安麗芳

（甘肅省水利水電勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000）

0 引 言

我國科技不斷進步，人們對電力的需求也越來越大，因此提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性能至關(guān)重要。古浪風(fēng)電場位于甘肅省武威市古浪縣東南方向新堡鄉(xiāng)境內(nèi)，電場距古浪縣城約120 km，距景泰縣城約58 km[1]。海拔高程為2 600～3 050 m之間，屬高海拔高寒地區(qū)，每年10月至次年5月均會出現(xiàn)低溫雨雪天氣。風(fēng)電場的風(fēng)力發(fā)電機組為雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機組，型號為遠景能源生產(chǎn)的EN-110/2.2MW，發(fā)電機組的總裝機容量約為100 MW，年設(shè)計發(fā)電量2.24億kW·h。目前風(fēng)電機已經(jīng)實行并網(wǎng)發(fā)電[2]。古浪風(fēng)電場在確保安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，著力抓好經(jīng)濟運行指標提升，通過隱患排查與消缺整治提高設(shè)備利用率，開展設(shè)備健康分析，爭創(chuàng)區(qū)域內(nèi)風(fēng)電一流指標[3]。古浪風(fēng)電場中的35 kV架空集電線路自投運以來，生產(chǎn)運行中發(fā)生多次故障，截止目前，已損壞避雷器21個，損壞電纜終端頭6個，引下線脫落27次，避雷器連接線斷裂4次，損失電量194萬kW·h。該風(fēng)電場的35 kV架空集電線路頻繁出現(xiàn)避雷器擊穿、電纜頭擊穿爆裂、連接線脫落等問題，給風(fēng)電場安全生產(chǎn)工作帶來嚴重威脅，并造成了電量損失，受到電網(wǎng)考核[4]?；诖?，本文提出了35 kV架空集電線路缺陷整改與避雷器擊穿分析。

1 集電線路缺陷故障分析

氧化鋅避雷器的保護性能有一定的優(yōu)勢，具有結(jié)構(gòu)較為簡單、容量大等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于電網(wǎng)的建設(shè)中。在古浪風(fēng)電場的架空集電線路風(fēng)機終端塔上采用避雷器保護電力設(shè)備，并按照相關(guān)的規(guī)程規(guī)范對避雷器進行設(shè)計選型[5]。35 kV架空集電線路自投運以來，屢次出現(xiàn)避雷器擊穿事故，現(xiàn)對避雷器的故障原因進行初步分析，其原因之一為集電線路設(shè)備的質(zhì)量問題。古浪風(fēng)電場建設(shè)在3 500 m的高海拔地區(qū)，因此產(chǎn)品實用性能必須滿足高海拔的使用要求，使產(chǎn)品的爬電比距、絕緣性能滿足工程地區(qū)使用條件[6]。原因之二為鐵塔的接地電阻也必須滿足高海拔的使用要求，建議對架空集電線路設(shè)備進行檢測。

如果擊穿事故出現(xiàn)在雷電季節(jié)的雷電時期，那么發(fā)生故障的原因也有可能是因為雷電流，而鐵塔的接地電阻如果不滿足要求，高電壓的沖擊電流不能及時地導(dǎo)向大地，則會出現(xiàn)擊穿事故[7]。古浪風(fēng)電場地理位置相對特殊，雷雨天氣、冬春過渡時期、陰雨天氣都容易使設(shè)備受潮，因此產(chǎn)品的密封性能也是避雷器運行中容易出現(xiàn)事故的致命點。

雷擊事故產(chǎn)生的原因主要以箱變低壓側(cè)受損為主，當(dāng)雷電流流入到接地網(wǎng)中，經(jīng)過接地網(wǎng)傳導(dǎo)到大地。受到接地電阻的影響，接地網(wǎng)電位會持續(xù)升高，與沖擊接地雷電流的峰值成正比例變化，基于接地體在高頻率的電流效應(yīng)下，地電位的分布與雷擊點和地網(wǎng)的分布情況存在一定的關(guān)聯(lián)。在發(fā)生雷擊時，接地網(wǎng)上方的電纜中會產(chǎn)生一定的電壓，避雷器兩端承受的電壓與低壓側(cè)電纜的感應(yīng)電壓差較大。在SPD設(shè)備表面出現(xiàn)聚集水氣的情況時，控制絕緣部分沿放電通道擊穿，導(dǎo)致相間對地放電，形成工頻續(xù)流，致使設(shè)備及架空集電線路形成缺陷故障。

綜合上述分析，為避免避雷器發(fā)生故障，保證線路安全運行。一方面需加強設(shè)備質(zhì)量的檢驗，另一方面需加強架空集電線路的運行監(jiān)督。

2 基于35 kV的架空集電線路缺陷整改與避雷器擊穿分析

2.1 構(gòu)建雷電放電模型

選取Heidler函數(shù)算法，構(gòu)建雷電放電模型，記錄雷電的放電全過程，獲取到雷電流放電中的電流波形變化，如圖1所示。

圖1 雷電放電電流波形變化

如圖1所示，雷電流在5～30 kA變動時，避雷器通道內(nèi)的阻抗為500～800 Ω；雷電流在20～300 kA變動時，避雷器通道內(nèi)的阻抗為250～700 Ω，通常選取350 Ω。

