山區(qū)風(fēng)電場(chǎng)集電線路冰災(zāi)倒塔原因分析與對(duì)策

文 | 馬建春，趙懷宇，馬風(fēng)有

風(fēng)電場(chǎng)集電線路主要功能是匯集風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)各風(fēng)電機(jī)組所發(fā)的電能并送至升壓變電站，主要有架空、直埋電纜和架空與電纜混合使用三種形式。受風(fēng)電機(jī)組機(jī)位布置以及場(chǎng)內(nèi)道路因素制約限制，集電線路路徑可選擇余地較小，而風(fēng)電機(jī)組一般位處海拔較高、基本風(fēng)速大的地方，如果環(huán)境溫度、濕度適合，集電線路覆冰的機(jī)率就非常大。

2011年至今，河北省張家口壩上地區(qū)多個(gè)風(fēng)電場(chǎng)連續(xù)發(fā)生多起倒塔事故，集電線路搶修期間，多臺(tái)風(fēng)電機(jī)組電能無(wú)法正常匯集送出，給項(xiàng)目建設(shè)單位造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。設(shè)計(jì)單位有必要認(rèn)真總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，避免此類事故的再次發(fā)生。

河北張家口地區(qū)集電線路冰災(zāi)倒塔事故

一、冰災(zāi)倒塔事故回顧

（1）2011年10月16日至11月22日，河北省張家口地區(qū)某風(fēng)電場(chǎng)有4基直線塔發(fā)生傾覆，1基轉(zhuǎn)角塔發(fā)生扭曲破壞，如圖1、圖2所示。

（2）2012年9月28日至10月23日，上述風(fēng)電場(chǎng)再次發(fā)生3基直線塔倒塌事故，其中一基直線塔在兩次冰災(zāi)事故中均發(fā)生了傾覆破壞。

二、倒塔事故現(xiàn)場(chǎng)資料采集

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察及冰災(zāi)發(fā)生后搜集整理的氣象資料，得到上述風(fēng)電場(chǎng)冰災(zāi)倒塔事故的特征如下：

（1）兩起倒塔事故均發(fā)生在秋冬季節(jié)交換時(shí)期，塔位處海拔高程1900m-2150m，事故發(fā)生時(shí)當(dāng)?shù)貧鉁?2.4℃至-3.3℃之間，相對(duì)濕度在87%-97%，附近氣象站記錄的平均風(fēng)速為13.9m/s，風(fēng)向?yàn)镾W、WSW、W，風(fēng)向與風(fēng)電場(chǎng)的東南-西北走向集電線路路徑夾角較大。

（2）事故風(fēng)電場(chǎng)桿塔導(dǎo)線覆冰后最大直徑120mm-140mm，覆冰類型為霧凇，折算成標(biāo)準(zhǔn)冰厚為15.6mm-21.5mm。

（3）傾覆塔型全部為單回路直線塔，一基單回路轉(zhuǎn)角塔塔身發(fā)生扭曲破壞。

（4）傾覆直線塔彎折傾覆位置均在導(dǎo)線橫擔(dān)以下的第二段塔身處。

（5）傾覆直線塔前后側(cè)檔距相差均較大。

冰災(zāi)倒塔事故原因分析

一、集電線路桿塔覆冰必要條件

圖1 35kV直線塔傾覆現(xiàn)場(chǎng)

圖2 35kV耐張塔扭曲現(xiàn)場(chǎng)

集電線路桿塔覆冰主要有雨凇、霧凇、混合淞、濕雪等形式，針對(duì)河北省張家口壩上地區(qū)，由于該地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)海拔較高，在每年10月-11月秋冬交替季節(jié)和次年1月-3月倒春寒時(shí)，線路桿塔覆冰概率較高，集電線路桿塔覆冰形式主要為霧凇和混合淞。

（1）大氣條件：適當(dāng)?shù)臏囟?、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向是形成導(dǎo)線覆冰的大氣條件。針對(duì)霧凇，當(dāng)環(huán)境溫度在-8℃至-15℃之間，相對(duì)濕度在85%以上，風(fēng)速在2m/s-10m/s范圍內(nèi)，風(fēng)向與集電線路走向夾角45度-150度時(shí)，最有利于霧凇的形成。而對(duì)于混合淞，形成溫度在-3℃至-9℃之間，晴冷天氣時(shí)雨凇與霧凇交替重疊形成，其生長(zhǎng)速度快、粘著力強(qiáng)，對(duì)桿塔危害特別嚴(yán)重。

