湖南电网风电送出线路防冻融冰综述

2022-03-03李波胡金理毛新果朱思国张劲帆

湖南电力 2022年1期

李波，胡金理，毛新果，朱思国，张劲帆

(1.湖南防灾科技有限公司，湖南长沙410129；2.国网湖南省电力有限公司，湖南长沙410004)

0 引言

湖南电网风电场多位于高海拔微气象微地形区，其送出线路极易发生严重覆冰，导致风电送出受阻，迎峰度冬期间电力供应缺口扩大[1]。据统计，2020年12月13日至2021年3月1日，湖南电网因覆冰导致风电退备容量534.2万kW(占比80.4%)，损失电量共计3.03亿kW·h，折合上网电价，发电损失约1.36亿元。

截至2021年6月，湖南电网已投运风电场107座，装机容量711万kW，占全省总装机容量的15.6%。预计到2030年，湖南风电装机将突破2 000万kW，占比约18.6%。随着“碳达峰、碳中”和“30·60”计划和构建以新能源为主体的新型电力系统等国家重大能源战略的实施，风电将迎来大规模发展[2]，成为湖南电网电源的重要组成部分，其安全可靠送出的水位程度决定湖南电网迎峰度冬供电能力。

1 防冻融冰现状

1.1 覆冰现状

近5年湖南省共有45条风电送出线路发生覆冰，覆冰线路海拔均在800 m以上，累计覆冰线路1 650条次，各地区风电送出线路覆冰情况如图1所示。线路实际覆冰超过设计冰厚的有12条，由于未及时开展融冰，导致断线13条次(含架空地线2条次)。

图1 湖南省各地区风电送出线路覆冰统计

1.2 规划现状

风电送出线路所经区域微地形微气象特征明显，可研阶段的气象数据与实际情况存在较大差异。为节省投资，规划设计阶段未严格执行DL/T 5440—2020《重覆冰架空输电线路设计技术规程》等要求，存在线路走向选择易覆冰区、覆冰厚度验算不准确和导地线安全系数及最大张力未严格执行到位等问题，导致风电送出线路抗冰能力先天不足[3]。

1.3 运行现状

《湖南电网防冻融冰规程》对融除冰管理等方面已提出较为全面的要求，各部门及各技术支撑单位已建立相对完善的防冻融冰管理体系，能有效对电网资产线路开展防冻融冰工作。对非电网资产线路，由于送出线路尚未纳入湖南电网防冻融冰管理体系，存在冰情预测和覆冰观测双重缺失、信息汇报不及时、设备维护不到位等问题，严重影响融冰实施，增加断线倒塔风险。

2 防冻融冰存在的问题

2.1 防冻融冰现状

2.1.1 送出线路融冰措施亟待加强

湖南省102条风电送出线路中，有72条线路暂无可实施的融冰措施[4]:①27条线路无融冰方案；②24条线路融冰电流不符合规程要求；③17条线路融冰电流偏小，难以满足高海拔低温、大风速下融冰要求[5]；④9条线路融冰时须串联3回线路及以上，融冰开展对电网方式影响较大；⑤4条线路融冰时须跨接设备超过3个，融冰实施困难。

2.1.2 尚无成熟的地线融冰手段

地线覆冰易导致弧垂降低，引发供电和通信中断，使风电新能源送出严重受阻[6]。风电线路覆冰后，可利用电流热效应对导线开展融冰，但针对地线尚无成熟融冰手段。如果利用电流热效应对地线开展融冰，需通过增加间隙或分段开关等方式对地线进行绝缘改造，耗时耗费，融冰前后开关操作工作量大。同时，绝缘化改造会极大程度地影响地线原有防雷效果，增加线路运行雷击风险[7]。

2.2 防冻融冰管理

2.2.1 抗融冰能力建设缺乏政策支持

风电送出线路在规划设计、建设施工、大修技改和并网发电等方面的抗冰能力建设缺乏政府电力主管部门政策文件支持和行业规程指导，导致差异化抗冰要求、融冰措施配置等无法有效落实，各风电场抗融冰能力良莠不齐。

2.2.2 防冻融冰缺乏统一管理机制

《湖南电网防冻融冰规程》可有效指导电网公司资产线路应对大范围雨雪冰冻灾害。非电网公司资产线路在覆冰预测、冰情监测、融除冰操作等方面因涉及风电企业和电网公司多个专业和部门，无统一的防冻融冰管理体系，随着风电新能源的发展，电网防冻融冰压力与日俱增。

