4（8）孔深井接地网。采用Ø20mm镀铜钢棒，铺设水平网，铺设二（三）道环。每道环挖沟深度≥600mm，辐射钢筋后土壤覆盖夯实。每道环距离塔基础1m、13m（33m）左右，采用4根20~25m（50m）钢筋把三道环连接并外延，在环与网交界处焊接，并转4（8）口直径300mm、深度≥10m深井。
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图3.4.3 深井接地网示意图
4结论
深井爆破接地技术解决了高土壤电阻率地区降低接地电阻的难题，得到了广泛的应用。由于本风电场是雷电多发区，采用此技术降阻费用约为260万元，应用效果如何，还有待观察。
本文通过具体实例，分析雷击产生的原因及解决方案，为今后类似的项目提供参考和借鉴。杆塔的接地涉及到人员和设备的安全，因此重视图纸会审、加强隐蔽工程的监管，总结经验教训，切勿盲目追求工程进度而忽视安全。
4.1强化审图
从本工程案例中可看出，由于产生设计偏差，即便按图施工，接地体电阻也不能达到要求。在雷击多发区域，不宜使用复合绝缘子，若在审图时与设计沟通，可以避免第三次断线事故。由此反映出我们审图不严，需加强图纸会审制度认真审图。
4.2加强现场监管
本工程在实施过程中忽略了现场监管，尤其是偏远塔位。劳务队伍为了达到设计要求的电阻值，在接地体周围土壤中加入了食盐，就是未按图施工。因此，在施工过程做到监管到位是十分必要的。
作者简介：徐军 中国葛洲坝集团电力有限责任公司 湖北宜昌 高级工程师