冰雪災害對集電線路的影響及應對措施

　　摘要：為促進風電供給更高效、穩(wěn)定，結合已建工程在運維實際發(fā)生的事故實例，探討今后如何完善規(guī)劃、設計、施工階段的不足，希望能為保障集電線路安全提供一些思路。

　　本文源自山西建筑,2020,46(23):100-102.《山西建筑》(旬刊)創(chuàng)刊于1975年，由山西省住房和城鄉(xiāng)建設廳主管，山西省建筑科學研究院主辦，面向國內(nèi)外公開發(fā)行，是山西省建設行業(yè)唯一的一份國家級刊物，山西省一級期刊。雜志社設有編輯部、廣告部、發(fā)行部和排版中心，共有采編40余人，主編1人，副主編3人，責任編輯6人，編輯30余人。

　　1、集電線路的現(xiàn)狀

　　集電線路既可采用架空線路方式也可采用電纜敷設的方式。而根據(jù)現(xiàn)狀，除個別地區(qū)由于土地和環(huán)境資源的制約，只能采用電纜敷設的方式外，由于大部分風電場取址土地貧瘠，避免了與人爭地，故較多采用造價經(jīng)濟、運維方便的架空方式。其線路路徑盡量靠近風機位，方便風機變壓器與架空線路或地埋電纜連接。

　　由于風資源條件好，自然條件惡劣，地廣人稀，氣象資料稀缺，冰、風災害頻繁，故而一些新建的風電場就規(guī)劃為無人執(zhí)守風電場，而一些已經(jīng)投運的，也嘗試采用遠程遙控等方式改造成無人執(zhí)守風電場。

　　2、冰災事故實例分析

　　由于我們近年來實施的風電工程多數(shù)在山西、河北、內(nèi)蒙，即華北地區(qū)的風電情況掌握比較多，下述的冰風實例具有代表性。

　　2.1冰風事故概況

　　2015年11月5日～6日，大風、大霧、雨夾雪、冰凍極端惡劣天氣，氣溫零度以下，大于十分鐘平均風速20m/s。

　　晉北某風電場首先出現(xiàn)雨夾雪大風天氣、風速儀出現(xiàn)凝凍現(xiàn)象、全場失電，受晚間視線和路面濕滑的影響沒有巡檢。6日白天巡線發(fā)現(xiàn)風電場中的一些狀況，見圖1～圖5。

　　圖135kV集電Ⅰ線010塔中部折斷，A相導線斷線

　　初步判斷覆冰后導地線發(fā)生脫冰跳躍或者局部斷線導致跳閘斷電，后續(xù)冰雪不斷裹挾，而北方白天氣溫回升緩慢，不能及時融冰，隨后而來大風和覆冰共同作用，造成斷線、倒塔。

　　在2015年春初秋末的冰雪災害中，大部分華北地區(qū)風電場都有相似的遭遇。

　　圖2光纜覆冰情況

　　圖3導線覆冰情況

　　圖4金具覆冰情況

　　圖5塔身覆冰情況

　　2.2覆冰成因分析

　　根據(jù)覆冰形成的基本條件進行劃分。覆冰形成的條件是:

　　1)具有較大的濕度，即空氣相對濕度一般在85%以上。

　　2)具有足可凍結的氣溫，即0℃以下。

　　3)具有可使空氣中水滴運動之風速，即大于1m/s的風速。

　　較大的濕度和較低的氣溫是構成覆冰的兩個基本條件，二者缺一不可。適宜的風(不大于10m/s)是加速覆冰的條件。

　　導線的覆冰按其結冰的性質(zhì)分為雨淞、霧淞、雨霧混合淞和覆雪四種[1]:

　　1)雨淞是由粒徑較大的過冷卻水滴接觸到很冷的物體時凍結成的透明狀冰殼，密度大，附著力強，常伴有冰柱;

　　2)霧淞是由粒徑較小過冷卻霧滴凍結或由水汽直接凝華而成，形呈針狀或羽毛狀結晶，白色疏松，密度小，粘附力弱，通常在物體的迎風面凍結;

　　3)雨霧混合淞是由雨淞、霧淞或覆雪迭凝而成的凍結物，冰體呈半透明狀，有一定的粘附力，常在物體的迎風面凍結;

　　4)覆雪是雨夾雪沾在電線上形成的。冰體呈白色堆積狀，密度和粘附力均較小。

　　北方覆冰受氣候條件的影響多是覆雪、霧淞和少量的雨霧混合淞，它密度小，體型大。

　　3、冰災事故后的反思

　　3.1同時風速、標準冰厚的選取

　　取歷史最大觀測覆冰重量，按下式計算標準冰厚[1]:

　　式中:B0———標準冰厚，mm;

　　G———冰重，g;

