高原風(fēng)電場架空線路冰雪災(zāi)害治理研究

文 興

（大唐云南發(fā)電有限公司滇中新能源事業(yè)部，云南 昆明 650100）

隨著云南地區(qū)高海拔風(fēng)電場建設(shè)增多，風(fēng)電場架空輸電線路冬季覆冰造成的危害越來越嚴(yán)重。常會引起過荷載、冰閃、舞動、脫冰跳躍等現(xiàn)象，導(dǎo)致線路跳閘、斷線、倒塔和通信中斷等事故。線路覆冰已成為威脅電網(wǎng)安全運行的重要原因。

通過近3 年對云南高原風(fēng)電場架空輸電線路預(yù)防冰雪災(zāi)害治理的研究，我們已經(jīng)掌握冰雪災(zāi)害形成的原因及相關(guān)預(yù)防措施。主要分為2 部分：（1）云南高原風(fēng)電場冬季架空線路結(jié)冰是雪凇型，雪凇型架空線路冰雪災(zāi)害最大特點是桿塔檔距間導(dǎo)線由于冰密度小處于松散狀，在風(fēng)力作用下造成導(dǎo)線瞬間整檔脫冰跳躍，導(dǎo)線大弧度回彈，容易發(fā)生短路接地事故?？拷呶唤^緣子導(dǎo)線反復(fù)回彈時此處受力最大極易發(fā)生瞬間斷線甚至倒塔事故。線路直流融冰過程中也會發(fā)生整檔脫冰跳躍現(xiàn)象。我們研發(fā)的脫冰防跳躍裝置極大限制整檔脫冰時導(dǎo)線的跳躍幅度，降低對線路的危害；（2）極端天氣情況下高海拔、濕度較大地區(qū)架空線路形成密度超過0.5 g/m3的混合凇。導(dǎo)線結(jié)冰直徑達到40 cm，很容易造成線路斷線和倒塔。以上研發(fā)了專門針對風(fēng)電場特有的直流融冰技術(shù)。我們研發(fā)的這兩項技術(shù)將有效降低高原風(fēng)電場架空輸電線路冰雪災(zāi)害。目前該研究通過多次試驗已經(jīng)取得成功，并已經(jīng)在高本山風(fēng)電場試點實施。

1 云南高原架空線路冰雪災(zāi)害特點及危害

覆冰作為威脅電網(wǎng)安全運行的重要因素，目前線路冰雪災(zāi)害最嚴(yán)重的地區(qū)是北方和西藏，因為這些區(qū)域冬季天氣寒冷干燥，具體表現(xiàn)為雨凇，冰密度大，逐步融化不會整體脫冰跳躍。并且由于空氣干燥，導(dǎo)線結(jié)冰不是很厚。云南高原型架空線路緯度低海拔高，冬季濕度大，很容易在冬季降溫造成輸電線路雪凇型冰雪災(zāi)害，當(dāng)線路結(jié)冰成雪凇時，在風(fēng)力作用下導(dǎo)線和地線整體脫冰跳躍就會發(fā)生斷線、短路、接地、倒塔等故障。

云南騎龍山風(fēng)電場從2014 年投產(chǎn)以來一共發(fā)生了27 次線路因冰雪災(zāi)害跳閘事故，特別是2019 年因冰雪災(zāi)害線路短路跳閘造成220 kV 主變燒毀，兩期風(fēng)電場停產(chǎn)3 個月；2020 年線路因冰雪災(zāi)害影響直接斷線8 處，該風(fēng)電場在2022 年1 月12 日-2 月8 日又發(fā)生了連續(xù)27 天的持續(xù)低溫暴雪天氣，線路發(fā)生倒塔斷線等事故，自投產(chǎn)以來因冰雪災(zāi)害影響該風(fēng)電場經(jīng)濟損失達1 億元；

云南高本山風(fēng)電場自2016 年投產(chǎn)以來因冰雪災(zāi)害影響發(fā)生線路跳閘8 次，特別是2018 年2 月5 日冰雪災(zāi)害事故造成27 基塔倒塔，42 基塔導(dǎo)線斷裂，該次事故造成直接經(jīng)濟損失3 000 萬元；

云南丘北風(fēng)電場從2014 年投產(chǎn)以來發(fā)生過23次線路因冰雪災(zāi)害跳閘事故， 2021 年1 月11 日因冰雪災(zāi)害發(fā)生3 處倒塔和5 處斷線；

