★中国安能集团科工有限公司李向鑫，于辉耀，李顺元，杨红，李启睿

关键词：山区风电场；集电线路防雷；智能监测系统；氧化锌避雷器；接地电阻优化

在全球能源转型的大背景之下，风力发电作为可再生能源的重要组成部分，其装机规模快速增长，尤其在山区这类风能资源十分丰富的地带，风电场建设正呈现出加速发展的态势。不过，山区复杂多样的地形地貌以及频繁出现的雷电活动，为风电场安全运行带来严峻的挑战。集电线路作为风电场电能传输的关键环节，其防雷性能直接影响着整个风电系统的稳定性与经济效益。传统防雷技术主要依靠静态防护方面的措施，缺乏对动态雷电环境进行实时响应的能力。智能自动化控制技术的兴起为风电场防雷保护开辟了全新路径，其通过融合物联网及人工智能等先进技术，能够实现防雷系统的智能化升级并显著提高防护效果。

1　项目概况

织金县小寨风电场是贵州省西南部山区的重要清洁能源项目，其50MW装机容量分布在海拔变化剧烈的喀斯特地貌区域，复杂山地环境为风力发电提供了优越自然条件。该风电场35kV集电线路总长超过15公里，沿线地形起伏显著，部分区段海拔落差达到200余米。现有防雷配置包含架空避雷线等传统设施，受山区土壤电阻率偏高因素影响，部分杆塔接地电阻超过10Ω。统计数据显示风电场年均遭受雷击故障8～12次，每次事故会造成2～4小时停机损失，年度发电量损失超过500万kWh，直接经济损失达250万元以上。雷击事故主要集中在地势突出的山脊段与转角杆塔，传统均匀化防护策略无法适应差异化雷击风险分布，因此迫切需要构建集实时监测与智能预警于一体的现代化防雷保护体系。

2　智能防雷系统架构设计

2.1　雷电监测预警与数据采集系统

雷电监测预警系统是智能防雷体系的感知前端，依靠部署分布式传感器网络来实现对风电场区域雷电活动全天候实时监测。此系统集成电磁场强度探测器与雷电流幅值测量装置等多种检测设备，能精确捕获雷电放电过程产生的电磁信号、电流波形与空间位置信息。如图1所示，鉴于织金县特殊的山地地形与高雷暴密度环境，系统采用三维立体监测布局在关键杆塔与易击区域设置高精度传感节点，通过无线通信网络将实时数据传输至中央处理单元，利用先进的信号处理算法对雷电参数进行识别分析。雷击风险评估模型引入地形修正因子，计算公式如式（1）所示：

式（1）中R为年雷击次数，N为地闪密度，S为受雷面积，η为击中率，K为地形修正系数。当地形修正系数K增大时，雷击风险呈线性上升趋势，山脊与突出地形的K值可达1.5～2.0，而平坦区域K值接近1.0，这一差异直接影响防护策略的制定。系统预警功能基于气象雷达数据融合与机器学习算法，能够提前15～30分钟发出雷电临近告警，为运维人员采取预防措施争取了宝贵时间^[1]。

图1 雷电监测预警与数据采集系统的结构示意图

2.2　差异化防护配置与控制系统

差异化防护配置系统可依据风电场不同区域的雷击风险等级与地形特征，实施精准化的防雷装置布置与参数设置工作。其摒弃掉传统“一刀切”的防护模式，采用基于风险分区的动态配置策略。系统核心控制单元通过分析历史雷击数据与实时气象条件，自动对各防护节点的工作参数进行调整，其中包括氧化锌避雷器（Metal Oxide Arrester，MOA）的动作电压阈值与接地系统的散流路径选择等。如图2所示，高风险区域像山脊杆塔采用HY10WZ-51/134型MOA，使其10kA雷电冲击残压控制在100kV以内，配合深井接地与降阻剂技术把接地电阻降至4Ω以下，而相对平缓区域则采用标准配置来优化成本效益比。智能控制算法能够根据雷电活动强度实时调节防护设备的工作状态。当监测到强雷电场接近时，系统可自动激活高敏感度保护模式，提升了避雷器响应速度与泄流能力，确保了雷电能量得到有效疏导，显著提升了整体防护效能^[2]。

图2差异化防护配置系统结构示意图

2.3　状态评估与智能决策系统

状态评估与智能决策系统是智能防雷体系的大脑中枢，通过持续不断监控防雷设备运行状态与性能参数，运用大数据分析与人工智能技术实现故障预测与维护决策优化。如图3所示，系统集成避雷器泄漏电流监测与接地电阻在线测量等多维度状态感知功能，建立起涵盖设备健康度与环境适应性等方面的综合评价体系，通过机器学习算法对历史运行数据进行深度挖掘分析。系统能够识别设备性能劣化趋势并预测潜在故障发生时间，为预防性维护提供了科学可靠依据。其中防雷效果评估公式如式（2）所示：

式（2）中E为防雷效果提升率，Fafter为改造后年均故障次数，F_before为改造前年均故障次数。当防护措施得到优化时，F_after显著减少，防雷效果E值相应提高。智能决策模块基于模糊逻辑与专家系统理论，能够在复杂多变的雷电环境中做出最优防护策略选择，包括设备投切时机与保护定值调整等，确保了防雷系统始终处于最佳工作状态，最大限度保障了风电场安全稳定运行^[3]。

