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        風電場集電線路防雷措施

        2022-07-21 13:22:12金大光
        設(shè)備管理與維修 2022年12期
        關(guān)鍵詞:集電避雷線過電壓

        金大光

        (中國大唐集團有限公司內(nèi)蒙古分公司蒙西事業(yè)部,內(nèi)蒙古呼和浩特 010050)

        0 引言

        風電場是我國發(fā)電產(chǎn)業(yè)的重要組成部分之一。在風電場發(fā)電運行中,集電線路的作用是電力輸送,但該線路很容易受到雷擊的影響,導致線路經(jīng)常發(fā)生故障跳閘,給風電場發(fā)電企業(yè)帶來嚴重損失?;诖?,加強對風電場集電線路防雷措施的研究,對推動風電場發(fā)電生產(chǎn)實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

        1 風電場集電線路防雷的必要性

        集電線路是風電場的關(guān)鍵組成部分,集電線路能否安全運行,將直接影響風電場的運營。風電場運行時,經(jīng)常遇到的問題是雷擊跳閘。一般情況下,風電場所處位置比較特殊,通常在沿海、山地、荒地等居住人口較少的邊遠區(qū)域,由于這些區(qū)域地勢較高或者比較開闊,更容易受雷電的影響,遭受雷擊次數(shù)較多,從而對風電場穩(wěn)定運行帶來嚴重影響。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計,在風電場各類跳閘事故中,40%~70%是由雷電襲擊集電線路所引起[1]。再加上相較于其他地區(qū),風電場地區(qū)土壤電阻率更高,因此更容易遭受雷擊。雷擊不僅會嚴重破壞集電線路,還會破壞相應設(shè)備,引發(fā)開關(guān)跳閘,嚴重干擾風電場正常發(fā)電運營。如果雷擊比較嚴重,雷電波還會通過線路直接進入變電所,最終造成更嚴重的破壞。基于此,必須加強風電場集電線路防雷措施的實施,提高線路防雷能力,維護風電場安全穩(wěn)定發(fā)電。

        2 風電場集電線路防雷措施

        2.1 架設(shè)避雷線或耦合地線

        風電場集電線路一般以架空線路為主,因此通過架設(shè)避雷線或者耦合地線,能夠有效避免集電線路直接遭受雷擊。在避雷線的分流作用下,塔頂?shù)碾娢坏玫接行鳒p,可以將雷擊影響降至最低。另一方面,還可以將避雷線與導線進行耦合處理,使絕緣子承受更低的電壓,提高防雷效果。同時避雷線在導線遭受雷擊時可起到一定的屏蔽作用。在此基礎(chǔ)上,還可以合理調(diào)整避雷線保護角,以減輕雷電繞擊。但由于雷電流幅值較大,直擊雷很容易引發(fā)線路絕緣閃絡問題,尤其是對一些電壓等級較低的線路,在線路運行的過程中,很容易發(fā)生絕緣閃絡,引發(fā)線路故障。

        若不使用避雷線,線路運行時會受雷電感應影響,承受的電壓Ug可用式(1)計算:

        式中 Ug——無避雷線情況下導線的雷電感應過電壓,kV

        a——雷電流平均陡度,kA/μs

        hd——導線對地平均高度,m

        有避雷線的情況下,線路受感應雷電影響,承受的電壓可用式(2)計算:

        式中 Ug——有避雷線情況下導線的雷電感應過電壓,kV

        k——避雷線與導線之間的耦合系數(shù)

        35 kV 上字形鐵塔遭受雷擊時,還應考慮電暈效應的影響,此時上導線避雷線與導線之間的耦合系數(shù)約為0.295,下導線避雷線與導線之間的耦合系數(shù)為0.217。

        根據(jù)GB/T 50064—2014《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合設(shè)計規(guī)范》要求,35 kV 線路在接地線的情況下,線路最大反擊耐雷水平為36 kA,結(jié)合該數(shù)據(jù)以及式(1)、式(2),即可得出在沒有避雷線條件下,上導線感應電壓為227 kV,下導線感應電壓為192 kV。反之,在安裝避雷線條件下,上導線感應電壓為160 kV,下導線的感應電壓為149 kV。數(shù)值對比說明,安裝避雷線,上導線線路最大感應電壓能降低30%,下導線線路的感應電壓能降低22%。

        根據(jù)Q/GDW 13256.4—2019《10~330 kV 線路柱式絕緣子(含瓷、復合、橫擔、防風偏絕緣子)采購標準第4 部分:35~330 kV防風偏復合絕緣子專用技術(shù)規(guī)范》要求,35 kV 線路絕緣子雷電全波沖擊耐受電壓為230 kV。因此,對35 kV 線路來說,無論是否安裝避雷線,自身都能夠承受反擊耐雷水平。如果實際的雷電流高于該水平,無避雷線線路將會發(fā)生絕緣閃絡,引發(fā)線路跳閘故障。在雷電流水平高達51 kA 的情況下,有避雷線線路感應電壓水平與復合絕緣子U50%(指復合絕緣子最大承受電壓數(shù)值的50%)比較接近,沒有從根本上提升線路反擊耐雷水平。而集電線路出于成本考量,通常情況下不會進行耦合地線設(shè)置[2],但如果遇到一些特殊情況,如電力線路交叉橫跨,出于線路安全考量,將進行避雷線改造,采用耦合地線。改造后線路感應過電壓可明顯降低(最高可降低20%),因此仍能夠起到良好的防雷效果。