電網(wǎng)架空線路結(jié)冰目前采取的措施是停電直流融冰或人工除冰。但高原風(fēng)電場架空集電線路不是電網(wǎng)線路的點對點分布方式，而是根據(jù)風(fēng)機機位布置呈樹狀。冬季下雪結(jié)冰特殊天氣時道路積雪厚度達50 cm 以上，傳統(tǒng)直流融冰車輛根本無法進入和輸送設(shè)備。并且直流融冰過程中也會發(fā)生導(dǎo)線整檔脫冰跳躍，導(dǎo)線的瞬間彈跳力會拉斷導(dǎo)線和桿塔。

雪凇型輸電線路冰雪災(zāi)害的治理研究目前在全國是一項空白。防范與治理工作迫在眉睫，筆者從2019 年開始就收集雪凇冰雪災(zāi)害的相關(guān)資料和研究工作，主要目的是將容易發(fā)生雪凇型架空輸電線路通過技術(shù)改造達到能防止或抑制脫冰跳躍現(xiàn)象發(fā)生，確保架空線路長期穩(wěn)定運行。

2 線路整檔脫冰跳躍預(yù)防措施

筆者及團隊成員通過對云南雪淞型架空輸電線路覆冰后觀察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)覆冰導(dǎo)線在風(fēng)力作用下會發(fā)生整檔脫冰跳躍情況。整檔脫冰時，受力導(dǎo)線由于瞬間失去冰的附著就跟弓箭弦的原理一樣，如圖1所示。導(dǎo)線瞬間上彈，強大的彈力傳遞到桿塔兩端的絕緣子上，導(dǎo)線來回反彈次數(shù)多達10 多次。現(xiàn)場斷線發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)線斷點都是在桿塔最高點絕緣子處。因為此點受力最大，容易發(fā)生斷線，同時強大的瞬間拉力會造成桿塔上半部分折斷。但云南高本山風(fēng)電場由于特殊高海拔地理位置，當(dāng)冬季連續(xù)幾天大霧導(dǎo)線結(jié)冰后由于水滴的附著，導(dǎo)線覆冰密度和直徑越來越大，采集到的最大覆冰直徑40 cm，密度0.55 g/m3。長時間在大霧環(huán)境中導(dǎo)線和桿塔發(fā)生因?qū)Ь€覆冰過重出現(xiàn)斷線倒塔事故。

圖1 風(fēng)電場導(dǎo)線整檔脫冰反復(fù)彈跳圖片

云南地區(qū)雪凇型覆冰架空輸電線路存在風(fēng)力作用下整檔脫冰跳躍情況，可通過以下5 項措施解決導(dǎo)線整檔脫冰跳躍問題。

2.1 在導(dǎo)線上纏繞預(yù)絞絲

為預(yù)防導(dǎo)線冰整檔同時掉落，在導(dǎo)線上每隔5～10 m 纏繞一根預(yù)絞絲，預(yù)絞絲能改變冰在導(dǎo)線上的附著形態(tài)，起到分?jǐn)鄬?dǎo)線附著冰的作用。當(dāng)導(dǎo)線脫冰時由于預(yù)絞絲的隔段，冰分段脫落，避免了整檔導(dǎo)線同時脫冰。但現(xiàn)場觀察此方法只是在微風(fēng)情況下有用。當(dāng)導(dǎo)線遇到風(fēng)速超過4 m/s 還是存在整檔脫冰跳躍情況。

2.2 導(dǎo)線間加裝相間間隔棒

導(dǎo)線整檔脫冰跳躍時一般首先發(fā)生在單芯導(dǎo)線，為抑制導(dǎo)線彈跳幅度和避免導(dǎo)線間發(fā)生相間短路故障，在導(dǎo)線間加裝了相間間隔棒，該方法對導(dǎo)線彈跳起到了抑制作用。但在恩騎線上試驗時，只加裝導(dǎo)線間隔棒的情況下，發(fā)生了一相導(dǎo)線整檔脫冰跳躍帶動另一根導(dǎo)線發(fā)生脫冰跳躍，地線和導(dǎo)線面向跳躍時，地線掛在導(dǎo)線間隔棒球頭上發(fā)生短路接地故障，所以在冰雪災(zāi)害治理時該措施不能單獨使用，如圖2 所示。