為了研究避雷器的擊穿作用，在模型中設(shè)置風(fēng)機遭受雷電擊穿時，箱變兩側(cè)的電壓參數(shù)值，如表1所示。

表1為本文構(gòu)建的雷電放電模型的電壓參數(shù)設(shè)置，保證箱變低壓側(cè)的電涌保護器能夠穩(wěn)定運行，限制模型中低壓側(cè)的電壓情況，保護避雷器正常運行。

表1 箱變兩側(cè)電壓參數(shù)設(shè)置

2.2 計算35 kV架空集電線路接地電阻

采用熱鍍鋅扁鋼，采用一定的措施控制風(fēng)電機組之間的距離，保證距離大于1.3 m，布置環(huán)形接地體在集電線路周圍，結(jié)合集電線路與避雷器所在地的環(huán)境條件，設(shè)置環(huán)形接地體作為自然接地體。在環(huán)形接地體上安裝熱鍍鋅角鋼，并設(shè)置接地體的水平接地線，增設(shè)長度約為2.6 m的接地極，敷設(shè)接地體，根據(jù)風(fēng)電場的實際雷擊情況調(diào)整接地體敷設(shè)方向。35 kV架空集電線路接地體的接地電阻計算公式為：

式中：ρ表示土壤的電阻率，通常取值1 200 Ω；L表示接地極的總長度；h表示接地極的埋設(shè)深度；d為接地極的水平直徑長度；k為降阻的常規(guī)系數(shù)；A表示接地極的形狀系數(shù)，通常情況下取值范圍為0.1～1。復(fù)合接地網(wǎng)的接地電阻計算公式為：

式中：R1=5.5Ω，代表集電線路水平接地體的電阻；Rn2表示多根集電線路的垂直接地極電阻。35 kV集電線路的實際值與計算結(jié)果之間存在較小的誤差，通常情況下，選取相對復(fù)雜環(huán)境下的計算結(jié)果。由于風(fēng)電場內(nèi)土壤的電阻率較普通環(huán)境高，在集電線路的缺陷整改過程中采用外引接地的方式，擴大接地網(wǎng)的受力面積，增大接地極與地面之間的距離，進行有效降阻。

2.3 整改箱變室的等電位連接

35 kV架空集電線路與箱變室內(nèi)設(shè)備具有一定的獨立性，桿塔接地與箱變中性點不能夠直接連接，降低雷電流對設(shè)備運行的干擾。在箱變室的等電位連接中，控制兩個接地點之間的獨立性，將接地點與接地網(wǎng)之間分開引接，保證引接點的距離大于8.9 m。將風(fēng)電場設(shè)備的電壓開關(guān)保護器的內(nèi)部，基于高溫材料的作用，制作成具有耐高溫性的電極，利用分隔片分隔放電部件，提高雷電釋放能力，預(yù)防雷電波較大時的放電作用。在35 kV架空集電線路中配合使用限壓型保護器，當(dāng)線路長度過短時，增加退耦裝置，改造高能量電涌保護器，在導(dǎo)體的電極兩端安裝絕緣隔板，保證導(dǎo)體首尾端與接地網(wǎng)的緊密連接。

3 實驗分析

3.1 實驗準備

本次實驗在山東省某高壓實驗室進行，選用1 500 kV的沖擊電壓發(fā)生器，基于Marx多級回路產(chǎn)生雷電沖擊波形與其他特殊沖擊電壓波形。設(shè)置沖擊電壓的穩(wěn)定性較高，雷電電流波形的參數(shù)以IEC 61250.1為標準。在雷電間隙的沖擊中，采用多斷點沖擊方式。分別選用兩種不同類型的35 kV絕緣子，一種為FWMS3復(fù)合絕緣子，控制絕緣長度小于555 mm；另一種為LPT-45玻璃絕緣子，絕緣長度小于600 mm。保證避雷器的絕緣部分保持干燥，通過防雷間隙兩端的接地極連接避雷器與集電線路，隔離雷電沖擊以外的其他電壓作用?？刂曝摌O性沖擊次數(shù)，每隔半個小時測試一次空氣的濕度，采用升降法測量集電線路電壓，在若干次沖擊放電實驗后，當(dāng)實驗的樣品被雷電擊穿后，降低實驗沖擊電壓，至少進行40次沖擊實驗，使擊穿次數(shù)占總實驗次數(shù)的50%，提高實驗的準確率。

3.2 結(jié)果分析

為了驗證本文提出的35 kV架空集電線路缺陷整改與避雷器擊穿分析結(jié)果的有效性，設(shè)置本文提出的缺陷整改與避雷器擊穿方法為實驗組，傳統(tǒng)的滅弧間隙防雷方法為對照組。對比兩種方法降低雷電流沖擊壓力的速度，實驗的對比結(jié)果如圖2所示。

圖2 實驗結(jié)果

根據(jù)圖2可知，本文提出的35kV架空集電線路缺陷整改與避雷器擊穿分析能夠快速降低雷電波沖擊的壓力，較傳統(tǒng)方法相比，對于沖擊電壓的控制速度較快，能夠有效地提高集電線路的可靠性，保護避雷器的穩(wěn)定運行。

4 結(jié) 論

在電網(wǎng)規(guī)模不斷擴大的背景下，35 kV架空集電線路受到雷擊的破壞可能不斷增大。本文提出了35 kV架空集電線路缺陷整改與避雷器擊穿分析，通過本文的研究分析，改善了傳統(tǒng)的避雷器防雷方面的缺陷，提高了集電線路的可靠性。通過實驗證明，本文提出的方法能夠快速降低雷電波的沖擊電壓，保護避雷器的穩(wěn)定運行。