高海拔風電場場區(qū)35kV集電線路的設計特點

文 | 牛清華

近年來，隨著國家對清潔能源的大力提倡和開發(fā)，風能作為清潔能源得到了大力推廣。高海拔地區(qū)（如云貴高原）風能資源一般比較充足，但這些地區(qū)的電力事業(yè)發(fā)展相對滯后，缺電問題比較突出，因此有必要開發(fā)高海拔風電場來推進當?shù)亟洕陌l(fā)展，然而高海拔地區(qū)自然氣候條件非常惡劣，因此對風電場場內集電線路可靠性的要求更高，本文將著重分析風電場在高海拔條件下場區(qū)35kV集電線路的設計特點。

高海拔地區(qū)對風電場集電線路的影響

高海拔地區(qū)的氣候特征有：氣壓低、空氣稀?。粴庀髲碗s、雷擊頻繁；紫外線強、晝夜溫差大；部分高海拔地區(qū)覆冰凝凍現(xiàn)象嚴重。下面將針對以上特征分析對風電場35kV集電線路的影響。

氣壓或者空氣密度較低，同等電壓情況下，空氣容易產生電離現(xiàn)象，空氣間隙擊穿電壓減小，風電場集電線路中常用的避雷器或電纜終端的外絕緣強度與放電電壓降低，極易發(fā)生閃絡或絕緣擊穿等破壞性事故。

氣象條件復雜且雷擊頻繁，對于風電場架空線路影響較大，當線路落雷導致線路避雷器損壞后如不及時更換，極易損壞電氣設備，造成巨大損失。

紫外線強及晝夜溫差大，易造成電纜及電纜終端絕緣老化。

部分高海拔地區(qū)覆冰現(xiàn)象嚴重，易導致風電場架空線路中的導線彈跳、斷線、倒塔事故，也易導致絕緣子串的冰閃事故，造成整個線路跳閘。

高海拔風電場集電線路設計案例分析

西藏那曲風電場位于西藏自治區(qū)中偏北,場區(qū)最高海拔約4800m,風電機組發(fā)出的電能經35kV架空線路接入新建110kV升壓站。經現(xiàn)場調查、收集有關資料，確定本線路的設計氣象條件如表1。

針對以上氣象條件，進行線路設計分析如下：

一、桿塔選型

空氣間隙的擊穿電壓及絕緣子的閃絡電壓與大氣狀態(tài)（氣壓、溫度、濕度）有關，高海拔地區(qū)由于海拔的原因，直接影響大氣壓力使其下降，導致氣體和絕緣擊穿電壓降低，因此架空輸電線路的塔頭間隙和絕緣配置需要大大提高。

表1 西藏那曲風電場設計氣象條件

表2 最小空氣間隙距離表

本項目輸電線路電壓等級為35kV，所選塔型均為典型設計鐵塔，考慮到海拔原因，需要加大塔頭間隙，塔型的選擇需考慮到送電線路雷電過電壓間隙的增大和線路絕緣子串長度的增加，各類電壓等級最小空氣間隙距離見表2，因此本項目選用了110kV鐵塔。

二、絕緣子選擇

由于本風電場海拔較高，紫外線照射較嚴重，如選用復合絕緣子，老化問題較嚴重，因此本工程選用了常規(guī)的陶瓷絕緣子XWP-7。

本項目所在地區(qū)海拔超過了4800m，污穢等級為三級，泄露比距選3.2cm/kV，根據(jù)國家電網公司物資采購標準中的《高海拔外絕緣配置技術規(guī)范》（2009版），高海拔高壓絕緣子外絕緣水平海拔修正按公式（1）進行。

U－高海拔用絕緣子在海拔不超過1000m地區(qū)試驗時的外絕緣試驗電壓，kV；

U0－絕緣子額定耐受電壓，kV；

Ka－外絕緣強度的高海拔校正因數(shù)， 由公式（2）決定；

式中：

H2－絕緣子使用地點海拔高度，m；

H1－試驗地點（制造廠家）海拔高度，m；

m－海拔修正因子，工頻、雷電電壓修正因子m＝1.0，操作過電壓修正因子m＝0.75。

由式1、式2得U＝55.79kV，計算本地區(qū)35kV線路的爬電距離為1.785m，XWP-7的泄露距離為0.4m，因此本項目所選懸式絕緣子數(shù)量為5片，耐張絕緣子數(shù)量為6片。