（2）地形條件：主要包括山脈走向和坡向、山體部位、海拔高度及江湖水體等。一般來(lái)講，海拔相對(duì)較高的山埡口、迎風(fēng)坡和分水嶺區(qū)域出現(xiàn)覆冰的機(jī)會(huì)較多。在海拔較高的山上，常有云霧環(huán)繞、空氣濕度很高、風(fēng)速較大、氣溫較低、凍結(jié)高度以上的地區(qū)容易形成霧淞，而在山嶺背風(fēng)面，過(guò)冷卻水滴和覆冰風(fēng)速因有屏蔽作用均明顯減小，覆冰就不會(huì)很嚴(yán)重。

二、重冰地區(qū)集電線路桿塔荷載分析

風(fēng)電場(chǎng)集電線路電壓等級(jí)一般為35kV，常用的地線型號(hào)為GJ-35、GJ-50，常用的導(dǎo)線型號(hào)為L(zhǎng)GJ-95/20、LGJ-150/25、LGJ-240/30，導(dǎo)地線覆冰后垂直載荷、水平荷載隨覆冰厚度增加的變化情況如圖3、圖4所示。

由圖3、圖4可以看出，針對(duì)同一覆冰厚度，隨著導(dǎo)地線型號(hào)的增加，導(dǎo)地線覆冰后垂直荷載和水平荷載增加幅度呈下降趨勢(shì)；導(dǎo)地線截面越小，其受覆冰垂直、水平荷載影響的程度就越大，小截面導(dǎo)地線抗覆冰過(guò)載能力較差。

針對(duì)覆冰工況，桿塔導(dǎo)地線縱向張力大小與桿塔前后側(cè)導(dǎo)地線覆冰程度、高差大小以及導(dǎo)地線脫冰不均勻程度有關(guān)，在覆冰率相同時(shí)，桿塔導(dǎo)地線縱向張力隨導(dǎo)地線覆冰厚度的增加而增加。如果塔位處于山頂，垂直檔距較大且兩側(cè)檔距相差懸殊時(shí)，桿塔受不均勻覆冰影響所產(chǎn)生的縱向不平衡張力就很大，該塔位就非常危險(xiǎn)。

三、集電線路倒塔原因分析

（1）原始覆冰設(shè)計(jì)輸入條件嚴(yán)重偏離實(shí)際

倒塔事故所涉及的風(fēng)電場(chǎng)均位于張家口壩上地區(qū)，海拔較高，山勢(shì)陡峭，人煙稀少，風(fēng)電場(chǎng)投運(yùn)之前，風(fēng)電場(chǎng)范圍內(nèi)無(wú)架空輸電線路經(jīng)過(guò)，集電線路設(shè)計(jì)所需要的氣象資料均依據(jù)附近沽源氣象站的實(shí)測(cè)資料的統(tǒng)計(jì)提出，而沽源氣象站位于事故風(fēng)電場(chǎng)北側(cè)約45km處，海拔高度為1412.0m，根據(jù)該氣象站1983年-2007年累年數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，倒塔風(fēng)電場(chǎng)最大導(dǎo)線覆冰標(biāo)準(zhǔn)厚度僅為2.09mm。

據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，河北省張家口地區(qū)事故風(fēng)電場(chǎng)發(fā)生傾覆的鐵塔位置、當(dāng)時(shí)的氣象條件等均與覆冰的必要條件相吻合，鐵塔導(dǎo)線覆冰后直徑達(dá)100mm-120mm，折算成標(biāo)準(zhǔn)冰厚為15.6mm-21.5mm，與原施工圖設(shè)計(jì)5mm覆冰相比偏差很大。

