李波，胡金理，毛新果，朱思國，張勁帆

(1.湖南防災(zāi)科技有限公司，湖南 長沙410129；2.國網(wǎng)湖南省電力有限公司，湖南長沙410004)

0 引言

湖南電網(wǎng)風(fēng)電場多位于高海拔微氣象微地形區(qū)，其送出線路極易發(fā)生嚴(yán)重覆冰，導(dǎo)致風(fēng)電送出受阻，迎峰度冬期間電力供應(yīng)缺口擴(kuò)大[1]。據(jù)統(tǒng)計，2020年12月13日至2021年3月1日，湖南電網(wǎng)因覆冰導(dǎo)致風(fēng)電退備容量534.2萬kW(占比80.4%)，損失電量共計3.03億kW·h，折合上網(wǎng)電價，發(fā)電損失約1.36億元。

截至2021年6月，湖南電網(wǎng)已投運(yùn)風(fēng)電場107座，裝機(jī)容量711萬kW，占全省總裝機(jī)容量的15.6%。預(yù)計到2030年，湖南風(fēng)電裝機(jī)將突破2 000萬kW，占比約18.6%。隨著“碳達(dá)峰、碳中”和“30·60”計劃和構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)等國家重大能源戰(zhàn)略的實施，風(fēng)電將迎來大規(guī)模發(fā)展[2]，成為湖南電網(wǎng)電源的重要組成部分，其安全可靠送出的水位程度決定湖南電網(wǎng)迎峰度冬供電能力。

1 防凍融冰現(xiàn)狀

1.1 覆冰現(xiàn)狀

近5年湖南省共有45條風(fēng)電送出線路發(fā)生覆冰，覆冰線路海拔均在800 m以上，累計覆冰線路1 650條次，各地區(qū)風(fēng)電送出線路覆冰情況如圖1所示。線路實際覆冰超過設(shè)計冰厚的有12條，由于未及時開展融冰，導(dǎo)致斷線13條次(含架空地線2條次)。

圖1 湖南省各地區(qū)風(fēng)電送出線路覆冰統(tǒng)計

1.2 規(guī)劃現(xiàn)狀

風(fēng)電送出線路所經(jīng)區(qū)域微地形微氣象特征明顯，可研階段的氣象數(shù)據(jù)與實際情況存在較大差異。為節(jié)省投資，規(guī)劃設(shè)計階段未嚴(yán)格執(zhí)行DL/T 5440—2020《重覆冰架空輸電線路設(shè)計技術(shù)規(guī)程》等要求，存在線路走向選擇易覆冰區(qū)、覆冰厚度驗算不準(zhǔn)確和導(dǎo)地線安全系數(shù)及最大張力未嚴(yán)格執(zhí)行到位等問題，導(dǎo)致風(fēng)電送出線路抗冰能力先天不足[3]。

1.3 運(yùn)行現(xiàn)狀

《湖南電網(wǎng)防凍融冰規(guī)程》對融除冰管理等方面已提出較為全面的要求，各部門及各技術(shù)支撐單位已建立相對完善的防凍融冰管理體系，能有效對電網(wǎng)資產(chǎn)線路開展防凍融冰工作。對非電網(wǎng)資產(chǎn)線路，由于送出線路尚未納入湖南電網(wǎng)防凍融冰管理體系，存在冰情預(yù)測和覆冰觀測雙重缺失、信息匯報不及時、設(shè)備維護(hù)不到位等問題，嚴(yán)重影響融冰實施，增加斷線倒塔風(fēng)險。

2 防凍融冰存在的問題

2.1 防凍融冰現(xiàn)狀

2.1.1 送出線路融冰措施亟待加強(qiáng)

湖南省102條風(fēng)電送出線路中，有72條線路暫無可實施的融冰措施[4]:①27條線路無融冰方案；②24條線路融冰電流不符合規(guī)程要求；③17條線路融冰電流偏小，難以滿足高海拔低溫、大風(fēng)速下融冰要求[5]；④9條線路融冰時須串聯(lián)3回線路及以上，融冰開展對電網(wǎng)方式影響較大；⑤4條線路融冰時須跨接設(shè)備超過3個，融冰實施困難。

