山區風電場集電線路冰災倒塔原因分析與對策

文 | 馬建春，趙懷宇，馬風有

風電場集電線路主要功能是匯集風電場內各風電機組所發的電能并送至升壓變電站，主要有架空、直埋電纜和架空與電纜混合使用三種形式。受風電機組機位布置以及場內道路因素制約限制，集電線路路徑可選擇余地較小，而風電機組一般位處海拔較高、基本風速大的地方，如果環境溫度、濕度適合，集電線路覆冰的機率就非常大。

2011年至今，河北省張家口壩上地區多個風電場連續發生多起倒塔事故，集電線路搶修期間，多臺風電機組電能無法正常匯集送出，給項目建設單位造成很大的經濟損失。設計單位有必要認真總結經驗教訓，避免此類事故的再次發生。

河北張家口地區集電線路冰災倒塔事故

一、冰災倒塔事故回顧

（1）2011年10月16日至11月22日，河北省張家口地區某風電場有4基直線塔發生傾覆，1基轉角塔發生扭曲破壞，如圖1、圖2所示。

（2）2012年9月28日至10月23日，上述風電場再次發生3基直線塔倒塌事故，其中一基直線塔在兩次冰災事故中均發生了傾覆破壞。

二、倒塔事故現場資料采集

根據現場勘察及冰災發生后搜集整理的氣象資料，得到上述風電場冰災倒塔事故的特征如下：

（1）兩起倒塔事故均發生在秋冬季節交換時期，塔位處海拔高程1900m-2150m，事故發生時當地氣溫-2.4℃至-3.3℃之間，相對濕度在87%-97%，附近氣象站記錄的平均風速為13.9m/s，風向為SW、WSW、W，風向與風電場的東南-西北走向集電線路路徑夾角較大。

（2）事故風電場桿塔導線覆冰后最大直徑120mm-140mm，覆冰類型為霧凇，折算成標準冰厚為15.6mm-21.5mm。

（3）傾覆塔型全部為單回路直線塔，一基單回路轉角塔塔身發生扭曲破壞。

（4）傾覆直線塔彎折傾覆位置均在導線橫擔以下的第二段塔身處。

（5）傾覆直線塔前后側檔距相差均較大。

冰災倒塔事故原因分析

一、集電線路桿塔覆冰必要條件

圖1 35kV直線塔傾覆現場

圖2 35kV耐張塔扭曲現場

集電線路桿塔覆冰主要有雨凇、霧凇、混合淞、濕雪等形式，針對河北省張家口壩上地區，由于該地區風電場海拔較高，在每年10月-11月秋冬交替季節和次年1月-3月倒春寒時，線路桿塔覆冰概率較高，集電線路桿塔覆冰形式主要為霧凇和混合淞。

（1）大氣條件：適當的溫度、濕度、風速、風向是形成導線覆冰的大氣條件。針對霧凇，當環境溫度在-8℃至-15℃之間，相對濕度在85%以上，風速在2m/s-10m/s范圍內，風向與集電線路走向夾角45度-150度時，最有利于霧凇的形成。而對于混合淞，形成溫度在-3℃至-9℃之間，晴冷天氣時雨凇與霧凇交替重疊形成，其生長速度快、粘著力強，對桿塔危害特別嚴重。

（2）地形條件：主要包括山脈走向和坡向、山體部位、海拔高度及江湖水體等。一般來講，海拔相對較高的山埡口、迎風坡和分水嶺區域出現覆冰的機會較多。在海拔較高的山上，常有云霧環繞、空氣濕度很高、風速較大、氣溫較低、凍結高度以上的地區容易形成霧淞，而在山嶺背風面，過冷卻水滴和覆冰風速因有屏蔽作用均明顯減小，覆冰就不會很嚴重。

二、重冰地區集電線路桿塔荷載分析

風電場集電線路電壓等級一般為35kV，常用的地線型號為GJ-35、GJ-50，常用的導線型號為LGJ-95/20、LGJ-150/25、LGJ-240/30，導地線覆冰后垂直載荷、水平荷載隨覆冰厚度增加的變化情況如圖3、圖4所示。

由圖3、圖4可以看出，針對同一覆冰厚度，隨著導地線型號的增加，導地線覆冰后垂直荷載和水平荷載增加幅度呈下降趨勢；導地線截面越小，其受覆冰垂直、水平荷載影響的程度就越大，小截面導地線抗覆冰過載能力較差。

針對覆冰工況，桿塔導地線縱向張力大小與桿塔前后側導地線覆冰程度、高差大小以及導地線脫冰不均勻程度有關，在覆冰率相同時，桿塔導地線縱向張力隨導地線覆冰厚度的增加而增加。如果塔位處于山頂，垂直檔距較大且兩側檔距相差懸殊時，桿塔受不均勻覆冰影響所產生的縱向不平衡張力就很大，該塔位就非常危險。

