文 | 牛清華

近年來(lái)，隨著國(guó)家對(duì)清潔能源的大力提倡和開(kāi)發(fā)，風(fēng)能作為清潔能源得到了大力推廣。高海拔地區(qū)（如云貴高原）風(fēng)能資源一般比較充足，但這些地區(qū)的電力事業(yè)發(fā)展相對(duì)滯后，缺電問(wèn)題比較突出，因此有必要開(kāi)發(fā)高海拔風(fēng)電場(chǎng)來(lái)推進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的發(fā)展，然而高海拔地區(qū)自然氣候條件非常惡劣，因此對(duì)風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)內(nèi)集電線路可靠性的要求更高，本文將著重分析風(fēng)電場(chǎng)在高海拔條件下場(chǎng)區(qū)35kV集電線路的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。

高海拔地區(qū)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)集電線路的影響

高海拔地區(qū)的氣候特征有：氣壓低、空氣稀??；氣象復(fù)雜、雷擊頻繁；紫外線強(qiáng)、晝夜溫差大；部分高海拔地區(qū)覆冰凝凍現(xiàn)象嚴(yán)重。下面將針對(duì)以上特征分析對(duì)風(fēng)電場(chǎng)35kV集電線路的影響。

氣壓或者空氣密度較低，同等電壓情況下，空氣容易產(chǎn)生電離現(xiàn)象，空氣間隙擊穿電壓減小，風(fēng)電場(chǎng)集電線路中常用的避雷器或電纜終端的外絕緣強(qiáng)度與放電電壓降低，極易發(fā)生閃絡(luò)或絕緣擊穿等破壞性事故。

氣象條件復(fù)雜且雷擊頻繁，對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)架空線路影響較大，當(dāng)線路落雷導(dǎo)致線路避雷器損壞后如不及時(shí)更換，極易損壞電氣設(shè)備，造成巨大損失。

紫外線強(qiáng)及晝夜溫差大，易造成電纜及電纜終端絕緣老化。

部分高海拔地區(qū)覆冰現(xiàn)象嚴(yán)重，易導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)架空線路中的導(dǎo)線彈跳、斷線、倒塔事故，也易導(dǎo)致絕緣子串的冰閃事故，造成整個(gè)線路跳閘。

高海拔風(fēng)電場(chǎng)集電線路設(shè)計(jì)案例分析

西藏那曲風(fēng)電場(chǎng)位于西藏自治區(qū)中偏北,場(chǎng)區(qū)最高海拔約4800m,風(fēng)電機(jī)組發(fā)出的電能經(jīng)35kV架空線路接入新建110kV升壓站。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、收集有關(guān)資料，確定本線路的設(shè)計(jì)氣象條件如表1。

針對(duì)以上氣象條件，進(jìn)行線路設(shè)計(jì)分析如下：

一、桿塔選型

空氣間隙的擊穿電壓及絕緣子的閃絡(luò)電壓與大氣狀態(tài)（氣壓、溫度、濕度）有關(guān)，高海拔地區(qū)由于海拔的原因，直接影響大氣壓力使其下降，導(dǎo)致氣體和絕緣擊穿電壓降低，因此架空輸電線路的塔頭間隙和絕緣配置需要大大提高。

表1 西藏那曲風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)氣象條件

表2 最小空氣間隙距離表

本項(xiàng)目輸電線路電壓等級(jí)為35kV，所選塔型均為典型設(shè)計(jì)鐵塔，考慮到海拔原因，需要加大塔頭間隙，塔型的選擇需考慮到送電線路雷電過(guò)電壓間隙的增大和線路絕緣子串長(zhǎng)度的增加，各類電壓等級(jí)最小空氣間隙距離見(jiàn)表2，因此本項(xiàng)目選用了110kV鐵塔。

二、絕緣子選擇

由于本風(fēng)電場(chǎng)海拔較高，紫外線照射較嚴(yán)重，如選用復(fù)合絕緣子，老化問(wèn)題較嚴(yán)重，因此本工程選用了常規(guī)的陶瓷絕緣子X(jué)WP-7。

本項(xiàng)目所在地區(qū)海拔超過(guò)了4800m，污穢等級(jí)為三級(jí)，泄露比距選3.2cm/kV，根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司物資采購(gòu)標(biāo)準(zhǔn)中的《高海拔外絕緣配置技術(shù)規(guī)范》（2009版），高海拔高壓絕緣子外絕緣水平海拔修正按公式（1）進(jìn)行。

U－高海拔用絕緣子在海拔不超過(guò)1000m地區(qū)試驗(yàn)時(shí)的外絕緣試驗(yàn)電壓，kV；

U0－絕緣子額定耐受電壓，kV；

Ka－外絕緣強(qiáng)度的高海拔校正因數(shù)， 由公式（2）決定；

式中：

H2－絕緣子使用地點(diǎn)海拔高度，m；

H1－試驗(yàn)地點(diǎn)（制造廠家）海拔高度，m；

m－海拔修正因子，工頻、雷電電壓修正因子m＝1.0，操作過(guò)電壓修正因子m＝0.75。

由式1、式2得U＝55.79kV，計(jì)算本地區(qū)35kV線路的爬電距離為1.785m，XWP-7的泄露距離為0.4m，因此本項(xiàng)目所選懸式絕緣子數(shù)量為5片，耐張絕緣子數(shù)量為6片。

