文 | 丁劍

隨著新能源戰(zhàn)略的持續(xù)推進(jìn)，我國(guó)風(fēng)電開(kāi)發(fā)規(guī)模和范圍不斷擴(kuò)大，山區(qū)風(fēng)電項(xiàng)目越來(lái)越多。風(fēng)電機(jī)組箱變之間通過(guò)輸電線路串聯(lián)將風(fēng)電機(jī)組所發(fā)的電能集結(jié)后輸送到場(chǎng)內(nèi)的升壓站，該集結(jié)的輸電線路被稱為集電線路。根據(jù)我國(guó)輸電線路設(shè)計(jì)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，架空輸電線路應(yīng)避開(kāi)微地形微氣象、重冰區(qū)及易發(fā)生導(dǎo)線舞動(dòng)的地區(qū)。

然而由于山區(qū)地形的特殊性，存在一些迎風(fēng)坡、背風(fēng)坡、分水嶺、山前洪積扇、埡口、山脊、山坳、盆地以及與陸地鄰近的江河、湖泊、水庫(kù)等微地形微氣象區(qū)域。因?yàn)樯絽^(qū)風(fēng)電場(chǎng)集電線路不可避免經(jīng)過(guò)上述地區(qū)，如不考慮這些區(qū)域?qū)娋€路的影響，在風(fēng)電場(chǎng)投運(yùn)后，可能會(huì)出現(xiàn)由于集電線路的設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組無(wú)法輸送電能的情況，給風(fēng)電場(chǎng)的安全運(yùn)行帶來(lái)隱患。因此，設(shè)計(jì)階段必須進(jìn)行相應(yīng)考慮。

本文重點(diǎn)闡述了對(duì)上述區(qū)域集電線路進(jìn)行防風(fēng)、防覆冰和防舞動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的要點(diǎn)，希望能給其他風(fēng)電場(chǎng)集電線路設(shè)計(jì)提供參考和借鑒。

集電線路防風(fēng)設(shè)計(jì)

通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，目前，國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)集電線路采用35kV電壓等級(jí)的架空線路。根據(jù)《66kV及以下架空電力線路設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50061-2010）的相關(guān)規(guī)定，35kV架空線路最大設(shè)計(jì)風(fēng)速的計(jì)算是按當(dāng)?shù)貧庀笈_(tái)、站10m高度，10min時(shí)距平均的年最大風(fēng)速為樣本，采用極值I型分布作為概率模型統(tǒng)計(jì)得到的。對(duì)于山區(qū)輸電線路，當(dāng)無(wú)可靠資料時(shí)，最大設(shè)計(jì)風(fēng)速可按附近平地風(fēng)速增加10%進(jìn)行設(shè)計(jì)。需要說(shuō)明的是，該值只考慮了位置和高度的影響，未考慮微地形微氣象的影響。

如未對(duì)集電線路的最大設(shè)計(jì)風(fēng)速和特殊區(qū)域進(jìn)行充分調(diào)研和實(shí)地勘查，可能由于設(shè)計(jì)風(fēng)速取值較低，在線路運(yùn)行期間因搖擺角和風(fēng)偏設(shè)計(jì)不足引起導(dǎo)線閃絡(luò)、跳閘停電事故，甚至由于水平荷載的增大出現(xiàn)斷線、倒塔等事故。

一、設(shè)計(jì)方法

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，集電線路防風(fēng)設(shè)計(jì)應(yīng)通過(guò)合理論證最大設(shè)計(jì)風(fēng)速、提高微地形微氣象的最大風(fēng)速值、減少桿塔允許使用條件、增大電氣間隙和提高桿塔強(qiáng)度五方面避免由于風(fēng)速考慮不合理對(duì)輸電線路造成危害。

（1）合理論證最大設(shè)計(jì)風(fēng)速

應(yīng)充分調(diào)研周圍已建架空線路的運(yùn)行情況，利用周圍氣象臺(tái)、站的資料和測(cè)風(fēng)塔的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)，并結(jié)合《風(fēng)區(qū)分布圖》，確定集電線路的最大設(shè)計(jì)風(fēng)速。

