風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)集電線路優(yōu)化改造的應(yīng)用研究

【摘要】目前，國(guó)內(nèi)風(fēng)電行業(yè)的風(fēng)電場(chǎng)多位于高山，灘涂、戈壁、草原等自然條件相對(duì)惡劣的地域，易受到冰凍、洪水、暴風(fēng)雨雪、塌方、雷電等自然災(zāi)害的影響，而其中尤以風(fēng)電場(chǎng)的集電線路受到自然災(zāi)害的影響較為突出。而為了減少風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)集電線路出現(xiàn)故障次數(shù)，提高風(fēng)力發(fā)電效率，減少設(shè)備及人力損失，要著重研究對(duì)風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的集電線路優(yōu)化改造問(wèn)題。

【關(guān)鍵詞】風(fēng)電場(chǎng);集電線路;優(yōu)化改造

風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)集電線路優(yōu)化改造研究及成功應(yīng)用，為早期選用架空集電線路方案且頻發(fā)事故的風(fēng)電場(chǎng)改造提供了真實(shí)、可靠的案例，避免或大量減少架空線路故障跳閘次數(shù)，以較小的投資創(chuàng)造巨大的發(fā)電效益，極大地降低線路維護(hù)成本。

1、研究背景

目前國(guó)內(nèi)風(fēng)電場(chǎng)集電線路的設(shè)計(jì)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(lái)進(jìn)行布置。首先，集電線路的安裝、更換、運(yùn)輸?shù)让媾R極大的問(wèn)題，相關(guān)工作人員的施工難度極大，且建設(shè)成本過(guò)高，不利因素過(guò)多。對(duì)于線路架設(shè)完成后的正常維修、保養(yǎng)工作要求極高，風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的地理位置不利，無(wú)法及時(shí)將線路運(yùn)行中的故障及時(shí)排除并更換，后期的監(jiān)督管理工作只能艱難的進(jìn)行，工作效率十分低下。在運(yùn)行的過(guò)程中這種架空形式的線路經(jīng)常受到自然災(zāi)害及地形復(fù)雜的影響，特別是出現(xiàn)狂風(fēng)、暴雨、覆冰、雷電、鳥群等異常因素時(shí)，容易出現(xiàn)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(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行維護(hù)不能第一時(shí)間去到現(xiàn)場(chǎng)查找故障處理，更不能第一時(shí)間確保查找出故障點(diǎn)，從而很難采取有效措施進(jìn)行處理，給風(fēng)電場(chǎng)帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)損失?；诖?，我們對(duì)風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的集成線路運(yùn)行進(jìn)行了優(yōu)化和改造。

2、風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)集電線路接線形式

通常情況下，風(fēng)電場(chǎng)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(jié)合的方式。架空線方式是指風(fēng)電機(jī)組經(jīng)過(guò)箱變升壓后接入到架空線路上，通過(guò)架空線路接入到升壓站的高壓配電室;地埋電纜式是指風(fēng)電機(jī)組經(jīng)箱變升壓后接入電埋高壓電纜，通過(guò)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(jié)合的方式是指風(fēng)電機(jī)組通過(guò)箱變升壓后采用架空線與地埋電纜相結(jié)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(fēng)場(chǎng)的建設(shè)成本、線路的地形情況、海拔高度、環(huán)境災(zāi)害等情況來(lái)安排合理設(shè)計(jì)。從投資資金成本來(lái)看，風(fēng)電場(chǎng)集成線路優(yōu)先選擇架空線路，因?yàn)檫@種線路相對(duì)來(lái)說(shuō)經(jīng)濟(jì)性比較強(qiáng)，可以在確保風(fēng)力發(fā)電質(zhì)量的前提下減少施工的成本。如果發(fā)電場(chǎng)是在一些地形海拔變化起伏大、天然林區(qū)或者跨景區(qū)、跨鐵路、高速等區(qū)域時(shí)可以采用架空、電纜相結(jié)合的方式，在海濱旅游、高山區(qū)域的時(shí)候就可以采用地埋電纜的方式。

