风力发电场集电线路优化改造的应用研究

【摘要】目前，国内风电行业的风电场多位于高山，滩涂、戈壁、草原等自然条件相对恶劣的地域，易受到冰冻、洪水、暴风雨雪、塌方、雷电等自然灾害的影响，而其中尤以风电场的集电线路受到自然灾害的影响较为突出。而为了减少风力发电场集电线路出现故障次数，提高风力发电效率，减少设备及人力损失，要着重研究对风力发电场的集电线路优化改造问题。

【关键词】风电场;集电线路;优化改造

风力发电场集电线路优化改造研究及成功应用，为早期选用架空集电线路方案且频发事故的风电场改造提供了真实、可靠的案例，避免或大量减少架空线路故障跳闸次数，以较小的投资创造巨大的发电效益，极大地降低线路维护成本。

1、研究背景

目前国内风电场集电线路的设计大多采用了架空输电线路的方式，利用水泥组合杆、架空铁塔等来进行布置。首先，集电线路的安装、更换、运输等面临极大的问题，相关工作人员的施工难度极大，且建设成本过高，不利因素过多。对于线路架设完成后的正常维修、保养工作要求极高，风力发电场的地理位置不利，无法及时将线路运行中的故障及时排除并更换，后期的监督管理工作只能艰难的进行，工作效率十分低下。在运行的过程中这种架空形式的线路经常受到自然灾害及地形复杂的影响，特别是出现狂风、暴雨、覆冰、雷电、鸟群等异常因素时，容易出现倒杆、断线、接地、短路、雷击等故障，且因线路布置的距离、海拔、地形的影响，风电场运行维护不能第一时间去到现场查找故障处理，更不能第一时间确保查找出故障点，从而很难采取有效措施进行处理，给风电场带来了巨大的经济损失。基于此，我们对风力发电场的集成线路运行进行了优化和改造。

2、风力发电场集电线路接线形式

通常情况下，风电场的集电线路有三种形式，分别为架空线方式、地埋电缆式以及架空线和地埋电缆相结合的方式。架空线方式是指风电机组经过箱变升压后接入到架空线路上，通过架空线路接入到升压站的高压配电室;地埋电缆式是指风电机组经箱变升压后接入电埋高压电缆，通过高压电缆接入到升压站的高压配电室。架空线和地埋电缆相结合的方式是指风电机组通过箱变升压后采用架空线与地埋电缆相结合的方式接入到升压站的高压配电室。此三种方式一般情况下，考虑风场的建设成本、线路的地形情况、海拔高度、环境灾害等情况来安排合理设计。从投资资金成本来看，风电场集成线路优先选择架空线路，因为这种线路相对来说经济性比较强，可以在确保风力发电质量的前提下减少施工的成本。如果发电场是在一些地形海拔变化起伏大、天然林区或者跨景区、跨铁路、高速等区域时可以采用架空、电缆相结合的方式，在海滨旅游、高山区域的时候就可以采用地埋电缆的方式。

3、风力发电场集电线路优化改造

以某风电场为例说明：某风场安装 2000 kW 风电机组共 24台，总装机容量为48 MW，风电场至升压站的集电线路采用 35kV 架空线路方式。沿线海拔高程：300m-1000m，其中断面最高塔：S35塔海拔955.719m，最低塔：S15塔海拔380.44m.本工程分为 A、B 两回集电线路，其中： A 回联接12 台风电机组， B 回联接12台风电机组，架空线路采用单回线路形式，共129基，线路总长27.8 km，其中双回路亘长14.26km，单回路亘长12.58km，架空线路导线：LGJ- 240 / 30 型铝包钢芯铝绞线; 通讯采用OPGW 光缆。悬垂及耐张均采用型号为 FXBW4-35/70耐污复合绝缘子（1min工频耐受电压有效值95kV，雷电冲击耐受电压峰值230kV）。

该风场集电线路的布置有几个特点：布置线路长，地形海拔跨度起伏较大，处于山谷林间，鸟类分布较多，每年春秋检活动都要耗费大量时间与人力清除鸟窝，也带来了风场人员频繁上下铁塔带来的人身安全风险。并且还曾发生过鸟类碰触终端塔架线短路事故。另外山谷间多云雾，且年降雨量较多，据广西三维雷电定位系统监测资料统计分析该风场位于雷暴频繁区域。2017-2018年，发生了雷击跳闸13次。损失电量累计近100万KWh.