　　L———覆冰長度，m;

　　r———導線半徑，mm(4mm)。

　　DL/T5158—2012電力工程氣象勘測技術規(guī)程(4.3.3-1)。

　　依規(guī)程計算標準冰厚[1]、同時風速10m/s(中冰區(qū))和15m/s(重冰區(qū))[2]設計的中、重冰區(qū)塔，經(jīng)受大數(shù)倍標準冰厚的低密度大輪廓覆雪、霧淞[1]，加實際風速遠大于15m/s的作用，斷線、倒塔應在預料之中。

　　請注意此時的大風，遠遠超過DL/T5440—2009重覆冰架空輸電線路設計技術規(guī)程(表6.0.5-2)規(guī)定的10m/s(中冰區(qū))和15m/s(重冰區(qū))同時風速[2]。冰災事故多發(fā)生在初冬和冬末春初，此時正值北方大風肆虐。

　　晉北地區(qū)風場多數(shù)冰雪災害的順序是這樣的，首先是覆冰閃絡造成跳匝斷電;隨后密度小，體型大的覆雪、霧淞和少量的雨霧混合淞越積越厚，同時風速不小于20m/s;再后雨雪停止，此時風場氣溫回升緩慢不足以融化覆冰，而低海拔處冰雪融化，于是冷暖空氣交融，接近設計風速的大風作用在冰雪覆蓋的線路上，或先斷線不造成倒塔或倒塔、再拖拽斷導地線或拖拽倒相鄰桿塔。

　　3.2冰災給風電場帶來的損失

　　冰災帶來的直接經(jīng)濟損失有搶修費用、電量損失、雙細則考核費，經(jīng)統(tǒng)計冰災損失占所有災害損失的八成以上，見圖6。

　　圖6冰災損失占比

　　3.3對風力發(fā)電機組的影響

　　集電線路突然失電的情況下，風力發(fā)電機組啟動保護停機程序，若剎車、變槳等重要設備出現(xiàn)異常，容易出現(xiàn)失速、飛車事故。結合風電場實際情況與經(jīng)驗，通常表現(xiàn)在以下兩方面:

　　1)對設備的影響。

　　a.機械設備沖擊大;

　　b.電子元器件壽命降低。

　　2)風力發(fā)電機組恢復時間長。

　　集電線路帶電后，風力發(fā)電機組故障頻發(fā)，風電場檢修維護人員無法及時處理;按風電場經(jīng)驗，一般5d～7d內(nèi)風力發(fā)電機組才可穩(wěn)定運行。

　　4、應對措施

　　采用大輪廓覆雪、霧淞的實際冰厚取代標準(設計)冰厚[3]、采用基本風速[3]取代同時風速[2]，勢必會引起投資過大的增加。通過采用如下應對措施，對既有風場的改造、新設計風場的嘗試，運行情況穩(wěn)定良好。

　　1)對運行出現(xiàn)過嚴重的不均勻覆冰或特大風速的微地形、微氣象點，將直線塔改為耐張承力塔;

　　2)對個別迎風開闊的地區(qū)、山頂、分水嶺、埡口、水氣充足的地區(qū)，尤其是桿塔兩側(cè)覆冰差異很大處，直線塔當改為耐張塔，當受到地形限制時則采用，加大主材、連接處改雙剪刀形式;單斜系統(tǒng)的連接螺栓采用雙帽加防松的辦法;

　　3)對部分采用普通懸垂線夾，曾出現(xiàn)過不均勻脫冰時線夾滑動的微地形點，將普通懸垂線夾更換為重冰區(qū)大握力懸垂線夾;

　　圖735kV集電I線010塔修復后的情況

　　4)對耐張段過長、檔距過大、前后檔高差過大，且由于不均勻覆冰發(fā)生過事故的地段，采取減小檔距、縮小耐張段長度;

　　5)對轉(zhuǎn)角塔的轉(zhuǎn)角度數(shù)留有5°余度;避免出現(xiàn)極大檔、極小檔;

　　6)采用地埋電纜與架空線相結合;

　　7)對搶修工程受工期或地形限制，無法依上述方法實施的，可利用原未受損的基礎，對上部鐵塔做主材更換高強鋼、重新輔材布置、減少長細比、增加節(jié)點強度等措施。如圖7所示是事故修復后安全運行的狀況圖。

　　通過上述措施，大部分參與改造的風場和新設計的風場擺脫了冰風災害情況下的倒塔、斷線事故，同時我們也在不斷地總結經(jīng)驗教訓，為實現(xiàn)風電供給更高效、穩(wěn)定的理想而努力。

　　應該說風電場集電線路所處的環(huán)境是屬于輸電線路首先避讓的環(huán)境。相關的規(guī)程、規(guī)范的編制是依據(jù)全國、行業(yè)的冰風條件，考慮安全性和經(jīng)濟性制定的。隨著風電場建設經(jīng)驗的積累、氣象資料的完善，新規(guī)程、規(guī)范的覆蓋性會更好。

　　參考文獻：

　　[1]DL/T5158—2012,電力工程氣象勘測技術規(guī)程[S].

　　[2]DL/T5440—2009,重覆冰架空輸電線路設計技術規(guī)程[S].

　　[3]GB50545—2010,110kV~750kV架空輸電線路設計規(guī)范[S].