風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與集電線路安全距離研究

劉 昊 米青周 王旭東

（1.河北鯤能電力工程咨詢有限公司 2.河北省分布式能源應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新中心）

0 引言

當(dāng)前形勢(shì)下， “十四五”時(shí)期風(fēng)電已經(jīng)成為清潔能源增長(zhǎng)的主力，全面協(xié)調(diào)推進(jìn)風(fēng)電開發(fā)已成為時(shí)代趨勢(shì)。陸上風(fēng)電場(chǎng)的場(chǎng)內(nèi)集電線路通常以架空線路為主、電纜線路為輔的形式，需要將風(fēng)力發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的電能安全可靠地輸送到升壓站。風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)電氣主接線通常采用為一機(jī)一變的單元接線方式，多以35kV電壓等級(jí)接入風(fēng)電場(chǎng)升壓站［1］。單臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)通過1臺(tái)箱變，將機(jī)端電壓升壓至35kV，再經(jīng)35kV集電線路送至風(fēng)電場(chǎng)升壓站。通常風(fēng)機(jī)箱變到集電線路鐵塔通過電纜連接，電纜線路對(duì)比架空線路造價(jià)較高，故在保證風(fēng)機(jī)線路安全距離的前提下，優(yōu)化風(fēng)機(jī)所需引上鐵塔的位置以減少電纜線路的工程量，可使得風(fēng)電場(chǎng)集電線路安全性得到保證的同時(shí)更具經(jīng)濟(jì)性［2］。本文結(jié)合工程實(shí)例及相關(guān)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與集電線路安全距離進(jìn)行探討研究。

1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與集電線路安全距離研究的必要性

在我國(guó)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)不斷進(jìn)步的背景下，集電線路出現(xiàn)的安全事故也越來越多。在人們對(duì)清潔供電需求日益高漲的背景下，加強(qiáng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)集電線路安全事故的研究具有重要意義［3］。與風(fēng)偏放電、斷線、倒塔等事故相比，盡管風(fēng)機(jī)葉片與集電線路鐵塔發(fā)生碰撞的概率不高，但因地形變化、風(fēng)機(jī)機(jī)型變化以及測(cè)繪、設(shè)計(jì)或施工失誤造成的碰撞事故也時(shí)有發(fā)生［4］。文中提到的驗(yàn)算方法能夠有效規(guī)避風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)內(nèi)集電線路與風(fēng)機(jī)葉片發(fā)生碰撞的風(fēng)險(xiǎn)，保證風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)內(nèi)集電線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與集電線路安全距離核算流程及方法

在風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行過程中，風(fēng)機(jī)葉片高速運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)葉片對(duì)鄰近的鐵塔及導(dǎo)、地線，在順風(fēng)方向產(chǎn)生風(fēng)壓，根據(jù)風(fēng)速折算出最大風(fēng)力約為50～100N，等效重量約為5～10kg，此時(shí)產(chǎn)生的風(fēng)壓對(duì)線路的影響十分有限，故葉片運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的風(fēng)壓對(duì)線路的影響可以忽略不計(jì)。以下根據(jù)不同設(shè)計(jì)階段、不同地形，介紹核算方法。

2.1 平原風(fēng)電場(chǎng)

對(duì)于位置處于平原地區(qū)的風(fēng)電場(chǎng)，結(jié)合場(chǎng)區(qū)地形圖，場(chǎng)區(qū)范圍內(nèi)高差變化小于5m內(nèi)可通過數(shù)據(jù)解析，反算出風(fēng)機(jī)與鐵塔距離的最小值，方法如下：

1）根據(jù)擬選用機(jī)型，查出輪轂高度H1及葉輪直徑D。

2）風(fēng)機(jī)微觀選址完成后，結(jié)合地形圖，做出擬選路徑，通過分析檔距及相關(guān)地形，擬選風(fēng)機(jī)引上鐵塔塔型呼高，確定鐵塔全高H2。