（2）超設(shè)計(jì)覆冰與大風(fēng)荷載的共同作用

依據(jù)現(xiàn)行《66kV及以下架空電力線路設(shè)計(jì)規(guī)范》以及《重覆冰架空輸電線路設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定，針對(duì)覆冰不大于10mm的輕冰區(qū)，覆冰同時(shí)風(fēng)速取10m/s，重冰區(qū)為15m/s。而據(jù)現(xiàn)場(chǎng)搶修人員反映，風(fēng)電場(chǎng)桿塔覆冰后未融化前刮過(guò)“白毛風(fēng)”，因風(fēng)電機(jī)組頂部安裝的風(fēng)速記錄儀被凍結(jié)，無(wú)法取得當(dāng)時(shí)風(fēng)速的實(shí)測(cè)值，但根據(jù)經(jīng)驗(yàn)風(fēng)速應(yīng)不小于20m/s，因?yàn)轱L(fēng)壓與風(fēng)速的平方成正比，桿塔在超大覆冰垂直荷載和風(fēng)荷載的共同作用下發(fā)生傾覆是在所難免的。

圖3 覆冰厚度與導(dǎo)地線重量關(guān)系曲線

圖4 覆冰厚度與導(dǎo)地線水平荷載關(guān)系曲線

（3）集電線路所使用鐵塔結(jié)構(gòu)存在的缺陷

1.鐵塔三相導(dǎo)線非對(duì)稱布置。以35kV上字形直線塔為例，鐵塔中心線一側(cè)有一相導(dǎo)線，而另一側(cè)有兩相，當(dāng)較大覆冰現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，導(dǎo)線與覆冰自重的疊加值對(duì)塔身產(chǎn)生一個(gè)很大的附加彎矩作用，當(dāng)此附加彎矩與垂直于線路方向的大風(fēng)工況疊加作用時(shí)，塔身結(jié)構(gòu)中個(gè)別桿件首先發(fā)生壓曲破壞而退出工作，從而導(dǎo)致整基鐵塔彎折傾覆。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘察，所有事故直線塔均沿垂直于線路方向且向兩相導(dǎo)線一側(cè)發(fā)生彎折，就印證了這一點(diǎn)，見圖1。

2.塔身斜材布置形式對(duì)鐵塔受力的影響。目前風(fēng)電場(chǎng)集電線路所使用的鐵塔一般取自我國(guó)20世紀(jì)70年代-20世紀(jì)80年代的典型設(shè)計(jì)型錄，鑒于當(dāng)時(shí)的經(jīng)濟(jì)條件，為最大限度地節(jié)約鋼材，塔身斜材為之字形布置的單斜材，塔身主材采用平行軸布置。依據(jù)規(guī)范，平行軸布置主材計(jì)算長(zhǎng)度L0取1.2L，計(jì)算回轉(zhuǎn)半徑為rx，最小軸布置時(shí)主材計(jì)算長(zhǎng)度L0取L，計(jì)算回轉(zhuǎn)半徑為ry0，而角鋼rx≈1.5ry0，構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比為構(gòu)件計(jì)算長(zhǎng)度與回轉(zhuǎn)半徑的比值，因此λ平≈0.8λ小，λ越小，查出的軸心受壓穩(wěn)定系數(shù)φ越大，計(jì)算出的構(gòu)件應(yīng)力越小，選出的主材規(guī)格越小。因此，平行軸布置選用的主材偏小。主材平行軸布置結(jié)構(gòu)在鐵塔真型試驗(yàn)中屢次發(fā)生失穩(wěn)破壞，其計(jì)算長(zhǎng)度的取值有待進(jìn)一步探討。

3.塔身隔面布置對(duì)鐵塔抗扭剛度的影響也不容忽視?，F(xiàn)行規(guī)范中鐵塔橫隔面間距布置原則是“同一塔身坡度不變段內(nèi)一般不大于平均寬度（面寬）的5倍，也不宜大于4個(gè)主材分段”，而針對(duì)35kV集電線路鐵塔，鐵塔呼稱高和鐵塔根開一般較小，4個(gè)主材分段要求很容易滿足，而平均寬度的5倍這一要求就需要認(rèn)真核對(duì)，從現(xiàn)場(chǎng)直線塔破壞位置來(lái)看，主要是在第二段最下邊節(jié)間處發(fā)生彎折，而第二段隔面設(shè)置剛剛滿足平均寬度5倍的要求，雖然鐵塔計(jì)算和構(gòu)造滿足要求，但隔面間距偏大，塔身的抗扭剛度較小，鐵塔的抗冰能力較弱。