        2.2 架空線路改為直埋電纜

        風電場集電線路通常采用架空方式,將架空方式改為直埋方式,在遭受雷擊時能夠削弱雷電的沖擊力。當雷電情況比較嚴重,發(fā)生雷擊大地現(xiàn)象,會對鄰近區(qū)域的電纜造成破壞。一般情況下,電纜損壞程度與雷擊電流大小等有著密切的關(guān)系。如果電纜有絕緣外護層,相較于帶有金屬護套的電纜,其對雷電更加敏感,因此在實際運行時將會承受更大的雷電損害。為解決這一問題,可在絕緣外護層電纜上方安裝1 條屏蔽線,屏蔽線與土壤接觸,能有效降低土壤電位值,減輕雷擊危害影響。

        2.3 減小桿塔工頻接地電阻

        風電場避雷線桿塔接地網(wǎng)一般直接與風機、箱變接地網(wǎng)連接,因此桿塔接地網(wǎng)接地電阻與風機、箱變接地電阻情況相同,均在4 Ω 以內(nèi),這對桿塔耐雷水平的提高非常有利。當桿塔接地電阻不同、絕緣子片數(shù)存在差異時,實際耐雷水平也不一樣。當桿塔接地電阻不斷增加,其耐雷水平下降較為明顯。與普通線路最高耐雷水平相比,風電場集電線路箱變位置桿塔的耐雷水平更高。因此在雷電比較頻繁的風電場集電線路區(qū)域,建議適當降低桿塔接地電阻,如果采用復合絕緣子,可提高其U50%值,并與同一回路的絕緣子串值U50%保持一致,能夠有效防止出現(xiàn)選擇性閃絡問題,提高線路的耐雷水平。

        3 風電場集電線路方案案例分析

        3.1 風電場概況

        某風電場總裝機容量200 MW,風電場所在位置地勢開闊,年平均雷暴日數(shù)為26 d,屬于中雷區(qū)。在規(guī)范要求的指導下,集電線路在靠近升壓站側(cè)完成避雷線的架設(shè)。該風電場正式發(fā)電初期,在陰雨雷電天氣,集電線路遭受雷擊引發(fā)跳閘故障,但沒有造成設(shè)備損壞,但隨后遭受一次比較強的雷擊,1 臺風機箱變高壓側(cè)過電壓保護器被擊穿,電纜頭也遭受了不同程度的損壞。

        3.2 事故分析

        該風電場早期發(fā)電運行時發(fā)生了一次集電線路雷擊跳閘事故,但設(shè)備完好。經(jīng)實地調(diào)查發(fā)現(xiàn),當時線路在遭受雷擊時,產(chǎn)生的雷電過電壓比線路絕緣子雷電閃絡電壓高,引發(fā)了單相接地跳閘問題。從事故過程分析,線路的防雷水平已經(jīng)無法抵御雷擊,即使設(shè)置了避雷線,也無法徹底解決跳閘問題。改進方法是選擇降低工頻電阻的避雷措施,絕緣子采用4×LXWP5-70 與FXBW5-3570,提高其U50%值,并與同一回路的絕緣子串U50%值保持一致,問題得以解決。

        后續(xù)集電線路遭受雷擊后引發(fā)設(shè)備損壞,經(jīng)分析認為,雷電先經(jīng)過箱變出口線路側(cè)避雷器,避雷器完好無損,之所以損壞箱變內(nèi)過電壓保護器與電纜頭,是因為受避雷器殘壓所影響[3]。過電壓保護器與避雷器的基本參數(shù)相同,因此過電壓保護器與電纜頭沒有損壞,但如果過電壓保護器承受過電壓、熱負荷能力不足,將會導致?lián)p壞;而受避雷器殘壓影響,或電纜頭本身質(zhì)量不佳,將導致電纜頭損壞。因此需要加強電纜頭質(zhì)量檢查。

        4 結(jié)語

        結(jié)合實際,總結(jié)風電場集電線路防雷保護工作要點如下:①如果風電場所處區(qū)域雷電活動比較頻繁,可以沿全線進行避雷線的架設(shè),能有效提高集電線路防雷水平,但并不能徹底避免雷電線路閃絡問題,如果該區(qū)域雷電活動比較少,出于成本以及避雷線實際防雷效果考慮,可以不進行避雷線的全線架設(shè);②集電線路防雷要充分考慮現(xiàn)場實際條件,既要保證防雷效果,又要體現(xiàn)防雷的經(jīng)濟實用性。目前,風機、箱變及附近桿塔的避雷器配置,能夠滿足集電線路及相關(guān)設(shè)備的防雷要求。但針對一些經(jīng)常遭受雷擊的區(qū)域,為降低雷擊的影響,可以選擇增加線路避雷器進行防雷保護,可以有效提高防雷效果,保障線路安全穩(wěn)定運行;③除了要加強防雷措施的實施,還應考慮到設(shè)備的損壞主要受產(chǎn)品質(zhì)量和性能的影響,因此要從源頭上控制設(shè)備質(zhì)量,加強對設(shè)備性能的檢查,如過壓保護裝置及電纜頭性能的檢查,以降低雷擊對風電場運行的影響;④分析風電場集電線路跳閘事故典型案例,很多故障都是在一瞬間發(fā)生,平時很難預防,建議在風電場發(fā)展后期加強線路重合閘方面的研究,保障風電場安全穩(wěn)定運行。

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