國(guó)家電投集團(tuán)江蘇新能源有限公司 魏 賽 周慶根 顧漢富 張樹(shù)臣 劉湘毅

徐州賈汪風(fēng)電場(chǎng)位于徐州市賈汪區(qū)，為江蘇境內(nèi)第一家山地風(fēng)電項(xiàng)目。賈汪風(fēng)電總裝機(jī)容量為74MW，于2014年9月開(kāi)工建設(shè)，2015年6月全容量并網(wǎng)。賈汪風(fēng)電屬于三類山地風(fēng)場(chǎng)，全年平均風(fēng)速5m/s左右，可利用小時(shí)數(shù)為2009小時(shí)，大風(fēng)期主要集中在春冬兩季。山體為多石地質(zhì)結(jié)構(gòu)，集電線路無(wú)法敷設(shè)電纜，采用架空避雷線方式，桿塔大多在山坡上，桿塔接地電阻平均為20Ω。

1 防雷狀況及其分析

集電線路及雷擊事故情況。賈汪風(fēng)電場(chǎng)37臺(tái)風(fēng)機(jī)均建在多石地質(zhì)結(jié)構(gòu)的山頂上，海拔80～200米，該地區(qū)夏季雷暴頻繁，平均雷暴天數(shù)為29天，4條35kV集電線路共33km，桿塔高度平均20m，集電線路屢次遭受雷擊。為解決雷擊問(wèn)題，全部桿塔安裝了避雷器但防雷效果有限，經(jīng)統(tǒng)計(jì)2015～2019年每年發(fā)生2～3起因雷擊引起線路跳閘事件，主要集中在1#集電線路，1#集電線路共35基桿塔，全長(zhǎng)2.25km，桿塔間距離平均為64.3m。

雷電基本特征。雷電流波形分為波頭、波長(zhǎng)、幅值，雷擊是持續(xù)多次的過(guò)程，分為首次雷擊、后續(xù)雷擊、長(zhǎng)時(shí)間雷擊等。其中首次雷擊幅值最大、能量最強(qiáng)。根據(jù)我國(guó)大部分地區(qū)多年實(shí)測(cè)得到的1205個(gè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，雷電流幅值≥40kA的雷電流占45%，≥80kA的雷電流占17%，≥108kA的雷電流占10%；我國(guó)實(shí)測(cè)最大雷電流330kA只占0.1%，其余27.9%雷電流幅值＜40kA。雷電流波形是個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，根據(jù)統(tǒng)計(jì)規(guī)律總結(jié)的首次雷擊電流波形參數(shù)為10/350μs，即波頭時(shí)間τf=10μs、波長(zhǎng)時(shí)間τt=350μs。

雷電對(duì)集電線路的反擊和繞擊。雷電接閃過(guò)程及其隨機(jī)性非常復(fù)雜，分為繞擊和反擊，反擊是雷擊線路桿塔或避雷線時(shí)，雷電流通過(guò)雷擊點(diǎn)阻抗使該點(diǎn)對(duì)地電位大大升高，當(dāng)雷擊點(diǎn)與導(dǎo)線間的電位差超過(guò)絕緣的沖擊放電電壓時(shí)會(huì)對(duì)導(dǎo)線發(fā)生閃絡(luò)，使導(dǎo)線出現(xiàn)過(guò)電壓；繞擊是雷電繞過(guò)避雷線直接擊中導(dǎo)線，直接在導(dǎo)線上引起過(guò)電壓[1-2]。35kV的輸電線路屬于電壓等級(jí)低的高壓線路、耐雷水平較低，在賈汪風(fēng)電場(chǎng)由于山體多為巖石、土壤電阻率高，不能很好地泄放雷電到地下去，升高了桿塔的雷擊電壓，使得線路耐雷水平更低。

圖1 雷電對(duì)集電線路的反擊和繞擊

圖2 新型直擊雷防護(hù)裝置

35kV絕緣子雷電沖擊閃絡(luò)實(shí)驗(yàn)。賈汪風(fēng)電場(chǎng)集電線路為復(fù)合材料的絕緣子串，50%閃絡(luò)電壓為295kV，集電線路桿塔接地電阻為20Ω時(shí)，當(dāng)雷電流到達(dá)14.75kA時(shí)發(fā)生雷擊閃絡(luò)的概率為50%。

有地線線路耐雷水平要求。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]（GB/T 50064-2014）中規(guī)定，有地線線路的反擊耐雷水平（kA）不宜低于以下所列數(shù)值。單回線路系統(tǒng)標(biāo)稱電壓（kV）及其反擊耐雷水平（kA）分別為：35/24～36、66/31～47、110/56～68、220/87～96、330/120～151、500/158～177、750/208～232；同塔雙回線路系統(tǒng)標(biāo)稱電壓（kV）及其反擊耐雷水 平（kA）分 別 為：110/50～61、220/79～92、330/108～137、500/142～162、750/192～224。

雷擊原因分析。依據(jù)GB/T 50064-2014，參考《35kV絕緣子雷電沖擊下閃絡(luò)特性實(shí)驗(yàn)分析》實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，賈汪風(fēng)電集電線路桿塔接地電阻至少應(yīng)小于12.3Ω。全國(guó)范圍內(nèi)統(tǒng)計(jì)40kA～80kA范圍內(nèi)的雷電流占45%，40kA以下的雷電流占27.9%。雖然全國(guó)統(tǒng)計(jì)與實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)結(jié)果與賈汪實(shí)際情況會(huì)有些差異，但可以說(shuō)明接地電阻高是集電線路遭受雷擊的主要原因。由于地質(zhì)條件限制，接地電阻很難做到20Ω以下，通過(guò)安裝避雷線、避雷器等沒(méi)能解決雷擊問(wèn)題，只能尋找其他直擊雷防護(hù)方案。

