多腔吹弧防雷装置在风电场架空线路的应用

摘要：架空线路是风电场电能传输的重要手段。因为线路承受的绝缘水平较低,所以在实际运行中线路由于雷击引起的比重严重。特别是在多雷区和山区等地形复杂区域更为严重。架空线路避雷采用差异化的配置，常见的有：架空避雷线、保护间隙、防雷金具和绝缘子、氧化锌避雷器等。但这些传统的保护方式均有各自明显的缺陷：如架空避雷线在低电压等级线路架设施工难度大且成本高,一般情况下仅部分线路架设避雷线。保护间隙和防雷金具可以保护绝缘子免遭电弧的灼烧，但是切断不了工频续流，无法避免线路跳闸。氧化锌避雷器则是对接地电阻要求较高，阀片易受潮老化，故障率高且检修困难。对于风电场的架空线路防雷，解决工频续流是关键，并且可在短时内截断工频续流、对接地电阻要求不高、故障率低、使用寿命长。本文介绍一种应用在架空线路中的多腔吹弧防雷装置，其特征是无需特殊接地、可截断工频续流、故障率低、使用寿命长的产品。多腔吹弧防雷装置的应用，对风电场的安全稳定运行起到关键作用，同时对风电后市场中线路运维有着重大意义。关键词：风电场架空线路、多腔吹弧防雷装置、可截断工频续流。

1.风电场架空线路及其雷击灾害1.1风电场架空线路介绍风电场集电线路是连接风电机组、变电所与电网的一个传送电能的系统。它是将各台风电机组所发的电量由联络线路组接后分送至场内升压站低压侧，经集中升压后通过接入系统线路与电网并网。风电场集电线路绝大多数采用35kV的电压等级。风电场电能传输方式首先由风机发出690V电能，经箱变转化为35kV输送到集电线路，再由集电线路传输给升压站，再经升压站主变转化为110kV或220kV输送给电网。风电场集电线路按传输媒介分为架空线路和电缆线路。由于架空线路具有线路结构简单，施工周期短，建设费用低，输送容量大，维护检修方便，所以广泛应用。架空输电线路是由绝缘子将导线架设在杆塔上，并与风电场或变电站互相连接，构成电力系统或电力网，用以输送电能。1.2风电场架空线路的主要雷击形式风电场集电线路雷害事故占整个电力系统雷害事故的70%-80%，其中约80%由感应雷引起的，约20%由直击雷引起。集电线路的雷击故障，绝大多数则是由雷击过后的工频续流引起，所以人们越来越多地认识到工频续流的危害性。1.2.1直击雷击中架空线路直击雷击中架空线路主要发生在杆塔、导线和避雷线，直击雷的雷电过电压可高达4000kV。见图1所示。1.2.2感应雷击中架空线路感应雷主要击中架空线路附近的物体，如树木、建筑物、信号塔等，由此产生的雷电电磁脉冲对架空线路导线或接地造成感应过电压，感应雷的雷电过电压可达300kV。见图2所示。1.3电网线路防雷性能衡量指标1.3.1绝缘子耐压水平

当雷击过电压大于绝缘子的耐压水平时，绝缘子就会发生闪络。直击雷产生的雷电冲击将沿着导线分散和传播，并在该过程中导致绝缘子闪络。感应雷通过电磁效应在线路上产生感应过电压，同样可造成绝缘子闪络。见图3所示1.3.2雷击跳闸根据Q/GDW11452-2015规定：“雷击跳闸雷击交流输电线路引起绝缘闪絡后，沿闪络通道建立稳工频续流电弧造成的断路器开断；雷击直流输电线路引起绝缘闪络后，沿闪络通道建立稳定直流续流电弧造成的故障重启”。2.风电场架空线路的防雷现状目前，越来越多的风电场建设在南方多雨、高山等高雷暴地区，架空线路一直是曝露在室外的电力设备，所以架空线路的防雷也一直备受关注。传统的架空线路常用避雷措施包括以下几种：

