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            風電場集電線路雷擊事故分析案例

            文檔作者: 田文奇 馮江哲 劉鐘淇 孔祥啟        文檔來源: 安全管理網
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            2015 年第12 期 2015 Number 12 水電與新能源 HYDROPOWER AND NEW ENERGY 總第138 期 Total No.138 DOI: 10.13622 /j.cnki.cn42 -1800/tv.1671 -3354.2015.12.017 收稿日期:2015 -10 -10 作者簡介:田文奇,男,博士,研究方向:風力發電。 風電場集電線路雷擊事故分析案例 田文奇,馮江哲,劉鐘淇,孔祥啟 (龍源(北京)風電工程技術有限公司,北京 100034) 摘要:以某風電場雷擊事故為研究對象,建立集電線路架空線、桿塔、風力發電機組等關鍵設備雷電電磁暫態計算模型。 通過對集電線路直擊雷和感應雷耐雷水平進行計算,與雷擊跳閘事故時雷電流幅值進行比對,對集電線路的雷擊跳閘風 險進行評估。針對集電線路幾種典型雷擊故障形式,提出有針對性的防雷改進措施。 關鍵詞:風電場;集電線路;雷擊;耐雷水平;電氣幾何模型 中圖分類號:TM614:TM863 文獻標志碼:B 文章編號:1671 -3354(2015)12 -0069 -06 Lightning Accident Analysis for Power Collecting Lines in Wind Power Stations TIAN Wenqi, FENG Jiangzhe, LIU Zhongqi, KONG Xiangqi (Longyuan (Beijing) Wind Power Engineering Technology Co ., Ltd., Beijing 100034, China) Abstract: Taking a wind power station as example, an electromagnetic transient calculation model for the key equipment during lightning is developed, in which the power collecting overhead lines , towers, wind turbine units are included. The lightning resistance levels of the power collecting lines against direct lightning and induction lightning are calculated and compared with the limiting lightning current value that would cause a lightning tripping accident .Then, the lightning tripping risk of power collecting lines are evaluated .Several typical lightning faults of the power collecting lines are summarized, and corresponding improvement measures are proposed to prevent such accidents . Key words: wind power station; power collecting lines; lightning; lightning resistance level; electrical geometry model 山區風電場集電線路很容易遭受雷擊,雷擊后繼 電保護動作跳閘使整條線路風電機組受累停運造成發 電量損失。