风电场集电线路故障原因及预控措施

吴书强

（神华（锡林浩特）新能源有限公司，内蒙古 锡林浩特 026000）

0 引 言

风能作为一种清洁能源，蕴藏量大，具有较大的开发价值。近年来我国风力发电规模不断扩大，风力发电已经成为我国重要的电能来源。在风电场运行过程中，风电场集电线路故障比较常见，一旦集电线路出现故障，会导致风机脱网，造成比较严重的电量损失，因此加强风电场集电线路故障原因的研究，并且采取有效的措施来进行控制，降低风电场集电线路故障具有重要意义[1]。基于此，本文对风电场集电线路故障原因及预控措施进行了探讨。

1 风电场集电线路型式及特点

在风电场中集电线路是重要的设备，是保证风电场电能正常输出的基础，是风电场正常运行的前提。从当前我国风电场的实际情况来看，集电线路的主要型式分为架空集电线路和电缆集电线路两种。

（1）架空集电线路。当前，架空线路型式的集电线路在我国风电场中应用最为广泛，这种集电线路型式的优点在于技术相对完善，方便检修，运行也比较成熟，在安全性、可靠性和经济性方面都有不错的表现。但是这种线路也存在一定的缺陷，主要包括以下3方面。其一，架空集电线路受到气候条件的影响比较大，如雷暴、大风、冻雨、大雪和覆冰等不利气候条件，会给架空集电线路造成比较大的影响，导致出现跳闸、断线、倒塌和断股等电气设备损坏的问题，造成集电线路故障；其二，在我国一些地区，电阻率比较大，接地电阻在常规接地的条件下不能够满足安全运行的需求，降低接地电阻阻值的成本比较高，线路容易受到雷暴的影响，在雷暴条件下容易出现跳闸的情况，对于风电场各类电气设备的安全造成比较大的影响；其三，覆冰会给架空线路造成比较大的影响，在融冰期容易导致导线脱冰跳跃、冰闪等现象，严重影响到架空线路的运行安全[2]。

（2）电缆集电线路。电缆集成电路的优点是受到环境因素的影响小，具有较高的可靠性；线间绝缘距离小，占地少，不受到干扰电波的影响；在地下进行敷设，不占用地面空间，不暴露，具有较强的安全性和可靠性，而且对于风电场整体的景观建设有利；此外，相较于重覆冰架空线路，其建设成本也更低。不过电缆集电线路也有明显的缺陷，一方面其工程造价要比架空集电线路要高，而且对于施工工艺的要求也高，尤其是电缆集电线路中间接头，对于施工工艺的水平有非常高的要求，若施工质量不高，在运行过程中很可能会出现电缆绝缘击穿的问题，造成线路发生故障；在电缆集电线路中间接头需设置检修井、转/分接开关箱、标志桩等，这导致运行维护面临的困难较大。

2 风电场集电线路典型故障原因分析

通过对某风电场集电线路的故障情况进行分析发现，该风电场集电线路常出现的故障类型主要包括接地、相间短路、雷击、跌落开关、污闪和倒塌等几种，其中占比最高的是接地和雷击。通过对故障的属性进行分析发现，自然原因造成的故障占大多数，主要原因包括雷击、大风、覆冰和鸟害，而非自然原因造成的故障主要包括接地不良、绝缘下降、外力破坏、断线以及脱落等[3]。下面对风电场集电线路典型故障的原因进行深入的分析。

2.1 接 地

风电场35 kV集电线路系统是小电流接地电力系统，对于这一系统，接地故障是一种常见故障，在雨雪、大风或者是天气比较潮湿的天气，很容易出现这种故障。造成出现接地故障的主要原因有以下几方面：导线或引流线断线、脱落或搭接在塔架横担上；电缆、电缆头绝缘击穿；避雷器、绝缘子绝缘击穿；树木、鸟窝等搭接；线路外力破坏致导线落地。

2.2 相间短路

部分风电场集电线路存在线路相间距离比较短的问题，在恶劣天气的影响下非常容易出现相间短路的问题；在大风条件下，挂断的树枝或者是挂起来的物品横搭在线路间，会造成相间短路；鸟类搭窝栖息、叼起金属物搭在线路之间等情况都会导致相间短路的情况。

2.3 雷 击

雷击是导致风电场集电线路故障的主要因素之一，主要有以下3种形式。

（1）导线直接遭受雷击。如果没有安装避雷线，这种情况发生的可能性会很高。即使在安装有避雷线的情况下，雷电也可能会绕过避雷线的保护范围雷击导线。

（2）杆塔或者是避雷线遭受雷击。强大的雷电流通过杆塔的接地电阻后，杆塔和避雷线的电瞬间上升，杆塔与导线的电位差超出线路绝缘子闪络电压，导致绝缘子闪络，导线上出现较高的电压。

所谓的喷灌技术主要是通过专门设备把水通过压力管道输送到田间，然后喷射到空中，达到灌溉的目的。这种喷灌技术对于土壤和地形使用性强，但是容易受到风力的影响。

（3）感应雷过电压。当雷击导线水平间距65 m以外的大地，会导致空间电磁场出现急剧的变化，然后使导线上感应出电压。

2.4 跌落开关故障

跌落开关故障有以下几类原因。

（1）跌落开关触头大小和接触地方不匹配，在大风天气下容易出现松动，甚至是出现烧坏的情况，这种情况下熔丝管被风吹时，可能会摆到杆塔或者是其他方向的熔丝管，从而导致放电，造成线路跳闸。

