冰雪災(zāi)害對(duì)集電線路的影響及應(yīng)對(duì)措施

　　摘要：為促進(jìn)風(fēng)電供給更高效、穩(wěn)定，結(jié)合已建工程在運(yùn)維實(shí)際發(fā)生的事故實(shí)例，探討今后如何完善規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工階段的不足，希望能為保障集電線路安全提供一些思路。

　　本文源自山西建筑,2020,46(23):100-102.《山西建筑》(旬刊)創(chuàng)刊于1975年，由山西省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳主管，山西省建筑科學(xué)研究院主辦，面向國內(nèi)外公開發(fā)行，是山西省建設(shè)行業(yè)唯一的一份國家級(jí)刊物，山西省一級(jí)期刊。雜志社設(shè)有編輯部、廣告部、發(fā)行部和排版中心，共有采編40余人，主編1人，副主編3人，責(zé)任編輯6人，編輯30余人。

　　1、集電線路的現(xiàn)狀

　　集電線路既可采用架空線路方式也可采用電纜敷設(shè)的方式。而根據(jù)現(xiàn)狀，除個(gè)別地區(qū)由于土地和環(huán)境資源的制約，只能采用電纜敷設(shè)的方式外，由于大部分風(fēng)電場取址土地貧瘠，避免了與人爭地，故較多采用造價(jià)經(jīng)濟(jì)、運(yùn)維方便的架空方式。其線路路徑盡量靠近風(fēng)機(jī)位，方便風(fēng)機(jī)變壓器與架空線路或地埋電纜連接。

　　由于風(fēng)資源條件好，自然條件惡劣，地廣人稀，氣象資料稀缺，冰、風(fēng)災(zāi)害頻繁，故而一些新建的風(fēng)電場就規(guī)劃為無人執(zhí)守風(fēng)電場，而一些已經(jīng)投運(yùn)的，也嘗試采用遠(yuǎn)程遙控等方式改造成無人執(zhí)守風(fēng)電場。

　　2、冰災(zāi)事故實(shí)例分析

　　由于我們近年來實(shí)施的風(fēng)電工程多數(shù)在山西、河北、內(nèi)蒙，即華北地區(qū)的風(fēng)電情況掌握比較多，下述的冰風(fēng)實(shí)例具有代表性。

　　2.1冰風(fēng)事故概況

　　2015年11月5日～6日，大風(fēng)、大霧、雨夾雪、冰凍極端惡劣天氣，氣溫零度以下，大于十分鐘平均風(fēng)速20m/s。

　　晉北某風(fēng)電場首先出現(xiàn)雨夾雪大風(fēng)天氣、風(fēng)速儀出現(xiàn)凝凍現(xiàn)象、全場失電，受晚間視線和路面濕滑的影響沒有巡檢。6日白天巡線發(fā)現(xiàn)風(fēng)電場中的一些狀況，見圖1～圖5。

　　圖135kV集電Ⅰ線010塔中部折斷，A相導(dǎo)線斷線

　　初步判斷覆冰后導(dǎo)地線發(fā)生脫冰跳躍或者局部斷線導(dǎo)致跳閘斷電，后續(xù)冰雪不斷裹挾，而北方白天氣溫回升緩慢，不能及時(shí)融冰，隨后而來大風(fēng)和覆冰共同作用，造成斷線、倒塔。

　　在2015年春初秋末的冰雪災(zāi)害中，大部分華北地區(qū)風(fēng)電場都有相似的遭遇。

　　圖2光纜覆冰情況

　　圖3導(dǎo)線覆冰情況

　　圖4金具覆冰情況

　　圖5塔身覆冰情況

　　2.2覆冰成因分析

　　根據(jù)覆冰形成的基本條件進(jìn)行劃分。覆冰形成的條件是:

