风力发电机组与集电线路安全距离研究

刘 昊 米青周 王旭东

（1.河北鲲能电力工程咨询有限公司 2.河北省分布式能源应用技术创新中心）

0 引言

当前形势下， “十四五”时期风电已经成为清洁能源增长的主力，全面协调推进风电开发已成为时代趋势。陆上风电场的场内集电线路通常以架空线路为主、电缆线路为辅的形式，需要将风力发电机组产生的电能安全可靠地输送到升压站。风电场内电气主接线通常采用为一机一变的单元接线方式，多以35kV电压等级接入风电场升压站［1］。单台风力发电机通过1台箱变，将机端电压升压至35kV，再经35kV集电线路送至风电场升压站。通常风机箱变到集电线路铁塔通过电缆连接，电缆线路对比架空线路造价较高，故在保证风机线路安全距离的前提下，优化风机所需引上铁塔的位置以减少电缆线路的工程量，可使得风电场集电线路安全性得到保证的同时更具经济性［2］。本文结合工程实例及相关技术经验，对风力发电机组与集电线路安全距离进行探讨研究。

1 风力发电机组与集电线路安全距离研究的必要性

在我国风力发电技术不断进步的背景下，集电线路出现的安全事故也越来越多。在人们对清洁供电需求日益高涨的背景下，加强对风电场集电线路安全事故的研究具有重要意义［3］。与风偏放电、断线、倒塔等事故相比，尽管风机叶片与集电线路铁塔发生碰撞的概率不高，但因地形变化、风机机型变化以及测绘、设计或施工失误造成的碰撞事故也时有发生［4］。文中提到的验算方法能够有效规避风电场场内集电线路与风机叶片发生碰撞的风险，保证风电场场内集电线路的安全稳定运行。

2 风力发电机组与集电线路安全距离核算流程及方法

在风电机组运行过程中，风机叶片高速运转，此时叶片对邻近的铁塔及导、地线，在顺风方向产生风压，根据风速折算出最大风力约为50～100N，等效重量约为5～10kg，此时产生的风压对线路的影响十分有限，故叶片运行时产生的风压对线路的影响可以忽略不计。以下根据不同设计阶段、不同地形，介绍核算方法。

2.1 平原风电场

对于位置处于平原地区的风电场，结合场区地形图，场区范围内高差变化小于5m内可通过数据解析，反算出风机与铁塔距离的最小值，方法如下：

1）根据拟选用机型，查出轮毂高度H1及叶轮直径D。

2）风机微观选址完成后，结合地形图，做出拟选路径，通过分析档距及相关地形，拟选风机引上铁塔塔型呼高，确定铁塔全高H2。

3）在图1中量出铁塔与风机平面最近距离X1。

4）算出风机轮毂高度与铁塔全高差值H3，根据勾股定理可粗算出风机叶片与铁塔空间计算距离L1。

5）考虑风机机舱、自身宽度及风机调桨范围，额外增加5m安全裕度，若D／2＋5＜L1，即为安全。

平原风电场风机－铁塔安全距离核算平面示意图如图1所示。某平原风电场初步设计阶段风机安全距离计算如表1所示。

图1 平原风电场风机－铁塔安全距离核算平面示意图

表1 某平原风电场初步设计阶段风机安全距离计算表

2.2 丘陵及山地风电场

对于位置处于丘陵及山地地区的风电场，因场区内地形起伏变化较大，通过上述平地部分计算方法，无法反算出风机对铁塔安全距离的最小值，故需预选出线路路径，根据设计经验，预选路径时，风机引上铁塔位置应距离风机50m，结合地形图，读出风机机位高程及铁塔高程，算出高差ΔH，并根据预选塔基周围地形图，预算降基值，对预选路径进行复核。山地风电场风机－铁塔安全距离核算平面示意图如图2所示。某山地风电场初步设计阶段风机安全距离计算如表2所示。

图2 山地风电场风机－铁塔安全距离核算平面示意图

表2 某山地风电场初步设计阶段风机安全距离计算表

另外，对于山区风电场，当风机临近线路跨越山谷，导、地线弧垂最低点位置处于山谷时，设计人员应对山谷微气象进行特殊分析，对此时不同工况下的弧垂进行核算其最大风偏值。

2.3 施工图阶段复核流程及方法

上述方法为初步设计及初勘阶段复核风机位与集电线路安全距离的方法。对于施工图设计阶段，根据初步设计及初勘阶段预选路径，在项目现场进行实测选位，得到铁塔实测坐标及高程，根据土建或总图专业提资，得到最终机位坐标及高程。根据以上数据对风机与集电线路距离进行进一步核算。

以河北省某风电场CN19铁塔－＃90风机为例，根据实际数据，用图解法进行分析。核算步骤如下：

1）根据集电线路施工图，确认CN19塔型呼高为06B5－SJ1－24，铁塔全高为35.8m；根据业主提供风机资料，确认＃90风机型号为WT2500D146，即装机容量2.5MW，轮毂高度95m，叶轮直径146m。

2）由集电线路终勘定位后路径图及风机位坐标，确认风机距集电线路最近距离为49.48m。

3）根据现场实际复测，得到集电线路及风机施工后高程数据，算出施工后实际高差为集电线路铁塔高程较风机高程高4.3m。

4）确认风机与集电线路最近处危险点位置，为CN19大号侧21m处。考虑风机机舱自身宽度及风机调桨范围，扩大危险点范围至CN19大号侧11～31m。路径走向示意如图3所示。

图3 路径走向示意图

5）根据上一步所确定的危险点范围，查验断面图，观察此处导地线走向，继而考虑增加核算裕度。由图4可知，在危险点范围（CN19大号侧11～31m范围内），地线位置均低于铁塔全高，故此处无需考虑增加核算裕度。CN19－CN20断面图如图4所示。

图4 CN19－CN20断面图

6）将上述条件绘入图中，得到模拟示意图，N19－90＃风机安全距离核算平面示意图如图5所示，CN19－90＃风机安全距离计算如表3所示，读出风机叶片扫掠范围对集电线路安全距离为0.91m。

图5 CN19－90＃风机安全距离核算平面示意图

本文中所提及铁塔为国网35kV典型设计铁塔，塔头为单地线布置，若所需核算风电场所处地区雷区等级较高，如南方电网风电场项目，需采用双地线模块铁塔，验算安全距离时需考虑地线支架宽度，即地线挂点对线路中心线距离。

表3 CN19－90＃风机安全距离计算表

3 结束语

因GB51096—2015《风力发电场设计规范》及GB50061—2010《66kV及以下架空电力线路设计规范》中，对于线路与风机叶片扫掠范围的距离无明确要求，故可认为风机叶片扫掠范围与线路地线及边导线等距风机最近点无物理碰撞即为安全。

通常情况下，风电场运维安规手册要求，临近风机铁塔需要上塔作业时，临近风机需停机以保证运维人员安全。但考虑特殊情况，需要带电上塔作业时，根据GB50061—2010《66kV及以下架空电力线路设计规范》6.0.13中对操作人员需要停留工作的部位应增加0.5m，需在塔头处考虑人体活动范围0.5m，同时考虑风机叶轮运行时，对在塔头处作业的运维人员所产生的心理影响，应适当加大设计裕度。

综上，在进行风电场集电线路设计时，风机叶片对铁塔及地线安全距离应至少大于2m。若安全距离达不到此要求，应避免运维人员在风机运行时上塔作业。