四川盐源华电新能源有限公司 周俊杰 黑龙江恒电防雷工程有限公司 徐博尘 黑龙江恒电防雷工程有限公司 闫 君

1 概述

凉风坳风电场总计2条35kV架空集电线路，线路总长约25km，拥有杆塔总计90基，线路海拔高度2550-3100米。从2017年至2020年，2条集电线路总计在4个雷雨季节期间总共发生了14次雷击跳闸故障，其中1号线路9次，2号线路5次，集电线路由于雷击跳闸造成电量损失总计有364万千瓦时。根据风电场提供的检测数据以及事故记录和分析报告，我们对风电场集电线路在雷雨天气下跳闸原因进行了排查和分析，对1、2号线路的杆塔布线方式和避雷器进行了检查，对所有杆塔所在地环境进行了实地踏勘和测量，最终确定凉风坳风场集电线路在雷雨环境下出现频繁跳闸的情况的根本原因在于线路处于高海拔、强雷暴地区，土壤电阻率较高，很多杆塔工频接地电阻偏大，不利于风电场所处特殊环境下对防雷的要求，并且雷电冲击接地电阻远大于工频接地电阻，在遭受雷击时往往会产生非常大的过电压对线路发生反击，导致线路绝缘击穿、频繁跳闸。

针对风电场的事故原因，从降低接地电阻方法、接闪技术、防电涌、泄流措施及避免感应雷等诸多方面对各种技术选项进行技术对比分析后，我们选择了使用柔性接地技术对集电线路杆塔的接地网结构进行改造处理，降低集电线路在雷电冲击作用下的接地电阻。改造完成后一年以来集电线路运行稳定，未发生由于雷击造成的跳闸情况。

2 技术分析

2.1 雷电的形成

雷电是在雷雨云之间或在云地之间产生的一种放电现象，雷雨云是产生雷电的先决条件。在雷雨云的形成过程中，云层中会产生并积聚大量的正电荷或负电荷，同时在地面以及地面上的金属物体上将会感应出与之极性相反的电荷，当云地之间的电场强度达到一定程度、周围环境满足一定条件的情况下就会击穿空气形成放电通道从而发生放电现象。

2.2 跳闸的原因

雷雨天气集电线路杆塔发生跳闸事故有诸多因素。线路接闪角度过小时容易发生雷电绕击；绝缘水平不够容易导致绝缘子爬电发生击穿；避雷器性能不足导致启动电压不匹配引起误跳闸或不跳闸击穿绝缘；工频接地电阻不合格导致继电保护无法配合；冲击接地电阻过大导致接地网结构易受损，产生极高的过电压发生反击引起跳闸或设备烧毁等事故。

高海拔、地形复杂地区发生雷击跳闸的概率更高，大多是因为所处地理位置海拔较高、杆塔跨度较大、土壤环境极不均匀、接地网设计不合理，在发生雷击时，高频冲击接地电阻过大产生过电压发生反击导致线路频繁跳闸。

2.3 雷电过电压的产生

雷电过电压有两种基本形式：直接雷击过电压和间接雷击过电压。直接雷击过电压是雷电直接击中电气设备、线路或建（构）筑物，强大的雷电流通过这些物体放电入地的过程中产生高于正常工作电压的一种异常电压升高现象；间接雷击过电压是由雷电通过静电感应或电磁感应在电气设备、线路或其他物体上感应出的过电压。除此之外，架空线路遭受直接雷击或间接雷击引起的过电压波，沿线路进行传播也会导致其他地方存在过电压。

2.4 电荷堆积与泄放规律

雷电的实质就是电荷的运动过程，以及在此过程中附带的一些其他效应。当集电线路遭受雷击时，巨大的雷电能量在一瞬间会通过杆塔防雷装置向大地泄放，从物质的角度来讲就是数以亿计的电荷经过接闪器、引下线、接地网等防雷装置进入大地，并与大地中的异性电荷进行中和，这个过程中接地网的作用就是促进电荷的中和以及容纳剩余电荷。

在电力行业标准规范中提到，发电厂、变电所配电装置构架上避雷针（含悬挂避雷线的架构）的集中接地装置应与主接地网连接，由连接点至变压器接地点沿接地极的长度不应小于15米[1]。对这二者之间的距离要求不小于15米的主要原因是雷电流在入地点的15米范围内会泄放90%以上的能量，从而避免过大的能量对主变压器产生冲击和干扰。对于杆塔防雷来讲也是一样，如果接地网的结构和性能无法满足雷电能量泄放的要求，雷电荷就无法在短时间内被中和，在接地网小范围内将会堆积大量的电荷，从而导致产生极高的过电压对线路和杆塔本身造成危害。