（2）熔丝附件尺寸较粗，保险管孔太细，熔丝熔断以后，熔丝部件不容易从管中脱出，这种管子不能够迅速跌落，容易造成线路出现跳闸的问题。

（3）开关下触头的弹片弹力比较小，当熔断器持续运行一段时间以后，动触头的两个脚会被电流灼伤，从而造成接触不良，在大风条件下很容易出现跌落件非正常跌落的情况。

2.5 污 闪

电气设备的绝缘表面污秽物增多，在潮湿的条件下可溶性物质会溶于水，绝缘层表面形成导电膜，导致其绝缘性能显著降低，在电场的作用下会出现强烈的放电问题。在恶劣的气象条件下，如雾霾、沙尘暴等会增加污闪出现的可能性[4]。

3 预防维护处理措施

为了保障风电场集电线路的正常运行，对故障进行有效的控制，可以采取以下的预防维护处理措施。

3.1 设计阶段

在进行集电线路设计时，为了降低冰覆情况对线路的影响，要提高本体抗冰覆设计。对于重冰区，在进行导线的设计时，地线要比导线设计冰覆高度高出5 mm。同时，需要对杆塔的不均匀冰覆进行力学校核，在必要的情况下，需要更换底线支架和塔材，提高杆塔强度，防止出现倒塔断线等故障。

3.2 工程阶段

在进行架空线路的施工时，应严格按照相关规范进行施工，采用正确的底线施工工艺，按照设计的导地线弧垂放线，从而确保导地线弧垂的防雷配合。在进行杆塔接地电阻的施工时，确保电阻满足规程的要求。在进行跌落开关引下线、电缆线夹安装时，要确保安装的质量。对于需要紧固的地方，要采用双螺母提高紧固效果。在完成安装以后，要按照标准进行验收，在确保工程质量满足要求，电气设备试验合格以后，才能够进行工程移交。

在电缆线路施工过程中，需要加强施工的质量控制，确保电缆的接收、运输等各个环节满足规范要求，避免这个过程中造成线缆损坏。在线缆进入到施工现场以后，需要对线缆进行验收试验，确保其满足设计需求。施工过程中应严格按照相关标准进行施工，电缆的最小弯曲半径、电缆最大牵引强度、机械敷设电缆速度等都必须要满足标准要求，不能够进行野蛮施工。加强电缆头的质量控制，确保其制作工艺严格按照相关国家标准来进行。

在整个施工期间，应做好电缆及其附件的防潮、防尘以及防外力损伤等方面的措施，做好施工现场环境控制，确保温湿度和清洁度等条件都满足施工要求，避免在雨、雾和风沙等不利天气条件下进行安装，在安装完成以后要进行验收，验收合格以后才能够投入运营[5]。

3.3 运维阶段

线路的运维阶段要做好线路的巡视和维护等两方面工作。

（1）线路巡视。定期对集电线路进行巡视，检查是否存在鸟窝、树木等障碍物对线路造成影响，若存在要及时进行清理；定期开展夜间巡查工作，在夜间工作人员对于火花等非常敏感，利用这一特点在夜间对导线的连接点进行检查，观察导线连接点是否存在发热、发光和放电等问题。

（2）线路维护。定期对线路的电气连接情况进行检查，检查连接件的螺母是否有松动，及时进行紧固处理。定期进行登杆检查，将绝缘子表面的污秽清理干净，若发现绝缘子存在放电或者是击穿的问题，要及时更换。在干旱季节，还应对杆塔的接地电阻进行检查，确认其是否满足设计要求。

3.4 设计校核

在完成施工之后，需要对工程进行设计校核，确认施工质量满足要求。

（1）要对导线、地线的弧垂进行检查，确认是是否满足设计要求，若发现其存在超标的情况，要及时地进行调整。

（2）要校核集电线路配置的保护，防止出现越级跳闸的问题。

（3）要对避雷器的配置进行校核，确认其是否满足相关规范的需求，根据实际情况适当延长架空线路的零序电流保护时限，提高其应对雷击等瞬间故障的能力。

（4）要做好跌落开关的维护工作，对跌落开关的转动部位进行检查，确认其灵活性，检查其零部件是否存在锈蚀和损坏等问题。在进行跌落开关的验收时。要严格按照相关规范开展验收工作，确保熔管安装角度达到25°，如果熔体发生熔断，则需要更换新的熔体。

（5）按照规范来定期开展预防性试验，验证集电线路应对各种安全隐患的能力。安装防鸟挡板、防鸟刺等装置来防止鸟害，降低鸟对集电线路造成的影响。

4 结 论

集电线路作为风电场中的重要设备，其运行的稳定性直接影响到风电场运行的效率和稳定性，对风电场的经济效益有着比较大的影响。当前导致集电线路出现故障的原因主要包括接地、相间短路、雷击、跌落开关、污闪等，本文对这些问题进行了分析，并且从集电线路的设计、施工、验收和运维阶段对集电线路故障的预防控制措施进行了探讨。