3、風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)集電線路優(yōu)化改造

以某風(fēng)電場(chǎng)為例說(shuō)明：某風(fēng)場(chǎng)安裝 2000 kW 風(fēng)電機(jī)組共 24臺(tái)，總裝機(jī)容量為48 MW，風(fēng)電場(chǎng)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(lián)接12 臺(tái)風(fēng)電機(jī)組， B 回聯(lián)接12臺(tái)風(fēng)電機(jī)組，架空線路采用單回線路形式，共129基，線路總長(zhǎng)27.8 km，其中雙回路亙長(zhǎng)14.26km，單回路亙長(zhǎng)12.58km，架空線路導(dǎo)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(hào)為 FXBW4-35/70耐污復(fù)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(fēng)場(chǎng)集電線路的布置有幾個(gè)特點(diǎn)：布置線路長(zhǎng)，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(dòng)都要耗費(fèi)大量時(shí)間與人力清除鳥窩，也帶來(lái)了風(fēng)場(chǎng)人員頻繁上下鐵塔帶來(lái)的人身安全風(fēng)險(xiǎn)。并且還曾發(fā)生過(guò)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(jù)廣西三維雷電定位系統(tǒng)監(jiān)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)分析該風(fēng)場(chǎng)位于雷暴頻繁區(qū)域。2017-2018年，發(fā)生了雷擊跳閘13次。損失電量累計(jì)近100萬(wàn)KWh.

該風(fēng)場(chǎng)通過(guò)對(duì)集電線路各項(xiàng)運(yùn)行工況進(jìn)行分析，進(jìn)行了一系列的優(yōu)化改進(jìn)。

3.1安裝驅(qū)鳥器，有效治理鳥類危害

鳥類在線路桿塔橫擔(dān)上筑巢、活動(dòng)頻繁，會(huì)對(duì)電力線路產(chǎn)生極大的不良影響，鳥巢和鳥糞也會(huì)對(duì)電力設(shè)備安全的穩(wěn)定運(yùn)行造成危害，因此加強(qiáng)線路鳥害防治具有重要意義。該風(fēng)場(chǎng)采用了風(fēng)力驅(qū)鳥器，每基鐵塔安裝四個(gè)。此產(chǎn)品采用獨(dú)特的軸承，以風(fēng)力為動(dòng)力，在風(fēng)輪上加裝反光鏡片，風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)利用光學(xué)反射原理在驅(qū)鳥器周圍形成一個(gè)散光區(qū)，使鳥類懼光不敢靠近筑巢、棲息，從而有效保證集電線路穩(wěn)定運(yùn)行，又保護(hù)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(fēng)場(chǎng)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(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況，以下問(wèn)題或許存在：

（1）避雷器選型存在問(wèn)題：該風(fēng)場(chǎng)風(fēng)機(jī)及集電桿塔都處于該區(qū)域的高處，屬于多雷雨地區(qū)，極易受到直擊雷或者感應(yīng)雷的沖擊，從而對(duì)避雷器的性能要求就會(huì)很高。首先是對(duì)避雷器的工藝要求需要重視，需選用品牌可靠、性能優(yōu)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(wèn)題引發(fā)）;其次對(duì)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(biāo)稱電流較大的避雷器，由現(xiàn)在發(fā)生的故障來(lái)看，現(xiàn)有的2ms方波電流400A、標(biāo)稱電流5kA的產(chǎn)品顯然太小，當(dāng)有較大雷擊電流入侵時(shí)，避雷器無(wú)法耐受，發(fā)生熱崩潰，由于沒(méi)有自動(dòng)脫離裝置，損壞的避雷器會(huì)導(dǎo)致接地短路故障，導(dǎo)致跳閘。后改造選用2ms方波電流達(dá)到600A、標(biāo)稱電流10kA的產(chǎn)品，方可有效泄流，;第三，現(xiàn)有型號(hào)為51/134，其中額定電壓是51kV，對(duì)于風(fēng)電這種小電網(wǎng)小容量系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)電壓易受外部因數(shù)影響，導(dǎo)致不穩(wěn)定，可適當(dāng)提高額定電壓至54kV，以提高避雷器承受過(guò)電壓的能力。第四，對(duì)該風(fēng)場(chǎng)整個(gè)集電線路海拔剖面進(jìn)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(dǎo)雷特性引雷經(jīng)鐵塔泄放大地。有效防范直擊雷、云對(duì)云放電等雷電活動(dòng)危害。