2.1局部加强绝缘局部加强绝缘提高线路绝缘水平，将配电线路中的瓷绝缘子更换为硅橡胶绝缘横担，全线提高线路绝缘水平，雷电引发的工频续流因爬距太大而无法建弧。为了降低线路造价，采用架空绝缘导线加强局部绝缘的方式，即在绝缘导线固定处加厚绝缘也是一种可以尝试的方法，该方法的优点是有效提高线路绝缘水平，免维护。但是缺点是更换绝缘子的投资成本较大，而且只能减少断线几率，防止绝缘导线雷击断线效果不明显，并且无法根本解决线路跳闸问题。见图4所示2.2架空避雷线在空旷地区同杆架设架空避雷线对配电架空绝缘线路进行屏蔽保护，架空绝缘线上的感应电压将降低(1-k)倍，k为避雷线与导线之间的耦合系数乘以冲击系数。缺点是投资成本大，雷击架空避雷线后容易造成反击闪络，定位高度较低的雷电先导容易产生绕击闪络，仍然可能引发工频续流熔断绝缘导线。见图5所示。2.3保护间隙采用保护间隙将电弧拉长，使电网电压不能维持电弧燃烧，是一种最简单的灭弧装置。缺点是间隙不能切断雷电流之后的工频短路电流，必须借助于自动重合闸配合来切断电弧，间隙电压扰动将影响电能质量，而且间隙放电可能导致线圈形式的设备陡波击穿。放电间隙通过引弧臂使工频电弧远离绝缘子，但无法灭弧。见图6所示。2.4放电绝缘子与防雷金具在绝缘导线固定处剥离绝缘层，加装特殊设计的金属线夹。当雷电闪络引发工频续流时，工频续流在该金属线夹上燃弧直至线路跳闸以熄灭工频续流，从而避免烧伤绝缘子和熔断绝缘导线。缺点是降低了绝缘子的临界闪络电压，反而增加了线路跳闸概率，而且存在水份浸入绝缘线芯的问题，可能导致线芯的电化学腐蚀进而引起断线。见图7所示。放电间隙降低了线路绝缘水平，却无法主动灭弧，线路跳闸率反而会增加。见图8所示2.5氧化锌避雷器随着氧化锌阀片的技术性能提高，氧化锌避雷器优良的保护性能已被人们接受，近年来广泛地应用于电气设备过电压保护。缺点是保护范围较小，只能够保护附近的电气设备免受雷害，而且电阻片的劣化难以避免，检修维护难度大，需要定期将避雷器拆卸下来送到实验室通过电气试验检测性能，在消弧线圈接地系统中，如果发生避雷器击穿，将会造成长接地。见图9所示2.6降低接地地租降低接地电阻主要是为了降低反击侧和多相闪络的概率，可以充分利用杆塔自然接地的作用，或者敷设人工接地装置。在一定程度上可以改善防雷性能，但在土壤电阻率高的地区降阻成本高，很难做到有效降阻。3.多腔吹弧防雷装置介绍3.1多腔吹弧防雷装置的设计思路多腔吹弧概念在防雷领域于60年代由前苏联提出，整体思路是将电弧闪络路径拉长，并通过一连串的小的空气腔室，空气腔室内的空气被电弧瞬间加热，产生高压气体向外喷射，通过空气作用将电弧熄灭并不重燃，基于此原理制备出的多腔吹弧防雷装置，将有效克服上文提到的雷击引起的工频续流问题，且该装置不依赖氧化锌材质，功能的发挥对接地电阻值没有过高要求，因此安装和适用性更强，由于工频续流可以在极短时间内被截断，因此也就能有效解决雷击带来的绝缘子击穿，断线和跳闸断电问题。该技术的研究和发展，将会对我国现有线路防雷技术具有革新意义，转变并开阔思路，为架空线路防雷提供新的途径！3.2多腔吹弧防雷装置保护原理根据多腔吹弧的理念，多腔室间隙线路防雷保护装置由多腔室间隙本体和外串联间隙两部分组成，与线路绝缘子（串）并联安装。