一次风电场雷击过电压事件分析及对策

一次风电场雷击过电压事件 分析及对策

韩国强 杜宁宁

华电国际技术服务分公司 山东 济南 250014

摘要：通过对一次风电场雷击过电压事件的分析，找到避雷器及过电压保护器损坏的原因，并提出防范改进措施。

关键词：风电场；雷击；过电压

0.概述

风电场多建设在山地丘陵地带，风电机塔筒及集电线杆塔较周围地貌明显凸出，雷雨季节容易受到雷电侵袭，导致设备损坏。据统计，雷击引起线路跳闸占输电线路事故的 60%以上。如何提高风电场的防雷水平，减少设备损坏，是亟需解决的一个课题。

1.事件经过

2021年5月13日 17:11，雷雨天气，某风电场35kV Ⅰ、Ⅱ集电线路保护装置报“过流Ⅰ段”保护动作，开关跳闸。

检查风机集电线路及就地箱变，35kV Ⅱ线#202箱变过电压保护器爆裂，C相保险熔断，箱变首塔上的C相避雷器击穿；#203箱变过电压保护器损坏，箱变首塔上的A相、C相避雷器击穿；#204箱变过电压保护均损坏；35kV Ⅰ线#121箱变过电压保护器损坏，箱变高压支持瓷瓶放电烧损，详见图1。

图1 #202箱变 #121箱变

查看故障录波记录，17:11:58.819ms，35kV Ⅰ母线三相电压出现浪涌尖波，时长1.25ms，电压最高值为67.7kV（一次瞬时值），约为正常运行电压值的2.37倍，Ⅱ线三相电流同时增大，最大值3.4kA（一次有效值），持续约100ms，17:11:58.872ms，Ⅱ线保护动作跳闸。

17:11:59.315，35kV Ⅰ母A相母线电压升高至44.5kV（一次瞬时值），B、C相母线电压降低，Ⅰ线B、C相电流大小相等、方向相反，发生相间接地短路，后迅速发展为三相短路，最大值3.52kA（一次有效值），持续约103ms，17:11:59.363，Ⅰ线保护动作跳闸。见图2

图2 故障录波图

2.集电线路故障原因分析

（1）35kV Ⅱ线#202、#203、#204及Ⅰ线#121风电机安装位置临近，均安装于山陵地带且临近水库，为易遭受雷击区域。集电线路全程架设单根架空地线，风电机出线首塔均安装了避雷器（型号YH5WZ-51/134G），箱变高低压侧加装了过电压保护器（型号HKBD-B-42/119）。

2. 现有集电线路避雷器及箱变过电压保护器标称放电电流均为5kA，根据文献²记录的289次雷击放电情况，雷电流幅值介于（48.4～98.5）kA，远大于现有避雷器及过电压保护器标称放电电流。避雷器及过电压保护器在这种大电流冲击作用下，将出现烧损，丧失过电压保护能力。

3. 查阅箱变的预防性试验记录，#202、#203、#204等多台箱变存在接地电阻超标的的情况（大于4Ω），最大达59Ω。由于安装区域土壤电阻率高，箱变接地电阻较大，加上杆塔的波阻抗，因此雷电流在入地瞬间会产生较大的电压差，引起地电位反击，产生雷电过电压。同时箱变过电压保护器未定期开展全面预试，不能排除过电压保护器存在故障或性能不良的情况。

（4）结合故障录波及现场电气设备损坏情况分析，35kVⅡ线#202、#203、#204及Ⅰ线#121风电机出线杆塔受到雷击，杆塔及线路出现过电压，杆塔上避雷器动作，雷电流通过杆塔和避雷器分别向大地、输电导线（箱变及相临杆塔）分流，流经部分避雷器和过电压保护器的雷电流超过标称放电电流导致避烧损。箱变由于接地不良，受到雷电反击，箱变高压侧绝缘子出现闪络烧损，三相接地短路。

3.集电线路提高雷击过电压防范措施

通过以上分析，35kV Ⅰ、Ⅱ集电线路故障主要原因是输电线路、箱变防雷水平设计不足，未充分考虑风电场输电线路安装位置易遭受雷击、土壤电阻率高的特殊性，是导致出现此次故障的主要原因。因此根据本次事件暴露出的问题，对集电线路防雷制定如下改进措施：

（1）根据NBT31057-2014《风力发电场集电系统过电压保护技术规范》，箱变高压侧及线路杆塔避雷器标称放电电流应不小于10kA。对现有集电线路避雷器及箱变过电压保护器统一进行改造，更换为标称放电电流为10kA的避雷器，仍保留避雷器134kV残压水平，满足和被保护设备的绝缘配合。

（2）对山地丘陵地带风电机、箱变接地电阻偏高的问题开展专题研究，改善接地情况。一是增加水平接地极和垂直接地极数量，接地体的埋设深度尽可能深，原则上不小于 0.6 米，严格控制回填土质量；二是采用往低电阻率区域引接专用接地线；确保接地电阻小于4Ω，降低雷电过电压水平。

（3）增加集电线路架空地线数量，将单架空地线改为双架空地线，减小架空地线对杆塔导线的保护角，不超过10度，降低雷电绕击导线的概率。

（4）严格执行预防性试验规程，定期开展避雷器、接地电阻测试等试验项目，保障风场电气设备安全。

参考文献：

1. 周武慧 风电场集电线路雷击过电压的研究及防护 中国电业（发电） 2020年第14期

2. 田文奇，冯江哲，刘钟淇，孔祥启 风电场集电线路雷击事故分析案例 水电与新能源 2015年第12期