冰雪灾害对集电线路的影响及应对措施

王 新 武

(山西省电力勘测设计院，山西 太原 030001)

1 集电线路的现状

集电线路既可采用架空线路方式也可采用电缆敷设的方式。而根据现状，除个别地区由于土地和环境资源的制约，只能采用电缆敷设的方式外，由于大部分风电场取址土地贫瘠，避免了与人争地，故较多采用造价经济、运维方便的架空方式。其线路路径尽量靠近风机位，方便风机变压器与架空线路或地埋电缆连接。

由于风资源条件好，自然条件恶劣，地广人稀，气象资料稀缺，冰、风灾害频繁，故而一些新建的风电场就规划为无人执守风电场，而一些已经投运的，也尝试采用远程遥控等方式改造成无人执守风电场。

2 冰灾事故实例分析

由于我们近年来实施的风电工程多数在山西、河北、内蒙，即华北地区的风电情况掌握比较多，下述的冰风实例具有代表性。

2.1 冰风事故概况

2015年11月5日～6日，大风、大雾、雨夹雪、冰冻极端恶劣天气，气温零度以下，大于十分钟平均风速20 m/s。

晋北某风电场首先出现雨夹雪大风天气、风速仪出现凝冻现象、全场失电，受晚间视线和路面湿滑的影响没有巡检。6日白天巡线发现风电场中的一些状况，见图1～图5。

初步判断覆冰后导地线发生脱冰跳跃或者局部断线导致跳闸断电，后续冰雪不断裹挟，而北方白天气温回升缓慢，不能及时融冰，随后而来大风和覆冰共同作用，造成断线、倒塔。

在2015年春初秋末的冰雪灾害中，大部分华北地区风电场都有相似的遭遇。

2.2 覆冰成因分析

根据覆冰形成的基本条件进行划分。覆冰形成的条件是：

1)具有较大的湿度，即空气相对湿度一般在85%以上。

2)具有足可冻结的气温，即0 ℃以下。

3)具有可使空气中水滴运动之风速，即大于1 m/s的风速。

较大的湿度和较低的气温是构成覆冰的两个基本条件，二者缺一不可。适宜的风(不大于10 m/s)是加速覆冰的条件。

导线的覆冰按其结冰的性质分为雨淞、雾淞、雨雾混合淞和覆雪四种[1]:

1)雨淞是由粒径较大的过冷却水滴接触到很冷的物体时冻结成的透明状冰壳，密度大，附着力强，常伴有冰柱；

2)雾淞是由粒径较小过冷却雾滴冻结或由水汽直接凝华而成，形呈针状或羽毛状结晶，白色疏松，密度小，粘附力弱，通常在物体的迎风面冻结；

3)雨雾混合淞是由雨淞、雾淞或覆雪迭凝而成的冻结物，冰体呈半透明状，有一定的粘附力，常在物体的迎风面冻结；

4)覆雪是雨夹雪沾在电线上形成的。冰体呈白色堆积状，密度和粘附力均较小。

北方覆冰受气候条件的影响多是覆雪、雾淞和少量的雨雾混合淞，它密度小，体型大。

3 冰灾事故后的反思

3.1 同时风速、标准冰厚的选取

取历史最大观测覆冰重量，按下式计算标准冰厚[1]：

式中：B0——标准冰厚，mm；

G——冰重，g；

L——覆冰长度，m；

r——导线半径，mm(4 mm)。

DL/T 5158—2012电力工程气象勘测技术规程(4.3.3-1)。

依规程计算标准冰厚[1]、同时风速10 m/s(中冰区)和15 m/s(重冰区)[2]设计的中、重冰区塔，经受大数倍标准冰厚的低密度大轮廓覆雪、雾淞[1]，加实际风速远大于15 m/s的作用，断线、倒塔应在预料之中。

请注意此时的大风，远远超过DL/T 5440—2009重覆冰架空输电线路设计技术规程(表6.0.5-2)规定的10 m/s(中冰区)和15 m/s(重冰区)同时风速[2]。冰灾事故多发生在初冬和冬末春初，此时正值北方大风肆虐。

晋北地区风场多数冰雪灾害的顺序是这样的，首先是覆冰闪络造成跳匝断电；随后密度小，体型大的覆雪、雾淞和少量的雨雾混合淞越积越厚，同时风速不小于20 m/s；再后雨雪停止，此时风场气温回升缓慢不足以融化覆冰，而低海拔处冰雪融化，于是冷暖空气交融，接近设计风速的大风作用在冰雪覆盖的线路上，或先断线不造成倒塔或倒塔、再拖拽断导地线或拖拽倒相邻杆塔。

3.2 冰灾给风电场带来的损失

冰灾带来的直接经济损失有抢修费用、电量损失、双细则考核费，经统计冰灾损失占所有灾害损失的八成以上，见图6。

3.3 对风力发电机组的影响

集电线路突然失电的情况下，风力发电机组启动保护停机程序，若刹车、变桨等重要设备出现异常，容易出现失速、飞车事故。结合风电场实际情况与经验，通常表现在以下两方面：

1)对设备的影响。

a.机械设备冲击大;

b.电子元器件寿命降低。

2)风力发电机组恢复时间长。

集电线路带电后，风力发电机组故障频发，风电场检修维护人员无法及时处理；按风电场经验，一般5 d～7 d内风力发电机组才可稳定运行。

4 应对措施

采用大轮廓覆雪、雾淞的实际冰厚取代标准(设计)冰厚[3]、采用基本风速[3]取代同时风速[2]，势必会引起投资过大的增加。通过采用如下应对措施，对既有风场的改造、新设计风场的尝试，运行情况稳定良好。

1)对运行出现过严重的不均匀覆冰或特大风速的微地形、微气象点，将直线塔改为耐张承力塔；

2)对个别迎风开阔的地区、山顶、分水岭、垭口、水气充足的地区，尤其是杆塔两侧覆冰差异很大处，直线塔当改为耐张塔，当受到地形限制时则采用，加大主材、连接处改双剪刀形式；单斜系统的连接螺栓采用双帽加防松的办法；

3)对部分采用普通悬垂线夹，曾出现过不均匀脱冰时线夹滑动的微地形点，将普通悬垂线夹更换为重冰区大握力悬垂线夹；

4)对耐张段过长、档距过大、前后档高差过大，且由于不均匀覆冰发生过事故的地段，采取减小档距、缩小耐张段长度；

5)对转角塔的转角度数留有5°余度；避免出现极大档、极小档；

6)采用地埋电缆与架空线相结合；

7)对抢修工程受工期或地形限制，无法依上述方法实施的，可利用原未受损的基础，对上部铁塔做主材更换高强钢、重新辅材布置、减少长细比、增加节点强度等措施。如图7所示是事故修复后安全运行的状况图。

通过上述措施，大部分参与改造的风场和新设计的风场摆脱了冰风灾害情况下的倒塔、断线事故，同时我们也在不断地总结经验教训，为实现风电供给更高效、稳定的理想而努力。

应该说风电场集电线路所处的环境是属于输电线路首先避让的环境。相关的规程、规范的编制是依据全国、行业的冰风条件，考虑安全性和经济性制定的。随着风电场建设经验的积累、气象资料的完善，新规程、规范的覆盖性会更好。