雷电过电压下，多腔室间隙击穿导通，整体呈现低阻抗，对地泄放雷电能量，限制线路上的雷电过电压幅值；雷电冲击过后，通过多腔室间隙本体和外串联间隙的熄弧作用快速遮断系统工频续流，系统在断路器保护跳闸之前恢复到正常运行状态。与并联间隙防雷装置相比，多腔室间隙的最大优点在于具有遮断工频续流的能力，虽然雷击造成线路绝缘闪络并短时建弧，但系统不跳闸。外串联间隙还具有实现多腔室间隙与被保护线路绝缘子之间合理的绝缘配合、避免多腔室间隙本体长期承受系统全工作电压的作用。多腔室间隙本体是实现遮断工频续流的核心部件，由多个串联的空气间隙腔室组成。每个空气间隙腔室由包裹在复合外套内的一对金属电极以及电极间的空气间隙构成，并有一个透过复合外套的喷气口，结构示意图见图10工频续流电弧产生于间隙腔室内的金属电极之间，沿雷电冲击闪络通道形成，彼此独立的空气腔室将电弧分割成多个短电弧。每个短电弧起始时弧柱长度最短，电弧产生的高温迅速加热腔室内部的空气，气体膨胀气压增大，与外界形成气压差，高温气体带动电弧弧柱沿喷气口向外喷出，由于电弧弧根维持在电极表面不变，弧柱则被拉伸变长，如图11所示。电弧通道电阻随着弧柱长度的增长而增大，维持电弧燃烧所需的弧道压降随之增加，由于系统电源容量非无穷大，随着弧柱长度的增大，当弧道压降无法继续增加后，电弧电流随之减小，使得维持电弧燃烧变得困难；另一方面，由于电弧弧柱被吹出空气腔室外，直接与外部的空气接触，加强了电弧中等离子体的扩散和热量的耗散，加速了电弧的去游离过程，上述原因使得在工频续流过零时被遮断成为可能。通过合理选择电极和复合外套材料、设计电极和空气腔室形状尺寸、选择串联空气腔室数量和外串联间隙距离，多腔室间隙可以实现对工频续流的可靠遮断，能够在工频续流第一次过零点时（10ms以内）遮断工频续流，并确保在系统电压恢复过程中不发生重燃；实现与被保护绝缘子（串）间的合理绝缘配合；实现对短路电弧的热、力效应破坏电极和复合外套程度的有效控制，降低装置设计难度和经济成本。根据国内相关研究资料，用柱式多腔室防雷装置进行工频续流遮断试验时试品两端的电压、电流典型波形。图12中，雷电冲击电压施加时刻在工频电压正半波峰值之前，多腔室间隙瞬间击穿导通，流过冲击电流，同时工频电流起弧，多腔室间隙本体喷弧动作，在工频电流第一次过零点时、持续时间共约6ms内将电流遮断，经测量遮断的工频电流为660A（峰值）。图13中，雷电冲击电压施加时刻在工频电压正半波峰值之后，多腔室间隙本体遮断的工频电流为600A（峰值），并在约3ms时间内遮断电流。工频电压恢复后，工频电流电弧未出现重燃。3.3多腔吹弧防雷装置的主要特点3.3.1原理先进性优势采用专利“简易淬弧技术”，电弧通过产品本体，将一个大电弧分散成一连串的小电弧，通过一个个小的灭弧室将电弧喷射到空气中，由于空气的冷却作用以及电弧通道电阻的增加，工频电弧在第一次过零点时熄灭。该功能的发挥，不依靠产品接地电阻的大小，因此，对杆塔接地电阻没有特殊要求，尤其对于山区的线路，产品安装便捷，节省接地成本。3.3.2技术措施合理性依赖多腔吹弧技术解决雷击过电压和工频过电流问题。防雷效果与电网电阻、雷击强度、雷击叠加性无关。3.3.3运行维护便利性该防雷装置凭借特有的技术，摆脱了对传统氧化锌材质的依赖，不存在易老化、热崩溃、受潮等故障，无需维护和定期检测。3.3.4产品使用寿命该产品使用寿命高达10年以上，是传统氧化锌产品的2倍以上，性价比更高。