2 新型直擊雷防護(hù)裝置

為了解決賈汪風(fēng)電場(chǎng)直擊雷雷電防護(hù)問(wèn)題，引進(jìn)新型直擊雷防護(hù)技術(shù)，基本要求是能滿足桿塔接地電阻20Ω的現(xiàn)狀。

2.1 雷電過(guò)程簡(jiǎn)介

雷云對(duì)大地放電通常分為先導(dǎo)放電、主放電和輝光放電三個(gè)階段：先導(dǎo)放電。開(kāi)始時(shí)往往從雷云邊緣向地面發(fā)展，以逐級(jí)推進(jìn)方式向下發(fā)展。這種放電稱為先導(dǎo)放電（下行先導(dǎo)），當(dāng)先導(dǎo)接近地面時(shí)，地面上一些高聳的物體會(huì)發(fā)出向上的迎面先導(dǎo)（上行先導(dǎo)）；主放電。當(dāng)上行先導(dǎo)與下行先導(dǎo)相遇時(shí)，就出現(xiàn)了強(qiáng)烈的電荷中和過(guò)程，出現(xiàn)極大的電流（數(shù)十到數(shù)百千安），伴隨著雷鳴和閃光，這就是雷電的主放電階段；輝光放電。主放電完成后，云中剩余的電荷沿著原來(lái)的主放電通道繼續(xù)流入大地，看到的是一片模糊的發(fā)光，這就是輝光放電。

2.2 新型直擊雷防護(hù)裝置介紹

新型直擊雷防護(hù)裝置接地電阻設(shè)計(jì)指標(biāo)為30Ω，在其他項(xiàng)目應(yīng)用中80Ω情況下仍可正常工作，該技術(shù)適用于賈汪風(fēng)電場(chǎng)直擊雷防護(hù)應(yīng)用。新型直擊雷防護(hù)裝置與引雷入地技術(shù)不同，是通過(guò)阻斷雷電通道的技術(shù)讓雷不落在防護(hù)區(qū)域、達(dá)到防雷目的。該裝置為無(wú)源設(shè)備，通過(guò)十幾年應(yīng)用設(shè)備可靠、技術(shù)成熟。從雷電過(guò)程可知，當(dāng)上行先導(dǎo)與下行先導(dǎo)相遇時(shí)打通放電通道是形成雷電主放電的關(guān)鍵點(diǎn)，該裝置是在此關(guān)鍵點(diǎn)以納秒級(jí)速度斷開(kāi)接地，阻斷了主放電的過(guò)程，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)如下：

工作過(guò)程如下：狀態(tài)1：感應(yīng)場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到闕值前開(kāi)關(guān)為斷開(kāi)狀態(tài)；狀態(tài)2：感應(yīng)場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到闕值后開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，迅速?gòu)牡孛嫜b載或釋放大量電子、提供感應(yīng)能量；狀態(tài)3：感應(yīng)場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到擊穿空氣條件后，激發(fā)先導(dǎo)放電，感應(yīng)場(chǎng)強(qiáng)跌落到闕值以下，開(kāi)關(guān)迅速斷開(kāi)，回到狀態(tài)1。其中：狀態(tài)3阻斷雷電通道，狀態(tài)1、2不具備雷電形成條件。由此可知，狀態(tài)3時(shí)感應(yīng)電極發(fā)出上行先導(dǎo)，具備了“與下行先導(dǎo)相遇”條件，即形成放電通道的條件，但此時(shí)變阻抑制器總是呈高阻狀態(tài)，達(dá)到了阻斷雷電通道目的；在狀態(tài)2時(shí)，變阻抑制器導(dǎo)通，目的是為了從大地補(bǔ)充感應(yīng)電極的能量形成狀態(tài)3，此過(guò)程接地電流很小，對(duì)接地電阻要求設(shè)計(jì)為30Ω。

3 工程設(shè)計(jì)與安裝

工程設(shè)計(jì)。依據(jù)為雷擊事件資料和現(xiàn)場(chǎng)考察分析，賈汪風(fēng)電場(chǎng)共4條35kV集電線路，雷擊主要集中在1#集電線路，共35基桿塔全長(zhǎng)2.25km。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)考察，1#線路沿著平原與山地交界面架設(shè)，是氣流抬升易形成雷電的典型地貌，由于本項(xiàng)目規(guī)模限制，全部集電線路直擊雷防護(hù)裝置35臺(tái)安裝在1#集電線路。原有避雷線、避雷器等防雷設(shè)施保持不變，在繼續(xù)發(fā)揮原有防雷功能條件下，不影響新型直擊雷防護(hù)裝置功能；工程安裝。新型直擊雷防護(hù)裝置安裝在桿塔頂端高出1米的位置，不需要專門的接地引下線，利用鐵塔即可完成接地功能。該裝置為無(wú)源設(shè)備，僅使用金屬安裝附件固定在桿塔上即可。

綜上，新型直擊雷防護(hù)設(shè)備安裝后，經(jīng)過(guò)一個(gè)雷雨季節(jié)的運(yùn)行，1#集電線路沒(méi)有發(fā)生雷擊跳閘事故，雷電監(jiān)測(cè)裝置沒(méi)有記錄到雷電流數(shù)據(jù)，解決了自賈汪風(fēng)電投運(yùn)以來(lái)通過(guò)加裝避雷線和避雷器都沒(méi)有解決的防雷難題。