高原風電場架空線路冰雪災害治理研究

文 興

（大唐云南發電有限公司滇中新能源事業部，云南 昆明 650100）

隨著云南地區高海拔風電場建設增多，風電場架空輸電線路冬季覆冰造成的危害越來越嚴重。常會引起過荷載、冰閃、舞動、脫冰跳躍等現象，導致線路跳閘、斷線、倒塔和通信中斷等事故。線路覆冰已成為威脅電網安全運行的重要原因。

通過近3 年對云南高原風電場架空輸電線路預防冰雪災害治理的研究，我們已經掌握冰雪災害形成的原因及相關預防措施。主要分為2 部分：（1）云南高原風電場冬季架空線路結冰是雪凇型，雪凇型架空線路冰雪災害最大特點是桿塔檔距間導線由于冰密度小處于松散狀，在風力作用下造成導線瞬間整檔脫冰跳躍，導線大弧度回彈，容易發生短路接地事故。靠近高位絕緣子導線反復回彈時此處受力最大極易發生瞬間斷線甚至倒塔事故。線路直流融冰過程中也會發生整檔脫冰跳躍現象。我們研發的脫冰防跳躍裝置極大限制整檔脫冰時導線的跳躍幅度，降低對線路的危害；（2）極端天氣情況下高海拔、濕度較大地區架空線路形成密度超過0.5 g/m3的混合凇。導線結冰直徑達到40 cm，很容易造成線路斷線和倒塔。以上研發了專門針對風電場特有的直流融冰技術。我們研發的這兩項技術將有效降低高原風電場架空輸電線路冰雪災害。目前該研究通過多次試驗已經取得成功，并已經在高本山風電場試點實施。

1 云南高原架空線路冰雪災害特點及危害

覆冰作為威脅電網安全運行的重要因素，目前線路冰雪災害最嚴重的地區是北方和西藏，因為這些區域冬季天氣寒冷干燥，具體表現為雨凇，冰密度大，逐步融化不會整體脫冰跳躍。并且由于空氣干燥，導線結冰不是很厚。云南高原型架空線路緯度低海拔高，冬季濕度大，很容易在冬季降溫造成輸電線路雪凇型冰雪災害，當線路結冰成雪凇時，在風力作用下導線和地線整體脫冰跳躍就會發生斷線、短路、接地、倒塔等故障。

云南騎龍山風電場從2014 年投產以來一共發生了27 次線路因冰雪災害跳閘事故，特別是2019 年因冰雪災害線路短路跳閘造成220 kV 主變燒毀，兩期風電場停產3 個月；2020 年線路因冰雪災害影響直接斷線8 處，該風電場在2022 年1 月12 日-2 月8 日又發生了連續27 天的持續低溫暴雪天氣，線路發生倒塔斷線等事故，自投產以來因冰雪災害影響該風電場經濟損失達1 億元；

云南高本山風電場自2016 年投產以來因冰雪災害影響發生線路跳閘8 次，特別是2018 年2 月5 日冰雪災害事故造成27 基塔倒塔，42 基塔導線斷裂，該次事故造成直接經濟損失3 000 萬元；

云南丘北風電場從2014 年投產以來發生過23次線路因冰雪災害跳閘事故， 2021 年1 月11 日因冰雪災害發生3 處倒塔和5 處斷線；

電網架空線路結冰目前采取的措施是停電直流融冰或人工除冰。但高原風電場架空集電線路不是電網線路的點對點分布方式，而是根據風機機位布置呈樹狀。冬季下雪結冰特殊天氣時道路積雪厚度達50 cm 以上，傳統直流融冰車輛根本無法進入和輸送設備。并且直流融冰過程中也會發生導線整檔脫冰跳躍，導線的瞬間彈跳力會拉斷導線和桿塔。

雪凇型輸電線路冰雪災害的治理研究目前在全國是一項空白。防范與治理工作迫在眉睫，筆者從2019 年開始就收集雪凇冰雪災害的相關資料和研究工作，主要目的是將容易發生雪凇型架空輸電線路通過技術改造達到能防止或抑制脫冰跳躍現象發生，確保架空線路長期穩定運行。