图3 状态评估与智能决策系统运行流程图

3　关键技术方案与效果评估

3.1　新型MOA优化设计

新型MOA优化设计针对织金县小寨风电场复杂山地环境与高雷暴密度特征，通过系统性技术改进显著提升了35kV集电线路防雷性能。该设计方案基于IEC60099-4标准要求，具体情况如下：

（1）采用HY10WZ-51/134型规格MOA，精确调控氧化锌阀片非线性系数α值，确保其在10kA雷电冲击下残压控制在100kV以内以满足集电线路绝缘配合要求；避雷器具备65kA与100kA大电流冲击承受能力，经4/10μs方波通流试验验证多重雷击条件下可靠性；动作电压阈值设置严格低于绝缘子串50%雷电冲击闪络电压，实现最优保护协调。

（2）户外环境适应性改进包括增强型防潮密封结构设计，在相对湿度95%与温度40℃极端条件下控制泄漏电流变化率在允许范围；优化伞裙结构提升自清洁能力，在盐密0.1mg/cm²污秽环境中保持良好绝缘性能；强化压力释放装置防爆能力，确保故障状态下安全运行^[4]。

3.2　接地系统智能化改进方案

接地系统智能化改进方案摒弃传统静态接地设计思路，采用“垂直接地极+水平放射网”复合结构且配合实时监测与动态调节功能，以此有效解决土壤电阻率偏高导致的散流不畅问题。垂直接地极深度设置为15～20米，穿透表层高阻土壤从而到达深层低阻区域；水平放射网采用铜包钢材质，并且配置缓释型离子接地模块，通过四极法（Wenner法）建立三维土壤电阻率分布模型。系统可根据季节性土壤湿度变化自动调整散流路径，确保全年接地电阻稳定控制在4Ω以内。智能控制算法基于雷电流幅值与土壤散流能力的实时匹配，在雷击瞬间自动选择最优散流通道，避免接地电阻过高导致的反击过电压现象。接地系统与MOA通过“雷电流-MOA-接地系统”耦合模型协调配合，形成完整的雷电能量泄流保护链，降阻与防腐技术集成石墨基接地材料与环氧树脂涂层双重防护，显著延长了接地装置使用寿命^[5]。

3.3　实验准备与测试验证

在实验准备阶段，采用实验室模拟试验、数值仿真计算与现场验证测试相结合的综合验证方法，利用人工雷电发生器对优化设计的MOA开展雷电冲击耐受试验，并严格按IEC60099-4标准执行测试程序。用EMTP/ATP电磁暂态仿真软件构建织金县小寨风电场集电线路精确数学模型并输入典型雷电流参数进行时域仿真分析。现场验证选2回代表性35kV集电线路作为试点安装新型MOA与智能接地系统后，进行为期6个月连续监测。改造前数据依据2024年4月～9月的运行记录，而改造后数据为2025年4月～9月。测试期间实际监测结果，通过对比改造前后的运行数据全面评估防雷系统改进效果，如表1所示。

表1智能防雷系统核心指标测试对比数据

测试验证结果表明（见表1），智能防雷系统在提升集电线路防雷性能方面取得了显著成效。通过6个月连续监测数据对比分析可以看出，年雷击跳闸次数降幅达78.3%，有效提升了系统运行可靠性，新增的故障预警系统准确率达92.5%，实现了从传统被动防护向智能主动防护的转变，为山区风电场防雷技术发展与推广应用提供了重要的数据支撑与实践经验。

4　结语

智能自动化控制技术应用于风电场集电线路防雷保护，代表了防雷技术重要的发展方向。织金县小寨风电场的工程实践显示，智能防雷系统可显著降低雷击跳闸率、显著提高设备运行可靠性，同时通过优化防护资源配置，可实现防雷成本与防护效果最佳平衡。伴随物联网与边缘计算等新兴技术的不断成熟，智能防雷系统正朝着更高程度自主化与精准化方向发展，将为风电产业高质量发展提供更坚实的技术保障。未来研究应着重关注多源异构数据融合与防雷策略自适应优化等关键问题，以推动智能防雷技术在更广泛领域的应用推广。

作者简介：

李向鑫（1993-），男，四川广元人，助理工程师，硕士，现就职于中国安能集团科工有限公司，主要从事新能源发电建设项目施工管理工作。

于辉耀（1986-）男，河南开封人，硕士，现就职于中国安能集团科工有限公司，主要从事新能源风电技术研究工作。

李顺元（1992-），男，贵州贵阳人，大专，现就职于中国安能集团科工有限公司，主要从事新能源风电技术研究工作。

杨　红（1999-），男，贵州六盘水人，学士，现就职于中国安能集团科工有限公司，主要从事新能源风电技术研究工作。

李启睿（2002-），男，甘肃武威人，学士，现就职于中国安能集团科工有限公司，研究方向为电气工程与智能控制。

参考文献：

[1] 张平. 风电场防雷智能监测系统的应用与优化策略探究[J]. 智能物联技术, 2024, 56 (04) : 144 - 147.

[2] 熊备, 刘旭. 山区风电场架空集电线路雷电防护技术探讨[J]. 建筑电气, 2025, 44 (02) : 30 - 33.

[3] 郑喆. 山区风电场集电线路雷击风险与防护技术分析[J]. 电力设备管理, 2024, (16) : 138 - 140.

[4] 申戬林, 郭东杰, 田志强, 等. 基于风力发电场35kV集电线路防雷设计优化改造研究[J]. 电气技术与经济, 2024, (03) : 1 - 3.

[5] 刘必塨. 海上风电场升压变电站电气布置探讨[J]. 电气时代, 2025, (04) : 65 - 69.

摘自《自动化博览》2025年9月刊