風力發電場集電線路優化改造的應用研究

【摘要】目前，國內風電行業的風電場多位于高山，灘涂、戈壁、草原等自然條件相對惡劣的地域，易受到冰凍、洪水、暴風雨雪、塌方、雷電等自然災害的影響，而其中尤以風電場的集電線路受到自然災害的影響較為突出。而為了減少風力發電場集電線路出現故障次數，提高風力發電效率，減少設備及人力損失，要著重研究對風力發電場的集電線路優化改造問題。

【關鍵詞】風電場;集電線路;優化改造

風力發電場集電線路優化改造研究及成功應用，為早期選用架空集電線路方案且頻發事故的風電場改造提供了真實、可靠的案例，避免或大量減少架空線路故障跳閘次數，以較小的投資創造巨大的發電效益，極大地降低線路維護成本。

1、研究背景

目前國內風電場集電線路的設計大多采用了架空輸電線路的方式，利用水泥組合桿、架空鐵塔等來進行布置。首先，集電線路的安裝、更換、運輸等面臨極大的問題，相關工作人員的施工難度極大，且建設成本過高，不利因素過多。對于線路架設完成后的正常維修、保養工作要求極高，風力發電場的地理位置不利，無法及時將線路運行中的故障及時排除并更換，后期的監督管理工作只能艱難的進行，工作效率十分低下。在運行的過程中這種架空形式的線路經常受到自然災害及地形復雜的影響，特別是出現狂風、暴雨、覆冰、雷電、鳥群等異常因素時，容易出現倒桿、斷線、接地、短路、雷擊等故障，且因線路布置的距離、海拔、地形的影響，風電場運行維護不能第一時間去到現場查找故障處理，更不能第一時間確保查找出故障點，從而很難采取有效措施進行處理，給風電場帶來了巨大的經濟損失。基于此，我們對風力發電場的集成線路運行進行了優化和改造。

2、風力發電場集電線路接線形式

通常情況下，風電場的集電線路有三種形式，分別為架空線方式、地埋電纜式以及架空線和地埋電纜相結合的方式。架空線方式是指風電機組經過箱變升壓后接入到架空線路上，通過架空線路接入到升壓站的高壓配電室;地埋電纜式是指風電機組經箱變升壓后接入電埋高壓電纜，通過高壓電纜接入到升壓站的高壓配電室。架空線和地埋電纜相結合的方式是指風電機組通過箱變升壓后采用架空線與地埋電纜相結合的方式接入到升壓站的高壓配電室。此三種方式一般情況下，考慮風場的建設成本、線路的地形情況、海拔高度、環境災害等情況來安排合理設計。從投資資金成本來看，風電場集成線路優先選擇架空線路，因為這種線路相對來說經濟性比較強，可以在確保風力發電質量的前提下減少施工的成本。如果發電場是在一些地形海拔變化起伏大、天然林區或者跨景區、跨鐵路、高速等區域時可以采用架空、電纜相結合的方式，在海濱旅游、高山區域的時候就可以采用地埋電纜的方式。

3、風力發電場集電線路優化改造

以某風電場為例說明：某風場安裝 2000 kW 風電機組共 24臺，總裝機容量為48 MW，風電場至升壓站的集電線路采用 35kV 架空線路方式。沿線海拔高程：300m-1000m，其中斷面最高塔：S35塔海拔955.719m，最低塔：S15塔海拔380.44m.本工程分為 A、B 兩回集電線路，其中： A 回聯接12 臺風電機組， B 回聯接12臺風電機組，架空線路采用單回線路形式，共129基，線路總長27.8 km，其中雙回路亙長14.26km，單回路亙長12.58km，架空線路導線：LGJ- 240 / 30 型鋁包鋼芯鋁絞線; 通訊采用OPGW 光纜。懸垂及耐張均采用型號為 FXBW4-35/70耐污復合絕緣子（1min工頻耐受電壓有效值95kV，雷電沖擊耐受電壓峰值230kV）。

該風場集電線路的布置有幾個特點：布置線路長，地形海拔跨度起伏較大，處于山谷林間，鳥類分布較多，每年春秋檢活動都要耗費大量時間與人力清除鳥窩，也帶來了風場人員頻繁上下鐵塔帶來的人身安全風險。并且還曾發生過鳥類碰觸終端塔架線短路事故。另外山谷間多云霧，且年降雨量較多，據廣西三維雷電定位系統監測資料統計分析該風場位于雷暴頻繁區域。2017-2018年，發生了雷擊跳閘13次。損失電量累計近100萬KWh.

