山区风电场集电线路冰灾倒塔原因分析与对策

文 | 马建春，赵怀宇，马风有

风电场集电线路主要功能是汇集风电场内各风电机组所发的电能并送至升压变电站，主要有架空、直埋电缆和架空与电缆混合使用三种形式。受风电机组机位布置以及场内道路因素制约限制，集电线路路径可选择余地较小，而风电机组一般位处海拔较高、基本风速大的地方，如果环境温度、湿度适合，集电线路覆冰的机率就非常大。

2011年至今，河北省张家口坝上地区多个风电场连续发生多起倒塔事故，集电线路抢修期间，多台风电机组电能无法正常汇集送出，给项目建设单位造成很大的经济损失。设计单位有必要认真总结经验教训，避免此类事故的再次发生。

河北张家口地区集电线路冰灾倒塔事故

一、冰灾倒塔事故回顾

（1）2011年10月16日至11月22日，河北省张家口地区某风电场有4基直线塔发生倾覆，1基转角塔发生扭曲破坏，如图1、图2所示。

（2）2012年9月28日至10月23日，上述风电场再次发生3基直线塔倒塌事故，其中一基直线塔在两次冰灾事故中均发生了倾覆破坏。

二、倒塔事故现场资料采集

根据现场勘察及冰灾发生后搜集整理的气象资料，得到上述风电场冰灾倒塔事故的特征如下：

（1）两起倒塔事故均发生在秋冬季节交换时期，塔位处海拔高程1900m-2150m，事故发生时当地气温-2.4℃至-3.3℃之间，相对湿度在87%-97%，附近气象站记录的平均风速为13.9m/s，风向为SW、WSW、W，风向与风电场的东南-西北走向集电线路路径夹角较大。

（2）事故风电场杆塔导线覆冰后最大直径120mm-140mm，覆冰类型为雾凇，折算成标准冰厚为15.6mm-21.5mm。

（3）倾覆塔型全部为单回路直线塔，一基单回路转角塔塔身发生扭曲破坏。

（4）倾覆直线塔弯折倾覆位置均在导线横担以下的第二段塔身处。

（5）倾覆直线塔前后侧档距相差均较大。

冰灾倒塔事故原因分析

一、集电线路杆塔覆冰必要条件

图1 35kV直线塔倾覆现场

图2 35kV耐张塔扭曲现场

集电线路杆塔覆冰主要有雨凇、雾凇、混合淞、湿雪等形式，针对河北省张家口坝上地区，由于该地区风电场海拔较高，在每年10月-11月秋冬交替季节和次年1月-3月倒春寒时，线路杆塔覆冰概率较高，集电线路杆塔覆冰形式主要为雾凇和混合淞。

（1）大气条件：适当的温度、湿度、风速、风向是形成导线覆冰的大气条件。针对雾凇，当环境温度在-8℃至-15℃之间，相对湿度在85%以上，风速在2m/s-10m/s范围内，风向与集电线路走向夹角45度-150度时，最有利于雾凇的形成。而对于混合淞，形成温度在-3℃至-9℃之间，晴冷天气时雨凇与雾凇交替重叠形成，其生长速度快、粘着力强，对杆塔危害特别严重。

（2）地形条件：主要包括山脉走向和坡向、山体部位、海拔高度及江湖水体等。一般来讲，海拔相对较高的山垭口、迎风坡和分水岭区域出现覆冰的机会较多。在海拔较高的山上，常有云雾环绕、空气湿度很高、风速较大、气温较低、冻结高度以上的地区容易形成雾淞，而在山岭背风面，过冷却水滴和覆冰风速因有屏蔽作用均明显减小，覆冰就不会很严重。

二、重冰地区集电线路杆塔荷载分析

风电场集电线路电压等级一般为35kV，常用的地线型号为GJ-35、GJ-50，常用的导线型号为LGJ-95/20、LGJ-150/25、LGJ-240/30，导地线覆冰后垂直载荷、水平荷载随覆冰厚度增加的变化情况如图3、图4所示。

由图3、图4可以看出，针对同一覆冰厚度，随着导地线型号的增加，导地线覆冰后垂直荷载和水平荷载增加幅度呈下降趋势；导地线截面越小，其受覆冰垂直、水平荷载影响的程度就越大，小截面导地线抗覆冰过载能力较差。

针对覆冰工况，杆塔导地线纵向张力大小与杆塔前后侧导地线覆冰程度、高差大小以及导地线脱冰不均匀程度有关，在覆冰率相同时，杆塔导地线纵向张力随导地线覆冰厚度的增加而增加。如果塔位处于山顶，垂直档距较大且两侧档距相差悬殊时，杆塔受不均匀覆冰影响所产生的纵向不平衡张力就很大，该塔位就非常危险。