2.1.2 尚無成熟的地線融冰手段

地線覆冰易導(dǎo)致弧垂降低，引發(fā)供電和通信中斷，使風(fēng)電新能源送出嚴(yán)重受阻[6]。風(fēng)電線路覆冰后，可利用電流熱效應(yīng)對導(dǎo)線開展融冰，但針對地線尚無成熟融冰手段。如果利用電流熱效應(yīng)對地線開展融冰，需通過增加間隙或分段開關(guān)等方式對地線進(jìn)行絕緣改造，耗時耗費(fèi)，融冰前后開關(guān)操作工作量大。同時，絕緣化改造會極大程度地影響地線原有防雷效果，增加線路運(yùn)行雷擊風(fēng)險[7]。

2.2 防凍融冰管理

2.2.1 抗融冰能力建設(shè)缺乏政策支持

風(fēng)電送出線路在規(guī)劃設(shè)計、建設(shè)施工、大修技改和并網(wǎng)發(fā)電等方面的抗冰能力建設(shè)缺乏政府電力主管部門政策文件支持和行業(yè)規(guī)程指導(dǎo)，導(dǎo)致差異化抗冰要求、融冰措施配置等無法有效落實，各風(fēng)電場抗融冰能力良莠不齊。

2.2.2 防凍融冰缺乏統(tǒng)一管理機(jī)制

《湖南電網(wǎng)防凍融冰規(guī)程》可有效指導(dǎo)電網(wǎng)公司資產(chǎn)線路應(yīng)對大范圍雨雪冰凍災(zāi)害。非電網(wǎng)公司資產(chǎn)線路在覆冰預(yù)測、冰情監(jiān)測、融除冰操作等方面因涉及風(fēng)電企業(yè)和電網(wǎng)公司多個專業(yè)和部門，無統(tǒng)一的防凍融冰管理體系，隨著風(fēng)電新能源的發(fā)展，電網(wǎng)防凍融冰壓力與日俱增。

3 防凍融冰整體解決措施

為解決風(fēng)電送出線路冰害問題，有效提升冬季風(fēng)電出力，保障電網(wǎng)迎峰度冬最大供電能力。面對國家“雙碳”重大需求，電網(wǎng)輸變電設(shè)備防災(zāi)減災(zāi)國家重點實驗室開展多年攻關(guān)，提出風(fēng)電送出線路整體解決措施。

3.1 技術(shù)措施

3.1.1 送出線路融冰技術(shù)

根據(jù)風(fēng)電送出線路線型、長度和地形地貌等因素，研制出風(fēng)電送出線路專用低諧波直流融冰裝置[8]。該裝置采用多檔位多繞組消諧、多檔位寬調(diào)壓恒阻抗和“匹配阻抗”的感應(yīng)電壓抑制等新技術(shù)，功率因數(shù)為0.97以上，并網(wǎng)諧波含量低于5%，無需額外配置無功及濾波單元[9]。

3.1.2 取消地線改造

針對風(fēng)電送出線路設(shè)計冰厚20 mm及以上的重覆冰區(qū)段，采用“取消地線，加裝大容量防雷防冰絕緣子”技術(shù)方案。防雷防冰絕緣子通流能力達(dá)150 kA及以上，滿足失去地線保護(hù)后的線路防雷需求。采取優(yōu)化設(shè)計的傘裙布置和絕緣配合，防止覆冰、污穢、雷擊等復(fù)雜氣象條件下發(fā)生外絕緣閃絡(luò)[10]，如圖2所示。同時，防雷防冰復(fù)合絕緣子兼具普通絕緣子和并聯(lián)線路避雷器的功能，減少電網(wǎng)建設(shè)成本和運(yùn)維工作量[11]。