該風場通過對集電線路各項運行工況進行分析，進行了一系列的優化改進。

3.1安裝驅鳥器，有效治理鳥類危害

鳥類在線路桿塔橫擔上筑巢、活動頻繁，會對電力線路產生極大的不良影響，鳥巢和鳥糞也會對電力設備安全的穩定運行造成危害，因此加強線路鳥害防治具有重要意義。該風場采用了風力驅鳥器，每基鐵塔安裝四個。此產品采用獨特的軸承，以風力為動力，在風輪上加裝反光鏡片，風輪轉動時利用光學反射原理在驅鳥器周圍形成一個散光區，使鳥類懼光不敢靠近筑巢、棲息，從而有效保證集電線路穩定運行，又保護了鳥類不受電力線傷害。

3.2改造避雷器，有效減少雷擊危害

從該風場集電線路故障記錄與避雷器損壞分析，線路跳閘故障大部分情況下都伴隨著避雷器損壞的情況，結合現場情況，以下問題或許存在：

（1）避雷器選型存在問題：該風場風機及集電桿塔都處于該區域的高處，屬于多雷雨地區，極易受到直擊雷或者感應雷的沖擊，從而對避雷器的性能要求就會很高。首先是對避雷器的工藝要求需要重視，需選用品牌可靠、性能優異的避雷器，（避雷器損壞的60%的概率都是由避雷器密封等工藝問題引發）;其次對于這些容易遭受多次頻繁雷擊的地方選用避雷器，需盡量選用2mS方波容量大、標稱電流較大的避雷器，由現在發生的故障來看，現有的2ms方波電流400A、標稱電流5kA的產品顯然太小，當有較大雷擊電流入侵時，避雷器無法耐受，發生熱崩潰，由于沒有自動脫離裝置，損壞的避雷器會導致接地短路故障，導致跳閘。后改造選用2ms方波電流達到600A、標稱電流10kA的產品，方可有效泄流，;第三，現有型號為51/134，其中額定電壓是51kV，對于風電這種小電網小容量系統來說，系統電壓易受外部因數影響，導致不穩定，可適當提高額定電壓至54kV，以提高避雷器承受過電壓的能力。第四，對該風場整個集電線路海拔剖面進行了分析，在線路海拔高處、山谷云霧處的鐵塔上安裝人工引雷針，利用人工引雷針良好的導雷特性引雷經鐵塔泄放大地。有效防范直擊雷、云對云放電等雷電活動危害。

（2）避雷器質量存在問題，產品老化嚴重：在不考慮預試數據讀取誤差的情況下，通過近兩年的預試數據分析，發現大部分避雷器均呈現絕緣降低、泄漏電增大、耐電壓下降等問題。

（3）避雷器的結構存在問題：現有避雷器安裝使用方案為避雷器本體直接上網，下接計數器。該方案屬于落后的方案，現電網公司線路保護型避雷器很多已經采用帶脫離裝置的免維護方案。

如何能防范避雷器故障的發生，以及避雷器故障發生后可以迅速切斷避雷器，同時又能有效發揮避雷器保護線路及其他貴重設備的作用，不影響正常生產。目前較有針對性的方法是：安裝更換大方波電流大標稱電流的避雷器，安裝方便觀察的在線監測儀，可以實時監測避雷器的動作次數及泄漏電流，實現提前預判避雷器的是否良好;同時安裝可靠的分頻分流式脫離器，避雷器故障時，脫離器動作，避雷器從主網中斷開，風機正常運行發電。通過這種設計，可以有效的防止避雷器故障導致的跳閘，風機非正常停運的問題。

3.3 清除樹障，消除大風天氣樹木碰觸導線的危害

該風場35kV系統采用消弧線圈接地，故35kV系統保護配置為階段式三段過流保護出口，零序保護只投告警。電網受到雷擊或發生單相電弧性接地時，中性點電位將上升到相電壓，這時流經消弧線圈的電感性電流與單相接地的電容性故障電流相互抵消，使故障電流得到補償，補償后的殘余電流變得很小，不足以維持電弧，從而自行熄滅。這樣，就可使接地故障迅速消除而不致引起過電壓。該風場自投運以來，一直存在一遇大風天氣便啟動故障錄波零序告警，通過巡檢發現，多處線路上方或側方樹冠因放電燒黃。原因均為線路與樹木距離不夠，加上此地樹木為桉樹，其生產較快且直，遇風時風擺幅度較大，故易造成碰觸導線。后該風場對線路所經過樹木全進行砍青，導線四周5米處樹木全進行了砍伐。明再遇大風天氣時，在消弧線圈調整到位的情況下再無零序告警。

結語：

該風場后續還進行除冰改造、集電線路鐵塔接地電阻改造、兩鐵塔之間架空導線改為鋁芯電纜埋設的改造（因其跨度太長，山谷之間云霧迷漫濕氣大，易引起導線上引線接頭銹蝕嚴重而放電打火斷線的故障），總而言之，在對集電線路進行布置的時候應當從結構和風電機組分布、地形影響，防雷保護、小動物破壞、除冰等方面來進行行設計，選擇合適的接線方式，不但地優化線路運行的方式，從而提高發電場的安全可靠性。風力發電場集電線路的實用化程度比較高，在未來有著非常廣闊的應用前景。與此同時也給電力企業創造了巨大的經濟效益，在一定程度上促進了國家經濟的發展。

參考文獻：

[1]于潤權.風力發電場集電線路優化改造研究及應用[J].科技資訊，2015（25）.

[2]張浩.風電場集電線路優化探討[J].風能，2014（06）.

[3]邢李方.風電場集電線路引流線故障分析與對策[J].通信電源技術，2018（12）.

作者簡介：

舒業軍（1978-）男，現從事風力發電生產運營管理工作。