同時,雷擊線路形成的雷電過電壓波,沿線 路傳播侵入場區內變電所等設施,也是危害變電所設 備安全運行的重要因素[1 -2] 。 某風電場集電線路2015 年7 月份共發生雷擊跳 閘事故11 次,從統計結果可以看出,7 月雷擊跳閘故 障主要由單相接地故障、兩相接地故障和三相接地故 障組成,其中對7 月5 日14:20 和7 月18 日19:20 的 兩次故障波形分析可知,跳閘事故可能是由于雷擊造 成同塔雙回集電線路同時發生三相短路所引起的。另 外,該地區雷電監測系統相應時段的雷電活動情況統 計結果顯示,11 次雷擊跳閘事故發生時,共出現289 次雷擊放電,其中最大的雷電流幅值達98.5 kA,最小 的雷電流幅值為48.4 kA。 對于該風電場35 kV 集電線路,由于設計上不同 于電力系統35 kV 配電線路,其結構設計上為全線敷 設避雷線,而且絕緣子串雷電沖擊耐受強度也遠高于 普通35 kV 配電線路,故直擊雷和感應雷對集電線路 的影響需要進一步計算分析。本文以該風電場集電線 路為研究對象,利用EMTP 電磁暫態仿真軟件建立雷 電電磁暫態仿真模型,計算分析故障原因并提出改善 措施。 1 數值分析方法 通過建立集電線路架空線、桿塔、1.5 MW 風力發 69 水電與新能源2015 年第12 期 電機組等關鍵設備雷電電磁暫態計算模型,采用 EMTP 電磁暫態仿真軟件,計算集電線路直擊雷耐受 水平,獲取能夠引起集電線路絕緣子串閃絡的臨界雷 電流值,與雷擊跳閘事故時雷電流幅值進行比對,分析 故障原因。 基于集電線路桿塔,架空地、導線空間結構,采用 電氣幾何模型法[3 -5] 對架空地線直擊雷屏蔽防護特性 進行評估,計算獲取能夠繞擊集電線路架空導線的最 大雷電流值。 采用電氣幾何模型法和規程法[6 -10] 相結合,基于 集電線路絕緣子串高度和雷電沖擊耐受水平,對線路 的感應雷耐雷水平進行計算評估,獲取集電線路抗感 應雷閃絡跳閘的能力。 2 雷擊跳閘計算分析 2.1 集電線路最大繞擊雷電流 該風電場集電線路桿塔采用呼高12 m 的單回 “上”型桿塔和同塔雙回型桿塔混合設計,均采用單根 避雷線敷設方式,桿塔尺寸如圖1 所示。 圖1 集電線路桿塔結構圖(單位:mm) 電氣幾何模型法是基于二維幾何作圖的原理評估 輸電線路的雷擊風險,其原理示意圖如圖2 所示。圖 中:C 為導線,rc 是雷電流在導線上產生的擊距;G 為 避雷線,rs 是雷電流在避雷線上產生的擊距;rg 為雷電 流在地面產生的擊距;hs 為地線對地高度;hc 為導線 對地高度;θ 為地線保護角。 對于擊距的計算,IEEE 推薦的公式為 rc =rs =10I 0.65 70 田文奇,等:風電場集電線路雷擊事故分析案例2015 年12 月 rg = [3.6 +1.7ln(43 -h)]I 0.65 h <40 5.5I 0.65 h≥40 若雷電先導頭部落入AB 弧面,放電將擊向地線, 使導線得到保護,稱?。粒?為保護弧。若先導頭部落 入BD 弧面,則擊中導線,稱?。拢?為暴露弧。若先導 頭部落入DE 平面,則擊中大地,故稱DE 平面為大地 捕雷面。隨著雷電流幅值增大,暴露?。拢?逐漸縮小, 當雷電流幅值增大到最大繞擊導線電流Imax 時暴露弧 BD 縮小為0,即不再發生繞擊,所以地線保護角的選 取對集電系統雷電繞擊的防護效果顯得尤為重要。 圖2 雷電直擊線路導線的電氣幾何模型 通過計算分別獲得集電系統單回線路上相、下相 1 和下相2,同塔雙回線路上相、中相和下相(兩回線 路左右對稱,圖1)的最大繞擊雷電流,見表1。計算結 果表明,集電線路單回線路的上相最大繞擊雷電流不 超過7.37 kA,下相最大繞擊雷電流值要小于上相;同 塔雙回線路由于桿塔高度高,上相最大繞擊雷電流值 相比于單回線路要高,可達21.62 kA,這是由于集電 線路桿塔高度不超過30 m,在電氣幾何模型法計算過 程中,雷電流產生的大地擊距對最大繞擊電流的影響 較為明顯,所以導線對地的高度對繞擊電流值影響很 大,并且同塔雙回架空地線對上相導線的保護角要大 于單回線路地線,保護效果較差,最大繞擊電流要明顯 高于單回線路。