圖2 防雷防冰復(fù)合絕緣子結(jié)構(gòu)示意圖

3.1.3 精細(xì)化覆冰預(yù)測

結(jié)合高山分水嶺、埡口風(fēng)增大等5種典型微地形覆冰模型與覆冰厚度微氣象－電磁－太陽輻射多物理場三維數(shù)值計算方法[1]，提出輸電線路覆冰落區(qū)自動、快速反演方法，構(gòu)建基于粗糙集和TOPSIS的輸電線路冰害防治決策模型，最高分辨率達(dá)30 m×30 m，實現(xiàn)風(fēng)電送出線路精確到桿塔的覆冰厚度精細(xì)化預(yù)測，見表1。經(jīng)對2021年1月7日西公線和白外線現(xiàn)場實際覆冰厚度進(jìn)行測量，與預(yù)測數(shù)據(jù)保持一致，覆冰預(yù)測可指導(dǎo)線路融除冰工作提前開展和有效應(yīng)對[12]。

表1 送出線路覆冰厚度精細(xì)化預(yù)測

3.2 管理措施

3.2.1 明確抗冰要求

在風(fēng)電場接入評審階段，明確提出風(fēng)電送出線路抗融冰技術(shù)要求，審查抗冰設(shè)計和融冰措施的可行性，并在接入系統(tǒng)和可研批復(fù)中予以落實。同時，在工程建設(shè)及項目驗收階段，將抗融冰能力建設(shè)作為驗收投產(chǎn)的重要內(nèi)容。

3.2.2 出臺政策文件

編制湖南省風(fēng)電送出線路提升抗冰能力建設(shè)和改造的指導(dǎo)文件，包括規(guī)劃設(shè)計、建設(shè)施工、大修技改及并網(wǎng)發(fā)電等方面的實施細(xì)則，為風(fēng)電送出線路抗融冰能力統(tǒng)籌建設(shè)提供重要依據(jù)，使線路抗融冰能力建設(shè)和改造有章可循、有規(guī)可依。

3.2.3 建立統(tǒng)一機(jī)制

將湖南省風(fēng)電送出線路納入湖南電網(wǎng)防凍融冰體系統(tǒng)一管理，明確風(fēng)電企業(yè)防凍融冰職責(zé)，為風(fēng)電送出線路融除冰流程管理、現(xiàn)場操作實施等建立相關(guān)管理機(jī)制。

4 工程應(yīng)用

4.1 送出線路融冰

在湖南串風(fēng)坳、天堂山和西晃山等風(fēng)電場應(yīng)用16套風(fēng)電送出線路融冰裝置，累計實施直流融冰67條次。其中，串風(fēng)坳風(fēng)電送出線路110 kV串蔡線線型為2×LGJ－240和LGJ－300，長度共計49.3 km，融冰電流890 A，僅通流18 min，導(dǎo)線溫度由－5℃提高至11.8℃，融冰效果明顯。

4.2 地線抗冰改造

湖南省內(nèi)目前已有110 kV楚半塔線、110 kV芙?jīng)ゾ€等5條風(fēng)電送出線路完成重覆冰區(qū)段取消地線抗冰改造。取消地線后的線路歷經(jīng)多輪雷雨和覆冰天氣，至今未發(fā)生覆冰導(dǎo)致的導(dǎo)線斷裂和雷擊跳閘停電故障，為提升風(fēng)電線路重覆冰區(qū)取消地線安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了有力的現(xiàn)場運(yùn)行經(jīng)驗，經(jīng)濟(jì)和社會效益顯著。

4.3 線路覆冰預(yù)測

湖南省風(fēng)電場送出線路共有102條，其中屬于電網(wǎng)公司資產(chǎn)的線路57條。針對電網(wǎng)公司資產(chǎn)線路，電網(wǎng)輸變電設(shè)備防災(zāi)減災(zāi)國家重點實驗室已開展送出線路精細(xì)化覆冰預(yù)測，根據(jù)覆冰預(yù)測可提前開展線路融除冰人員和設(shè)備準(zhǔn)備。天塘山風(fēng)電場送出線路110 kV印天線近3年最大覆冰厚度17 mm，共開展直流融冰14次，未發(fā)生線路斷線情況，效果顯著。

5 結(jié)語

通過分析湖南風(fēng)電送出線路防凍融冰現(xiàn)狀和存在的問題，提出風(fēng)電送出線路防凍融冰整體解決措施，并開展工程應(yīng)用，對“雙碳”和“新型電力系統(tǒng)建設(shè)”背景下的湖南電網(wǎng)風(fēng)電新能源的開發(fā)和利用具有指導(dǎo)意義。