　　1)具有較大的濕度，即空氣相對(duì)濕度一般在85%以上。

　　2)具有足可凍結(jié)的氣溫，即0℃以下。

　　3)具有可使空氣中水滴運(yùn)動(dòng)之風(fēng)速，即大于1m/s的風(fēng)速。

　　較大的濕度和較低的氣溫是構(gòu)成覆冰的兩個(gè)基本條件，二者缺一不可。適宜的風(fēng)(不大于10m/s)是加速覆冰的條件。

　　導(dǎo)線的覆冰按其結(jié)冰的性質(zhì)分為雨淞、霧淞、雨霧混合淞和覆雪四種[1]:

　　1)雨淞是由粒徑較大的過冷卻水滴接觸到很冷的物體時(shí)凍結(jié)成的透明狀冰殼，密度大，附著力強(qiáng)，常伴有冰柱;

　　2)霧淞是由粒徑較小過冷卻霧滴凍結(jié)或由水汽直接凝華而成，形呈針狀或羽毛狀結(jié)晶，白色疏松，密度小，粘附力弱，通常在物體的迎風(fēng)面凍結(jié);

　　3)雨霧混合淞是由雨淞、霧淞或覆雪迭凝而成的凍結(jié)物，冰體呈半透明狀，有一定的粘附力，常在物體的迎風(fēng)面凍結(jié);

　　4)覆雪是雨夾雪沾在電線上形成的。冰體呈白色堆積狀，密度和粘附力均較小。

　　北方覆冰受氣候條件的影響多是覆雪、霧淞和少量的雨霧混合淞，它密度小，體型大。

　　3、冰災(zāi)事故后的反思

　　3.1同時(shí)風(fēng)速、標(biāo)準(zhǔn)冰厚的選取

　　取歷史最大觀測覆冰重量，按下式計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)冰厚[1]:

　　式中:B0———標(biāo)準(zhǔn)冰厚，mm;

　　G———冰重，g;

　　L———覆冰長度，m;

　　r———導(dǎo)線半徑，mm(4mm)。

　　DL/T5158—2012電力工程氣象勘測技術(shù)規(guī)程(4.3.3-1)。

　　依規(guī)程計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)冰厚[1]、同時(shí)風(fēng)速10m/s(中冰區(qū))和15m/s(重冰區(qū))[2]設(shè)計(jì)的中、重冰區(qū)塔，經(jīng)受大數(shù)倍標(biāo)準(zhǔn)冰厚的低密度大輪廓覆雪、霧淞[1]，加實(shí)際風(fēng)速遠(yuǎn)大于15m/s的作用，斷線、倒塔應(yīng)在預(yù)料之中。

　　請注意此時(shí)的大風(fēng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過DL/T5440—2009重覆冰架空輸電線路設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程(表6.0.5-2)規(guī)定的10m/s(中冰區(qū))和15m/s(重冰區(qū))同時(shí)風(fēng)速[2]。冰災(zāi)事故多發(fā)生在初冬和冬末春初，此時(shí)正值北方大風(fēng)肆虐。

　　晉北地區(qū)風(fēng)場多數(shù)冰雪災(zāi)害的順序是這樣的，首先是覆冰閃絡(luò)造成跳匝斷電;隨后密度小，體型大的覆雪、霧淞和少量的雨霧混合淞越積越厚，同時(shí)風(fēng)速不小于20m/s;再后雨雪停止，此時(shí)風(fēng)場氣溫回升緩慢不足以融化覆冰，而低海拔處冰雪融化，于是冷暖空氣交融，接近設(shè)計(jì)風(fēng)速的大風(fēng)作用在冰雪覆蓋的線路上，或先斷線不造成倒塔或倒塔、再拖拽斷導(dǎo)地線或拖拽倒相鄰桿塔。

　　3.2冰災(zāi)給風(fēng)電場帶來的損失

　　冰災(zāi)帶來的直接經(jīng)濟(jì)損失有搶修費(fèi)用、電量損失、雙細(xì)則考核費(fèi)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)冰災(zāi)損失占所有災(zāi)害損失的八成以上，見圖6。

　　圖6冰災(zāi)損失占比

　　3.3對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的影響

　　集電線路突然失電的情況下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)保護(hù)停機(jī)程序，若剎車、變槳等重要設(shè)備出現(xiàn)異常，容易出現(xiàn)失速、飛車事故。結(jié)合風(fēng)電場實(shí)際情況與經(jīng)驗(yàn)，通常表現(xiàn)在以下兩方面:

