申戬林 郭东杰 田志强 李晓阳 侯 勇 王 泽
（国家电投集团山西新能源有限公司）
0 引言
雷电是由于雷雨云中电荷放电而产生的复杂自然现象，据统计，全世界每年约有10亿次雷暴发生，平均每小时发生2000次雷暴，而每分钟平均发生1～3次云对地闪电，每次闪电在微秒量级的瞬间释放出约1.98×108J的能量。人类对于雷电的研究已经有一百多年，无论是对雷电物理机理的认识，还是对防雷技术的研究，均取得了巨大成就，但由于雷电自身的复杂性，人类对于雷害的防治效果仍不理想，雷电引起的灾害仍是世界十大自然灾害之一，也引起是电力系统事故的主要原因。
架空线路的雷击主要分为直击雷过电压和感应雷过电压两种，其中直击雷过电压又分为反击和绕击。雷电直击于线路架空地线或杆塔时，雷电流一部分经架空地线流向线路两侧，大部分经杆塔及接地装置流入大地，引起塔顶电位升高，从而造成绝缘子串的闪络放电，这种现象称为反击。雷电反击过电压与雷电参数、杆塔型式、高度和接地电阻等有关。雷电绕过架空地线直击于导线，而造成绝缘子串的闪络放电，这种现象称为绕击。雷电绕击与地质地貌、线路保护角、线路绝缘水平及雷电流强度等有关。感应雷过电压只对110kV以下线路有影响，且其危害较轻［1-2］。
目前，国内风电35kV集电线路设计采用的是GB 50061-2010《66kV及以下架空电力线路设计规范》，该标准的适用范围为平原地区，未考虑山地区域的特殊地形地貌环境。采用该规范设计山地风电集电线路虽满足国家标准要求，但存在不足，位于雷害严重山区岩石地貌基础的输电线路，其接地电阻高，采取此标准设计的集电线路防雷泄流能力有限［3-4］。
为了降低上述原因导致的现场防雷设施设计上的不足而对线路产生的不良影响，本文以山西岚县某风电场35kV集电线路为例进行分析设计优化，基于现场实际情况，考虑改造的经济有效性，提出了如下具体的防雷设计优化方式： （1）参照线路杆塔的实际情况重新设计加装避雷器； （2）参照线路杆塔的实际情况增加竖向、横向避雷针； （3）对接地电阻值不合格的杆塔，加装接地体（铜包钢材质）以降低接地电阻值。改造后，经过2个雷雨季的效果验证，证明了采取上述措施可减少雷击情况的发生，降低雷害的影响，避免雷击跳闸造成发电量损失的情况，提高风电场的经济效益。
1 35kV集电线路雷击跳闸原因分析
为了对35kV集电线路频繁遭受雷击导致的设备损坏、断路器跳闸的现象和原因进行分析，本文选取位于山西省吕梁岚县发生过雷击问题的某风电场的35kV集电线路进行研究分析。根据该风电场统计的运行数据显示，该风电场35kV集电线路从2018年6月至2019年8月发生雷击导致集电线路跳闸9次，具体情况见下表。
表 某风电场35kV集电线路雷击情况
针对线路雷害情况，通过对现场实地勘探并查阅资料，分析主要有以下几点原因：
（1）目前，国内风电场35kV集电线路设计采用的是GB 50061-2010《66kV及以下架空电力线路设计规范》，该规范的适用范围为平原地区，未考虑山地区域的特殊地形地貌环境。按照该规范设计的35kV线路由于绝缘配置水平较低，因此其耐雷水平较低，防止雷害的能力不强，不能满足雷患较多的山地安全输电要求。
（2）根据国网山西省电力公司发布的《山西电网雷电分布图》 （2015年），全省各地8年雷电总数和雷电小时数最多的是忻州地区，落雷密度最大为阳泉地区，岚县位于吕梁边界，紧邻忻州地区，属于全省雷电活动较为强烈的地区。
（3）本次设计优化的线路位于吕梁市岚县境内，全线杆塔均处于山地，岩石基础较多，受其影响，部分铁塔接地电阻较高，导致雷电流不能及时泄流而引起反击现象。
（4）避雷器和电缆头等电气设备自身的质量问题以及施工安装不规范等，也会导致线路绝缘性变差而发生雷击故障。
2 优化设计的改造实施
根据上述提出的优化设计措施，2020年，在该风电场对35kV集电线路进行了现场优化改造。具体内容如下：
（1）加装接地体
依照现场地形选用机械或人工，对杆塔接地工程进行沟槽、垂直接地体孔的开挖和施工，并且对坑底进行翻松处理，现场照片如图1所示。
图1 加装接地体