3）在圖1中量出鐵塔與風(fēng)機(jī)平面最近距離X1。

4）算出風(fēng)機(jī)輪轂高度與鐵塔全高差值H3，根據(jù)勾股定理可粗算出風(fēng)機(jī)葉片與鐵塔空間計(jì)算距離L1。

5）考慮風(fēng)機(jī)機(jī)艙、自身寬度及風(fēng)機(jī)調(diào)槳范圍，額外增加5m安全裕度，若D／2＋5＜L1，即為安全。

平原風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)－鐵塔安全距離核算平面示意圖如圖1所示。某平原風(fēng)電場(chǎng)初步設(shè)計(jì)階段風(fēng)機(jī)安全距離計(jì)算如表1所示。

圖1 平原風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)－鐵塔安全距離核算平面示意圖

表1 某平原風(fēng)電場(chǎng)初步設(shè)計(jì)階段風(fēng)機(jī)安全距離計(jì)算表

2.2 丘陵及山地風(fēng)電場(chǎng)

對(duì)于位置處于丘陵及山地地區(qū)的風(fēng)電場(chǎng)，因場(chǎng)區(qū)內(nèi)地形起伏變化較大，通過上述平地部分計(jì)算方法，無法反算出風(fēng)機(jī)對(duì)鐵塔安全距離的最小值，故需預(yù)選出線路路徑，根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，預(yù)選路徑時(shí)，風(fēng)機(jī)引上鐵塔位置應(yīng)距離風(fēng)機(jī)50m，結(jié)合地形圖，讀出風(fēng)機(jī)機(jī)位高程及鐵塔高程，算出高差ΔH，并根據(jù)預(yù)選塔基周圍地形圖，預(yù)算降基值，對(duì)預(yù)選路徑進(jìn)行復(fù)核。山地風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)－鐵塔安全距離核算平面示意圖如圖2所示。某山地風(fēng)電場(chǎng)初步設(shè)計(jì)階段風(fēng)機(jī)安全距離計(jì)算如表2所示。

圖2 山地風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)－鐵塔安全距離核算平面示意圖

表2 某山地風(fēng)電場(chǎng)初步設(shè)計(jì)階段風(fēng)機(jī)安全距離計(jì)算表

另外，對(duì)于山區(qū)風(fēng)電場(chǎng)，當(dāng)風(fēng)機(jī)臨近線路跨越山谷，導(dǎo)、地線弧垂最低點(diǎn)位置處于山谷時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)對(duì)山谷微氣象進(jìn)行特殊分析，對(duì)此時(shí)不同工況下的弧垂進(jìn)行核算其最大風(fēng)偏值。

2.3 施工圖階段復(fù)核流程及方法

上述方法為初步設(shè)計(jì)及初勘階段復(fù)核風(fēng)機(jī)位與集電線路安全距離的方法。對(duì)于施工圖設(shè)計(jì)階段，根據(jù)初步設(shè)計(jì)及初勘階段預(yù)選路徑，在項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)測(cè)選位，得到鐵塔實(shí)測(cè)坐標(biāo)及高程，根據(jù)土建或總圖專業(yè)提資，得到最終機(jī)位坐標(biāo)及高程。根據(jù)以上數(shù)據(jù)對(duì)風(fēng)機(jī)與集電線路距離進(jìn)行進(jìn)一步核算。

以河北省某風(fēng)電場(chǎng)CN19鐵塔－＃90風(fēng)機(jī)為例，根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)，用圖解法進(jìn)行分析。核算步驟如下：

1）根據(jù)集電線路施工圖，確認(rèn)CN19塔型呼高為06B5－SJ1－24，鐵塔全高為35.8m；根據(jù)業(yè)主提供風(fēng)機(jī)資料，確認(rèn)＃90風(fēng)機(jī)型號(hào)為WT2500D146，即裝機(jī)容量2.5MW，輪轂高度95m，葉輪直徑146m。