（2）避雷器質(zhì)量存在問(wèn)題，產(chǎn)品老化嚴(yán)重：在不考慮預(yù)試數(shù)據(jù)讀取誤差的情況下，通過(guò)近兩年的預(yù)試數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)大部分避雷器均呈現(xiàn)絕緣降低、泄漏電增大、耐電壓下降等問(wèn)題。

（3）避雷器的結(jié)構(gòu)存在問(wèn)題：現(xiàn)有避雷器安裝使用方案為避雷器本體直接上網(wǎng)，下接計(jì)數(shù)器。該方案屬于落后的方案，現(xiàn)電網(wǎng)公司線路保護(hù)型避雷器很多已經(jīng)采用帶脫離裝置的免維護(hù)方案。

如何能防范避雷器故障的發(fā)生，以及避雷器故障發(fā)生后可以迅速切斷避雷器，同時(shí)又能有效發(fā)揮避雷器保護(hù)線路及其他貴重設(shè)備的作用，不影響正常生產(chǎn)。目前較有針對(duì)性的方法是：安裝更換大方波電流大標(biāo)稱電流的避雷器，安裝方便觀察的在線監(jiān)測(cè)儀，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)避雷器的動(dòng)作次數(shù)及泄漏電流，實(shí)現(xiàn)提前預(yù)判避雷器的是否良好;同時(shí)安裝可靠的分頻分流式脫離器，避雷器故障時(shí)，脫離器動(dòng)作，避雷器從主網(wǎng)中斷開，風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行發(fā)電。通過(guò)這種設(shè)計(jì)，可以有效的防止避雷器故障導(dǎo)致的跳閘，風(fēng)機(jī)非正常停運(yùn)的問(wèn)題。

3.3 清除樹障，消除大風(fēng)天氣樹木碰觸導(dǎo)線的危害

該風(fēng)場(chǎng)35kV系統(tǒng)采用消弧線圈接地，故35kV系統(tǒng)保護(hù)配置為階段式三段過(guò)流保護(hù)出口，零序保護(hù)只投告警。電網(wǎng)受到雷擊或發(fā)生單相電弧性接地時(shí)，中性點(diǎn)電位將上升到相電壓，這時(shí)流經(jīng)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(bǔ)償，補(bǔ)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(guò)電壓。該風(fēng)場(chǎng)自投運(yùn)以來(lái)，一直存在一遇大風(fēng)天氣便啟動(dòng)故障錄波零序告警，通過(guò)巡檢發(fā)現(xiàn)，多處線路上方或側(cè)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(chǎn)較快且直，遇風(fēng)時(shí)風(fēng)擺幅度較大，故易造成碰觸導(dǎo)線。后該風(fēng)場(chǎng)對(duì)線路所經(jīng)過(guò)樹木全進(jìn)行砍青，導(dǎo)線四周5米處樹木全進(jìn)行了砍伐。明再遇大風(fēng)天氣時(shí)，在消弧線圈調(diào)整到位的情況下再無(wú)零序告警。

結(jié)語(yǔ)：

該風(fēng)場(chǎng)后續(xù)還進(jìn)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(dǎo)線改為鋁芯電纜埋設(shè)的改造（因其跨度太長(zhǎng)，山谷之間云霧迷漫濕氣大，易引起導(dǎo)線上引線接頭銹蝕嚴(yán)重而放電打火斷線的故障），總而言之，在對(duì)集電線路進(jìn)行布置的時(shí)候應(yīng)當(dāng)從結(jié)構(gòu)和風(fēng)電機(jī)組分布、地形影響，防雷保護(hù)、小動(dòng)物破壞、除冰等方面來(lái)進(jìn)行行設(shè)計(jì)，選擇合適的接線方式，不但地優(yōu)化線路運(yùn)行的方式，從而提高發(fā)電場(chǎng)的安全可靠性。風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)集電線路的實(shí)用化程度比較高，在未來(lái)有著非常廣闊的應(yīng)用前景。與此同時(shí)也給電力企業(yè)創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，在一定程度上促進(jìn)了國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

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作者簡(jiǎn)介：

舒業(yè)軍（1978-）男，現(xiàn)從事風(fēng)力發(fā)電生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)管理工作。