（2）提高微地形微氣象的最大風(fēng)速值

集電線路經(jīng)過(guò)谷口正迎主導(dǎo)風(fēng)向且兩側(cè)陡峻的河谷、氣流由開(kāi)闊地區(qū)進(jìn)入狹窄地區(qū)、山頂?shù)任⒌匦挝庀髤^(qū)域時(shí)，最大設(shè)計(jì)風(fēng)速應(yīng)進(jìn)行專題研究。在微地形微氣象區(qū)域，最大設(shè)計(jì)風(fēng)速應(yīng)提高1.2～1.3倍。

（3）減小耐張段長(zhǎng)度

當(dāng)線路桿塔使用通用設(shè)計(jì)塔型時(shí)，在相對(duì)高差較大、連續(xù)上下山等局部地段應(yīng)進(jìn)行垂直檔距的復(fù)核，減少直線塔的使用。

（4）校驗(yàn)線路風(fēng)偏

微地形微氣象區(qū)域應(yīng)進(jìn)行風(fēng)偏設(shè)計(jì)與檢驗(yàn)，確保線路不會(huì)因?yàn)轱L(fēng)偏不夠?qū)е聦?dǎo)線閃絡(luò)、跳閘事故發(fā)生。

圖1 陸豐某風(fēng)電場(chǎng)集電線路CD45#鐵塔倒塔現(xiàn)場(chǎng)

（5）驗(yàn)算桿塔機(jī)械強(qiáng)度

對(duì)桿塔進(jìn)行滿應(yīng)力分析，確保桿塔不會(huì)由于風(fēng)荷載的增大出現(xiàn)斷線、倒塔等事故。

二、應(yīng)用案例

2015年7月，臺(tái)風(fēng)“蓮花”在廣東省陸豐市甲東登陸，陸豐某風(fēng)電場(chǎng)集電線路CD45#鐵塔出現(xiàn)倒塔事故，見(jiàn)圖1。

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)該塔位于山頂，前后塔位較該鐵塔位置低，且周圍植被較少，位于開(kāi)闊的微地形區(qū)域，最大風(fēng)速超過(guò)設(shè)計(jì)要求，導(dǎo)致倒塔事故發(fā)生。針對(duì)該特點(diǎn)，將該段導(dǎo)地線的最大風(fēng)速取值由30m/s增加到36m/s，并提高鐵塔的設(shè)計(jì)強(qiáng)度。工程運(yùn)行至今再未出現(xiàn)斷線和倒塔事故。

集電線路防覆冰設(shè)計(jì)

導(dǎo)線覆冰的輕重取決于山脈、坡向與分水嶺、臺(tái)地、風(fēng)口、江湖水體等因素。在山區(qū)，導(dǎo)線覆冰受地形及地理的影響更嚴(yán)重。江湖水體對(duì)導(dǎo)線覆冰影響也十分明顯，水汽充足時(shí)，導(dǎo)線覆冰嚴(yán)重；附近無(wú)水源時(shí)，導(dǎo)線覆冰較輕。海拔高程越高，越容易覆冰，且覆冰也越厚，多為霧??；海拔高程較低時(shí)，其覆冰雖較薄，但多為雨凇或混合凇。

當(dāng)輸電線路覆冰時(shí)，會(huì)增加輸電線路導(dǎo)地線及金具和桿塔的垂直荷載以及水平荷載，嚴(yán)重覆冰會(huì)造成導(dǎo)地線斷股斷線，金具損壞，甚至出現(xiàn)倒塔事故。

一、設(shè)計(jì)方法

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行集電線路防覆冰設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)通過(guò)合理論證覆冰厚度、提高微地形微氣象的覆冰厚度、增大電氣間隙、提高桿塔強(qiáng)度四方面避免舞動(dòng)對(duì)輸電線路造成危害。

（1）合理論證覆冰厚度

應(yīng)充分調(diào)研周圍已建架空線路的運(yùn)行情況，利用周圍氣象臺(tái)、站的資料，并結(jié)合《冰區(qū)分布圖》，確定集電線路的覆冰厚度。

（2）提高微地形微氣象的覆冰厚度

對(duì)較易覆冰的微地形地段，以及相對(duì)高差較大、連續(xù)上下山等局部地段的線路，應(yīng)結(jié)合周邊已建成的輸電線路運(yùn)行情況，提高該區(qū)域的覆冰厚度。

（3）校驗(yàn)桿塔電氣間隙

微地形微氣象區(qū)域采用的塔型應(yīng)進(jìn)行電氣間隙的校驗(yàn)，確保線路不會(huì)因?yàn)椴痪鶆蛎摫鶎?dǎo)致導(dǎo)線閃絡(luò)、跳閘事故發(fā)生。