接地体安装在埋设沟（坑）底部，在充分渗透、无明显积水后开始接地体的安装。垂直接地体采用长度为1220mm的镀铜钢接地棒，水平接地体采用Φ12镀铜圆钢以及高碳柔性接地线，水平接地体和垂直接地体按照图2所示进行焊接，并在焊接处做防腐处理。
图2 垂直接地体安装示意图
各垂直接地体间距不得小于3m，在垂直接地体安装完毕后进行水平接地体的安装。敷设中保持水平接地体的走势平直，不得使接地线存在较大的扭力，水平接地体应留有足够的裕度。
依据GB 50169-2016《电气装置安装工程接地装置施工及验收规范》及DL-T 5161.6-2002《电气装置安装工程质量检验及评定规程第6部分：接地装置施工质量检验》进行施工。埋于土壤中的人工水平接地体采用Φ12镀铜圆钢及高碳柔性接地线。圆钢之间的搭接处采用不少于2面电气焊接，如图3所示，搭接部位长度不小于6倍的圆钢直径；高碳柔性接地线之间采用专用连接器进行连接。接地体的埋设深度不应小于0.8m，垂直接地体和扁钢采用放热焊接。
图3 圆钢搭接示意图
镀锌钢与镀铜钢采用放热焊接的方式进行连接，焊接前用热源烘烤模具和导体，确保干燥。若有杂质需清除，将导体放入模具内，必要的时候用C型夹辅助。将托盘放入模腔，堵住模孔以托住焊粉，将焊粉倒入模具中，从焊粉表面到模沿撒上点火粉。合上模盖，用点火枪点火。约20s后，可开模，焊接成功。清洁模具内的焊渣，以备下次使用。
接地体连接是整个施工中最重要的一环，关系到整个接地装置的电气导通性、防腐能力，直接影响整个接地体的使用寿命。操作时必须注意以下几点：
①接地装置的连接应由专职人员进行操作，焊接必须牢固可靠无虚焊。
②接地装置的各个连接处均要求可靠焊接。在做防腐处理前必须除锈，去掉焊接处残留的焊药，凡焊接处必须刷防腐漆。
③必须对每个焊点逐一检查，并做好质量验评记录。
在水平接地体埋设沟槽和垂直接地体埋设坑回填黄土，然后向沟（坑）内均匀注水到沟（坑）底部有明显积水为止，以全部包裹住接地体为完成目标。待回填料基本硬化后，采用原土回填，回填土中不能有直径≥50mm的石头及其他生活、建筑等垃圾，将回填土分层夯实并恢复原地貌。
（2）双回路段差绝缘配置
对于双回路段采用差绝缘配置，如图4所示，提高其中一回线路的绝缘等级，保证两回线路遭受雷击时不会同时跳闸。对A1-A90、G1-G46双回路段的B线路每相绝缘子串和跳线串再增加一片绝缘子。
图4 双回路段采用差绝缘配置
（3）加装线路避雷针、避雷器
选用竖向及横向避雷针作为线路综合防雷系统设备，有效降低线路绝缘子承受的雷电冲击电压，同时提高对杆塔的防雷保护级别。
对于线路避雷针的安装，应注意在零部件完好、无损伤的条件下按步骤进行安装。安装时，需配置滑轮、绳索、扳手等相关工具，并注意如下事项：
检查紧固件与抱箍的连接，确认上、下抱箍与紧固件搭配。避雷针针尖尾部与避雷针螺纹必须旋合到位。接闪器接线端与接地引下线用铜铝接线端子（铜鼻子）连接。抱箍紧固件与铁塔固定，同时应保证接闪器紧固件与地平线垂直安装。引下线U型夹与引下线支撑杆通过螺栓连接，螺纹必须旋合到位；引下线支撑杆抱箍组件通过螺栓连接塔身与引下线支撑杆，螺纹必须旋合到位；保证接地引下线依次从上往下穿过螺栓与U型夹形成的封闭环。
选用氧化锌避雷器与避雷器监测器及瓷绝缘子配套，可大大降低输电线路的雷害事故率。避雷器安装应结合不同的塔型和条件确定不同的方式：
①在耐张塔上安装避雷器，采用绝缘子间隙线路避雷器安装在弓子线上，可倾斜安装。
②在直线塔上安装避雷器，绝缘子间隙避雷器和空气间隙避雷器均适用，沿导线方向与线路绝缘子平行安装。
③倒挂式安装：适用于绝缘子间隙线路避雷器。
④立柱式安装：适用于空气间隙线路避雷器。
3 结束语
2020年，山西吕梁岚县该风电场三条35kV集电线路按照上述优化设计要求，通过降低44基集电线路杆塔接地电阻，双回路（集电I线与集电II线同塔）段增加绝缘子进行差绝缘配置，对孤立山头、坡度大、档距大的31基杆塔加装线路避雷器和压缩灭弧防雷间隙等改造措施完成了防雷改造。项目改造完成后经过2个雷雨季的验证显示，集电线路均未出现因雷击导致线路跳闸的情况，证明上述改造措施有效，弥补了当地实际雷患多、设计不足的缺陷，防雷效果显着。