（4）集電線路桿塔定位方面的原因

由于發(fā)生倒塔事故的風(fēng)電場(chǎng)在初步設(shè)計(jì)階段搜集的資料中就缺乏重冰數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，集電線路終勘定位時(shí)未采取針對(duì)重冰的防范措施，導(dǎo)致線路定位成果存在很多不合理性，主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

1.鐵塔前后側(cè)檔距不均。由于事故風(fēng)電場(chǎng)地形條件復(fù)雜，集電線路定位時(shí)出現(xiàn)了多處鐵塔前后側(cè)檔距極不均勻現(xiàn)象，當(dāng)導(dǎo)地線出現(xiàn)較大覆冰時(shí)，鐵塔縱向存在很大的張力差，在垂直于線路方向的側(cè)向風(fēng)作用下，鐵塔受力較大的某段主材壓應(yīng)力出現(xiàn)疊加后發(fā)生屈曲破壞而退出工作，帶動(dòng)其他構(gòu)件破壞而使整基鐵塔發(fā)生彎折。

2.個(gè)別區(qū)段處出現(xiàn)較大度數(shù)的轉(zhuǎn)角。在《重覆冰架空輸電線路設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》中明文規(guī)定在重覆冰地區(qū)，桿塔轉(zhuǎn)角度數(shù)不宜過(guò)大，這是因?yàn)橹乇a(chǎn)生的角度荷載隨轉(zhuǎn)角度數(shù)的增加而顯著增大。而在上述倒塔事故中發(fā)生扭曲破壞的轉(zhuǎn)角塔，位于突出的山體頂部，海拔高程2166m，線路轉(zhuǎn)角73.5度，在發(fā)生較大覆冰時(shí)，導(dǎo)地線在橫擔(dān)軸線方向產(chǎn)生很大的張力，并與覆冰融化前在橫擔(dān)軸線方向產(chǎn)生的大風(fēng)應(yīng)力疊加，使該基轉(zhuǎn)角塔內(nèi)角側(cè)主材首先壓屈變形，從而帶動(dòng)其周圍塔身正面交叉材變形而退出工作，使整基鐵塔發(fā)生扭曲破壞，見圖2。

冰災(zāi)倒塔事故防范及處理措施

集電線路承載的是匯集、輸送風(fēng)電機(jī)組所發(fā)電力的功能，集電線路運(yùn)行可靠性與風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電效益緊密相連，因?yàn)榧娋€路一旦發(fā)生倒塔事故，風(fēng)電場(chǎng)一個(gè)回路甚至幾個(gè)回路的風(fēng)電機(jī)組所發(fā)電能將無(wú)法送出，會(huì)給項(xiàng)目建設(shè)單位造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。如何防范冰災(zāi)倒塔事故的發(fā)生是集電線路設(shè)計(jì)單位所面臨的必須解決的技術(shù)課題。以下為對(duì)處理和防范集電線路冰災(zāi)倒塔事故的一點(diǎn)體會(huì)和建議，供設(shè)計(jì)時(shí)參考：

一、充分搜集氣象資料。對(duì)風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域內(nèi)以及附近氣象站、已建電力線、通信線路歷年覆冰情況進(jìn)行廣泛調(diào)查，在分析計(jì)算的基礎(chǔ)上，盡可能較準(zhǔn)確地搜集到或推測(cè)出覆冰厚度值，對(duì)地處埡口、分水嶺、迎風(fēng)坡、山頂?shù)纫资芪⒌匦?、微氣象因素影響區(qū)段的集電線路，設(shè)計(jì)冰厚宜適當(dāng)加大。

二、合理選用集電線路形式。對(duì)發(fā)生覆冰量級(jí)大、發(fā)展快、消融迅速區(qū)段的集電線路，在經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析的基礎(chǔ)上，盡可能采用直埋電纜方式。

三、對(duì)可能出現(xiàn)較大覆冰而無(wú)法避免采用架空形式時(shí)，集電線路設(shè)計(jì)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1）合理選擇架空集電線路路徑，盡量走陽(yáng)坡，避開埡口、湖泊或水庫(kù)下風(fēng)向等，避免線路走向與覆冰期主風(fēng)向發(fā)生正交。

（2）對(duì)可能受微地形、微氣象因素影響而出現(xiàn)較大覆冰區(qū)段，應(yīng)重點(diǎn)防范。

1.采用導(dǎo)線呈對(duì)稱布置的高電壓等級(jí)直線塔，雖然短期投資會(huì)有所增加，但從集電線路長(zhǎng)期運(yùn)行以及事故發(fā)電量損失情況來(lái)看，局部提高安全設(shè)防等級(jí)是十分必要的。