三、集电线路倒塔原因分析

（1）原始覆冰设计输入条件严重偏离实际

倒塔事故所涉及的风电场均位于张家口坝上地区，海拔较高，山势陡峭，人烟稀少，风电场投运之前，风电场范围内无架空输电线路经过，集电线路设计所需要的气象资料均依据附近沽源气象站的实测资料的统计提出，而沽源气象站位于事故风电场北侧约45km处，海拔高度为1412.0m，根据该气象站1983年-2007年累年数据统计分析，倒塔风电场最大导线覆冰标准厚度仅为2.09mm。

据现场调查，河北省张家口地区事故风电场发生倾覆的铁塔位置、当时的气象条件等均与覆冰的必要条件相吻合，铁塔导线覆冰后直径达100mm-120mm，折算成标准冰厚为15.6mm-21.5mm，与原施工图设计5mm覆冰相比偏差很大。

（2）超设计覆冰与大风荷载的共同作用

依据现行《66kV及以下架空电力线路设计规范》以及《重覆冰架空输电线路设计技术规程》的相关规定，针对覆冰不大于10mm的轻冰区，覆冰同时风速取10m/s，重冰区为15m/s。而据现场抢修人员反映，风电场杆塔覆冰后未融化前刮过“白毛风”，因风电机组顶部安装的风速记录仪被冻结，无法取得当时风速的实测值，但根据经验风速应不小于20m/s，因为风压与风速的平方成正比，杆塔在超大覆冰垂直荷载和风荷载的共同作用下发生倾覆是在所难免的。

图3 覆冰厚度与导地线重量关系曲线

图4 覆冰厚度与导地线水平荷载关系曲线

（3）集电线路所使用铁塔结构存在的缺陷

1.铁塔三相导线非对称布置。以35kV上字形直线塔为例，铁塔中心线一侧有一相导线，而另一侧有两相，当较大覆冰现象发生时，导线与覆冰自重的叠加值对塔身产生一个很大的附加弯矩作用，当此附加弯矩与垂直于线路方向的大风工况叠加作用时，塔身结构中个别杆件首先发生压曲破坏而退出工作，从而导致整基铁塔弯折倾覆。通过现场勘察，所有事故直线塔均沿垂直于线路方向且向两相导线一侧发生弯折，就印证了这一点，见图1。

2.塔身斜材布置形式对铁塔受力的影响。目前风电场集电线路所使用的铁塔一般取自我国20世纪70年代-20世纪80年代的典型设计型录，鉴于当时的经济条件，为最大限度地节约钢材，塔身斜材为之字形布置的单斜材，塔身主材采用平行轴布置。依据规范，平行轴布置主材计算长度L0取1.2L，计算回转半径为rx，最小轴布置时主材计算长度L0取L，计算回转半径为ry0，而角钢rx≈1.5ry0，构件长细比为构件计算长度与回转半径的比值，因此λ平≈0.8λ小，λ越小，查出的轴心受压稳定系数φ越大，计算出的构件应力越小，选出的主材规格越小。因此，平行轴布置选用的主材偏小。主材平行轴布置结构在铁塔真型试验中屡次发生失稳破坏，其计算长度的取值有待进一步探讨。

3.塔身隔面布置对铁塔抗扭刚度的影响也不容忽视。现行规范中铁塔横隔面间距布置原则是“同一塔身坡度不变段内一般不大于平均宽度（面宽）的5倍，也不宜大于4个主材分段”，而针对35kV集电线路铁塔，铁塔呼称高和铁塔根开一般较小，4个主材分段要求很容易满足，而平均宽度的5倍这一要求就需要认真核对，从现场直线塔破坏位置来看，主要是在第二段最下边节间处发生弯折，而第二段隔面设置刚刚满足平均宽度5倍的要求，虽然铁塔计算和构造满足要求，但隔面间距偏大，塔身的抗扭刚度较小，铁塔的抗冰能力较弱。

（4）集电线路杆塔定位方面的原因

由于发生倒塔事故的风电场在初步设计阶段搜集的资料中就缺乏重冰数据统计，集电线路终勘定位时未采取针对重冰的防范措施，导致线路定位成果存在很多不合理性，主要表现在以下两个方面：

1.铁塔前后侧档距不均。由于事故风电场地形条件复杂，集电线路定位时出现了多处铁塔前后侧档距极不均匀现象，当导地线出现较大覆冰时，铁塔纵向存在很大的张力差，在垂直于线路方向的侧向风作用下，铁塔受力较大的某段主材压应力出现叠加后发生屈曲破坏而退出工作，带动其他构件破坏而使整基铁塔发生弯折。

