山区风电场集电线路“三防”设计

文 | 丁剑

随着新能源战略的持续推进，我国风电开发规模和范围不断扩大，山区风电项目越来越多。风电机组箱变之间通过输电线路串联将风电机组所发的电能集结后输送到场内的升压站，该集结的输电线路被称为集电线路。根据我国输电线路设计运行经验，架空输电线路应避开微地形微气象、重冰区及易发生导线舞动的地区。

然而由于山区地形的特殊性，存在一些迎风坡、背风坡、分水岭、山前洪积扇、垭口、山脊、山坳、盆地以及与陆地邻近的江河、湖泊、水库等微地形微气象区域。因为山区风电场集电线路不可避免经过上述地区，如不考虑这些区域对集电线路的影响，在风电场投运后，可能会出现由于集电线路的设计不合理导致风电机组无法输送电能的情况，给风电场的安全运行带来隐患。因此，设计阶段必须进行相应考虑。

本文重点阐述了对上述区域集电线路进行防风、防覆冰和防舞动设计时需要考虑的要点，希望能给其他风电场集电线路设计提供参考和借鉴。

集电线路防风设计

通过技术经济比较，目前，国内绝大多数集电线路采用35kV电压等级的架空线路。根据《66kV及以下架空电力线路设计规范》（GB 50061-2010）的相关规定，35kV架空线路最大设计风速的计算是按当地气象台、站10m高度，10min时距平均的年最大风速为样本，采用极值I型分布作为概率模型统计得到的。对于山区输电线路，当无可靠资料时，最大设计风速可按附近平地风速增加10%进行设计。需要说明的是，该值只考虑了位置和高度的影响，未考虑微地形微气象的影响。

如未对集电线路的最大设计风速和特殊区域进行充分调研和实地勘查，可能由于设计风速取值较低，在线路运行期间因摇摆角和风偏设计不足引起导线闪络、跳闸停电事故，甚至由于水平荷载的增大出现断线、倒塔等事故。

一、设计方法

根据工程经验，集电线路防风设计应通过合理论证最大设计风速、提高微地形微气象的最大风速值、减少杆塔允许使用条件、增大电气间隙和提高杆塔强度五方面避免由于风速考虑不合理对输电线路造成危害。

（1）合理论证最大设计风速

应充分调研周围已建架空线路的运行情况，利用周围气象台、站的资料和测风塔的测风数据，并结合《风区分布图》，确定集电线路的最大设计风速。

（2）提高微地形微气象的最大风速值

集电线路经过谷口正迎主导风向且两侧陡峻的河谷、气流由开阔地区进入狭窄地区、山顶等微地形微气象区域时，最大设计风速应进行专题研究。在微地形微气象区域，最大设计风速应提高1.2～1.3倍。

（3）减小耐张段长度

当线路杆塔使用通用设计塔型时，在相对高差较大、连续上下山等局部地段应进行垂直档距的复核，减少直线塔的使用。

（4）校验线路风偏

微地形微气象区域应进行风偏设计与检验，确保线路不会因为风偏不够导致导线闪络、跳闸事故发生。

图1 陆丰某风电场集电线路CD45#铁塔倒塔现场

（5）验算杆塔机械强度

对杆塔进行满应力分析，确保杆塔不会由于风荷载的增大出现断线、倒塔等事故。

二、应用案例

2015年7月，台风“莲花”在广东省陆丰市甲东登陆，陆丰某风电场集电线路CD45#铁塔出现倒塔事故，见图1。

现场调查发现该塔位于山顶，前后塔位较该铁塔位置低，且周围植被较少，位于开阔的微地形区域，最大风速超过设计要求，导致倒塔事故发生。针对该特点，将该段导地线的最大风速取值由30m/s增加到36m/s，并提高铁塔的设计强度。工程运行至今再未出现断线和倒塔事故。

集电线路防覆冰设计

导线覆冰的轻重取决于山脉、坡向与分水岭、台地、风口、江湖水体等因素。在山区，导线覆冰受地形及地理的影响更严重。江湖水体对导线覆冰影响也十分明显，水汽充足时，导线覆冰严重；附近无水源时，导线覆冰较轻。海拔高程越高，越容易覆冰，且覆冰也越厚，多为雾凇；海拔高程较低时，其覆冰虽较薄，但多为雨凇或混合凇。

当输电线路覆冰时，会增加输电线路导地线及金具和杆塔的垂直荷载以及水平荷载，严重覆冰会造成导地线断股断线，金具损坏，甚至出现倒塔事故。

一、设计方法

根据工程经验，进行集电线路防覆冰设计时，应通过合理论证覆冰厚度、提高微地形微气象的覆冰厚度、增大电气间隙、提高杆塔强度四方面避免舞动对输电线路造成危害。

（1）合理论证覆冰厚度

应充分调研周围已建架空线路的运行情况，利用周围气象台、站的资料，并结合《冰区分布图》，确定集电线路的覆冰厚度。

（2）提高微地形微气象的覆冰厚度

对较易覆冰的微地形地段，以及相对高差较大、连续上下山等局部地段的线路，应结合周边已建成的输电线路运行情况，提高该区域的覆冰厚度。

（3）校验杆塔电气间隙

微地形微气象区域采用的塔型应进行电气间隙的校验，确保线路不会因为不均匀脱冰导致导线闪络、跳闸事故发生。

（4）验算杆塔机械强度

对杆塔进行满应力分析，确保线路不会因为不均匀脱冰造成断线、倒塔等事故。

二、应用案例

2018年1月，江西经历了罕见的低温雨雪冰冻天气，德安某风电场集电线路A10#、 A11#塔出现断线事故，见图2。

图2 德安某风电场集电线路A10#、A11#塔断线现场

现场调查发现A10#和A11#两塔均位于山顶，两塔之间穿越了风口，覆冰厚度超过设计要求，由于微地形的因素，导线不均匀脱冰引发断线事故。针对覆冰特点，将该段导地线的覆冰厚度增加5mm，并提高铁塔的设计强度。工程运行至今再未出现断线事故。

