風力發電機組與集電線路安全距離研究

劉 昊 米青周 王旭東

（1.河北鯤能電力工程咨詢有限公司 2.河北省分布式能源應用技術創新中心）

0 引言

當前形勢下， “十四五”時期風電已經成為清潔能源增長的主力，全面協調推進風電開發已成為時代趨勢。陸上風電場的場內集電線路通常以架空線路為主、電纜線路為輔的形式，需要將風力發電機組產生的電能安全可靠地輸送到升壓站。風電場內電氣主接線通常采用為一機一變的單元接線方式，多以35kV電壓等級接入風電場升壓站［1］。單臺風力發電機通過1臺箱變，將機端電壓升壓至35kV，再經35kV集電線路送至風電場升壓站。通常風機箱變到集電線路鐵塔通過電纜連接，電纜線路對比架空線路造價較高，故在保證風機線路安全距離的前提下，優化風機所需引上鐵塔的位置以減少電纜線路的工程量，可使得風電場集電線路安全性得到保證的同時更具經濟性［2］。本文結合工程實例及相關技術經驗，對風力發電機組與集電線路安全距離進行探討研究。

1 風力發電機組與集電線路安全距離研究的必要性

在我國風力發電技術不斷進步的背景下，集電線路出現的安全事故也越來越多。在人們對清潔供電需求日益高漲的背景下，加強對風電場集電線路安全事故的研究具有重要意義［3］。與風偏放電、斷線、倒塔等事故相比，盡管風機葉片與集電線路鐵塔發生碰撞的概率不高，但因地形變化、風機機型變化以及測繪、設計或施工失誤造成的碰撞事故也時有發生［4］。文中提到的驗算方法能夠有效規避風電場場內集電線路與風機葉片發生碰撞的風險，保證風電場場內集電線路的安全穩定運行。

2 風力發電機組與集電線路安全距離核算流程及方法

在風電機組運行過程中，風機葉片高速運轉，此時葉片對鄰近的鐵塔及導、地線，在順風方向產生風壓，根據風速折算出最大風力約為50～100N，等效重量約為5～10kg，此時產生的風壓對線路的影響十分有限，故葉片運行時產生的風壓對線路的影響可以忽略不計。以下根據不同設計階段、不同地形，介紹核算方法。

2.1 平原風電場

對于位置處于平原地區的風電場，結合場區地形圖，場區范圍內高差變化小于5m內可通過數據解析，反算出風機與鐵塔距離的最小值，方法如下：

1）根據擬選用機型，查出輪轂高度H1及葉輪直徑D。

2）風機微觀選址完成后，結合地形圖，做出擬選路徑，通過分析檔距及相關地形，擬選風機引上鐵塔塔型呼高，確定鐵塔全高H2。

3）在圖1中量出鐵塔與風機平面最近距離X1。

4）算出風機輪轂高度與鐵塔全高差值H3，根據勾股定理可粗算出風機葉片與鐵塔空間計算距離L1。

5）考慮風機機艙、自身寬度及風機調槳范圍，額外增加5m安全裕度，若D／2＋5＜L1，即為安全。

平原風電場風機－鐵塔安全距離核算平面示意圖如圖1所示。某平原風電場初步設計階段風機安全距離計算如表1所示。

圖1 平原風電場風機－鐵塔安全距離核算平面示意圖

表1 某平原風電場初步設計階段風機安全距離計算表

2.2 丘陵及山地風電場

對于位置處于丘陵及山地地區的風電場，因場區內地形起伏變化較大，通過上述平地部分計算方法，無法反算出風機對鐵塔安全距離的最小值，故需預選出線路路徑，根據設計經驗，預選路徑時，風機引上鐵塔位置應距離風機50m，結合地形圖，讀出風機機位高程及鐵塔高程，算出高差ΔH，并根據預選塔基周圍地形圖，預算降基值，對預選路徑進行復核。山地風電場風機－鐵塔安全距離核算平面示意圖如圖2所示。某山地風電場初步設計階段風機安全距離計算如表2所示。

