申戩林 郭東杰 田志強(qiáng) 李曉陽(yáng) 侯 勇 王 澤

（國(guó)家電投集團(tuán)山西新能源有限公司）

0 引言

雷電是由于雷雨云中電荷放電而產(chǎn)生的復(fù)雜自然現(xiàn)象，據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界每年約有10億次雷暴發(fā)生，平均每小時(shí)發(fā)生2000次雷暴，而每分鐘平均發(fā)生1～3次云對(duì)地閃電，每次閃電在微秒量級(jí)的瞬間釋放出約1.98×108J的能量。人類對(duì)于雷電的研究已經(jīng)有一百多年，無(wú)論是對(duì)雷電物理機(jī)理的認(rèn)識(shí)，還是對(duì)防雷技術(shù)的研究，均取得了巨大成就，但由于雷電自身的復(fù)雜性，人類對(duì)于雷害的防治效果仍不理想，雷電引起的災(zāi)害仍是世界十大自然災(zāi)害之一，也引起是電力系統(tǒng)事故的主要原因。

架空線路的雷擊主要分為直擊雷過(guò)電壓和感應(yīng)雷過(guò)電壓兩種，其中直擊雷過(guò)電壓又分為反擊和繞擊。雷電直擊于線路架空地線或桿塔時(shí)，雷電流一部分經(jīng)架空地線流向線路兩側(cè)，大部分經(jīng)桿塔及接地裝置流入大地，引起塔頂電位升高，從而造成絕緣子串的閃絡(luò)放電，這種現(xiàn)象稱為反擊。雷電反擊過(guò)電壓與雷電參數(shù)、桿塔型式、高度和接地電阻等有關(guān)。雷電繞過(guò)架空地線直擊于導(dǎo)線，而造成絕緣子串的閃絡(luò)放電，這種現(xiàn)象稱為繞擊。雷電繞擊與地質(zhì)地貌、線路保護(hù)角、線路絕緣水平及雷電流強(qiáng)度等有關(guān)。感應(yīng)雷過(guò)電壓只對(duì)110kV以下線路有影響，且其危害較輕［1-2］。

目前，國(guó)內(nèi)風(fēng)電35kV集電線路設(shè)計(jì)采用的是GB 50061-2010《66kV及以下架空電力線路設(shè)計(jì)規(guī)范》，該標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍為平原地區(qū)，未考慮山地區(qū)域的特殊地形地貌環(huán)境。采用該規(guī)范設(shè)計(jì)山地風(fēng)電集電線路雖滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，但存在不足，位于雷害嚴(yán)重山區(qū)巖石地貌基礎(chǔ)的輸電線路，其接地電阻高，采取此標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的集電線路防雷泄流能力有限［3-4］。

為了降低上述原因?qū)е碌默F(xiàn)場(chǎng)防雷設(shè)施設(shè)計(jì)上的不足而對(duì)線路產(chǎn)生的不良影響，本文以山西嵐縣某風(fēng)電場(chǎng)35kV集電線路為例進(jìn)行分析設(shè)計(jì)優(yōu)化，基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，考慮改造的經(jīng)濟(jì)有效性，提出了如下具體的防雷設(shè)計(jì)優(yōu)化方式： （1）參照線路桿塔的實(shí)際情況重新設(shè)計(jì)加裝避雷器； （2）參照線路桿塔的實(shí)際情況增加豎向、橫向避雷針； （3）對(duì)接地電阻值不合格的桿塔，加裝接地體（銅包鋼材質(zhì)）以降低接地電阻值。改造后，經(jīng)過(guò)2個(gè)雷雨季的效果驗(yàn)證，證明了采取上述措施可減少雷擊情況的發(fā)生，降低雷害的影響，避免雷擊跳閘造成發(fā)電量損失的情況，提高風(fēng)電場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)效益。

1 35kV集電線路雷擊跳閘原因分析

為了對(duì)35kV集電線路頻繁遭受雷擊導(dǎo)致的設(shè)備損壞、斷路器跳閘的現(xiàn)象和原因進(jìn)行分析，本文選取位于山西省呂梁嵐縣發(fā)生過(guò)雷擊問(wèn)題的某風(fēng)電場(chǎng)的35kV集電線路進(jìn)行研究分析。根據(jù)該風(fēng)電場(chǎng)統(tǒng)計(jì)的運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示，該風(fēng)電場(chǎng)35kV集電線路從2018年6月至2019年8月發(fā)生雷擊導(dǎo)致集電線路跳閘9次，具體情況見(jiàn)下表。

