山區風電場集電線路“三防”設計

文 | 丁劍

隨著新能源戰略的持續推進，我國風電開發規模和范圍不斷擴大，山區風電項目越來越多。風電機組箱變之間通過輸電線路串聯將風電機組所發的電能集結后輸送到場內的升壓站，該集結的輸電線路被稱為集電線路。根據我國輸電線路設計運行經驗，架空輸電線路應避開微地形微氣象、重冰區及易發生導線舞動的地區。

然而由于山區地形的特殊性，存在一些迎風坡、背風坡、分水嶺、山前洪積扇、埡口、山脊、山坳、盆地以及與陸地鄰近的江河、湖泊、水庫等微地形微氣象區域。因為山區風電場集電線路不可避免經過上述地區，如不考慮這些區域對集電線路的影響，在風電場投運后，可能會出現由于集電線路的設計不合理導致風電機組無法輸送電能的情況，給風電場的安全運行帶來隱患。因此，設計階段必須進行相應考慮。

本文重點闡述了對上述區域集電線路進行防風、防覆冰和防舞動設計時需要考慮的要點，希望能給其他風電場集電線路設計提供參考和借鑒。

集電線路防風設計

通過技術經濟比較，目前，國內絕大多數集電線路采用35kV電壓等級的架空線路。根據《66kV及以下架空電力線路設計規范》（GB 50061-2010）的相關規定，35kV架空線路最大設計風速的計算是按當地氣象臺、站10m高度，10min時距平均的年最大風速為樣本，采用極值I型分布作為概率模型統計得到的。對于山區輸電線路，當無可靠資料時，最大設計風速可按附近平地風速增加10%進行設計。需要說明的是，該值只考慮了位置和高度的影響，未考慮微地形微氣象的影響。

如未對集電線路的最大設計風速和特殊區域進行充分調研和實地勘查，可能由于設計風速取值較低，在線路運行期間因搖擺角和風偏設計不足引起導線閃絡、跳閘停電事故，甚至由于水平荷載的增大出現斷線、倒塔等事故。

一、設計方法

根據工程經驗，集電線路防風設計應通過合理論證最大設計風速、提高微地形微氣象的最大風速值、減少桿塔允許使用條件、增大電氣間隙和提高桿塔強度五方面避免由于風速考慮不合理對輸電線路造成危害。

（1）合理論證最大設計風速

應充分調研周圍已建架空線路的運行情況，利用周圍氣象臺、站的資料和測風塔的測風數據，并結合《風區分布圖》，確定集電線路的最大設計風速。

（2）提高微地形微氣象的最大風速值

集電線路經過谷口正迎主導風向且兩側陡峻的河谷、氣流由開闊地區進入狹窄地區、山頂等微地形微氣象區域時，最大設計風速應進行專題研究。在微地形微氣象區域，最大設計風速應提高1.2～1.3倍。

（3）減小耐張段長度

當線路桿塔使用通用設計塔型時，在相對高差較大、連續上下山等局部地段應進行垂直檔距的復核，減少直線塔的使用。

（4）校驗線路風偏

微地形微氣象區域應進行風偏設計與檢驗，確保線路不會因為風偏不夠導致導線閃絡、跳閘事故發生。

圖1 陸豐某風電場集電線路CD45#鐵塔倒塔現場

（5）驗算桿塔機械強度

對桿塔進行滿應力分析，確保桿塔不會由于風荷載的增大出現斷線、倒塔等事故。

二、應用案例

2015年7月，臺風“蓮花”在廣東省陸豐市甲東登陸，陸豐某風電場集電線路CD45#鐵塔出現倒塔事故，見圖1。

現場調查發現該塔位于山頂，前后塔位較該鐵塔位置低，且周圍植被較少，位于開闊的微地形區域，最大風速超過設計要求，導致倒塔事故發生。針對該特點，將該段導地線的最大風速取值由30m/s增加到36m/s，并提高鐵塔的設計強度。工程運行至今再未出現斷線和倒塔事故。

集電線路防覆冰設計

導線覆冰的輕重取決于山脈、坡向與分水嶺、臺地、風口、江湖水體等因素。在山區，導線覆冰受地形及地理的影響更嚴重。江湖水體對導線覆冰影響也十分明顯，水汽充足時，導線覆冰嚴重；附近無水源時，導線覆冰較輕。海拔高程越高，越容易覆冰，且覆冰也越厚，多為霧凇；海拔高程較低時，其覆冰雖較薄，但多為雨凇或混合凇。

