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1、中国华能清洁能源技术研究院有限公司北京乾源风电科技有限公司北京鉴衡认证中心有限公司研究背景白皮书内容简介白皮书价值、意义中国典型区域风电场雷击风险研究白皮书研究背景白皮书内容简介白皮书价值、意义中国典型区域风电场雷击风险研究白皮书研究背景255.5586.61202 2580.54473.36236753293609532363229075346673654605000000025000300003500040000200620072008200920000192
2、02020212022装机容量/单位:万千瓦中国典型区域风电场雷击风险研究白皮书在“双碳”背景下,可再生能源产业飞速发展,风电作为可再生能源的重要组成部分,近年来风电产业飞速发展。中国典型区域风电场雷击风险研究白皮书市场需求1.风电电价去补贴,电度成本增加。2.近年来大大小小的雷击事件给风电场带来了巨大损失,停电时间少则数小时,多则数日。3.风电场线路频繁跳闸影响输电质量。020406080100120140雷击电缆问题箱变鸟害引下线线路舞动树障金具跌落避雷器绝缘子控制系统其他某集团2020-2021年风电场线路问题统计20202021研究背景白皮书内容简介白皮书价值、意义中国典型区域风电场雷
3、击风险研究白皮书报告内容简介中国典型区域风电场雷击风险研究白皮书内蒙古自治区内蒙古自治区地域广袤,所处纬度较高,呈平原、山地、高原带状分布的地貌格局,以高原为主,海拔 1000-1600 米。年平均雷暴日为 28.6 天,最多的地区可达 35.3 天。全年 5-9 月为雷暴集中期,雷电活动多数在午后或傍晚发生。雷电强度偏大,最大高达4401kA。雷电活动总放电次数少、单次能量大、放电周期短。中国典型区域风电场雷击风险研究白皮书内蒙古地区雷电防护设计应根据当地雷电特点定制。采用优先保护方式,安装避雷器的总量不宜过多,需要结合升压站、高风险杆塔所处的地形地貌进行综合防雷配置。避雷器优选高性能参数产
4、品,并符合当地线路平均雷电流幅值要求,宜采用优先供电保护模式。风电场 2020 年 1-10 月雷击跳闸 10 次,为了保证集电线路正常运行,于 2021 年 2 月对整条集电线路进行防雷技改,具体实施内容如下:在地势较高,斜率、档距较大杆塔区域增加 HY5W 系列线路避雷器 32 组,更换风机终端塔及进站终端塔站用避雷器 33 组。中国典型区域风电场雷击风险研究白皮书湖北省湖北省地处亚热带,全省除高山地区属高山气候外,大部分地区属亚热带季风性湿润气候,水资源丰富,属于风资源较好,雷电较为活跃的区域。总体侧会给呈西低东高的趋势。平均雷暴日36天,平均雷电流强度37.2kA中国典型区域风电场雷击
5、风险研究白皮书 湖北地区某风电场从投运以来,每年发生多起跳闸事故,于2020年8月采取多间隙避雷器进行改造,改造后2021发生8次因雷击导致跳闸,2022发生11次因雷击导致雷击跳闸,其中7/8两月雷击高发期。雷击跳闸问题未得到有效改善。1.间隙类避雷器运行参数无法保证:大气溶胶、灰尘、风蚀、雨蚀等外部条件会对间隙避雷器标称参数造成巨大影响;2.间隙类避雷器无法有效自动断续流:到目前为止,尚无第三方机构对间隙类避雷器能够自动断续流提供检测报告;并且风电场场内集电线路与外网配置存在较大差异,当间隙避雷器出现续流时会造成风电场集电线路跳闸,甚至会对风力发电机组造成不同程度损伤。3.高启动电压:间隙
6、类避雷器每动作一次,启动电压就会有所上升,因此会造成小电流雷击导致的冲击电压无法达到间隙避雷器的启动电压,从而造成线路过流保护动作启动中国典型区域风电场雷击风险研究白皮书广西壮族自治区广西壮族自治区年平均雷暴日高达175天。钦州、玉林等地甚至高达260天。雷电流平均强度为26.47kA,最大强度为979.04kA。雷电密度大,雷电强度小。中国典型区域风电场雷击风险研究白皮书广西壮族自治区某风电场自投运以来,多次发生雷击跳闸事故,2020年雷击跳闸12次,2021年雷击跳闸13次,主要出现在4-8月。2022年经现场了解,发现该风电场使用避雷器采用分体胶粘结构,非一体模压成型,密封不严,避雷器易
