风电场集电线路覆冰探索研究

风电场集电线路覆冰探索研究

发表时间：2019-03-04T11:21:55.780Z 来源：《电力设备》2018年第28期作者：高婷

[导读] 摘要：冰冻是一种常见的自然现象，雨水降落到温度低于冰点（0℃）的线路时，便会造成线路覆冰现象。

（五凌电力古浪风电场甘肃武威 733100）

摘要：冰冻是一种常见的自然现象，雨水降落到温度低于冰点（0℃）的线路时，便会造成线路覆冰现象。覆冰不仅危及人身安全，还会对风电场供电系统设备，特别是电气设备产生破坏性影响，覆冰问题严重的影响到输电线路的运行质量。本文则论述风电场集电线路覆冰的措施。

关键词：风电场；集电线路；覆冰

1、风电场集电线路型式及特点

集电线路作为风电场重要设备，是确保风电场电能能够正常输出的基础，当风电场集电线路安全可靠的运行，才能保证风电场的正常运行发电，创造经济效益。而集电线路又受到输电介质的影响，目前，我国风电场的集电线路主要使用2种线种型式，一是架空集电线路，二是电缆集电线路。

线路覆冰主要是由于恶劣的冰雪或风暴天气，以及受温度、湿度等影响而形成的，此种现象下空气变化较大，容易在线路表面附着冰层，且冰层会随着降温，逐渐加厚，冰层一旦形成，将会对输电线路产生负荷过大、绝缘子冰闪等现象，进而形成杆塔变形、倒塔或绝缘子受损与闪络的故障，负荷主要由线路自身重量、覆冰重量以及风力产生，特定情况中，输电线路将会产生较大幅度与频率的诊断，也就是舞动，这将对输电线路的安全可靠运行产生直接影响。

图1 架空线路覆冰现象

2、覆冰的成因及对设备的影响

2.1、覆冰形成的原因

覆冰首先是由气象条件决定的，是受温度、湿度、冷暖空气对流、环流以及风等因素决定的综合物理现象。云中或雾中的水滴在0℃或更低时与输电线路导线表面碰撞并冻结，覆冰现象就产生了。当空气中的雪为“湿雪”时，导线才会出现积雪现象。当有强风时，雪片易被风吹落，导线覆雪不可能发生。可见，导线的覆雪现象受风速制约，这也是平原地区或低地势无风地区导线覆冰现象较常见的原因。

2.2、覆冰对设备的影响

线路铁塔因线路覆冰破坏，导线及铁塔上的覆冰较厚，融冰时造成多处铁塔破坏，丧失正常使用功能。此次铁塔因腰部塔材覆冰不均衡而产生的塔材屈服破坏。

3、集电线路覆冰的解决措施

集电线路承载的是汇集、输送风电机组所发电力的功能，集电线路运行可靠性与风电场发电效益紧密相连，因为集电线路一旦发生倒塔事故，风电场一个回路甚至几个回路的风电机组所发电能将无法送出，会给项目建设单位造成很大的经济损失。如何防范冰灾倒塔事故的发生是集电线路设计单位所面临的必须解决的技术课题。

3.1、做好设计工作

合理选择架空集电线路路径，尽量走阳坡，避开垭口、湖泊或水库下风向等，避免线路走向与覆冰期主风向发生正交。对可能受微地形、微气象因素影响而出现较大覆冰区段，应重点防范。1.采用导线呈对称布置的高电压等级直线塔，虽然短期投资会有所增加，但从集电线路长期运行以及事故发电量损失情况来看，局部提高安全设防等级是十分必要的。铁塔计算严格执行现行《66kV及以下架空电力线路设计规范》的相关条款，对规范中规定较为模糊的部分，应参考现行杆塔结构设计技术规定、《重覆冰架空输电线路设计技术规程》中的有关规定执行，塔身主材宜采用最小轴布置，适当减小塔身隔面之间的距离，增强塔身的抗扭刚度，提高使用杆塔的抗冰能力。集电线路终勘定位时，要尽量避免大转角、大档距、铁塔前后侧档距不均匀等情况的发生。杆塔定位尽量避开微地形地段，无法避开时应采取缩小档距、缩小耐张段长度等措施，增强杆塔的抗冰能力。对可能发生舞动区段，全塔螺栓应装双帽防松，防止导线脱冰跳跃时因螺栓脱落而使铁塔部分构件退出工作，进而造成整基铁塔失稳倾覆。对于地处海拔高、风速大、覆冰较为严重地段的直线塔，可考虑采用上字形三相“V”串直线塔，以减小导线覆冰后垂直荷载对塔身的力臂，同时由于“V”串限制了导线摇摆，导线风偏放电、电缆上塔T接线折断等问题一并得到改善。对已投运集电线路，一旦发生倒塔事故，应在充分搜集资料的基础上，合理确定覆冰厚度以及覆冰同时风速等铁塔补强验算所需要的边界条件，按可能发生的最严重的荷载条件一次整改到位，如条件允许，重要危险地段应直接改成直埋电缆方式，彻底根除倒塔事故发生的可能性。