圖2 相間間隔棒和防跳躍裝置

2.3 中間和終端塔用反向拉線防止倒塔事故發(fā)生

導(dǎo)線整檔脫冰跳躍時終端塔和中間塔單方向受到強大的拉力。通過反方向增加拉線的方法抵消拉力，避免桿塔瞬間單向拉力損壞情況。

2.4 利用絕緣子預(yù)防冰閃情況發(fā)生

線路結(jié)冰時如果發(fā)生重合閘故障多數(shù)情況是因為冰閃。我們通過將絕緣子每隔2 片更換1 片大盤徑絕緣子，重新定制加寬三角連板增加雙串絕緣子之間距離等措施避免結(jié)冰發(fā)生橋聯(lián)故障。恩騎線每年結(jié)冰都會發(fā)生線路重合閘故障，改成大小扇絕緣子組合后重合閘故障率明顯降低。

2.5 運用線路防跳躍裝置減緩導(dǎo)線彈跳幅度

通過反復(fù)的試驗和總結(jié)，我們研發(fā)的線路防跳躍裝置是目前所有方法中最簡單有效的方法。該方法是在檔距超過200 m，山頂或迎風(fēng)面的導(dǎo)線中間加裝一個懸垂線夾，再拉一個同電壓等級的復(fù)合絕緣子，通過一根環(huán)狀的尼龍繩，拉到地面的時候再通過一個低電壓等級的復(fù)合絕緣子收緊后經(jīng)水泥拉盤拉在地面上（水泥拉盤直接放在地面，不用埋在土里，彈跳時有緩沖作用）。該方法在一條35 kV導(dǎo)線的地線上試驗了2 年，加裝后該地線的整檔脫冰彈跳幅度明顯減緩，有效預(yù)防與上端導(dǎo)線交叉發(fā)生的短路故障。例如恩騎線山頂8-9 號塔的檔距達320 m，在迎風(fēng)面最大的24-28 號塔這幾個危險段進行了加裝試驗，2022 年2 月，騎龍山最大冰雪災(zāi)害面前，這幾處最容易發(fā)生斷線的危險段，除一根本身發(fā)生斷股的地線斷線外，試驗段的導(dǎo)線沒發(fā)生倒塔斷線故障。12 月19 日，拍攝到的一次現(xiàn)場脫冰視頻對比發(fā)現(xiàn)沒加裝緩沖裝置前導(dǎo)線一整檔脫冰時彈跳弧度高達12 m，跳彈次數(shù)達10 次。并且由于彈跳通過桿塔的擺動將相鄰導(dǎo)線也發(fā)生整檔脫冰彈跳，桿塔擺動在多根導(dǎo)線同時脫冰情況下擺動加劇。但加裝了該裝置后整檔脫冰導(dǎo)線彈跳幅度只有2 m左右，彈跳次數(shù)最多2～3 次往復(fù)就停止，不會發(fā)生相鄰導(dǎo)線脫冰彈跳現(xiàn)象。該方法存在一個問題就是為方便更換尼龍繩，制作成環(huán)狀的尼龍繩很容易丟失，為防止此類事件的發(fā)生，進一步安全措施是將尼龍繩靠下面部分更換成4 m 的單芯鋼線。

試驗的方法主要有以上幾點，在實際運用過程中最簡單有效經(jīng)濟的方法才能被現(xiàn)場推廣運用。在高本山改造項目中只采用了大小扇絕緣子、桿塔增加反向拉線和加裝防跳躍裝置這3 種方法。

3 適合高原風(fēng)電場的架空線路直流融冰方案

高原架空線路發(fā)生極端天氣下的結(jié)冰，結(jié)冰直徑甚至達40 cm 以上。一般線路重覆冰設(shè)計根據(jù)規(guī)范要求都是20 mm，長時間導(dǎo)線負(fù)重甚至在微風(fēng)情況下晃動很容易發(fā)生斷線和倒塔事故，最有效的措施和方法就是直流融冰。我們曾經(jīng)聯(lián)系過許多直流融冰的廠家，給出的方案都是送出線路需要到對側(cè)變電站建設(shè)一套線路融冰裝置，對風(fēng)電場樹狀集電線路需要一個大型拖板車將直流融冰整套設(shè)備拉到各個融冰點分別進行直流融冰。該方案存在的問題：（1）風(fēng)電場不可能到變電站去加裝融冰設(shè)備；（2）冰雪災(zāi)害時山上車輛除大型鏟車或大排量越野車外其余車輛通行非常困難，用拖板車?yán)O(shè)備在深厚的雪地里行走無法實現(xiàn)。風(fēng)電場受冰雪災(zāi)害影響的架空線路一般長度在山上6～8 km 距離，通過不斷總結(jié)優(yōu)化，研發(fā)了適合風(fēng)電場自身的便攜簡易直流融冰裝置及配套的風(fēng)電場特有的直流融冰方案。

