河北大唐國際新能源有限公司 宋祥斌

1 引言

隨著國家對(duì)能源安全及環(huán)境保護(hù)的重視，風(fēng)力發(fā)電在我國電力系統(tǒng)的占比正在逐年上升。由于風(fēng)電場一般選址在地理?xiàng)l件較差的位置，特別位于山區(qū)高處的集電線路極易遭受雷擊，從而給風(fēng)力發(fā)電企業(yè)帶來了較多不利影響，目前對(duì)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(wù)和建議

2.1 線路防雷的一般任務(wù)

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

2.2 線路防雷的建議

第一，確保接地良好。在線路設(shè)備和建筑物上必須設(shè)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(shè)置防雷設(shè)施。合理設(shè)置終端針、針絕緣子、耐閃避雷器、避雷帶等防雷設(shè)施，以起到防雷作用。第三，定期檢查維護(hù)。定期巡視檢查防雷設(shè)施，確保其完好、可靠，及時(shí)清理污物，修復(fù)破損。第四，加裝過電壓保護(hù)器。適當(dāng)加裝過電壓保護(hù)器，可以有效地對(duì)抗雷電過電壓引起的過電壓擊穿[2]。第五，妥善安裝線路導(dǎo)線。合理選擇導(dǎo)線規(guī)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(dǎo)線之間三角形交錯(cuò)時(shí)角度太小過密。第六，積極進(jìn)行雷電環(huán)境監(jiān)測。了解地域情況及相關(guān)預(yù)警信息，及時(shí)采取有效的防雷措施。

3 雷擊對(duì)線路的影響

雷擊能夠直接引起線路故障，當(dāng)雷電擊中線路時(shí)，會(huì)產(chǎn)生非常高的電壓和電流，在瞬間燒壞線路設(shè)備或燒毀電線電纜，引起線路故障。雷擊還會(huì)間接對(duì)線路的設(shè)備造成影響，雷電擊中電力系統(tǒng)的設(shè)備和建筑物后，會(huì)產(chǎn)生電磁脈沖和過電壓等，使線路設(shè)備受到影響，甚至燒毀設(shè)備。另外，還會(huì)增加運(yùn)行和維護(hù)的成本，由于雷擊引起的線路故障，需要進(jìn)行搶修和更換損壞設(shè)備，增加了線路的維護(hù)費(fèi)用。雷擊會(huì)導(dǎo)致線路設(shè)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(dāng)雷電擊中地面或其他物體時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的電流和電壓，這些電流和電壓會(huì)通過接地系統(tǒng)進(jìn)入輸電線路。當(dāng)雷電擊中輸電線路附近的物體時(shí)，產(chǎn)生電磁感應(yīng)，導(dǎo)致線路上的電流和電壓瞬間增大，超過了線路的額定負(fù)荷能力，從而導(dǎo)致線路跳閘。由于線路上的電流和電壓瞬間增大，導(dǎo)致線路上的保護(hù)裝置感應(yīng)到異常電流或電壓，從而觸發(fā)跳閘保護(hù)裝置，切斷電源供應(yīng)，以保護(hù)線路和設(shè)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(fā)生在雷電活動(dòng)較為強(qiáng)烈的地區(qū)，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(chǎn)生的強(qiáng)大電場和磁場的影響，導(dǎo)致線路上的設(shè)備受到感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流的干擾，進(jìn)而引發(fā)設(shè)備跳閘。當(dāng)雷電靠近輸電線路時(shí)，雷電放電會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁輻射，這些電磁輻射會(huì)在輸電線路上感應(yīng)出電壓和電流。這些感應(yīng)電壓和電流可能會(huì)超過設(shè)備的耐受能力，導(dǎo)致設(shè)備跳閘。此外，雷電放電還會(huì)產(chǎn)生電磁脈沖，這些脈沖也會(huì)對(duì)輸電線路上的設(shè)備造成干擾，引發(fā)跳閘事故。

集電線路的防雷性能對(duì)于其穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。如果集電線路本身具有較好的防雷性能，在雷擊發(fā)生時(shí)，引起跳閘的概率就會(huì)降低。為了衡量集電線路的防雷性能，通常會(huì)使用兩個(gè)重要指標(biāo)：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(shí)間內(nèi)，線路因雷擊而發(fā)生跳閘的頻率。因此，在設(shè)計(jì)和維護(hù)集電線路時(shí)，必須考慮其防雷性能，以確保其穩(wěn)定運(yùn)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(shù)) / (40個(gè)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(shè)計(jì)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(jù)《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合》（DL/T 620-1997）規(guī)程，當(dāng)雷擊發(fā)生在有避雷線的桿塔頂部時(shí)，線路的耐雷水平計(jì)算：

