湖南南方風電覆冰機理及抗冰措施

◎陳振華 曹偉 高盼星 朱金峰

引言：湖南東、南、西及西北方均為山地圍繞，中部丘崗起伏，北偏東為湖泊平原。三面環山一面臨水且冬季氣溫低，導致每年都會出現覆冰天氣。風電場大多位于中高海拔空氣濕度大，當空氣中較冷的潮濕空氣、凍雨、冰雪所含的水汽達到0℃以下水分子顆粒便會形成覆冰。

根據相關文獻。吳光軍等總結風電場常見風機葉片除冰方法；王偉等討論了3中除冰方法；蔣興良，王曉，周洪宇等研究采用涂料減少葉片覆冰。本文擬就覆冰對風電場發電量進行分析。

一、覆冰成因

造成雨凇的主要原因是冷暖空氣的交匯，冷氣團由北向南貼近地面插在暖濕氣團下，故在大氣中出現了逆溫現象(圖1)，即地面向上溫度先是在0℃以下，被暖氣團影響升高至0℃以上，再往上又降到0℃以下。下降過程中穿過氣溫在0℃以上的逆溫層，雪花和冰晶開始融化成過液態水滴，再下降到達0℃以下的近地面層形成過冷卻水滴，產生形變時水滴表面彎曲程度減小張力也減小，便凝結成雨凇附著在風機上。

圖1 逆溫層

覆冰需要具備四個氣候條件，一氣溫0～-5℃；二空氣相對濕度85%以上；三風速1～10m/s，；四要形成逆溫層。

二、覆冰影響

某風電場2017 和2018 年風電利用小時分別為3396h 和2749h。根據3Tier 數據庫計算發現這兩年風速相近但對比利用小時數相差647h。

氣象站與風電場海拔差約700m，氣溫差約4.2℃(圖2)，2018 年風電場覆冰天氣18 天；按滿發小時數考慮損失利用小時數為432h 約占總損失的67%，可見覆冰對風電場的影響之大。

圖2 氣溫圖

三、抗冰措施

覆冰影響風電場原因是葉片覆冰導致風機停機和線路故障，在此提出葉片抗冰和線路抗冰。

1.葉片抗冰。常用葉片抗冰方法優劣性能比較見下表。

表1 葉片除冰

2.線路抗冰。

南方風電場大多位于人少的山區維護難度比較大發生覆冰就易發生線路故障，建議采用以下措施。

（1）減小檔距。增加桿塔縮小檔距可提高導地線的過載能力，減小不均勻脫冰跳躍幅度防止桿塔覆冰超載。

（2）控制高差。覆冰時，因檔距或高差不等，會引起各檔導線的水平應力不相等，使直線桿塔上出現不平衡張力造成倒塔事故。因此要合理控制高差。

（3）減小轉角度數。減小轉角度數將降低覆冰工況下轉角塔的水平荷載，有利于提高轉角塔的抗冰能力。

（4）放松導線應力。以LGJ—400/50 鋼芯鋁絞線為例，當最大使用應力為103.8MPa 時，70%破壞應力下導線最大允許覆冰厚度28mm，當最大使用應力放松到93.8MPa 時，70%破壞應力下導線最大允許覆冰厚度30mm。因此放松導線應力能有效提高線路抗冰能力。

（5）增加耐張桿塔。根據2008 年湖南省冰災的線路事故段長度和倒塔數量的統計，平均事故段長度小于3km，因此增加耐張桿塔可有效提高線路抗冰能力。

（6）加強桿塔強度。中重冰區線路的覆冰不均勻冰荷載和脫冰不均勻冰荷載所產生的不平衡張力是導致眾多桿塔事故的主要原因。加強桿塔的結構強度可增大桿塔的縱向抗冰能力。

四、結語

本文提出針對風電場的兩個抗冰措施，建議風電場在設計時給予充分考慮，對于提升風電場的發電量具有積極的作用。