3.1 研發(fā)了適合風(fēng)電場的便攜式直流融冰裝置

通過對風(fēng)電場架空線路直流融冰分析計算，LGJ240-300 的導(dǎo)線只要通過的直流電流在700～1 000 A 環(huán)境溫度–5～10℃情況下20～30 min 可以完成一相導(dǎo)線的直流融冰工作[1]。我們研發(fā)的直流融冰裝置根據(jù)簡單、經(jīng)濟、實用的原則。利用三相可控硅整流原理。經(jīng)一臺特制的三相融冰變壓器將柴油發(fā)電機（容量一般為1 000～1 500 kW）輸出電壓變成800 V、1 000 V、1 250 V、1 500 V、10 kV（接SVG 變低壓側(cè)）幾個擋位的交流電壓供整流裝置。整流裝置的可控硅選用定制的反向耐壓為6.3 kV，額定電流為2 000～3 000 A。整流回路中最主要的是脈沖變壓器必須跟廠家定制選用耐壓3 000 V。柴油發(fā)電機在高原功率會降低，實際輸出功率只有額定功率的80%。試驗一條海拔高度3 000 m、長度為6 km、型號為LGJ240 的導(dǎo)線，整流后直流電流800 A、電壓1 000 V。一臺1 250 kV·A的柴油發(fā)電機在額定容量90%能長期穩(wěn)定運行，當(dāng)輸出容量超過額定容量時，柴油發(fā)電機的運行聲響異常。所以通過計算采用柴油發(fā)電機額定容量的80%作為運行工況選擇比較合理。詳細(xì)整流回路原理如圖3 所示。

圖3 研發(fā)的直流融冰裝置原理圖

3.2 樹狀集電線路融冰方案

高原風(fēng)電場35 kV 架空集電線路目前采用的是樹狀結(jié)構(gòu)。采用的融冰方案是將主回路帶風(fēng)機箱變的桿塔兩端進行分?jǐn)嗪?，把兩邊?dǎo)線引到塔下電壓安全距離位置。利用螺絲對導(dǎo)線進行連接，將主線路在連接點處三相短接。針對送出線路，在山下不結(jié)冰段將線路轉(zhuǎn)為冷備用狀態(tài)后，驗電掛地線人為塔上短接，通過升壓站的直流融冰裝置就可以完成對主干集電線路、送出線路的融冰工作。主線融冰完成后恢復(fù)主干線路。通過融冰變壓器逐級升壓給35 kV 系統(tǒng)倒送電，讓分支點風(fēng)機箱變高壓側(cè)帶35 kV 三相交流電，高本山風(fēng)機箱變低壓側(cè)是交流690 V，利用筆者所在單位研發(fā)的直流融冰裝置（該裝置是便攜式，2 個人就能輕易從風(fēng)機塔筒內(nèi)抬出）整流后接在斷開點靠分支側(cè)。就可以對剩下的分支逐條進行直流融冰[2]。對分支進行融冰時最好將每臺風(fēng)機高壓側(cè)三相保險或負(fù)荷開關(guān)斷開，避免箱變高壓側(cè)繞組三角形接線通過直流電流。因風(fēng)機箱變高壓側(cè)直流電阻比短接后的線路電阻大很多，一般短接后的融冰線路通過大部分融冰電流。在大雪等特殊情況下，箱變高壓側(cè)可以不斷開部分高壓側(cè)保險，通過計算和實際測量，正常直流融冰時箱變高壓側(cè)通過的直流電流在額定電流內(nèi)，不會造成箱變高壓側(cè)繞組過流。

4 結(jié)束語

云南地區(qū)特有的低緯度高海拔風(fēng)電場在冬季存在溫度低濕度大等特殊天氣，對架空線路冰雪災(zāi)害治理主要考慮直流融冰和線路防跳躍相結(jié)合這兩項措施。本研究成果如果在系統(tǒng)內(nèi)得到推廣，將有效減緩高原風(fēng)電場架空輸電線路冰雪災(zāi)害問題。