2.鐵塔計(jì)算嚴(yán)格執(zhí)行現(xiàn)行《66kV及以下架空電力線路設(shè)計(jì)規(guī)范》的相關(guān)條款，對(duì)規(guī)范中規(guī)定較為模糊的部分，應(yīng)參考現(xiàn)行桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定、《重覆冰架空輸電線路設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》中的有關(guān)規(guī)定執(zhí)行，塔身主材宜采用最小軸布置，適當(dāng)減小塔身隔面之間的距離，增強(qiáng)塔身的抗扭剛度，提高使用桿塔的抗冰能力。

3.集電線路終勘定位時(shí)，要盡量避免大轉(zhuǎn)角、大檔距、鐵塔前后側(cè)檔距不均勻等情況的發(fā)生。

4.桿塔定位盡量避開微地形地段，無(wú)法避開時(shí)應(yīng)采取縮小檔距、縮小耐張段長(zhǎng)度等措施，增強(qiáng)桿塔的抗冰能力。

5.對(duì)可能發(fā)生舞動(dòng)區(qū)段，全塔螺栓應(yīng)裝雙帽防松，防止導(dǎo)線脫冰跳躍時(shí)因螺栓脫落而使鐵塔部分構(gòu)件退出工作，進(jìn)而造成整基鐵塔失穩(wěn)傾覆。

6.對(duì)于地處海拔高、風(fēng)速大、覆冰較為嚴(yán)重地段的直線塔，可考慮采用上字形三相“V”串直線塔，以減小導(dǎo)線覆冰后垂直荷載對(duì)塔身的力臂，同時(shí)由于“V”串限制了導(dǎo)線搖擺，導(dǎo)線風(fēng)偏放電、電纜上塔T接線折斷等問(wèn)題一并得到改善。

7.對(duì)已投運(yùn)集電線路，一旦發(fā)生倒塔事故，應(yīng)在充分搜集資料的基礎(chǔ)上，合理確定覆冰厚度以及覆冰同時(shí)風(fēng)速等鐵塔補(bǔ)強(qiáng)驗(yàn)算所需要的邊界條件，按可能發(fā)生的最嚴(yán)重的荷載條件一次整改到位，如條件允許，重要危險(xiǎn)地段應(yīng)直接改成直埋電纜方式，徹底根除倒塔事故發(fā)生的可能性。

結(jié)語(yǔ)

風(fēng)電場(chǎng)集電線路發(fā)生倒塔事故，一般是由多方面因素綜合作用的結(jié)果，防患于未然，盡量避免倒塔事故發(fā)生是設(shè)計(jì)單位首要考慮的技術(shù)問(wèn)題，防止冰災(zāi)倒塔事故的發(fā)生應(yīng)從以下幾個(gè)方面入手：

（一）充分搜集風(fēng)電場(chǎng)周邊水文氣象資料，對(duì)集電線路設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確詳實(shí)的資料和建議。

（二）在進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較的前提下，合理確定集電線路形式。

（三）合理選擇架空集電線路路徑，避免因微地形、微氣象因素而使部分區(qū)段出現(xiàn)較大覆冰，對(duì)于無(wú)法避免的微地形、微氣象區(qū)段，勘測(cè)相關(guān)專業(yè)應(yīng)在勘測(cè)報(bào)告中提出并對(duì)覆冰厚度、覆冰時(shí)同時(shí)風(fēng)速等具體參數(shù)提出有效建議值。

（四）架空集電線路終勘定位時(shí)應(yīng)盡量避免出現(xiàn)大轉(zhuǎn)角、大檔距以及前后側(cè)檔距相差懸殊等情況。

（五）鐵塔設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)參照?qǐng)?zhí)行較高電壓等級(jí)的規(guī)程規(guī)范，所設(shè)計(jì)的鐵塔要有一定的抗冰能力儲(chǔ)備。

（六）在冰災(zāi)倒塔事故處理時(shí)，覆冰參數(shù)取值要留有一定裕度，鐵塔補(bǔ)強(qiáng)整改盡量一次到位，避免重復(fù)倒塔。