三、集電線路倒塔原因分析

（1）原始覆冰設計輸入條件嚴重偏離實際

倒塔事故所涉及的風電場均位于張家口壩上地區，海拔較高，山勢陡峭，人煙稀少，風電場投運之前，風電場范圍內無架空輸電線路經過，集電線路設計所需要的氣象資料均依據附近沽源氣象站的實測資料的統計提出，而沽源氣象站位于事故風電場北側約45km處，海拔高度為1412.0m，根據該氣象站1983年-2007年累年數據統計分析，倒塔風電場最大導線覆冰標準厚度僅為2.09mm。

據現場調查，河北省張家口地區事故風電場發生傾覆的鐵塔位置、當時的氣象條件等均與覆冰的必要條件相吻合，鐵塔導線覆冰后直徑達100mm-120mm，折算成標準冰厚為15.6mm-21.5mm，與原施工圖設計5mm覆冰相比偏差很大。

（2）超設計覆冰與大風荷載的共同作用

依據現行《66kV及以下架空電力線路設計規范》以及《重覆冰架空輸電線路設計技術規程》的相關規定，針對覆冰不大于10mm的輕冰區，覆冰同時風速取10m/s，重冰區為15m/s。而據現場搶修人員反映，風電場桿塔覆冰后未融化前刮過“白毛風”，因風電機組頂部安裝的風速記錄儀被凍結，無法取得當時風速的實測值，但根據經驗風速應不小于20m/s，因為風壓與風速的平方成正比，桿塔在超大覆冰垂直荷載和風荷載的共同作用下發生傾覆是在所難免的。

圖3 覆冰厚度與導地線重量關系曲線

圖4 覆冰厚度與導地線水平荷載關系曲線

（3）集電線路所使用鐵塔結構存在的缺陷

1.鐵塔三相導線非對稱布置。以35kV上字形直線塔為例，鐵塔中心線一側有一相導線，而另一側有兩相，當較大覆冰現象發生時，導線與覆冰自重的疊加值對塔身產生一個很大的附加彎矩作用，當此附加彎矩與垂直于線路方向的大風工況疊加作用時，塔身結構中個別桿件首先發生壓曲破壞而退出工作，從而導致整基鐵塔彎折傾覆。通過現場勘察，所有事故直線塔均沿垂直于線路方向且向兩相導線一側發生彎折，就印證了這一點，見圖1。

2.塔身斜材布置形式對鐵塔受力的影響。目前風電場集電線路所使用的鐵塔一般取自我國20世紀70年代-20世紀80年代的典型設計型錄，鑒于當時的經濟條件，為最大限度地節約鋼材，塔身斜材為之字形布置的單斜材，塔身主材采用平行軸布置。依據規范，平行軸布置主材計算長度L0取1.2L，計算回轉半徑為rx，最小軸布置時主材計算長度L0取L，計算回轉半徑為ry0，而角鋼rx≈1.5ry0，構件長細比為構件計算長度與回轉半徑的比值，因此λ平≈0.8λ小，λ越小，查出的軸心受壓穩定系數φ越大，計算出的構件應力越小，選出的主材規格越小。因此，平行軸布置選用的主材偏小。主材平行軸布置結構在鐵塔真型試驗中屢次發生失穩破壞，其計算長度的取值有待進一步探討。

3.塔身隔面布置對鐵塔抗扭剛度的影響也不容忽視。現行規范中鐵塔橫隔面間距布置原則是“同一塔身坡度不變段內一般不大于平均寬度（面寬）的5倍，也不宜大于4個主材分段”，而針對35kV集電線路鐵塔，鐵塔呼稱高和鐵塔根開一般較小，4個主材分段要求很容易滿足，而平均寬度的5倍這一要求就需要認真核對，從現場直線塔破壞位置來看，主要是在第二段最下邊節間處發生彎折，而第二段隔面設置剛剛滿足平均寬度5倍的要求，雖然鐵塔計算和構造滿足要求，但隔面間距偏大，塔身的抗扭剛度較小，鐵塔的抗冰能力較弱。

（4）集電線路桿塔定位方面的原因

由于發生倒塔事故的風電場在初步設計階段搜集的資料中就缺乏重冰數據統計，集電線路終勘定位時未采取針對重冰的防范措施，導致線路定位成果存在很多不合理性，主要表現在以下兩個方面：

1.鐵塔前后側檔距不均。由于事故風電場地形條件復雜，集電線路定位時出現了多處鐵塔前后側檔距極不均勻現象，當導地線出現較大覆冰時，鐵塔縱向存在很大的張力差，在垂直于線路方向的側向風作用下，鐵塔受力較大的某段主材壓應力出現疊加后發生屈曲破壞而退出工作，帶動其他構件破壞而使整基鐵塔發生彎折。