圖2 山地風電場風機－鐵塔安全距離核算平面示意圖

表2 某山地風電場初步設計階段風機安全距離計算表

另外，對于山區風電場，當風機臨近線路跨越山谷，導、地線弧垂最低點位置處于山谷時，設計人員應對山谷微氣象進行特殊分析，對此時不同工況下的弧垂進行核算其最大風偏值。

2.3 施工圖階段復核流程及方法

上述方法為初步設計及初勘階段復核風機位與集電線路安全距離的方法。對于施工圖設計階段，根據初步設計及初勘階段預選路徑，在項目現場進行實測選位，得到鐵塔實測坐標及高程，根據土建或總圖專業提資，得到最終機位坐標及高程。根據以上數據對風機與集電線路距離進行進一步核算。

以河北省某風電場CN19鐵塔－＃90風機為例，根據實際數據，用圖解法進行分析。核算步驟如下：

1）根據集電線路施工圖，確認CN19塔型呼高為06B5－SJ1－24，鐵塔全高為35.8m；根據業主提供風機資料，確認＃90風機型號為WT2500D146，即裝機容量2.5MW，輪轂高度95m，葉輪直徑146m。

2）由集電線路終勘定位后路徑圖及風機位坐標，確認風機距集電線路最近距離為49.48m。

3）根據現場實際復測，得到集電線路及風機施工后高程數據，算出施工后實際高差為集電線路鐵塔高程較風機高程高4.3m。

4）確認風機與集電線路最近處危險點位置，為CN19大號側21m處。考慮風機機艙自身寬度及風機調槳范圍，擴大危險點范圍至CN19大號側11～31m。路徑走向示意如圖3所示。

圖3 路徑走向示意圖

5）根據上一步所確定的危險點范圍，查驗斷面圖，觀察此處導地線走向，繼而考慮增加核算裕度。由圖4可知，在危險點范圍（CN19大號側11～31m范圍內），地線位置均低于鐵塔全高，故此處無需考慮增加核算裕度。CN19－CN20斷面圖如圖4所示。

圖4 CN19－CN20斷面圖

6）將上述條件繪入圖中，得到模擬示意圖，N19－90＃風機安全距離核算平面示意圖如圖5所示，CN19－90＃風機安全距離計算如表3所示，讀出風機葉片掃掠范圍對集電線路安全距離為0.91m。

圖5 CN19－90＃風機安全距離核算平面示意圖

本文中所提及鐵塔為國網35kV典型設計鐵塔，塔頭為單地線布置，若所需核算風電場所處地區雷區等級較高，如南方電網風電場項目，需采用雙地線模塊鐵塔，驗算安全距離時需考慮地線支架寬度，即地線掛點對線路中心線距離。

表3 CN19－90＃風機安全距離計算表

3 結束語

因GB51096—2015《風力發電場設計規范》及GB50061—2010《66kV及以下架空電力線路設計規范》中，對于線路與風機葉片掃掠范圍的距離無明確要求，故可認為風機葉片掃掠范圍與線路地線及邊導線等距風機最近點無物理碰撞即為安全。

通常情況下，風電場運維安規手冊要求，臨近風機鐵塔需要上塔作業時，臨近風機需停機以保證運維人員安全。但考慮特殊情況，需要帶電上塔作業時，根據GB50061—2010《66kV及以下架空電力線路設計規范》6.0.13中對操作人員需要停留工作的部位應增加0.5m，需在塔頭處考慮人體活動范圍0.5m，同時考慮風機葉輪運行時，對在塔頭處作業的運維人員所產生的心理影響，應適當加大設計裕度。

綜上，在進行風電場集電線路設計時，風機葉片對鐵塔及地線安全距離應至少大于2m。若安全距離達不到此要求，應避免運維人員在風機運行時上塔作業。