（4）驗(yàn)算桿塔機(jī)械強(qiáng)度

對(duì)桿塔進(jìn)行滿應(yīng)力分析，確保線路不會(huì)因?yàn)椴痪鶆蛎摫斐蓴嗑€、倒塔等事故。

二、應(yīng)用案例

2018年1月，江西經(jīng)歷了罕見(jiàn)的低溫雨雪冰凍天氣，德安某風(fēng)電場(chǎng)集電線路A10#、 A11#塔出現(xiàn)斷線事故，見(jiàn)圖2。

圖2 德安某風(fēng)電場(chǎng)集電線路A10#、A11#塔斷線現(xiàn)場(chǎng)

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)A10#和A11#兩塔均位于山頂，兩塔之間穿越了風(fēng)口，覆冰厚度超過(guò)設(shè)計(jì)要求，由于微地形的因素，導(dǎo)線不均勻脫冰引發(fā)斷線事故。針對(duì)覆冰特點(diǎn)，將該段導(dǎo)地線的覆冰厚度增加5mm，并提高鐵塔的設(shè)計(jì)強(qiáng)度。工程運(yùn)行至今再未出現(xiàn)斷線事故。

集電線路防舞動(dòng)設(shè)計(jì)

導(dǎo)線舞動(dòng)與微氣候關(guān)系非常密切，通過(guò)對(duì)導(dǎo)線舞動(dòng)機(jī)理和已經(jīng)發(fā)生過(guò)導(dǎo)線舞動(dòng)案例的分析和總結(jié)可以知道，環(huán)境溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)、雨淞和霧淞、雪等氣象要素與舞動(dòng)的發(fā)生有著密切關(guān)系。風(fēng)激勵(lì)是輸電導(dǎo)線舞動(dòng)的主要成因，風(fēng)力的大小以及風(fēng)向同線路走向的夾角對(duì)導(dǎo)線舞動(dòng)是否發(fā)生、發(fā)生舞動(dòng)的幅度和頻率大小有著很大影響。此外，大多數(shù)觀察到的舞動(dòng)線路上導(dǎo)線有覆冰，且多為非對(duì)稱覆冰，即迎風(fēng)側(cè)厚，背風(fēng)側(cè)薄，形成月形、扇形、D形等不規(guī)則形狀，導(dǎo)線由此具有較好的空氣動(dòng)力性能，在一定風(fēng)力和風(fēng)向的激勵(lì)下誘發(fā)舞動(dòng)。國(guó)內(nèi)外大量的統(tǒng)計(jì)資料表明，導(dǎo)線舞動(dòng)一般發(fā)生在冬季和初春，因?yàn)檫@兩個(gè)時(shí)段冷暖氣流的交匯易引起較強(qiáng)的風(fēng)力。處于地勢(shì)平坦、開(kāi)闊及風(fēng)口地區(qū)的輸電線路，當(dāng)導(dǎo)線覆冰、風(fēng)速為4～20m/s，主導(dǎo)風(fēng)向與線路走向夾角不小于45°時(shí)，易發(fā)生舞動(dòng)。

舞動(dòng)產(chǎn)生的危害是多方面的，主要有機(jī)械損傷和電氣故障兩類。機(jī)械損傷包括螺栓松動(dòng)、脫落，金具、絕緣子、跳線損壞，導(dǎo)線斷股、斷線，塔材、基礎(chǔ)受損等；電氣故障包括相間跳閘、閃絡(luò)，導(dǎo)線燒蝕、斷線，相地短路以及混線跳閘等。

一、設(shè)計(jì)方法

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)集電線路進(jìn)行防舞動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)通過(guò)減少桿塔允許使用條件、安裝防舞裝置、增大舞動(dòng)的電氣間隙、提高桿塔以及金具與絕緣子的機(jī)械強(qiáng)度五方面避免舞動(dòng)對(duì)輸電線路造成危害。

（1）減小線路檔距

由于大截面、多分裂導(dǎo)線扭轉(zhuǎn)剛度大，容易產(chǎn)生偏心覆冰，因此，大截面導(dǎo)線比常規(guī)截面導(dǎo)線容易產(chǎn)生舞動(dòng)；分裂導(dǎo)線比單導(dǎo)線容易產(chǎn)生舞動(dòng)。檔距越大，導(dǎo)線吸收的能量就越大，舞動(dòng)的幅度就越大，應(yīng)在易舞區(qū)盡量減小檔距。

