湖南南方風(fēng)電覆冰機(jī)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(huán)山一面臨水且冬季氣溫低，導(dǎo)致每年都會出現(xiàn)覆冰天氣。風(fēng)電場大多位于中高海拔空氣濕度大，當(dāng)空氣中較冷的潮濕空氣、凍雨、冰雪所含的水汽達(dá)到0℃以下水分子顆粒便會形成覆冰。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)。吳光軍等總結(jié)風(fēng)電場常見風(fēng)機(jī)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(fēng)電場發(fā)電量進(jìn)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(tuán)由北向南貼近地面插在暖濕氣團(tuán)下，故在大氣中出現(xiàn)了逆溫現(xiàn)象(圖1)，即地面向上溫度先是在0℃以下，被暖氣團(tuán)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(tài)水滴，再下降到達(dá)0℃以下的近地面層形成過冷卻水滴，產(chǎn)生形變時水滴表面彎曲程度減小張力也減小，便凝結(jié)成雨凇附著在風(fēng)機(jī)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(fēng)速1～10m/s，；四要形成逆溫層。

二、覆冰影響

某風(fēng)電場2017 和2018 年風(fēng)電利用小時分別為3396h 和2749h。根據(jù)3Tier 數(shù)據(jù)庫計算發(fā)現(xiàn)這兩年風(fēng)速相近但對比利用小時數(shù)相差647h。

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

圖2 氣溫圖

三、抗冰措施

覆冰影響風(fēng)電場原因是葉片覆冰導(dǎo)致風(fēng)機(jī)停機(jī)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(yōu)劣性能比較見下表。

表1 葉片除冰

2.線路抗冰。

南方風(fēng)電場大多位于人少的山區(qū)維護(hù)難度比較大發(fā)生覆冰就易發(fā)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(dǎo)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(dǎo)線的水平應(yīng)力不相等，使直線桿塔上出現(xiàn)不平衡張力造成倒塔事故。因此要合理控制高差。

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

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

（5）增加耐張桿塔。根據(jù)2008 年湖南省冰災(zāi)的線路事故段長度和倒塔數(shù)量的統(tǒng)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(qiáng)桿塔強(qiáng)度。中重冰區(qū)線路的覆冰不均勻冰荷載和脫冰不均勻冰荷載所產(chǎn)生的不平衡張力是導(dǎo)致眾多桿塔事故的主要原因。加強(qiáng)桿塔的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可增大桿塔的縱向抗冰能力。

四、結(jié)語

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