三、電纜終端選型

常規(guī)項目中35kV電纜終端優(yōu)先選用冷縮型，但冷縮型電纜終端一般為預制式，如需加大爬電距離，需重新設計預制模，考慮到造價和工期，本項目采用了優(yōu)質品牌的熱縮電纜終端，熱縮電纜終端一般為現(xiàn)場制作，可以隨意調節(jié)電纜終端傘裙以調整爬電距離，另外本電纜終端選擇采用3層擠出熱縮結構和單管絕緣管結構，實現(xiàn)了強握力，這種獨特材料的設計，實現(xiàn)和電纜本體相似的熱膨脹系數(shù)，能滿足在寒冷、高熱、晝夜溫差大的高原環(huán)境下安全運行。

四、桿塔接地

本項目所處地區(qū)為永凍土地區(qū)，勘測到凍土層厚度為3m,按照GB/T 50065-2011《交流電氣裝置的接地設計規(guī)范》中的規(guī)定，本工程桿塔接地方式為敷設深鉆式接地極，并保證深入地面以下8m。接地施工圖如圖1所示。

五、避雷器選型

本項目避雷器選型為YH10WX-54/150，由于項目所在區(qū)域為雷電多發(fā)區(qū)（年均雷暴日為85.2天），避雷器在戶外受雷擊的概率比較大，所以將標稱放電電流增大為10kA，方波通流容量增大為800A。除此以外，還要對避雷器的爬電距離和工頻耐壓進行海拔修正。

高海拔覆冰區(qū)域集電線路設計分析

目前，高海拔風電場覆冰較嚴重地區(qū)大部分處在云貴高原區(qū)域，風電場架空線路上有較厚覆冰時（圖2所示），易發(fā)生如下事故。

圖1 桿塔接地施工圖

圖2 導線覆冰實拍照片

（1）基礎下沉或斷線倒塔。鐵塔基礎所承載重量包括鐵塔、導線、地線、絕緣子金具的重量；桿塔導線上覆冰的重量；風偏作用力。當承載重量或拉力超過設計值過多時，易引起基礎的不均勻沉降或有可能使輸電導線或金具的某一環(huán)節(jié)率先斷開，從而發(fā)生倒塔斷線事故。

（2）絕緣子冰閃或短路事故。絕緣子表面的覆冰在傘裙間形成冰凌使絕緣子串的各個絕緣子間的空氣間隙縮短，并且在融冰時易形成導電水膜導致泄露電流增大，發(fā)生冰閃事故。此外輸電線路承受載荷過大，其導線弧垂也會增加，使導線與大地間的絕緣空氣距離減小，發(fā)生短路事故。

（3）脫冰跳躍事故。輸電線路的舞動會造成金具損壞、輸電線路斷股、斷線、斷塔頭、桿塔傾斜等現(xiàn)象。

針對以上問題，處于高覆冰區(qū)域風電場的集電線路優(yōu)先選用全電纜方式，如現(xiàn)場部分路段不允許采用電纜方式時，架空線路的設計應注重采取避冰和抗冰措施：

1 避冰措施：線路路徑選擇時應盡量做到避免橫跨埡口、風道和通過湖泊、水庫等容易覆冰地段，通過山嶺地帶時應沿覆冰時的背風坡或山體陽坡走線。

2 抗冰措施：首先，重覆冰地區(qū)的架空線路定位檔距不宜過大，同時要求各檔距間盡量均勻，以減少不平衡張力；其次，各相鄰檔的高低差也需要減少，以避免脫冰跳躍和不均勻覆冰時對絕緣子的破壞；第三，需根據(jù)覆冰的嚴重程度，選擇適當?shù)慕^緣子、金具、導線和桿塔型式，必要時可進行特殊設計以應對冰災對風電場線路的危害。

結語

本文通過分析高海拔風電場集電線路的設計特點，可進一步優(yōu)化設計方案來提高高海拔風電場集電線路的安全性和可靠性，降低線路故障率，減小對當?shù)仉娋W的影響。