　　1)對(duì)設(shè)備的影響。

　　a.機(jī)械設(shè)備沖擊大;

　　b.電子元器件壽命降低。

　　2)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組恢復(fù)時(shí)間長。

　　集電線路帶電后，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障頻發(fā)，風(fēng)電場檢修維護(hù)人員無法及時(shí)處理;按風(fēng)電場經(jīng)驗(yàn)，一般5d～7d內(nèi)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組才可穩(wěn)定運(yùn)行。

　　4、應(yīng)對(duì)措施

　　采用大輪廓覆雪、霧淞的實(shí)際冰厚取代標(biāo)準(zhǔn)(設(shè)計(jì))冰厚[3]、采用基本風(fēng)速[3]取代同時(shí)風(fēng)速[2]，勢必會(huì)引起投資過大的增加。通過采用如下應(yīng)對(duì)措施，對(duì)既有風(fēng)場的改造、新設(shè)計(jì)風(fēng)場的嘗試，運(yùn)行情況穩(wěn)定良好。

　　1)對(duì)運(yùn)行出現(xiàn)過嚴(yán)重的不均勻覆冰或特大風(fēng)速的微地形、微氣象點(diǎn)，將直線塔改為耐張承力塔;

　　2)對(duì)個(gè)別迎風(fēng)開闊的地區(qū)、山頂、分水嶺、埡口、水氣充足的地區(qū)，尤其是桿塔兩側(cè)覆冰差異很大處，直線塔當(dāng)改為耐張塔，當(dāng)受到地形限制時(shí)則采用，加大主材、連接處改雙剪刀形式;單斜系統(tǒng)的連接螺栓采用雙帽加防松的辦法;

　　3)對(duì)部分采用普通懸垂線夾，曾出現(xiàn)過不均勻脫冰時(shí)線夾滑動(dòng)的微地形點(diǎn)，將普通懸垂線夾更換為重冰區(qū)大握力懸垂線夾;

　　圖735kV集電I線010塔修復(fù)后的情況

　　4)對(duì)耐張段過長、檔距過大、前后檔高差過大，且由于不均勻覆冰發(fā)生過事故的地段，采取減小檔距、縮小耐張段長度;

　　5)對(duì)轉(zhuǎn)角塔的轉(zhuǎn)角度數(shù)留有5°余度;避免出現(xiàn)極大檔、極小檔;

　　6)采用地埋電纜與架空線相結(jié)合;

　　7)對(duì)搶修工程受工期或地形限制，無法依上述方法實(shí)施的，可利用原未受損的基礎(chǔ)，對(duì)上部鐵塔做主材更換高強(qiáng)鋼、重新輔材布置、減少長細(xì)比、增加節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度等措施。如圖7所示是事故修復(fù)后安全運(yùn)行的狀況圖。

　　通過上述措施，大部分參與改造的風(fēng)場和新設(shè)計(jì)的風(fēng)場擺脫了冰風(fēng)災(zāi)害情況下的倒塔、斷線事故，同時(shí)我們也在不斷地總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，為實(shí)現(xiàn)風(fēng)電供給更高效、穩(wěn)定的理想而努力。

　　應(yīng)該說風(fēng)電場集電線路所處的環(huán)境是屬于輸電線路首先避讓的環(huán)境。相關(guān)的規(guī)程、規(guī)范的編制是依據(jù)全國、行業(yè)的冰風(fēng)條件，考慮安全性和經(jīng)濟(jì)性制定的。隨著風(fēng)電場建設(shè)經(jīng)驗(yàn)的積累、氣象資料的完善，新規(guī)程、規(guī)范的覆蓋性會(huì)更好。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]DL/T5158—2012,電力工程氣象勘測技術(shù)規(guī)程[S].

　　[2]DL/T5440—2009,重覆冰架空輸電線路設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程[S].

　　[3]GB50545—2010,110kV~750kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范[S].