式中，u50%為絕緣子串的50%沖擊放電電壓，kV；k、k0為導(dǎo)線和避雷線間的耦合系數(shù)和幾何耦合系數(shù)；β 為桿塔分流系數(shù)；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(dān)對(duì)地高度，m；hg、hc為避雷線和導(dǎo)線平均對(duì)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(shí)現(xiàn)。

具體方法如下。一是增加線路桿塔上絕緣子串片數(shù)，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(dá)到較低的水平。三是降低桿塔和導(dǎo)線高度，在勘察設(shè)計(jì)階段充分考慮雷擊問題，優(yōu)化線路走向，盡可能降低桿塔和導(dǎo)線的高度。四是架設(shè)耦合地線，設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行統(tǒng)籌考慮，盡量能夠在桿塔上架設(shè)耦合地線。

根據(jù)以往現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)，集電線路也會(huì)出現(xiàn)繞擊雷引起跳閘的情況，對(duì)于繞擊雷可以通過裝設(shè)線路高壓避雷器的方式來進(jìn)行。具體的裝設(shè)位置可以選在檔距較大、陡度較大的桿塔上，同時(shí)可以加大避雷器的通流容量，進(jìn)一步對(duì)雷電流進(jìn)行泄放[5]。由于雷電危害的復(fù)雜多樣，沒有任何一種單一措施能對(duì)雷電帶來的所有危害都起到防護(hù)作用。只有多種防護(hù)措施聯(lián)合運(yùn)用，才能將雷電帶來的危害降最低。

5 風(fēng)電場雷擊事故的分析

5.1 典型故障

風(fēng)電場雷擊事故的典型故障通常涉及風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主要組件，包括風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)、變頻器等。當(dāng)雷電擊中風(fēng)電場時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致以下故障。例如，風(fēng)輪受到雷擊可能會(huì)導(dǎo)致葉片損壞或斷裂。雷電的高能量沖擊會(huì)對(duì)葉片造成巨大的壓力，可能導(dǎo)致葉片破裂或變形，進(jìn)而影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的正常運(yùn)行。此外，發(fā)電機(jī)也容易受到雷擊的影響。雷電擊中風(fēng)電場時(shí)，可能會(huì)通過電網(wǎng)進(jìn)入發(fā)電機(jī)，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)內(nèi)部的電氣元件受損。這可能導(dǎo)致發(fā)電機(jī)輸出功率下降或完全失效，從而影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電能力。另外，變頻器也是風(fēng)電場雷擊事故的典型故障點(diǎn)。變頻器是將風(fēng)輪產(chǎn)生的交流電轉(zhuǎn)換為適用于電網(wǎng)的直流電的裝置。當(dāng)雷電擊中風(fēng)電場時(shí)，可能會(huì)通過電網(wǎng)進(jìn)入變頻器，導(dǎo)致變頻器內(nèi)部的電子元件受損。這可能導(dǎo)致變頻器無法正常工作，進(jìn)而影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電能力。

5.2 事故的判定與特征

首先，判定風(fēng)電場是否發(fā)生雷擊事故需要考慮以下因素：風(fēng)電場是否位于雷電活動(dòng)頻繁的地區(qū)，是否有雷電預(yù)警系統(tǒng)以及監(jiān)測設(shè)備的數(shù)據(jù)記錄等。其次，風(fēng)電場雷擊事故的特征表現(xiàn)為：風(fēng)機(jī)葉片、塔筒、機(jī)艙等部位受到雷擊損壞，可能導(dǎo)致設(shè)備故障、停機(jī)甚至火災(zāi)等后果。此外，風(fēng)電場雷擊事故還可能對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生影響，如引起電網(wǎng)短路、電壓波動(dòng)等問題。因此，風(fēng)電場雷擊事故的判定與特征需要綜合考慮地理環(huán)境、監(jiān)測設(shè)備數(shù)據(jù)、設(shè)備損壞情況以及電網(wǎng)運(yùn)行狀況等多個(gè)因素，以確保風(fēng)電場的安全運(yùn)行。