2.個別區段處出現較大度數的轉角。在《重覆冰架空輸電線路設計技術規程》中明文規定在重覆冰地區，桿塔轉角度數不宜過大，這是因為重冰所產生的角度荷載隨轉角度數的增加而顯著增大。而在上述倒塔事故中發生扭曲破壞的轉角塔，位于突出的山體頂部，海拔高程2166m，線路轉角73.5度，在發生較大覆冰時，導地線在橫擔軸線方向產生很大的張力，并與覆冰融化前在橫擔軸線方向產生的大風應力疊加，使該基轉角塔內角側主材首先壓屈變形，從而帶動其周圍塔身正面交叉材變形而退出工作，使整基鐵塔發生扭曲破壞，見圖2。

冰災倒塔事故防范及處理措施

集電線路承載的是匯集、輸送風電機組所發電力的功能，集電線路運行可靠性與風電場發電效益緊密相連，因為集電線路一旦發生倒塔事故，風電場一個回路甚至幾個回路的風電機組所發電能將無法送出，會給項目建設單位造成很大的經濟損失。如何防范冰災倒塔事故的發生是集電線路設計單位所面臨的必須解決的技術課題。以下為對處理和防范集電線路冰災倒塔事故的一點體會和建議，供設計時參考：

一、充分搜集氣象資料。對風電場區域內以及附近氣象站、已建電力線、通信線路歷年覆冰情況進行廣泛調查，在分析計算的基礎上，盡可能較準確地搜集到或推測出覆冰厚度值，對地處埡口、分水嶺、迎風坡、山頂等易受微地形、微氣象因素影響區段的集電線路，設計冰厚宜適當加大。

二、合理選用集電線路形式。對發生覆冰量級大、發展快、消融迅速區段的集電線路，在經濟技術分析的基礎上，盡可能采用直埋電纜方式。

三、對可能出現較大覆冰而無法避免采用架空形式時，集電線路設計應注意以下幾點：

（1）合理選擇架空集電線路路徑，盡量走陽坡，避開埡口、湖泊或水庫下風向等，避免線路走向與覆冰期主風向發生正交。

（2）對可能受微地形、微氣象因素影響而出現較大覆冰區段，應重點防范。

1.采用導線呈對稱布置的高電壓等級直線塔，雖然短期投資會有所增加，但從集電線路長期運行以及事故發電量損失情況來看，局部提高安全設防等級是十分必要的。

2.鐵塔計算嚴格執行現行《66kV及以下架空電力線路設計規范》的相關條款，對規范中規定較為模糊的部分，應參考現行桿塔結構設計技術規定、《重覆冰架空輸電線路設計技術規程》中的有關規定執行，塔身主材宜采用最小軸布置，適當減小塔身隔面之間的距離，增強塔身的抗扭剛度，提高使用桿塔的抗冰能力。

3.集電線路終勘定位時，要盡量避免大轉角、大檔距、鐵塔前后側檔距不均勻等情況的發生。

4.桿塔定位盡量避開微地形地段，無法避開時應采取縮小檔距、縮小耐張段長度等措施，增強桿塔的抗冰能力。

5.對可能發生舞動區段，全塔螺栓應裝雙帽防松，防止導線脫冰跳躍時因螺栓脫落而使鐵塔部分構件退出工作，進而造成整基鐵塔失穩傾覆。

6.對于地處海拔高、風速大、覆冰較為嚴重地段的直線塔，可考慮采用上字形三相“V”串直線塔，以減小導線覆冰后垂直荷載對塔身的力臂，同時由于“V”串限制了導線搖擺，導線風偏放電、電纜上塔T接線折斷等問題一并得到改善。

7.對已投運集電線路，一旦發生倒塔事故，應在充分搜集資料的基礎上，合理確定覆冰厚度以及覆冰同時風速等鐵塔補強驗算所需要的邊界條件，按可能發生的最嚴重的荷載條件一次整改到位，如條件允許，重要危險地段應直接改成直埋電纜方式，徹底根除倒塔事故發生的可能性。

結語

風電場集電線路發生倒塔事故，一般是由多方面因素綜合作用的結果，防患于未然，盡量避免倒塔事故發生是設計單位首要考慮的技術問題，防止冰災倒塔事故的發生應從以下幾個方面入手：

（一）充分搜集風電場周邊水文氣象資料，對集電線路設計提供準確詳實的資料和建議。

（二）在進行技術經濟比較的前提下，合理確定集電線路形式。

（三）合理選擇架空集電線路路徑，避免因微地形、微氣象因素而使部分區段出現較大覆冰，對于無法避免的微地形、微氣象區段，勘測相關專業應在勘測報告中提出并對覆冰厚度、覆冰時同時風速等具體參數提出有效建議值。

（四）架空集電線路終勘定位時應盡量避免出現大轉角、大檔距以及前后側檔距相差懸殊等情況。

（五）鐵塔設計時應參照執行較高電壓等級的規程規范，所設計的鐵塔要有一定的抗冰能力儲備。

（六）在冰災倒塔事故處理時，覆冰參數取值要留有一定裕度，鐵塔補強整改盡量一次到位，避免重復倒塔。