中相和下相由于上相線路的屏蔽作 用,防護效果比較明顯,最大繞擊電流分別為3.87 kA 和1.17 kA。 2.2 集電線路耐雷水平計算 集電線路的耐雷水平通常取決于架空線路的絕緣 表1 最大繞擊電流 項目 單回線路 上相 下相1 下相2 同塔雙回線路 上相中相下相 最大繞擊雷 電流/kA 7.37 2.81 4.55 21.62 3.87 1.17 設計、桿塔的結構設計以及接地電阻(土壤電阻率)的 影響,架空線路的絕緣設計包括絕緣子串的長度、導線 型號的選取、導線間距,等等,桿塔的結構和鋼材的選 取會影響到桿塔自身的阻抗,影響過電壓值。此外,防 雷裝置的布置同樣會影響集電線路的耐雷水平,如避 雷器、并聯間隙等。 2.2.1 線路參數 該風電場集電線路架空導線采用LGJ240 -30/ LGJ95 -20 兩種鋁包鋼導線,架空地線采用GJ -35/ GJ -50;線路檔距在200 ~300 m,本文計算檔距均取 250 m。 集電線路絕緣子串采用35 kV 輸電線路常用 XWP -70 耐污型瓷絕緣子,單片雷電沖擊干耐受電壓 為120 kV,該風電場集電線路采用5 片串接,絕緣子 串總長約0.7 m,理想情況下理論雷電沖擊干耐受電 壓為600 kV。風機變電箱出線與桿塔間采用FXBW - 35/70 型復合支柱絕緣子阻隔,其雷電沖擊干耐受電 壓為230 kV。 風電場集電線路避雷器型號為YH10WX -51/ 134,配置在風機變電箱出線段桿塔絕緣子串兩側以及 風機變電箱出線端,其額定電壓為51 kV,直流1 mA 參考電壓(接近動作電壓)為73 kV,標稱電流10 kA 下的殘壓為134 kV。由于避雷器僅裝設在風機出線 桿塔(單回“上”型塔),風機布置間距需超過4 倍的葉 輪直徑(約400 m),由線路桿塔檔距長度可知,并非每 基桿塔絕緣子串兩側均配置避雷器,本文計算時按照 單回線路桿塔每隔一基桿塔配置線路避雷器,雙回線 路桿塔不配置避雷器考慮。 由該風電場集電線路桿塔接地電阻復測結果可 知,大部分桿塔工頻接地電阻不超過5 Ω,在巖層復雜 地區工頻接地電阻最大值19 Ω,而雷擊情況下,接地 電阻的大小還取決于桿塔接地體的電感效應和火花效 應,其沖擊接地電阻值可能大于工頻接地電阻,故本文 計算時接地電阻分別?。?,10,15,20 和30 Ω五種情況 進行計算。 71 水電與新能源2015 年第12 期 2.2.2 雷電參數 雷電形成和發展的物理過程很復雜,但是從地面 的架空輸電線路的角度出發,可以將雷擊過程等效為 電磁波沿著雷電通道不斷向下發展擊中線路,據此建 立計算雷電源等效模型,如圖3 a)所示。仿真計算時 采用波形為2.6/50μs 的負極性Heidler 雷電流波形, 雷電通道波阻抗根據圖3 b)曲線確定。 2.2.3 雷電繞擊、反擊計算結果 基于風電場集電線路參數建立風電場單回架空線 路電磁暫態計算模型、同塔雙回線路電磁暫態計算模 型,建立雷電流源電磁暫態計算模型,分別計算單、雙 回線路耐雷水平,計算結果見表2 至表4。 圖3 雷電流源等值電路和雷電通道波阻抗 表2 單回線路耐雷水平 接地電阻 /Ω 反擊耐雷水平/kA 單相接地 有避雷器無避雷器 兩相接地 有避雷器無避雷器 三相接地 有避雷器無避雷器 繞擊耐雷水平/kA 上相 下相1 下相2 5 58 189 95 265 124 430 3.4 3.4 3.4 10 56 182 84 261 113 426 3.4 3.4 3.4 15 49 174 72 250 106 420 3.4 3.4 3.4 20 42 165 58 233 88 407 3.4 3.4 3.4 30 30 147 43 219 65 391 3.4 3.4 3.4 表3 風機出線支柱絕緣耐雷水平 接地電阻/Ω 5 10 15 20 30 反擊耐雷水平/kA 113 79 63 49 33 表4 同塔雙回線路耐雷水平 