當輸電線路覆冰時，會增加輸電線路導地線及金具和桿塔的垂直荷載以及水平荷載，嚴重覆冰會造成導地線斷股斷線，金具損壞，甚至出現倒塔事故。

一、設計方法

根據工程經驗，進行集電線路防覆冰設計時，應通過合理論證覆冰厚度、提高微地形微氣象的覆冰厚度、增大電氣間隙、提高桿塔強度四方面避免舞動對輸電線路造成危害。

（1）合理論證覆冰厚度

應充分調研周圍已建架空線路的運行情況，利用周圍氣象臺、站的資料，并結合《冰區分布圖》，確定集電線路的覆冰厚度。

（2）提高微地形微氣象的覆冰厚度

對較易覆冰的微地形地段，以及相對高差較大、連續上下山等局部地段的線路，應結合周邊已建成的輸電線路運行情況，提高該區域的覆冰厚度。

（3）校驗桿塔電氣間隙

微地形微氣象區域采用的塔型應進行電氣間隙的校驗，確保線路不會因為不均勻脫冰導致導線閃絡、跳閘事故發生。

（4）驗算桿塔機械強度

對桿塔進行滿應力分析，確保線路不會因為不均勻脫冰造成斷線、倒塔等事故。

二、應用案例

2018年1月，江西經歷了罕見的低溫雨雪冰凍天氣，德安某風電場集電線路A10#、 A11#塔出現斷線事故，見圖2。

圖2 德安某風電場集電線路A10#、A11#塔斷線現場

現場調查發現A10#和A11#兩塔均位于山頂，兩塔之間穿越了風口，覆冰厚度超過設計要求，由于微地形的因素，導線不均勻脫冰引發斷線事故。針對覆冰特點，將該段導地線的覆冰厚度增加5mm，并提高鐵塔的設計強度。工程運行至今再未出現斷線事故。

集電線路防舞動設計

導線舞動與微氣候關系非常密切，通過對導線舞動機理和已經發生過導線舞動案例的分析和總結可以知道，環境溫度、相對濕度、風、雨淞和霧淞、雪等氣象要素與舞動的發生有著密切關系。風激勵是輸電導線舞動的主要成因，風力的大小以及風向同線路走向的夾角對導線舞動是否發生、發生舞動的幅度和頻率大小有著很大影響。此外，大多數觀察到的舞動線路上導線有覆冰，且多為非對稱覆冰，即迎風側厚，背風側薄，形成月形、扇形、D形等不規則形狀，導線由此具有較好的空氣動力性能，在一定風力和風向的激勵下誘發舞動。國內外大量的統計資料表明，導線舞動一般發生在冬季和初春，因為這兩個時段冷暖氣流的交匯易引起較強的風力。處于地勢平坦、開闊及風口地區的輸電線路，當導線覆冰、風速為4～20m/s，主導風向與線路走向夾角不小于45°時，易發生舞動。

舞動產生的危害是多方面的，主要有機械損傷和電氣故障兩類。機械損傷包括螺栓松動、脫落，金具、絕緣子、跳線損壞，導線斷股、斷線，塔材、基礎受損等；電氣故障包括相間跳閘、閃絡，導線燒蝕、斷線，相地短路以及混線跳閘等。

一、設計方法

根據工程經驗，對集電線路進行防舞動設計時，應通過減少桿塔允許使用條件、安裝防舞裝置、增大舞動的電氣間隙、提高桿塔以及金具與絕緣子的機械強度五方面避免舞動對輸電線路造成危害。

（1）減小線路檔距

由于大截面、多分裂導線扭轉剛度大，容易產生偏心覆冰，因此，大截面導線比常規截面導線容易產生舞動；分裂導線比單導線容易產生舞動。檔距越大，導線吸收的能量就越大，舞動的幅度就越大，應在易舞區盡量減小檔距。

（2）安裝防舞動裝置

針對“風激勵”可加裝防舞裝置擾亂氣流的激勵或改變攻角，從而提高舞動發生的冰、風閾值。如加裝擾流防舞器、阻尼器等。

針對“線路的結構和參數”可采取改變導線特性抑制舞動的措施，多數防舞器均屬此類。如雙擺防舞器、失諧擺、偏心重錘、阻尼器等。

（3）增大桿塔電氣間隙

根據國內外設計實踐和設計經驗，對于覆冰舞動情況，相對地間隙按照工頻電壓間隙取值，相對相間隙按照工頻電壓相對地間隙的1.05倍取值，能夠保證線路安全運行。由于覆冰形狀、尺寸、風速的差異，通常導線和地線不會同時舞動，因此，可以按照導線舞動地線不動的情況驗算相對地距離，按照下導線舞動上導線不動的情況驗算相對距離。通常采用作圖法測出導地線或導線間的距離。

（4）提高桿塔機械強度

在易舞動地區適當提高桿塔的設計強度，以提高其抵抗舞動發生動荷載的能力。由于舞動會造成桿塔螺栓松脫，應在桿塔上加裝螺栓防松帽，提高塔身的抗舞能力。

（5）提高電力金具及絕緣子強度

線路舞動時將產生巨大的動態荷載，研究表明導線舞動產生的最大張力一般約為靜態張力的2倍。因此，在舞動強度相對較大時，金具及絕緣子的安全系數可能不滿足機械強度的要求，應將易舞區線路的金具設計安全系數提高至3.0～4.0，絕緣子設計安全系數提高至3.5～4.5，以確保金具及絕緣子能抵抗強度相對較大舞動的影響。

由于舞動造成磨損會使得金具失效，可采用耐磨金具以提高抗舞能力。對絕緣子而言，增大絕緣子串的質量有助于降低張力變化引起的振幅。

二、應用案例

2015年3月，山東臨沂某風電場集電線路C7#塔出現倒塔事故，調查發現該段集電線路沿山梁走線，地勢較開闊且主導風向與線路走向成73°夾角。工程位于2級舞動區域，但在實際設計時未考慮導地線舞動對集電線路的影響，由于風的激勵導致斷線，進而引發直線塔倒塔事故。針對舞動特點，提高了金具、絕緣子和鐵塔的的設計強度。工程運行至今再無因舞動原因導致集電線路損壞的事故發生。

總結

山區風電場集電線路設計時應重視微氣象微地形區段，以及相對高差較大、連續上下山等局部地段。針對這些區域做好防風、防覆冰和防舞動的“三防”設計。為風電場的高效穩定運行提供支撐和保障。

攝影：何紅安