4.多腔吹弧防雷装置的工程应用案例4.1雷击风险分析4.1.1气象因素雷击方式、类型、强度、陡度不可控，与气象参数有关。高家山35kV架空线每年于雷雨季节遭受雷击，造成绝缘子烧毁及线路故障跳闸，带来不可忽视的安全风险。4.1.2环境因素雷击拦截不可控：无法突破大峡谷、山坡地带，避雷线拦截雷电失效机理。首先，高家山变电站此线路全长16.87公里，最高海拔是1374米，最低海拔是1069米，整条线路起伏较大，共有7个高点，极其容易遭受雷击。其次，据现场调查研究，线路遭受雷击出现瓷瓶烧坏的杆塔有：24#，27#，35#，36#，37#，39#，42#，53#。这些故障点均位于高点及高点附近。4.1.3高土壤电阻率地网降阻不可控：无法突破土壤电阻率大和地网面积有限制约A．特别在上坡时，泥石较多的山坡，其突然电阻率是比较大的，当雷电流传达不及时，就会致使铁塔端电位高引起雷电反击，导致线路发生故障。B．在陡坡中，铁塔的地网面试受到地形、土壤等条件因素影响。4.1.4防雷措施不到位耐受雷电水平不对称：实际雷电能量与设计雷电防护水平往往相差甚远。A.全线交叉跨越频繁：包括穿过220kV线路2次，穿过110kV线路2次，交叉穿过35kV4次，跨越35kV1次，电磁感应磁场极其严重及不平衡。感应电磁场增大自身遭受雷击的概率，提高了线路危害的风险。B.线路中端和靠近华烨35KV变电站的高点，极易遭受反击雷和感应雷的叠加，致使线路终端避雷器击穿，更甚至以两倍雷电冲击电流损坏变电器的变压器，造成大面积停电及国民经济损失。4.2多腔吹弧防雷装置的方案举例需装设的铁塔：通过工程现场踏勘、第三方提供的雷电历史数据，高家山35kV线铁塔中选取约总数1/3基易遭受雷击的铁塔。铁杆塔位置：24#，27#，35#，36#，37#，39#，42#，53#，所有处于高点及附近杆塔，位于山坡和山顶的杆塔，变电站附近的杆塔，河流和空旷地带，台变前后，跨越的杆塔，大跨越距的杆塔，等这些易于遭受雷击的区域均要装上多腔吹弧式防雷装置。装设位置：所选塔基A、B、C三相各安装一只，防雷装置悬挂于导线上：下引线链接于杆塔角钢上。此安装方式适用于所有选定的杆塔，每基金具也保持一致。见图14所示。4.3多腔吹弧防雷装置的参数指标多腔吹弧防雷装置参数指标如下：产品名称：SAd35z多腔吹弧防雷装置；电压等级：35kV；额定电压：40.5kV大电流耐受能力：65kA；最大可折断工频续流：5kA；雷电冲击电荷释放能力：2.0C；灭弧时间：＜10ms；减低雷击跳闸率：90%；产品使用寿命：≥10年；对接地电阻要求：无。4.4多腔吹弧防雷装置的安装要求多腔吹弧防雷装置在架空线路中的安装要求如下：A.35kV多腔吹弧式线路防雷装置的安装一定要适用于35kV铁塔，对横担类型没有限制，对铁塔接地电阻没有特殊要求。B.35kV多腔吹弧式线路防雷装置出厂前应保证各零部件完整准确地整体装配起来，不得错漏。防雷装置在结构上不应有在安装时需要卸下的活动部件。C.35kV多腔吹弧式线路防雷装置的各紧固件中的螺栓应有防松措施，如加弹簧垫圈和防松销钉等。D.安装金具应采用厚度不小于5.5mm的钢板制造，且表面必须采用热镀锌处理，热镀锌时，镀锌层厚度，紧固件为45μm，其余部件平均为86μm。E.35kV多腔吹弧式线路防雷装置的上下引弧电极的距离应设计成能可调节方式