（2）安裝防舞動(dòng)裝置

針對(duì)“風(fēng)激勵(lì)”可加裝防舞裝置擾亂氣流的激勵(lì)或改變攻角，從而提高舞動(dòng)發(fā)生的冰、風(fēng)閾值。如加裝擾流防舞器、阻尼器等。

針對(duì)“線路的結(jié)構(gòu)和參數(shù)”可采取改變導(dǎo)線特性抑制舞動(dòng)的措施，多數(shù)防舞器均屬此類。如雙擺防舞器、失諧擺、偏心重錘、阻尼器等。

（3）增大桿塔電氣間隙

根據(jù)國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)實(shí)踐和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于覆冰舞動(dòng)情況，相對(duì)地間隙按照工頻電壓間隙取值，相對(duì)相間隙按照工頻電壓相對(duì)地間隙的1.05倍取值，能夠保證線路安全運(yùn)行。由于覆冰形狀、尺寸、風(fēng)速的差異，通常導(dǎo)線和地線不會(huì)同時(shí)舞動(dòng)，因此，可以按照導(dǎo)線舞動(dòng)地線不動(dòng)的情況驗(yàn)算相對(duì)地距離，按照下導(dǎo)線舞動(dòng)上導(dǎo)線不動(dòng)的情況驗(yàn)算相對(duì)距離。通常采用作圖法測(cè)出導(dǎo)地線或?qū)Ь€間的距離。

（4）提高桿塔機(jī)械強(qiáng)度

在易舞動(dòng)地區(qū)適當(dāng)提高桿塔的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，以提高其抵抗舞動(dòng)發(fā)生動(dòng)荷載的能力。由于舞動(dòng)會(huì)造成桿塔螺栓松脫，應(yīng)在桿塔上加裝螺栓防松帽，提高塔身的抗舞能力。

（5）提高電力金具及絕緣子強(qiáng)度

線路舞動(dòng)時(shí)將產(chǎn)生巨大的動(dòng)態(tài)荷載，研究表明導(dǎo)線舞動(dòng)產(chǎn)生的最大張力一般約為靜態(tài)張力的2倍。因此，在舞動(dòng)強(qiáng)度相對(duì)較大時(shí)，金具及絕緣子的安全系數(shù)可能不滿足機(jī)械強(qiáng)度的要求，應(yīng)將易舞區(qū)線路的金具設(shè)計(jì)安全系數(shù)提高至3.0～4.0，絕緣子設(shè)計(jì)安全系數(shù)提高至3.5～4.5，以確保金具及絕緣子能抵抗強(qiáng)度相對(duì)較大舞動(dòng)的影響。

由于舞動(dòng)造成磨損會(huì)使得金具失效，可采用耐磨金具以提高抗舞能力。對(duì)絕緣子而言，增大絕緣子串的質(zhì)量有助于降低張力變化引起的振幅。

二、應(yīng)用案例

2015年3月，山東臨沂某風(fēng)電場(chǎng)集電線路C7#塔出現(xiàn)倒塔事故，調(diào)查發(fā)現(xiàn)該段集電線路沿山梁走線，地勢(shì)較開(kāi)闊且主導(dǎo)風(fēng)向與線路走向成73°夾角。工程位于2級(jí)舞動(dòng)區(qū)域，但在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)未考慮導(dǎo)地線舞動(dòng)對(duì)集電線路的影響，由于風(fēng)的激勵(lì)導(dǎo)致斷線，進(jìn)而引發(fā)直線塔倒塔事故。針對(duì)舞動(dòng)特點(diǎn)，提高了金具、絕緣子和鐵塔的的設(shè)計(jì)強(qiáng)度。工程運(yùn)行至今再無(wú)因舞動(dòng)原因?qū)е录娋€路損壞的事故發(fā)生。

總結(jié)

山區(qū)風(fēng)電場(chǎng)集電線路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重視微氣象微地形區(qū)段，以及相對(duì)高差較大、連續(xù)上下山等局部地段。針對(duì)這些區(qū)域做好防風(fēng)、防覆冰和防舞動(dòng)的“三防”設(shè)計(jì)。為風(fēng)電場(chǎng)的高效穩(wěn)定運(yùn)行提供支撐和保障。

攝影：何紅安