2.个别区段处出现较大度数的转角。在《重覆冰架空输电线路设计技术规程》中明文规定在重覆冰地区，杆塔转角度数不宜过大，这是因为重冰所产生的角度荷载随转角度数的增加而显著增大。而在上述倒塔事故中发生扭曲破坏的转角塔，位于突出的山体顶部，海拔高程2166m，线路转角73.5度，在发生较大覆冰时，导地线在横担轴线方向产生很大的张力，并与覆冰融化前在横担轴线方向产生的大风应力叠加，使该基转角塔内角侧主材首先压屈变形，从而带动其周围塔身正面交叉材变形而退出工作，使整基铁塔发生扭曲破坏，见图2。

冰灾倒塔事故防范及处理措施

集电线路承载的是汇集、输送风电机组所发电力的功能，集电线路运行可靠性与风电场发电效益紧密相连，因为集电线路一旦发生倒塔事故，风电场一个回路甚至几个回路的风电机组所发电能将无法送出，会给项目建设单位造成很大的经济损失。如何防范冰灾倒塔事故的发生是集电线路设计单位所面临的必须解决的技术课题。以下为对处理和防范集电线路冰灾倒塔事故的一点体会和建议，供设计时参考：

一、充分搜集气象资料。对风电场区域内以及附近气象站、已建电力线、通信线路历年覆冰情况进行广泛调查，在分析计算的基础上，尽可能较准确地搜集到或推测出覆冰厚度值，对地处垭口、分水岭、迎风坡、山顶等易受微地形、微气象因素影响区段的集电线路，设计冰厚宜适当加大。

二、合理选用集电线路形式。对发生覆冰量级大、发展快、消融迅速区段的集电线路，在经济技术分析的基础上，尽可能采用直埋电缆方式。

三、对可能出现较大覆冰而无法避免采用架空形式时，集电线路设计应注意以下几点：

（1）合理选择架空集电线路路径，尽量走阳坡，避开垭口、湖泊或水库下风向等，避免线路走向与覆冰期主风向发生正交。

（2）对可能受微地形、微气象因素影响而出现较大覆冰区段，应重点防范。

1.采用导线呈对称布置的高电压等级直线塔，虽然短期投资会有所增加，但从集电线路长期运行以及事故发电量损失情况来看，局部提高安全设防等级是十分必要的。

2.铁塔计算严格执行现行《66kV及以下架空电力线路设计规范》的相关条款，对规范中规定较为模糊的部分，应参考现行杆塔结构设计技术规定、《重覆冰架空输电线路设计技术规程》中的有关规定执行，塔身主材宜采用最小轴布置，适当减小塔身隔面之间的距离，增强塔身的抗扭刚度，提高使用杆塔的抗冰能力。

3.集电线路终勘定位时，要尽量避免大转角、大档距、铁塔前后侧档距不均匀等情况的发生。

4.杆塔定位尽量避开微地形地段，无法避开时应采取缩小档距、缩小耐张段长度等措施，增强杆塔的抗冰能力。

5.对可能发生舞动区段，全塔螺栓应装双帽防松，防止导线脱冰跳跃时因螺栓脱落而使铁塔部分构件退出工作，进而造成整基铁塔失稳倾覆。

6.对于地处海拔高、风速大、覆冰较为严重地段的直线塔，可考虑采用上字形三相“V”串直线塔，以减小导线覆冰后垂直荷载对塔身的力臂，同时由于“V”串限制了导线摇摆，导线风偏放电、电缆上塔T接线折断等问题一并得到改善。

7.对已投运集电线路，一旦发生倒塔事故，应在充分搜集资料的基础上，合理确定覆冰厚度以及覆冰同时风速等铁塔补强验算所需要的边界条件，按可能发生的最严重的荷载条件一次整改到位，如条件允许，重要危险地段应直接改成直埋电缆方式，彻底根除倒塔事故发生的可能性。

结语

风电场集电线路发生倒塔事故，一般是由多方面因素综合作用的结果，防患于未然，尽量避免倒塔事故发生是设计单位首要考虑的技术问题，防止冰灾倒塔事故的发生应从以下几个方面入手：

（一）充分搜集风电场周边水文气象资料，对集电线路设计提供准确详实的资料和建议。

（二）在进行技术经济比较的前提下，合理确定集电线路形式。

（三）合理选择架空集电线路路径，避免因微地形、微气象因素而使部分区段出现较大覆冰，对于无法避免的微地形、微气象区段，勘测相关专业应在勘测报告中提出并对覆冰厚度、覆冰时同时风速等具体参数提出有效建议值。

（四）架空集电线路终勘定位时应尽量避免出现大转角、大档距以及前后侧档距相差悬殊等情况。

（五）铁塔设计时应参照执行较高电压等级的规程规范，所设计的铁塔要有一定的抗冰能力储备。

（六）在冰灾倒塔事故处理时，覆冰参数取值要留有一定裕度，铁塔补强整改尽量一次到位，避免重复倒塔。