土壤電阻率 /Ω 反擊耐雷水平/kA 單相 接地 兩相 接地 三相 接地 繞擊耐雷水平/kA 上相中相下相 5 50 112 217 3.3 3.3 3.3 10 47 103 202 3.3 3.3 3.3 15 43 86 164 3.3 3.3 3.3 20 40 66 133 3.3 3.3 3.3 30 29 49 82 3.3 3.3 3.3 通過計算結果發現,單回線路和同塔雙回線路的 雷電繞擊耐雷水平相近,約為3.4 kV,根據雷電流概 率分布公式可知,超過98%的雷電流幅值均超過 3.4 kA,其抗雷電繞擊的能力較差,并且繞擊耐雷水平 不隨接地電阻大小的改變而發生變化;單回線路和同 塔雙回線路的雷電反擊耐雷水平隨接地電阻的增大而 降低,風機出線支柱絕緣子的反擊耐雷水平也隨接地 電阻的增大而降低。 當接地電阻為5 Ω時,雷擊無避雷器單回線路桿 塔反擊時,雷電流幅值達到58 kA 時上相絕緣子發生 閃絡,可能引起單相接地故障;當雷電流幅值達到 124 kA 時,三相絕緣子均發生閃絡,可能引起三相接 地故障。當接地電阻為30 Ω時,線路耐雷水平最低, 雷擊無避雷器單回線路桿塔反擊時,雷電流幅值達到 30 kA,即會發生上相絕緣子閃絡,而雷電流幅值達到 72 田文奇,等:風電場集電線路雷擊事故分析案例2015 年12 月 65 kA 時,就會發生三相絕緣子閃絡。如果雷擊配置 避雷器單回線路桿塔反擊時,由于被擊桿塔絕緣子兩 端配置避雷器,所以不會發生絕緣閃絡,此時可能造成 相鄰桿塔絕緣子(無避雷器保護)閃絡的雷電流幅值 大大提升,數據見表2 所示,基本不會發生絕緣閃絡。 當接地電阻為5 Ω時,風機變電箱出線支柱絕緣 子的反擊耐雷水平為113 kA;當接地電阻為30 Ω時, 其反擊耐雷水平僅有33 kA。當接地電阻為5 Ω時, 同塔雙回線路雷電反擊耐雷水平為50 kA,當雷電流 幅值達到217kA 時,會發生三相絕緣子閃絡,可能引 起三相接地故障。當接地電阻為30 Ω時,線路反擊耐 雷水平降至29 kA,且當雷電流幅值達到82 kA 時,即 會發生三相絕緣子閃絡。 2.2.4 感應雷過電壓 本文分析感應雷過電壓采用規程法與電氣幾何模 型法相結合的方法,具體的分析公式采用了我國電力 系統規程DL/T 620 -1997 所推薦的Ui =25 Ih S ,由該 公式可知雷電感應過電壓與雷電流的幅值以及線路高 度成正比關系,與雷擊點和線路的距離成反比。那么 對于一定幅值的雷電流和線路高度,雷擊點與線路之 間的垂直距離只有小于25 Ih U50 (U50為絕緣子50%雷電 沖擊放電電壓)時,線路上的雷電感應過電壓才有可 能導致絕緣閃絡。由于線路存在一定的引雷寬度,雷 擊點的位置不能無限接近于線路,由電氣幾何模型可 知,落雷位置在線路擊距范圍以內時將發生直擊雷,超 過其擊距范圍才會發生感應雷。 該風電場集電線路高度較低,線路絕緣子串的絕 緣強度高,并且全線敷設架空地線,其對導線的耦合作 用也可對感應過電壓起到防護效果,通過仿真計算可 得架空地線對導線的耦合系數見表5,電壓耦合波形 見圖4。通過計算發現,風電場集電線路的感應雷跳 閘率為0,所以雷電感應產生的過電壓不會導致線路 絕緣子發生閃絡。 表5 耦合系數 耦合系數上相中相(下相1) 下相(下相2) 單回線路 0.21 0.16 0.16 同塔雙回線路 0.20 0.15 0.12 圖4 集電線路耦合電壓波形圖 3 雷擊事故分析 通過對計算結果的分析發現,風電場單回集電線 路的下相1 與同塔雙回線路的下相由于架空地線與上 導線的屏蔽效果較好,其繞擊耐雷水平高于最大繞擊 雷電流,所以不會發生雷電繞擊。對于同塔雙回線路 的上相,由于架設單根避雷線保護角較大且導線架設 高度較高,所以遭受雷電繞擊的概率較大,容易發生單 相絕緣閃絡引起單相接地短路。發生單相絕緣子閃絡 后,雷電流會通過桿塔進入大地,此時其他兩相的耐雷 水平與反擊耐雷水平一致,遠高于其最大繞擊電流值。 所以,發生雷電繞擊時,無論是單回線路還是同塔雙回 線路,只會發生單相絕緣閃絡,不會發生兩相或三相雷 擊跳閘事故。 