2 線路整檔脫冰跳躍預防措施

筆者及團隊成員通過對云南雪淞型架空輸電線路覆冰后觀察發現，當覆冰導線在風力作用下會發生整檔脫冰跳躍情況。整檔脫冰時，受力導線由于瞬間失去冰的附著就跟弓箭弦的原理一樣，如圖1所示。導線瞬間上彈，強大的彈力傳遞到桿塔兩端的絕緣子上，導線來回反彈次數多達10 多次。現場斷線發現，導線斷點都是在桿塔最高點絕緣子處。因為此點受力最大，容易發生斷線，同時強大的瞬間拉力會造成桿塔上半部分折斷。但云南高本山風電場由于特殊高海拔地理位置，當冬季連續幾天大霧導線結冰后由于水滴的附著，導線覆冰密度和直徑越來越大，采集到的最大覆冰直徑40 cm，密度0.55 g/m3。長時間在大霧環境中導線和桿塔發生因導線覆冰過重出現斷線倒塔事故。

圖1 風電場導線整檔脫冰反復彈跳圖片

云南地區雪凇型覆冰架空輸電線路存在風力作用下整檔脫冰跳躍情況，可通過以下5 項措施解決導線整檔脫冰跳躍問題。

2.1 在導線上纏繞預絞絲

為預防導線冰整檔同時掉落，在導線上每隔5～10 m 纏繞一根預絞絲，預絞絲能改變冰在導線上的附著形態，起到分斷導線附著冰的作用。當導線脫冰時由于預絞絲的隔段，冰分段脫落，避免了整檔導線同時脫冰。但現場觀察此方法只是在微風情況下有用。當導線遇到風速超過4 m/s 還是存在整檔脫冰跳躍情況。

2.2 導線間加裝相間間隔棒

導線整檔脫冰跳躍時一般首先發生在單芯導線，為抑制導線彈跳幅度和避免導線間發生相間短路故障，在導線間加裝了相間間隔棒，該方法對導線彈跳起到了抑制作用。但在恩騎線上試驗時，只加裝導線間隔棒的情況下，發生了一相導線整檔脫冰跳躍帶動另一根導線發生脫冰跳躍，地線和導線面向跳躍時，地線掛在導線間隔棒球頭上發生短路接地故障，所以在冰雪災害治理時該措施不能單獨使用，如圖2 所示。

圖2 相間間隔棒和防跳躍裝置

2.3 中間和終端塔用反向拉線防止倒塔事故發生

導線整檔脫冰跳躍時終端塔和中間塔單方向受到強大的拉力。通過反方向增加拉線的方法抵消拉力，避免桿塔瞬間單向拉力損壞情況。

2.4 利用絕緣子預防冰閃情況發生

線路結冰時如果發生重合閘故障多數情況是因為冰閃。我們通過將絕緣子每隔2 片更換1 片大盤徑絕緣子，重新定制加寬三角連板增加雙串絕緣子之間距離等措施避免結冰發生橋聯故障。恩騎線每年結冰都會發生線路重合閘故障，改成大小扇絕緣子組合后重合閘故障率明顯降低。

2.5 運用線路防跳躍裝置減緩導線彈跳幅度

通過反復的試驗和總結，我們研發的線路防跳躍裝置是目前所有方法中最簡單有效的方法。該方法是在檔距超過200 m，山頂或迎風面的導線中間加裝一個懸垂線夾，再拉一個同電壓等級的復合絕緣子，通過一根環狀的尼龍繩，拉到地面的時候再通過一個低電壓等級的復合絕緣子收緊后經水泥拉盤拉在地面上（水泥拉盤直接放在地面，不用埋在土里，彈跳時有緩沖作用）。該方法在一條35 kV導線的地線上試驗了2 年，加裝后該地線的整檔脫冰彈跳幅度明顯減緩，有效預防與上端導線交叉發生的短路故障。例如恩騎線山頂8-9 號塔的檔距達320 m，在迎風面最大的24-28 號塔這幾個危險段進行了加裝試驗，2022 年2 月，騎龍山最大冰雪災害面前，這幾處最容易發生斷線的危險段，除一根本身發生斷股的地線斷線外，試驗段的導線沒發生倒塔斷線故障。12 月19 日，拍攝到的一次現場脫冰視頻對比發現沒加裝緩沖裝置前導線一整檔脫冰時彈跳弧度高達12 m，跳彈次數達10 次。并且由于彈跳通過桿塔的擺動將相鄰導線也發生整檔脫冰彈跳，桿塔擺動在多根導線同時脫冰情況下擺動加劇。但加裝了該裝置后整檔脫冰導線彈跳幅度只有2 m左右，彈跳次數最多2～3 次往復就停止，不會發生相鄰導線脫冰彈跳現象。該方法存在一個問題就是為方便更換尼龍繩，制作成環狀的尼龍繩很容易丟失，為防止此類事件的發生，進一步安全措施是將尼龍繩靠下面部分更換成4 m 的單芯鋼線。