集电线路防舞动设计

导线舞动与微气候关系非常密切，通过对导线舞动机理和已经发生过导线舞动案例的分析和总结可以知道，环境温度、相对湿度、风、雨淞和雾淞、雪等气象要素与舞动的发生有着密切关系。风激励是输电导线舞动的主要成因，风力的大小以及风向同线路走向的夹角对导线舞动是否发生、发生舞动的幅度和频率大小有着很大影响。此外，大多数观察到的舞动线路上导线有覆冰，且多为非对称覆冰，即迎风侧厚，背风侧薄，形成月形、扇形、D形等不规则形状，导线由此具有较好的空气动力性能，在一定风力和风向的激励下诱发舞动。国内外大量的统计资料表明，导线舞动一般发生在冬季和初春，因为这两个时段冷暖气流的交汇易引起较强的风力。处于地势平坦、开阔及风口地区的输电线路，当导线覆冰、风速为4～20m/s，主导风向与线路走向夹角不小于45°时，易发生舞动。

舞动产生的危害是多方面的，主要有机械损伤和电气故障两类。机械损伤包括螺栓松动、脱落，金具、绝缘子、跳线损坏，导线断股、断线，塔材、基础受损等；电气故障包括相间跳闸、闪络，导线烧蚀、断线，相地短路以及混线跳闸等。

一、设计方法

根据工程经验，对集电线路进行防舞动设计时，应通过减少杆塔允许使用条件、安装防舞装置、增大舞动的电气间隙、提高杆塔以及金具与绝缘子的机械强度五方面避免舞动对输电线路造成危害。

（1）减小线路档距

由于大截面、多分裂导线扭转刚度大，容易产生偏心覆冰，因此，大截面导线比常规截面导线容易产生舞动；分裂导线比单导线容易产生舞动。档距越大，导线吸收的能量就越大，舞动的幅度就越大，应在易舞区尽量减小档距。

（2）安装防舞动装置

针对“风激励”可加装防舞装置扰乱气流的激励或改变攻角，从而提高舞动发生的冰、风阈值。如加装扰流防舞器、阻尼器等。

针对“线路的结构和参数”可采取改变导线特性抑制舞动的措施，多数防舞器均属此类。如双摆防舞器、失谐摆、偏心重锤、阻尼器等。

（3）增大杆塔电气间隙

根据国内外设计实践和设计经验，对于覆冰舞动情况，相对地间隙按照工频电压间隙取值，相对相间隙按照工频电压相对地间隙的1.05倍取值，能够保证线路安全运行。由于覆冰形状、尺寸、风速的差异，通常导线和地线不会同时舞动，因此，可以按照导线舞动地线不动的情况验算相对地距离，按照下导线舞动上导线不动的情况验算相对距离。通常采用作图法测出导地线或导线间的距离。

（4）提高杆塔机械强度

在易舞动地区适当提高杆塔的设计强度，以提高其抵抗舞动发生动荷载的能力。由于舞动会造成杆塔螺栓松脱，应在杆塔上加装螺栓防松帽，提高塔身的抗舞能力。

（5）提高电力金具及绝缘子强度

线路舞动时将产生巨大的动态荷载，研究表明导线舞动产生的最大张力一般约为静态张力的2倍。因此，在舞动强度相对较大时，金具及绝缘子的安全系数可能不满足机械强度的要求，应将易舞区线路的金具设计安全系数提高至3.0～4.0，绝缘子设计安全系数提高至3.5～4.5，以确保金具及绝缘子能抵抗强度相对较大舞动的影响。

由于舞动造成磨损会使得金具失效，可采用耐磨金具以提高抗舞能力。对绝缘子而言，增大绝缘子串的质量有助于降低张力变化引起的振幅。

二、应用案例

2015年3月，山东临沂某风电场集电线路C7#塔出现倒塔事故，调查发现该段集电线路沿山梁走线，地势较开阔且主导风向与线路走向成73°夹角。工程位于2级舞动区域，但在实际设计时未考虑导地线舞动对集电线路的影响，由于风的激励导致断线，进而引发直线塔倒塔事故。针对舞动特点，提高了金具、绝缘子和铁塔的的设计强度。工程运行至今再无因舞动原因导致集电线路损坏的事故发生。

总结

山区风电场集电线路设计时应重视微气象微地形区段，以及相对高差较大、连续上下山等局部地段。针对这些区域做好防风、防覆冰和防舞动的“三防”设计。为风电场的高效稳定运行提供支撑和保障。

摄影：何红安