1.5 MW 風機的高度超過100 m,遠高于集電線路 桿塔,是巨大的引雷體。風機變電箱出線連接的架空 線路桿塔(絕緣子串配置避雷器)距離風力發電機很 近,會起到明顯的防護屏蔽作用,所以雷電直擊風機出 線連接的桿塔概率很小,而風機與風機間地處較為空 曠地域的單回集電線路桿塔(絕緣子串不配置避雷 器)更容易遭受雷電直擊,當接地電阻阻值較高,并且 絕緣子串由于長期運行積污導致其雷電沖擊耐受電壓 73 水電與新能源2015 年第12 期 降低,此時極容易發生絕緣子串雷擊閃絡,引起單回集 電線路的單相、兩相或三相接地故障。 對于風機變電箱出線復合支柱絕緣子,由于其絕 緣表面為有機復合材料,其空間上為水平放置,相比于 架空線路瓷絕緣子更容易積污,雷電沖擊耐受電壓會 隨著污穢程度和環境濕度等因素的影響而降低。盡管 安裝支柱絕緣子的桿塔在風機的屏蔽作用下很難遭受 雷電直擊,但是當附近出現幅值較高的雷電流時,支柱 絕緣子兩端產生的感應過電壓極有可能造成絕緣子沿 面閃絡,引起接地故障。 對于同塔雙回線路發生雷擊桿塔反擊時,由于其 架空線路桿塔高度要高于單回線路,且相比于單回線 路更容易遭受雷擊,所以當雷電流幅值超過其耐雷水 平易導致絕緣子閃絡,引發接地故障。同塔雙回線路 的左右兩回線路空間結構對稱,線路絕緣子絕緣強度 相同(理想情況下),所以發生雷擊桿塔反擊時,兩回 線路的故障情況也相同,雷電流幅值較高時可能引發 雙回集電線路三相接地故障。 4 改善集電線路防雷的措施 4.1 加強絕緣 35 kV 集電線路電壓等級較低,線路絕緣子串片 數一般為3 ~5 片,絕緣強度不高,即使增加絕緣子片 數也無法明顯改善線路對于雷電直擊過電壓的防護效 果,主要是防止雷電感應造成絕緣閃絡。該風電場集 電線路安裝5 片耐污型瓷絕緣子,雷電感應跳閘率接 近于零,所以無需增加線路絕緣子串絕緣強度。對于 風機變電箱出線支柱絕緣子,其本身絕緣強度較低,建 議增加高度,加強絕緣。 4.2 架空地線 對于同塔雙回集電線路,如果改為雙避雷線防護 方式,可以降低上相的最大繞擊雷電流值,加強線路對 于雷電繞擊的防護效果,盡量避免發生概率較高的小 幅值雷電流造成的單相接地事故。 4.3 降低接地電阻 風電場單回、同塔雙回集電線路均采用全線敷設 避雷線的防護方式,發生雷擊架空地線或桿塔反擊的 概率要高于雷電繞擊,而接地電阻的大小是影響線路 反擊耐雷水平的主要因素,應盡可能降低接地電阻,保 障雷電流通過線路桿塔流入大地時產生的地電位升盡 可能降低。 4.4 加裝避雷器 相較于其它防護措施,避雷器的保護作用最直接, 防護效果最佳。對于風電場集電線路,當局部線路桿 塔降低接地電阻難度較大,且地勢較高,周邊較為空曠 時,建議在這些桿塔的線路絕緣子兩側加裝避雷器;對 于接地電阻值較低(1 Ω左右)的單回、同塔雙回線路 桿塔,可以選擇不裝,具體安裝情況應根據實際運行情 況而定。 參考文獻: [1]施圍, 邱毓昌, 張喬根.高電壓工程基礎[M].北京: 機械 工業出版社, 2006 [2]胡毅.輸電線路運行故障分析與防治[M].北京: 中國電 力出版社, 2007 [3]陳家宏, 鄭家松, 馮萬興, 等.雷電日統計方法[J].高電 壓技術, 2006, 32(11): 115 -118 [4]陳家宏, 馮萬興, 王海濤, 等.雷電參數統計方法[J].高 電壓技術, 2007, 33(10): 6 -10 [5]谷山強, 陳家宏, 陳維江, 等.輸電線路防雷性能時空差 異化評估方法[J].高電壓技術, 2009, 35(2): 294 -298 [6]朱蕓, 王劍, 潘勁東, 等.輸電線路防雷性能評價和綜合 優化的研究[J].華北電力技術, 2008(2): 18 -20 [7]何金良, 曾嶸, 陳水明, 等.輸電線路雷電防護技術研究 (三): 防護措施[J].高電壓技術, 2009, 35(12): 2917 - 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