3 防冻融冰整体解决措施

为解决风电送出线路冰害问题，有效提升冬季风电出力，保障电网迎峰度冬最大供电能力。面对国家“双碳”重大需求，电网输变电设备防灾减灾国家重点实验室开展多年攻关，提出风电送出线路整体解决措施。

3.1 技术措施

3.1.1 送出线路融冰技术

根据风电送出线路线型、长度和地形地貌等因素，研制出风电送出线路专用低谐波直流融冰装置[8]。该装置采用多档位多绕组消谐、多档位宽调压恒阻抗和“匹配阻抗”的感应电压抑制等新技术，功率因数为0.97以上，并网谐波含量低于5%，无需额外配置无功及滤波单元[9]。

3.1.2 取消地线改造

针对风电送出线路设计冰厚20 mm及以上的重覆冰区段，采用“取消地线，加装大容量防雷防冰绝缘子”技术方案。防雷防冰绝缘子通流能力达150 kA及以上，满足失去地线保护后的线路防雷需求。采取优化设计的伞裙布置和绝缘配合，防止覆冰、污秽、雷击等复杂气象条件下发生外绝缘闪络[10]，如图2所示。同时，防雷防冰复合绝缘子兼具普通绝缘子和并联线路避雷器的功能，减少电网建设成本和运维工作量[11]。

图2 防雷防冰复合绝缘子结构示意图

3.1.3 精细化覆冰预测

结合高山分水岭、垭口风增大等5种典型微地形覆冰模型与覆冰厚度微气象－电磁－太阳辐射多物理场三维数值计算方法[1]，提出输电线路覆冰落区自动、快速反演方法，构建基于粗糙集和TOPSIS的输电线路冰害防治决策模型，最高分辨率达30 m×30 m，实现风电送出线路精确到杆塔的覆冰厚度精细化预测，见表1。经对2021年1月7日西公线和白外线现场实际覆冰厚度进行测量，与预测数据保持一致，覆冰预测可指导线路融除冰工作提前开展和有效应对[12]。

表1 送出线路覆冰厚度精细化预测

3.2 管理措施

3.2.1 明确抗冰要求

在风电场接入评审阶段，明确提出风电送出线路抗融冰技术要求，审查抗冰设计和融冰措施的可行性，并在接入系统和可研批复中予以落实。同时，在工程建设及项目验收阶段，将抗融冰能力建设作为验收投产的重要内容。

3.2.2 出台政策文件

编制湖南省风电送出线路提升抗冰能力建设和改造的指导文件，包括规划设计、建设施工、大修技改及并网发电等方面的实施细则，为风电送出线路抗融冰能力统筹建设提供重要依据，使线路抗融冰能力建设和改造有章可循、有规可依。

3.2.3 建立统一机制

将湖南省风电送出线路纳入湖南电网防冻融冰体系统一管理，明确风电企业防冻融冰职责，为风电送出线路融除冰流程管理、现场操作实施等建立相关管理机制。

4 工程应用

4.1 送出线路融冰

在湖南串风坳、天堂山和西晃山等风电场应用16套风电送出线路融冰装置，累计实施直流融冰67条次。其中，串风坳风电送出线路110 kV串蔡线线型为2×LGJ－240和LGJ－300，长度共计49.3 km，融冰电流890 A，仅通流18 min，导线温度由－5℃提高至11.8℃，融冰效果明显。

4.2 地线抗冰改造

湖南省内目前已有110 kV楚半塔线、110 kV芙洢线等5条风电送出线路完成重覆冰区段取消地线抗冰改造。取消地线后的线路历经多轮雷雨和覆冰天气，至今未发生覆冰导致的导线断裂和雷击跳闸停电故障，为提升风电线路重覆冰区取消地线安全稳定运行提供了有力的现场运行经验，经济和社会效益显著。

4.3 线路覆冰预测

湖南省风电场送出线路共有102条，其中属于电网公司资产的线路57条。针对电网公司资产线路，电网输变电设备防灾减灾国家重点实验室已开展送出线路精细化覆冰预测，根据覆冰预测可提前开展线路融除冰人员和设备准备。天塘山风电场送出线路110 kV印天线近3年最大覆冰厚度17 mm，共开展直流融冰14次，未发生线路断线情况，效果显著。