三、電纜終端選型

常規(guī)項(xiàng)目中35kV電纜終端優(yōu)先選用冷縮型，但冷縮型電纜終端一般為預(yù)制式，如需加大爬電距離，需重新設(shè)計(jì)預(yù)制模，考慮到造價(jià)和工期，本項(xiàng)目采用了優(yōu)質(zhì)品牌的熱縮電纜終端，熱縮電纜終端一般為現(xiàn)場(chǎng)制作，可以隨意調(diào)節(jié)電纜終端傘裙以調(diào)整爬電距離，另外本電纜終端選擇采用3層擠出熱縮結(jié)構(gòu)和單管絕緣管結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)握力，這種獨(dú)特材料的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)和電纜本體相似的熱膨脹系數(shù)，能滿足在寒冷、高熱、晝夜溫差大的高原環(huán)境下安全運(yùn)行。

四、桿塔接地

本項(xiàng)目所處地區(qū)為永凍土地區(qū)，勘測(cè)到凍土層厚度為3m,按照GB/T 50065-2011《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》中的規(guī)定，本工程桿塔接地方式為敷設(shè)深鉆式接地極，并保證深入地面以下8m。接地施工圖如圖1所示。

五、避雷器選型

本項(xiàng)目避雷器選型為YH10WX-54/150，由于項(xiàng)目所在區(qū)域?yàn)槔纂姸喟l(fā)區(qū)（年均雷暴日為85.2天），避雷器在戶外受雷擊的概率比較大，所以將標(biāo)稱放電電流增大為10kA，方波通流容量增大為800A。除此以外，還要對(duì)避雷器的爬電距離和工頻耐壓進(jìn)行海拔修正。

高海拔覆冰區(qū)域集電線路設(shè)計(jì)分析

目前，高海拔風(fēng)電場(chǎng)覆冰較嚴(yán)重地區(qū)大部分處在云貴高原區(qū)域，風(fēng)電場(chǎng)架空線路上有較厚覆冰時(shí)（圖2所示），易發(fā)生如下事故。

圖1 桿塔接地施工圖

圖2 導(dǎo)線覆冰實(shí)拍照片

（1）基礎(chǔ)下沉或斷線倒塔。鐵塔基礎(chǔ)所承載重量包括鐵塔、導(dǎo)線、地線、絕緣子金具的重量；桿塔導(dǎo)線上覆冰的重量；風(fēng)偏作用力。當(dāng)承載重量或拉力超過(guò)設(shè)計(jì)值過(guò)多時(shí)，易引起基礎(chǔ)的不均勻沉降或有可能使輸電導(dǎo)線或金具的某一環(huán)節(jié)率先斷開(kāi)，從而發(fā)生倒塔斷線事故。

（2）絕緣子冰閃或短路事故。絕緣子表面的覆冰在傘裙間形成冰凌使絕緣子串的各個(gè)絕緣子間的空氣間隙縮短，并且在融冰時(shí)易形成導(dǎo)電水膜導(dǎo)致泄露電流增大，發(fā)生冰閃事故。此外輸電線路承受載荷過(guò)大，其導(dǎo)線弧垂也會(huì)增加，使導(dǎo)線與大地間的絕緣空氣距離減小，發(fā)生短路事故。

（3）脫冰跳躍事故。輸電線路的舞動(dòng)會(huì)造成金具損壞、輸電線路斷股、斷線、斷塔頭、桿塔傾斜等現(xiàn)象。

針對(duì)以上問(wèn)題，處于高覆冰區(qū)域風(fēng)電場(chǎng)的集電線路優(yōu)先選用全電纜方式，如現(xiàn)場(chǎng)部分路段不允許采用電纜方式時(shí)，架空線路的設(shè)計(jì)應(yīng)注重采取避冰和抗冰措施：

1 避冰措施：線路路徑選擇時(shí)應(yīng)盡量做到避免橫跨埡口、風(fēng)道和通過(guò)湖泊、水庫(kù)等容易覆冰地段，通過(guò)山嶺地帶時(shí)應(yīng)沿覆冰時(shí)的背風(fēng)坡或山體陽(yáng)坡走線。

2 抗冰措施：首先，重覆冰地區(qū)的架空線路定位檔距不宜過(guò)大，同時(shí)要求各檔距間盡量均勻，以減少不平衡張力；其次，各相鄰檔的高低差也需要減少，以避免脫冰跳躍和不均勻覆冰時(shí)對(duì)絕緣子的破壞；第三，需根據(jù)覆冰的嚴(yán)重程度，選擇適當(dāng)?shù)慕^緣子、金具、導(dǎo)線和桿塔型式，必要時(shí)可進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)以應(yīng)對(duì)冰災(zāi)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)線路的危害。

結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)分析高海拔風(fēng)電場(chǎng)集電線路的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，可進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)方案來(lái)提高高海拔風(fēng)電場(chǎng)集電線路的安全性和可靠性，降低線路故障率，減小對(duì)當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的影響。