3.2、线路改造方案及措施

一般而言，防止输电线路冰害事故的最重要方法，是在设计阶段采取有效措施，尽量避开不利的地形，即尽量避开最严重的覆冰地段或“避重就轻”。线路宜沿起伏不大的地形走线，尽量避免横跨垭口、风道和通过湖泊、水库等容易覆冰的地带，翻越山岭时应避免大档距、大高差。沿山岭通过时，宜沿覆冰季节背风向阳走线，应避免转角点架设在开阔的山脊上，且转角角度不宜过大等，达到减少覆冰概率和

减轻覆冰程度的目的。通过收集覆冰期资料，分析覆冰形成及对设备的影响，金紫山风电场集电线路改造方案考虑以下两种。方案一：集电线路仍然采用架空线。金紫山风电场集电线路处于微地形、微气候地段，多次冰灾显示该地区极其严重的覆冰发生频率较高，已是非偶然事件，覆冰厚度设计取值一定程度上有据可依；但极端气候也有一定的不确定性，可能出现更为严重的覆冰，故设计覆冰厚度时最终取值存在很大的困难及科学依据。取值过小安全储备较小，易出现倒塔事故；取值过大则经济性较差。即使不考虑经济性，铁塔设计可以抵御极端覆冰，但导、地线强度有限，不可能无限制承受过载覆冰，会出现断线、断股的现象。虽然导地线更换、恢复成本较小、周期较短，但在一定程度上也影响风电的效益，并增加了后期的维护成本和难度。另外，如过载覆冰导致发生较大规模断线、断股，便失去了铁塔加强（过强）的实际意义。方案二：改造范围内的集电线路全部采用直埋铝芯电缆。直埋电缆施工难度相对较小，但是运行、维护、检修难度大。当集电线路发生故障时，由于电缆敷设路径长且较为分散、隐蔽，增加了查找故障点的难度。但全线采用电缆能有效解决冬季覆冰对线路运行的影响，提高集电线路的运行可靠性，且电缆方案的不足之处可通过采取一定的措施来减少其影响，如：通过提高电缆中间接头及终端头的采购及安装质量和采用全绝缘型35kV电缆转接箱等措施，减少由电缆引发的故障；通过明确标示直埋路径、中间接头直埋位置等措施减少维护、检修的难度等，且直埋电缆方案相对架空方案投资较多（约增加10%）。通过综合比较分析，最后确定集电线路改造采用方案二即直埋铝芯电缆方案。

3.3、改变导线排列方式、减小档距增加杆塔

以往在进行输电线路在设计施工时，由于缺乏相应的标准与规范，并且没有成功的除冰雪经验作为参考，因而线路的覆冰问题相对严重。以往线路架设工作中，主要使用的是“上”字型混凝土单杆，并且输电线路主要呈斜三角形排列。这种排列方式容易造成导线覆冰问题。为了合理解决这一问题，要对其进行精确的计算，并且要改变杆塔横担的结构，将原来的斜三角形排列方式改为目前所使用的正三角形。这样一来，就可以有效的解决线路覆冰问题。其次，对于一些重冰地区，较大档距容易引发导线、地线混线问题，并且还容易造成跨越物接地等问题。因而，要对杆塔档距进行改造，尽可能的降低档距。

4、结语

由于受到外界气候环境以及地质、地貌、海拔条件等因素的影响，输电线路运行中经常出现覆冰现象，进而影响到输配电工作的安全性。为了妥善解决这一问题，就要对出现覆冰问题的原因进行分析，做好气候气象的观测，合理进行线路设计，通过采用适当的除冰雪措施降低覆冰问题对于线路运行的危害，提高线路运行过程中的安全效果。

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