7、受潮,内部放电甚至避雷器爆炸。风电开发商宜加强工程初建阶段防雷产品工艺质控,保障防雷效果。中国典型区域风电场雷击风险研究白皮书云南省云南省正闪平均电流值为52.43kA,负闪雷电流平均幅值为-36.29kA。年平均雷暴日为100天。中国典型区域风电场雷击风险研究白皮书云南省某风电场位于雷电易发环境,场内35kV集电线路架设于山脊、山顶、山谷等风口位置,存在大档距、高斜率等情况,近年来屡遭雷击。于2021年,在部分杆塔顶部安装避雷针,部分杆塔加装避雷器。根据跳闸记录改造效果不明显。集电线路技改后总跳闸率没有发生变化,雷击跳闸情况并没有得到改善,每年仍有20次,主要原因有以下几个方面:1.未有效根
8、据地形地貌设置杆塔接闪器;2.安装接闪器的杆塔未采取地电位反击防护措施;3.安装脱离器的避雷器未考虑系统零序定值的配合;4.进站端未采取冗余保护措施;5.接地电阻改造与雷电绕击无关,属无效改造。综上:应根据风电场所在地形地貌、雷击环境以及雷击集电线路跳闸的类型制定和设计集电线路防雷技改方案,避免无效技改。中国典型区域风电场雷击风险研究白皮书山西省年平均雷暴日36.88天;正闪平均强度70.03kA,负闪平均强度-54.41kA。中国典型区域风电场雷击风险研究白皮书山西某风电场雷击跳闸严重,于2020年8月对全场集电线路进行了防雷技改,具体改造内容如下:在部分杆塔安装增强型导体多短针雷电放散装置
9、;在线路上安装避雷器。技改后风电场2021年1-8月集电线路因雷跳闸6次,2022年1-8月集电线路因雷跳闸5次。从2021年2022年改造前后调整对比图中可看出进行多短针雷电放散装置改造后,总跳闸率没有发生变化,雷击跳闸情况并未得到有效改善,该放散装置用于风电场雷电改造主要存在以下几方面问题:1.杆塔安装的增强型导体多短针雷电放散装置对雷电绕击未起到有效防护作用。2.避雷器选型不符合风电场实际运行工况需求。中国典型区域风电场雷击风险研究白皮书江西省雷电流平均强度为28.9kA年平均雷电密度为6.69次/(km2a),年平均雷暴日为98天。全省极高易发区面积占总面积的3.35%,高易发区占26
10、.83%,较高易发区占41.94%,中易发区占23.66%,一般易发区占4.22%中国典型区域风电场雷击风险研究白皮书江西省某风电场雷击跳闸严重,于2021年对接地电阻大于20的,共56基杆塔进行接地改造。技改后风电场2021年1-8月集电线路因雷跳闸21次,2022年1-8集电线路因雷跳闸17次,雷击跳闸主要出现在58月份。可见:接地电阻改造前后在雷电高发期的跳闸次数没有发生显著变化,并且在5-8月区间跳闸次数同比有所增加。造成改造失效的主要原因在于接地电阻只与雷电反击存在一定关联,与雷电绕击没有直接关系,并且雷电直击引起的地电位反击导致的零序问题由于存在雷电流大小、接地电阻动态变化等变量,
11、因此,接地技改不能有效解决雷击跳闸问题。中国典型区域风电场雷击风险研究白皮书湖南省雷暴分布是南多北少,西多东少,西南部最强。年平均雷暴日50天。中国典型区域风电场雷击风险研究白皮书湖南省某风电场自投运以来,平均每年发生多次雷击跳闸,2020年1-12月共发生8次因雷跳闸,2021年1-12月共发生6次因雷跳闸,雷击跳闸主要出现在59四个月份。其中2021年发生8次雷击跳闸事件其中4次因雷击导致箱变熔断器损坏。未进行任何防雷技改措施。项目建设地理位置处于水稻田、池塘较多的区域,杆塔接地电阻较低,虽然接地电阻较低,但雷击跳闸问题频繁发生(箱变设备损坏、集电线路跳闸)建设标准中要求35kV电缆两端接