2）由集電線路終勘定位后路徑圖及風(fēng)機(jī)位坐標(biāo)，確認(rèn)風(fēng)機(jī)距集電線路最近距離為49.48m。

3）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際復(fù)測(cè)，得到集電線路及風(fēng)機(jī)施工后高程數(shù)據(jù)，算出施工后實(shí)際高差為集電線路鐵塔高程較風(fēng)機(jī)高程高4.3m。

4）確認(rèn)風(fēng)機(jī)與集電線路最近處危險(xiǎn)點(diǎn)位置，為CN19大號(hào)側(cè)21m處?？紤]風(fēng)機(jī)機(jī)艙自身寬度及風(fēng)機(jī)調(diào)槳范圍，擴(kuò)大危險(xiǎn)點(diǎn)范圍至CN19大號(hào)側(cè)11～31m。路徑走向示意如圖3所示。

圖3 路徑走向示意圖

5）根據(jù)上一步所確定的危險(xiǎn)點(diǎn)范圍，查驗(yàn)斷面圖，觀察此處導(dǎo)地線走向，繼而考慮增加核算裕度。由圖4可知，在危險(xiǎn)點(diǎn)范圍（CN19大號(hào)側(cè)11～31m范圍內(nèi)），地線位置均低于鐵塔全高，故此處無需考慮增加核算裕度。CN19－CN20斷面圖如圖4所示。

圖4 CN19－CN20斷面圖

6）將上述條件繪入圖中，得到模擬示意圖，N19－90＃風(fēng)機(jī)安全距離核算平面示意圖如圖5所示，CN19－90＃風(fēng)機(jī)安全距離計(jì)算如表3所示，讀出風(fēng)機(jī)葉片掃掠范圍對(duì)集電線路安全距離為0.91m。

圖5 CN19－90＃風(fēng)機(jī)安全距離核算平面示意圖

本文中所提及鐵塔為國(guó)網(wǎng)35kV典型設(shè)計(jì)鐵塔，塔頭為單地線布置，若所需核算風(fēng)電場(chǎng)所處地區(qū)雷區(qū)等級(jí)較高，如南方電網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目，需采用雙地線模塊鐵塔，驗(yàn)算安全距離時(shí)需考慮地線支架寬度，即地線掛點(diǎn)對(duì)線路中心線距離。

表3 CN19－90＃風(fēng)機(jī)安全距離計(jì)算表

3 結(jié)束語(yǔ)

因GB51096—2015《風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》及GB50061—2010《66kV及以下架空電力線路設(shè)計(jì)規(guī)范》中，對(duì)于線路與風(fēng)機(jī)葉片掃掠范圍的距離無明確要求，故可認(rèn)為風(fēng)機(jī)葉片掃掠范圍與線路地線及邊導(dǎo)線等距風(fēng)機(jī)最近點(diǎn)無物理碰撞即為安全。

通常情況下，風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維安規(guī)手冊(cè)要求，臨近風(fēng)機(jī)鐵塔需要上塔作業(yè)時(shí)，臨近風(fēng)機(jī)需停機(jī)以保證運(yùn)維人員安全。但考慮特殊情況，需要帶電上塔作業(yè)時(shí)，根據(jù)GB50061—2010《66kV及以下架空電力線路設(shè)計(jì)規(guī)范》6.0.13中對(duì)操作人員需要停留工作的部位應(yīng)增加0.5m，需在塔頭處考慮人體活動(dòng)范圍0.5m，同時(shí)考慮風(fēng)機(jī)葉輪運(yùn)行時(shí)，對(duì)在塔頭處作業(yè)的運(yùn)維人員所產(chǎn)生的心理影響，應(yīng)適當(dāng)加大設(shè)計(jì)裕度。

綜上，在進(jìn)行風(fēng)電場(chǎng)集電線路設(shè)計(jì)時(shí)，風(fēng)機(jī)葉片對(duì)鐵塔及地線安全距離應(yīng)至少大于2m。若安全距離達(dá)不到此要求，應(yīng)避免運(yùn)維人員在風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)上塔作業(yè)。