湖南南方风电覆冰机理及抗冰措施

◎陈振华 曹伟 高盼星 朱金峰

引言：湖南东、南、西及西北方均为山地围绕，中部丘岗起伏，北偏东为湖泊平原。三面环山一面临水且冬季气温低，导致每年都会出现覆冰天气。风电场大多位于中高海拔空气湿度大，当空气中较冷的潮湿空气、冻雨、冰雪所含的水汽达到0℃以下水分子颗粒便会形成覆冰。

根据相关文献。吴光军等总结风电场常见风机叶片除冰方法；王伟等讨论了3中除冰方法；蒋兴良，王晓，周洪宇等研究采用涂料减少叶片覆冰。本文拟就覆冰对风电场发电量进行分析。

一、覆冰成因

造成雨凇的主要原因是冷暖空气的交汇，冷气团由北向南贴近地面插在暖湿气团下，故在大气中出现了逆温现象(图1)，即地面向上温度先是在0℃以下，被暖气团影响升高至0℃以上，再往上又降到0℃以下。下降过程中穿过气温在0℃以上的逆温层，雪花和冰晶开始融化成过液态水滴，再下降到达0℃以下的近地面层形成过冷却水滴，产生形变时水滴表面弯曲程度减小张力也减小，便凝结成雨凇附着在风机上。

图1 逆温层

覆冰需要具备四个气候条件，一气温0～-5℃；二空气相对湿度85%以上；三风速1～10m/s，；四要形成逆温层。

二、覆冰影响

某风电场2017 和2018 年风电利用小时分别为3396h 和2749h。根据3Tier 数据库计算发现这两年风速相近但对比利用小时数相差647h。

气象站与风电场海拔差约700m，气温差约4.2℃(图2)，2018 年风电场覆冰天气18 天；按满发小时数考虑损失利用小时数为432h 约占总损失的67%，可见覆冰对风电场的影响之大。

图2 气温图

三、抗冰措施

覆冰影响风电场原因是叶片覆冰导致风机停机和线路故障，在此提出叶片抗冰和线路抗冰。

1.叶片抗冰。常用叶片抗冰方法优劣性能比较见下表。

表1 叶片除冰

2.线路抗冰。

南方风电场大多位于人少的山区维护难度比较大发生覆冰就易发生线路故障，建议采用以下措施。

（1）减小档距。增加杆塔缩小档距可提高导地线的过载能力，减小不均匀脱冰跳跃幅度防止杆塔覆冰超载。

（2）控制高差。覆冰时，因档距或高差不等，会引起各档导线的水平应力不相等，使直线杆塔上出现不平衡张力造成倒塔事故。因此要合理控制高差。

（3）减小转角度数。减小转角度数将降低覆冰工况下转角塔的水平荷载，有利于提高转角塔的抗冰能力。

（4）放松导线应力。以LGJ—400/50 钢芯铝绞线为例，当最大使用应力为103.8MPa 时，70%破坏应力下导线最大允许覆冰厚度28mm，当最大使用应力放松到93.8MPa 时，70%破坏应力下导线最大允许覆冰厚度30mm。因此放松导线应力能有效提高线路抗冰能力。

（5）增加耐张杆塔。根据2008 年湖南省冰灾的线路事故段长度和倒塔数量的统计，平均事故段长度小于3km，因此增加耐张杆塔可有效提高线路抗冰能力。

（6）加强杆塔强度。中重冰区线路的覆冰不均匀冰荷载和脱冰不均匀冰荷载所产生的不平衡张力是导致众多杆塔事故的主要原因。加强杆塔的结构强度可增大杆塔的纵向抗冰能力。

四、结语

本文提出针对风电场的两个抗冰措施，建议风电场在设计时给予充分考虑，对于提升风电场的发电量具有积极的作用。