该风场通过对集电线路各项运行工况进行分析，进行了一系列的优化改进。

3.1安装驱鸟器，有效治理鸟类危害

鸟类在线路杆塔横担上筑巢、活动频繁，会对电力线路产生极大的不良影响，鸟巢和鳥粪也会对电力设备安全的稳定运行造成危害，因此加强线路鸟害防治具有重要意义。该风场采用了风力驱鸟器，每基铁塔安装四个。此产品采用独特的轴承，以风力为动力，在风轮上加装反光镜片，风轮转动时利用光学反射原理在驱鸟器周围形成一个散光区，使鸟类惧光不敢靠近筑巢、栖息，从而有效保证集电线路稳定运行，又保护了鸟类不受电力线伤害。

3.2改造避雷器，有效减少雷击危害

从该风场集电线路故障记录与避雷器损坏分析，线路跳闸故障大部分情况下都伴随着避雷器损坏的情况，结合现场情况，以下问题或许存在：

（1）避雷器选型存在问题：该风场风机及集电杆塔都处于该区域的高处，属于多雷雨地区，极易受到直击雷或者感应雷的冲击，从而对避雷器的性能要求就会很高。首先是对避雷器的工艺要求需要重视，需选用品牌可靠、性能优异的避雷器，（避雷器损坏的60%的概率都是由避雷器密封等工艺问题引发）;其次对于这些容易遭受多次频繁雷击的地方选用避雷器，需尽量选用2mS方波容量大、标称电流较大的避雷器，由现在发生的故障来看，现有的2ms方波电流400A、标称电流5kA的产品显然太小，当有较大雷击电流入侵时，避雷器无法耐受，发生热崩溃，由于没有自动脱离装置，损坏的避雷器会导致接地短路故障，导致跳闸。后改造选用2ms方波电流达到600A、标称电流10kA的产品，方可有效泄流，;第三，现有型号为51/134，其中额定电压是51kV，对于风电这种小电网小容量系统来说，系统电压易受外部因数影响，导致不稳定，可适当提高额定电压至54kV，以提高避雷器承受过电压的能力。第四，对该风场整个集电线路海拔剖面进行了分析，在线路海拔高处、山谷云雾处的铁塔上安装人工引雷针，利用人工引雷针良好的导雷特性引雷经铁塔泄放大地。有效防范直击雷、云对云放电等雷电活动危害。

（2）避雷器质量存在问题，产品老化严重：在不考虑预试数据读取误差的情况下，通过近两年的预试数据分析，发现大部分避雷器均呈现绝缘降低、泄漏电增大、耐电压下降等問题。

（3）避雷器的结构存在问题：现有避雷器安装使用方案为避雷器本体直接上网，下接计数器。该方案属于落后的方案，现电网公司线路保护型避雷器很多已经采用带脱离装置的免维护方案。

如何能防范避雷器故障的发生，以及避雷器故障发生后可以迅速切断避雷器，同时又能有效发挥避雷器保护线路及其他贵重设备的作用，不影响正常生产。目前较有针对性的方法是：安装更换大方波电流大标称电流的避雷器，安装方便观察的在线监测仪，可以实时监测避雷器的动作次数及泄漏电流，实现提前预判避雷器的是否良好;同时安装可靠的分频分流式脱离器，避雷器故障时，脱离器动作，避雷器从主网中断开，风机正常运行发电。通过这种设计，可以有效的防止避雷器故障导致的跳闸，风机非正常停运的问题。

3.3 清除树障，消除大风天气树木碰触导线的危害

该风场35kV系统采用消弧线圈接地，故35kV系统保护配置为阶段式三段过流保护出口，零序保护只投告警。电网受到雷击或发生单相电弧性接地时，中性点电位将上升到相电压，这时流经消弧线圈的电感性电流与单相接地的电容性故障电流相互抵消，使故障电流得到补偿，补偿后的残余电流变得很小，不足以维持电弧，从而自行熄灭。这样，就可使接地故障迅速消除而不致引起过电压。该风场自投运以来，一直存在一遇大风天气便启动故障录波零序告警，通过巡检发现，多处线路上方或侧方树冠因放电烧黄。原因均为线路与树木距离不够，加上此地树木为桉树，其生产较快且直，遇风时风摆幅度较大，故易造成碰触导线。后该风场对线路所经过树木全进行砍青，导线四周5米处树木全进行了砍伐。明再遇大风天气时，在消弧线圈调整到位的情况下再无零序告警。

结语：

该风场后续还进行除冰改造、集电线路铁塔接地电阻改造、两铁塔之间架空导线改为铝芯电缆埋设的改造（因其跨度太长，山谷之间云雾迷漫湿气大，易引起导线上引线接头锈蚀严重而放电打火断线的故障），总而言之，在对集电线路进行布置的时候应当从结构和风电机组分布、地形影响，防雷保护、小动物破坏、除冰等方面来进行行设计，选择合适的接线方式，不但地优化线路运行的方式，从而提高发电场的安全可靠性。风力发电场集电线路的实用化程度比较高，在未来有着非常广阔的应用前景。与此同时也给电力企业创造了巨大的经济效益，在一定程度上促进了国家经济的发展。

参考文献：

[1]于润权.风力发电场集电线路优化改造研究及应用[J].科技资讯，2015（25）.

[2]张浩.风电场集电线路优化探讨[J].风能，2014（06）.

[3]邢李方.风电场集电线路引流线故障分析与对策[J].通信电源技术，2018（12）.

作者简介：

舒业军（1978-）男，现从事风力发电生产运营管理工作。