5.3 事故產(chǎn)生的原因

在案例事故中，通過對(duì)事故地區(qū)的分析以及對(duì)事故的判定和特征的分析。第一，該事故地區(qū)屬于多雷地區(qū)，分布在此區(qū)段的10kV 架空線路受到雷擊的概率相對(duì)比較高，并且案例中該風(fēng)場在設(shè)計(jì)的時(shí)候沒有考慮過環(huán)境的特殊性，沒有按照基本的常規(guī)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。第二，該案例中，風(fēng)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(cè)以及配電變壓器的終端桿，導(dǎo)致線路中間缺少保護(hù)，進(jìn)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(dǎo)致泄流的能力降低，雷擊不能夠很好地流入大地，出現(xiàn)問題。

6 線路防雷的基本措施

6.1 基本措施

第一，設(shè)置避雷針。在線路的高處安裝避雷針或避雷網(wǎng)，吸引雷電電流，有效減少雷擊電壓和雷電能量，保護(hù)線路設(shè)備免受雷擊。第二，安裝金屬接地網(wǎng)和接地線。通過金屬接地網(wǎng)和接地線將電力設(shè)備和建筑物接地，形成電位差，將雷電能量導(dǎo)向地球，避免對(duì)設(shè)備產(chǎn)生災(zāi)害性影響。第三，使用過電壓保護(hù)器。在線路裝置過電壓保護(hù)器，當(dāng)線路電壓過高時(shí)，保護(hù)器會(huì)自動(dòng)切斷電源，防止線路設(shè)備受到過電壓的損害。第四，加裝防雷保護(hù)設(shè)備。在線路上加裝防雷保護(hù)設(shè)備，如避雷器、雷電感應(yīng)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(dòng)速度，減少雷擊對(duì)線路設(shè)備的影響。第五，定期檢查和維護(hù)。定期檢查線路設(shè)備和防雷設(shè)備的運(yùn)行狀況，及時(shí)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(wǎng)和接地線、過電壓保護(hù)器、防雷保護(hù)設(shè)備以及定期檢查和維護(hù)等措施，可以有效地提高線路的防雷能力，保障線路設(shè)備的安全運(yùn)行。

6.2 導(dǎo)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(tǒng)中常見的故障現(xiàn)象，通常會(huì)影響電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，甚至對(duì)人身和設(shè)備安全造成威脅。選用合適的設(shè)備和材料：在電網(wǎng)設(shè)計(jì)和建設(shè)中，應(yīng)選用符合電網(wǎng)負(fù)荷特點(diǎn)的合適的電纜、電線等導(dǎo)線材料，并按照標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)格和等級(jí)要求進(jìn)行安裝和接線。保護(hù)屏蔽導(dǎo)線：在需要采用屏蔽電纜和導(dǎo)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(dá)到減少外界干擾電流進(jìn)入敏感設(shè)備的目的。注意防護(hù)措施：在電網(wǎng)的運(yùn)營過程中，要注意維護(hù)線路與地面及水體的距離，避免線路遭受外力破壞和環(huán)境污染，同時(shí)要根據(jù)設(shè)備的使用壽命和特性要求進(jìn)行定期的維護(hù)和更換。其次是雷擊跳閘的防治措施。建立避雷系統(tǒng)：在電力系統(tǒng)中，需要建立避雷系統(tǒng)，對(duì)高層建筑物、電力供電設(shè)施、通信設(shè)施、航空設(shè)施等關(guān)鍵設(shè)施進(jìn)行保護(hù)，并合理安裝雷達(dá)設(shè)備，同時(shí)應(yīng)用具有較好的抗雷性能的材料。

7 結(jié)語

隨著近年來風(fēng)電規(guī)模的不斷擴(kuò)大并且相關(guān)技術(shù)不斷成熟，風(fēng)電作為一種清潔、可再生的能源形式，已經(jīng)成為當(dāng)今世界能源發(fā)展的熱點(diǎn)。但是，隨著風(fēng)電場規(guī)模的擴(kuò)大，風(fēng)機(jī)發(fā)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(huì)對(duì)風(fēng)電場的集電線路產(chǎn)生影響，導(dǎo)致集電線路雷擊跳閘事故的發(fā)生率逐年上升，嚴(yán)重影響了電網(wǎng)穩(wěn)定性和風(fēng)電運(yùn)行效率。因此，針對(duì)集電線路雷擊跳閘問題的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和前景，有助于推動(dòng)風(fēng)電場產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展和推廣。