2.5 土壤环境与接地体在高频冲击作用下的性质漂移

目前国内电气设备的工作频率为50赫兹，而雷电是一种迅猛的放电现象，其频率可以达到数十兆赫兹甚至数百兆赫兹，在雷电发生时，一道雷电往往伴随多次闪击，形成组合雷电波，雷电波次数可以达到十几次到二十几次，甚至三十几次、四十几次，在雷电的高频冲击作用下，土壤环境与接地体的性质会发生变化，这种变化主要体现在阻抗的瞬时改变。依据国家标准规范对接地网工频接地电阻的测量只能反应工频状态下的接地网状态，而雷电高频冲击作用下的接地电阻以目前的测量仪器无法直接测得，现通过对接地网的仿真分析和模拟数据计算来推断接地网在高频状态下的冲击接地电阻变化。

在雷电冲击电流的作用下，接地体可看作是由电感、电容、电导和电阻组成的π型等值电路，如图2所示，杆塔整体接地网可看作是由多段π型等值电路的组合，图中Ri和Li分别表示各段接地体的自身电阻和电感，Ci和Gi分别表示各段接地体的对地电容和泄漏电导。建立基于ATP-EMTP的仿真模型，分析在多次组合雷电波作用下的接地网冲击电阻变化规律。通过初步的仿真数据结果发现，雷击状态下杆塔接地装置的阻抗呈非线性上升变化趋势，在初期雷电冲击作用下，接地电阻上升较为迅猛，随着组合雷电波冲击次数的增加，接地电阻变化趋于饱和。

图1 π型等值电路模型

图2 冲击接地电阻变化

在数据模拟分析中，以入地电流为1000A、20次组合闪击作为标准雷电环境，杆塔工频接地电阻为10Ω，对杆塔在雷电冲击作用下的冲击接地电阻和过电压进行计算对比。在国家标准规范中对于复合接地体的技术参数中要求，接地体经过冲击电流耐受试验后的电阻变化率不大于20%[2]。在20次的组合雷电波作用下，接地网接地电阻将变为：10×1.2020=383.38Ω。

此时，产生的雷电过电压为：1000×383.38=383380V。

柔性接地体技术的核心衍生产品经过电力工业电气设备质量检验测试中心的检测数据结果表明，柔性接地体在冲击电流耐受试验中的电阻变化率为0.36%，在标准雷电环境冲击下，杆塔接地网的接地电阻将变为：10×1.003620=10.75Ω。

此时，产生的雷电过电压为：1000×10.75=10750V。

由上述数据模拟分析结果可知，普通的降阻方式虽然可以降低接地网的工频接地电阻，但是并不能有效降低冲击接地电阻。在雷击状态下，接地网将会产生极高的过电压，且远远超过设备绝缘所能承受的电压上限，极易导致绝缘击穿、线路跳闸等事故。而采用柔性接地技术进行接地网改造不仅满足工频状态下的防雷要求，还大大限制了接地装置在雷电冲击作用下的阻抗漂移，冲击状态下的接地电阻相比工频接地电阻变化极小，从根本上改善了接地网的耐冲击性能，改造完成后，集电线路全年雷雨季节运行无跳闸事故发生。

2.6 腐蚀性对使用寿命以及泄放效果的影响

接地装置是杆塔防雷接地的核心所在。由于接地装置长期处在恶劣的环境中，在土壤中与氧气发生氧化反应，与酸性或碱性物质发生酸碱反应，还要受到地下杂散电流的电化学反应，长期运行导致接地极发生腐蚀，接地装置的寿命将会随着接地极的腐蚀迅速缩短，对雷电能量的泄放效果也会随之大打折扣。柔性接地体能够隔绝空气环境带来的氧化，隔离酸碱带来的腐蚀，同时柔性接地体均匀度极好不会发生电化学效应，最大限度延缓了腐蚀。

在国家标准规范中对于复合接地体的技术参数中要求，接地体埋入地中后，其腐蚀率应不大于0.03mm/年[2]，而柔性接地体技术的核心衍生产品经过电力工业电气设备质量检验测试中心的检测数据结果表明，使用柔性接地体完全包裹的镀锌扁钢腐蚀率仅为0.005mm/年。也就是说，在同等条件下，使用柔性接地体进行防雷改造的接地网寿命是普通接地网的6倍，极大程度上提升了接地网的使用寿命。

3 成果总结

使用柔性接地技术对项目风电场集电线路进行改造，有效解决了高海拔（海拔2500米以上）、强雷暴、多石少土地貌接地电阻居高不下的问题；改造完成后，集电线路运行稳定，全年雷雨季运行无跳闸事故发生；从理论角度对接地网的耐冲击性能进行了改造，使得雷电过电压产生的危害降低到了无法影响到主要用电设备的程度，进而消除了灾害的诱因。

本技术应用的新型接地材料：柔性接地体，具有极强的经济适用性，在整体造价不超过常规方案预算的前提下，对风电场运行的安全性和稳定性带来大幅提升，通过材料本身的防腐蚀性能延长了接地网的使用寿命，大大减少了运维成本。柔性接地技术和柔性接地体材料对于新能源行业，尤其是风电场的建设和运维都具有很强的经济适用性，并且具有着国际领先的技术水平和成功案例。由于该技术的特点，对于其他行业的接地环节都具有着很强的推广性和适用性。