表 某風(fēng)電場(chǎng)35kV集電線路雷擊情況

針對(duì)線路雷害情況，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地勘探并查閱資料，分析主要有以下幾點(diǎn)原因：

（1）目前，國(guó)內(nèi)風(fēng)電場(chǎng)35kV集電線路設(shè)計(jì)采用的是GB 50061-2010《66kV及以下架空電力線路設(shè)計(jì)規(guī)范》，該規(guī)范的適用范圍為平原地區(qū)，未考慮山地區(qū)域的特殊地形地貌環(huán)境。按照該規(guī)范設(shè)計(jì)的35kV線路由于絕緣配置水平較低，因此其耐雷水平較低，防止雷害的能力不強(qiáng)，不能滿足雷患較多的山地安全輸電要求。

（2）根據(jù)國(guó)網(wǎng)山西省電力公司發(fā)布的《山西電網(wǎng)雷電分布圖》 （2015年），全省各地8年雷電總數(shù)和雷電小時(shí)數(shù)最多的是忻州地區(qū)，落雷密度最大為陽(yáng)泉地區(qū)，嵐縣位于呂梁邊界，緊鄰忻州地區(qū)，屬于全省雷電活動(dòng)較為強(qiáng)烈的地區(qū)。

（3）本次設(shè)計(jì)優(yōu)化的線路位于呂梁市嵐縣境內(nèi)，全線桿塔均處于山地，巖石基礎(chǔ)較多，受其影響，部分鐵塔接地電阻較高，導(dǎo)致雷電流不能及時(shí)泄流而引起反擊現(xiàn)象。

（4）避雷器和電纜頭等電氣設(shè)備自身的質(zhì)量問(wèn)題以及施工安裝不規(guī)范等，也會(huì)導(dǎo)致線路絕緣性變差而發(fā)生雷擊故障。

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)的改造實(shí)施

根據(jù)上述提出的優(yōu)化設(shè)計(jì)措施，2020年，在該風(fēng)電場(chǎng)對(duì)35kV集電線路進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)優(yōu)化改造。具體內(nèi)容如下：

（1）加裝接地體

依照現(xiàn)場(chǎng)地形選用機(jī)械或人工，對(duì)桿塔接地工程進(jìn)行溝槽、垂直接地體孔的開(kāi)挖和施工，并且對(duì)坑底進(jìn)行翻松處理，現(xiàn)場(chǎng)照片如圖1所示。

圖1 加裝接地體

接地體安裝在埋設(shè)溝（坑）底部，在充分滲透、無(wú)明顯積水后開(kāi)始接地體的安裝。垂直接地體采用長(zhǎng)度為1220mm的鍍銅鋼接地棒，水平接地體采用Φ12鍍銅圓鋼以及高碳柔性接地線，水平接地體和垂直接地體按照?qǐng)D2所示進(jìn)行焊接，并在焊接處做防腐處理。

圖2 垂直接地體安裝示意圖

各垂直接地體間距不得小于3m，在垂直接地體安裝完畢后進(jìn)行水平接地體的安裝。敷設(shè)中保持水平接地體的走勢(shì)平直，不得使接地線存在較大的扭力，水平接地體應(yīng)留有足夠的裕度。

依據(jù)GB 50169-2016《電氣裝置安裝工程接地裝置施工及驗(yàn)收規(guī)范》及DL-T 5161.6-2002《電氣裝置安裝工程質(zhì)量檢驗(yàn)及評(píng)定規(guī)程第6部分：接地裝置施工質(zhì)量檢驗(yàn)》進(jìn)行施工。埋于土壤中的人工水平接地體采用Φ12鍍銅圓鋼及高碳柔性接地線。圓鋼之間的搭接處采用不少于2面電氣焊接，如圖3所示，搭接部位長(zhǎng)度不小于6倍的圓鋼直徑；高碳柔性接地線之間采用專用連接器進(jìn)行連接。接地體的埋設(shè)深度不應(yīng)小于0.8m，垂直接地體和扁鋼采用放熱焊接。

圖3 圓鋼搭接示意圖

鍍鋅鋼與鍍銅鋼采用放熱焊接的方式進(jìn)行連接，焊接前用熱源烘烤模具和導(dǎo)體，確保干燥。若有雜質(zhì)需清除，將導(dǎo)體放入模具內(nèi)，必要的時(shí)候用C型夾輔助。將托盤(pán)放入模腔，堵住?？滓酝凶『阜郏瑢⒑阜鄣谷肽＞咧?，從焊粉表面到模沿撒上點(diǎn)火粉。合上模蓋，用點(diǎn)火槍點(diǎn)火。約20s后，可開(kāi)模，焊接成功。清潔模具內(nèi)的焊渣，以備下次使用。