12、地,箱变采用TN-C或TN-C-S接地系统,涉及高电压等级的架空集电线路铁塔接地与低电压等级的升压变压器接地联通,箱变要求接地电阻不大于4,铁塔接地电阻要求不大于20。当铁塔端出现直击雷侵入使铁塔端产生较高的地电位反击电压,通过铠装电缆层反击至箱变、升压站,造成电缆屏蔽层出现灼烧、电缆头击穿、电气设备损坏。接地电阻大小与线路雷击跳闸无关中国典型区域风电场雷击风险研究白皮书中国典型区域风电场雷击风险研究白皮书通辽市风电场及雷击风险等级分布图随州市风电场及雷击风险等级分布图不同区域雷击活动不同,风电场雷击风险等级不同,风电场需要根据风电场具体位置判定风电场雷击风险等级,进行差异化防雷设计昆明市风电
13、场及雷击风险等级分布图忻州市风电场及雷击风险等级分布图赣州市风电场及雷击风险等级分布图柳州市风电场及雷击风险等级分布图永州市风电场及雷击风险等级分布图风电场雷击跳闸因素分析中国典型区域风电场雷击风险研究白皮书风电场防雷技改要求中国典型区域风电场雷击风险研究白皮书风电场防雷技改后评价中国典型区域风电场雷击风险研究白皮书改造全面性评价:不同风电场所处的地理环境和雷电特种不同,在进行防雷改造前,应对风电场集电线路进行详细的现场勘察,核实风电场所处环境的雷电环境参数以及集电线路跨越的特殊地点。尤其是对于杆塔跨距大、岩石地区(土壤电阻率高),以及杆塔高程差大的区域,应进行清晰标识。结合风电场集电线路多年
14、雷击故障情况以及集电线路路径,评价风电场集电线路防雷改造方案的全面性。避雷针改造合理性:对于雷电环境恶劣及集电线路杆塔之间高程差异大的地区,采用仿真的方法对该区域内各杆塔所在的位置进行仿真对比,评估集电线路杆塔安装额外的避雷针的防雷击效果。避雷器参数选择合理性:避雷器是集电线路防雷的关键设备,避雷器的选择,直接影响集电线路耐雷水平。依据NB/T 10590 多雷区风电场集电线路防雷技术改造技术规范及GB/T 28547 交流金属氧化物避雷器选择和使用导则,结合风电场多年雷电参数,确定风电场的雷电流水平,计算所用金属氧化物避雷器的参数以及使用方式,与集电线路原有金属氧化物避雷器的技术参数及使用方
15、式进行对比,确认集电线路金属氧化物避雷器改造后的效果及使用方式的合理性。技改施工方案合理性:评价现场施工的三措(组织措施、安全措施、技术措施)两案(施工方案、事故应急预案)的合理性。方案可行性评估中国典型区域风电场雷击风险研究白皮书雷击跳闸次数评价:风电场集电线路防雷技术改造的一个重要指标就是雷击跳闸次数,雷击跳闸次数可以通过两个维度来评价。其一,纵向对比,在相近的雷暴日数及雷电强度的边界条件下,获取同一风电场集电线路防雷技术改造前后各一个完整雷雨季集电线路录波,进行雷击跳闸次数的对比,验证防雷技术改造措施对风电场集电线路雷击保护的效果;其二,横向对比,在同一个区域内的相邻风电场,获取改造后的
16、一个完整雷雨季的风电场集电线路雷击跳闸录波,进行雷击集电线路跳闸次数的对比。雷击跳闸导致的发电量损失评估:风电场集电线路一旦受到雷击,引起跳闸事故,就会导致该条集电线路上所有风电机组停机,集电线路一旦跳闸,恢复时间长,该条线路上的风电场机组全部不能发电,影响风电场发电量。有效的集电线路防雷措施可以减少集电线路遭受雷击的次数和故障恢复时间,减少风电场因雷击导致的发电量损失。改造效果评估中国典型区域风电场雷击风险研究白皮书研究背景白皮书内容简介白皮书价值、意义中国典型区域风电场雷击风险研究白皮书研究思路中国典型区域风电场雷击风险研究白皮书研究价值、意义中国典型区域风电场雷击风险研究白皮书为风电场业主提供典型区域雷电活动特点、典型风电场雷击风险等级及不同防雷措施分析番外篇中国典型区域风电场雷击风险研究白皮书海上风电场,所在环境更易形成小气候,雷击风险等级相比陆上风电场雷击风险等级要高。海上风电场应实时监测风电场所在区域雷电活动,并提高风电场叶片雷击防护等级,提高叶片接闪器的有效接闪率,保证风电场安全稳定运行。中国典型区域风电场雷击风险研究白皮书