試驗的方法主要有以上幾點，在實際運用過程中最簡單有效經濟的方法才能被現場推廣運用。在高本山改造項目中只采用了大小扇絕緣子、桿塔增加反向拉線和加裝防跳躍裝置這3 種方法。

3 適合高原風電場的架空線路直流融冰方案

高原架空線路發生極端天氣下的結冰，結冰直徑甚至達40 cm 以上。一般線路重覆冰設計根據規范要求都是20 mm，長時間導線負重甚至在微風情況下晃動很容易發生斷線和倒塔事故，最有效的措施和方法就是直流融冰。我們曾經聯系過許多直流融冰的廠家，給出的方案都是送出線路需要到對側變電站建設一套線路融冰裝置，對風電場樹狀集電線路需要一個大型拖板車將直流融冰整套設備拉到各個融冰點分別進行直流融冰。該方案存在的問題：（1）風電場不可能到變電站去加裝融冰設備；（2）冰雪災害時山上車輛除大型鏟車或大排量越野車外其余車輛通行非常困難，用拖板車拉設備在深厚的雪地里行走無法實現。風電場受冰雪災害影響的架空線路一般長度在山上6～8 km 距離，通過不斷總結優化，研發了適合風電場自身的便攜簡易直流融冰裝置及配套的風電場特有的直流融冰方案。

3.1 研發了適合風電場的便攜式直流融冰裝置

通過對風電場架空線路直流融冰分析計算，LGJ240-300 的導線只要通過的直流電流在700～1 000 A 環境溫度–5～10℃情況下20～30 min 可以完成一相導線的直流融冰工作[1]。我們研發的直流融冰裝置根據簡單、經濟、實用的原則。利用三相可控硅整流原理。經一臺特制的三相融冰變壓器將柴油發電機（容量一般為1 000～1 500 kW）輸出電壓變成800 V、1 000 V、1 250 V、1 500 V、10 kV（接SVG 變低壓側）幾個擋位的交流電壓供整流裝置。整流裝置的可控硅選用定制的反向耐壓為6.3 kV，額定電流為2 000～3 000 A。整流回路中最主要的是脈沖變壓器必須跟廠家定制選用耐壓3 000 V。柴油發電機在高原功率會降低，實際輸出功率只有額定功率的80%。試驗一條海拔高度3 000 m、長度為6 km、型號為LGJ240 的導線，整流后直流電流800 A、電壓1 000 V。一臺1 250 kV·A的柴油發電機在額定容量90%能長期穩定運行，當輸出容量超過額定容量時，柴油發電機的運行聲響異常。所以通過計算采用柴油發電機額定容量的80%作為運行工況選擇比較合理。詳細整流回路原理如圖3 所示。

圖3 研發的直流融冰裝置原理圖

3.2 樹狀集電線路融冰方案

高原風電場35 kV 架空集電線路目前采用的是樹狀結構。采用的融冰方案是將主回路帶風機箱變的桿塔兩端進行分斷后，把兩邊導線引到塔下電壓安全距離位置。利用螺絲對導線進行連接，將主線路在連接點處三相短接。針對送出線路，在山下不結冰段將線路轉為冷備用狀態后，驗電掛地線人為塔上短接，通過升壓站的直流融冰裝置就可以完成對主干集電線路、送出線路的融冰工作。主線融冰完成后恢復主干線路。通過融冰變壓器逐級升壓給35 kV 系統倒送電，讓分支點風機箱變高壓側帶35 kV 三相交流電，高本山風機箱變低壓側是交流690 V，利用筆者所在單位研發的直流融冰裝置（該裝置是便攜式，2 個人就能輕易從風機塔筒內抬出）整流后接在斷開點靠分支側。就可以對剩下的分支逐條進行直流融冰[2]。對分支進行融冰時最好將每臺風機高壓側三相保險或負荷開關斷開，避免箱變高壓側繞組三角形接線通過直流電流。因風機箱變高壓側直流電阻比短接后的線路電阻大很多，一般短接后的融冰線路通過大部分融冰電流。在大雪等特殊情況下，箱變高壓側可以不斷開部分高壓側保險，通過計算和實際測量，正常直流融冰時箱變高壓側通過的直流電流在額定電流內，不會造成箱變高壓側繞組過流。

4 結束語

云南地區特有的低緯度高海拔風電場在冬季存在溫度低濕度大等特殊天氣，對架空線路冰雪災害治理主要考慮直流融冰和線路防跳躍相結合這兩項措施。本研究成果如果在系統內得到推廣，將有效減緩高原風電場架空輸電線路冰雪災害問題。