接地體連接是整個(gè)施工中最重要的一環(huán)，關(guān)系到整個(gè)接地裝置的電氣導(dǎo)通性、防腐能力，直接影響整個(gè)接地體的使用壽命。操作時(shí)必須注意以下幾點(diǎn)：

①接地裝置的連接應(yīng)由專職人員進(jìn)行操作，焊接必須牢固可靠無(wú)虛焊。

②接地裝置的各個(gè)連接處均要求可靠焊接。在做防腐處理前必須除銹，去掉焊接處殘留的焊藥，凡焊接處必須刷防腐漆。

③必須對(duì)每個(gè)焊點(diǎn)逐一檢查，并做好質(zhì)量驗(yàn)評(píng)記錄。

在水平接地體埋設(shè)溝槽和垂直接地體埋設(shè)坑回填黃土，然后向溝（坑）內(nèi)均勻注水到溝（坑）底部有明顯積水為止，以全部包裹住接地體為完成目標(biāo)。待回填料基本硬化后，采用原土回填，回填土中不能有直徑≥50mm的石頭及其他生活、建筑等垃圾，將回填土分層夯實(shí)并恢復(fù)原地貌。

（2）雙回路段差絕緣配置

對(duì)于雙回路段采用差絕緣配置，如圖4所示，提高其中一回線路的絕緣等級(jí)，保證兩回線路遭受雷擊時(shí)不會(huì)同時(shí)跳閘。對(duì)A1-A90、G1-G46雙回路段的B線路每相絕緣子串和跳線串再增加一片絕緣子。

圖4 雙回路段采用差絕緣配置

（3）加裝線路避雷針、避雷器

選用豎向及橫向避雷針作為線路綜合防雷系統(tǒng)設(shè)備，有效降低線路絕緣子承受的雷電沖擊電壓，同時(shí)提高對(duì)桿塔的防雷保護(hù)級(jí)別。

對(duì)于線路避雷針的安裝，應(yīng)注意在零部件完好、無(wú)損傷的條件下按步驟進(jìn)行安裝。安裝時(shí)，需配置滑輪、繩索、扳手等相關(guān)工具，并注意如下事項(xiàng)：

檢查緊固件與抱箍的連接，確認(rèn)上、下抱箍與緊固件搭配。避雷針針尖尾部與避雷針螺紋必須旋合到位。接閃器接線端與接地引下線用銅鋁接線端子（銅鼻子）連接。抱箍緊固件與鐵塔固定，同時(shí)應(yīng)保證接閃器緊固件與地平線垂直安裝。引下線U型夾與引下線支撐桿通過(guò)螺栓連接，螺紋必須旋合到位；引下線支撐桿抱箍組件通過(guò)螺栓連接塔身與引下線支撐桿，螺紋必須旋合到位；保證接地引下線依次從上往下穿過(guò)螺栓與U型夾形成的封閉環(huán)。

選用氧化鋅避雷器與避雷器監(jiān)測(cè)器及瓷絕緣子配套，可大大降低輸電線路的雷害事故率。避雷器安裝應(yīng)結(jié)合不同的塔型和條件確定不同的方式：

①在耐張塔上安裝避雷器，采用絕緣子間隙線路避雷器安裝在弓子線上，可傾斜安裝。

②在直線塔上安裝避雷器，絕緣子間隙避雷器和空氣間隙避雷器均適用，沿導(dǎo)線方向與線路絕緣子平行安裝。

③倒掛式安裝：適用于絕緣子間隙線路避雷器。

④立柱式安裝：適用于空氣間隙線路避雷器。

3 結(jié)束語(yǔ)

2020年，山西呂梁嵐縣該風(fēng)電場(chǎng)三條35kV集電線路按照上述優(yōu)化設(shè)計(jì)要求，通過(guò)降低44基集電線路桿塔接地電阻，雙回路（集電I線與集電II線同塔）段增加絕緣子進(jìn)行差絕緣配置，對(duì)孤立山頭、坡度大、檔距大的31基桿塔加裝線路避雷器和壓縮滅弧防雷間隙等改造措施完成了防雷改造。項(xiàng)目改造完成后經(jīng)過(guò)2個(gè)雷雨季的驗(yàn)證顯示，集電線路均未出現(xiàn)因雷擊導(dǎo)致線路跳閘的情況，證明上述改造措施有效，彌補(bǔ)了當(dāng)?shù)貙?shí)際雷患多、設(shè)計(jì)不足的缺陷，防雷效果顯著。