风力发电场集电线路优化改造研究及应用

风力发电场集电线路优化改造研究及应用

作者：于润权

来源：《科技资讯》2015年第25期

摘 要：为了避免或大量减少风电场架空集电线路故障跳闸次数，减少线路设备遭受过电压及短路电流的次数，保障设备使用寿命，减少风电场员工在极端恶劣气候条件下进行线路巡视检修的次数，大幅降低劳动强度，提高劳动生产率，对线路事故原因进行了深入研究，采取相应的反事故措施，并在线路事故频发的风电场应用，取得了良好的研究和改造成果。 关键词：风电场 电力 线路 优化 改造

中图分类号：TM614 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）09（a）-0019-02 风力发电场集电线路优化改造研究及成功应用，为早期选用架空集电线路方案且频发事故的风电场改造提供了真实、可靠的案例，避免或大量减少架空线路故障跳闸次数，以较小的投资创造巨大的发电效益，并极大降低人员劳动强度，提高劳动生产率。 1 研究背景

1.1 项目立项时国内外相关科学技术状况及主要技术经济指标 1.1.1 集电线路杆塔设计应用状况

国内外风电场集电线路设计多采用架空输电线路，使用环型钢筋混凝土电杆组合杆塔和铁塔混合布置。集中布置的混凝土电杆组合杆塔长期受到暴风、覆冰的影响，在运行一段时间后，多数发生细微裂纹，即使采用多条拉线方式增加稳定性也收效甚微。处于海拨2 000 m以上的多数风电场曾经发生倒塔事故，由于受到气候环境和地理位置限制，事故处理时间长，经济损失严重。

1.1.2 集电线路导线和风机出线回路设计应用状况

风电机组出线端设计为串联高压熔断器的钢芯铝绞引流线汇入主线路，T接部分采用JB型并沟线夹，由于T接部分导线弯曲，在风力作用下产生高频率摆动，线夹端部与导线磨损严重，频繁发生导线断线脱落，零序保护跳闸。甚至断线搭接至其他非故障相造成短路跳闸，短路电流对线路其他电气设备造成巨大冲击，进而严重降低了设备使用寿命，经济损失极其严重。大风伴随降雪时，风机出线杆塔上的导线、绝缘子迎风面将产生大量的覆冰、覆雪，造成设备对地绝缘距离不足发生放电。 1.2 立项目的及尚待解决的问题

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1.2.1 项目所在地概况

某风电场位于河北省丰宁满族自治县西北部的坝上地区，属于山脊型风场，气候寒冷，年最长结冰日数238 d，雷暴日数达到40 d以上，风力大，天气变化频繁，气候恶劣。2011年，观测到历史最大风速，10 m高程最大风速（3秒平均值）59.81 m/s。风电场装机容量145.5 MW，装备81台风电机组，分3个风场，由6回集电线路接入220 kV变电站升压并网。 变电站到风场A的最远风机15 km，到风场B的最远风机45 km，到风场C的最远风机100 km。到最远的风场进行设备维护工作，往返需要4 h。由于风机分布在山脊且区域广泛，现场运行设备巡视难度大、及时性差，冬季风电场上山道路经常被雪墙封路，巡检及消缺工作非常困难。

1.2.2 项目实施前设备状况

2012年，该风电场35 kV集电线路故障跳闸76次，其中避雷器故障10次、电缆故障2次，跌落开关故障5次、覆冰故障24次，风偏故障10次、架空引下线断线或跳线故障17次、雷击故障7次、鸟害故障1次。因35kV集电线路故障停运造成的场内受累损失电量8012万千瓦时，折合售电收入共计人民币4 326.48万元。 1.2.3 尚待解决的问题

为保障风电场设备的安全稳定运行，进行集电线路优化研究、改造对于风电场安全生产、降低劳动强度和增加发电收益具有极其重要的意义。 2 研究思路及应用方法 2.1 研究思路

风电场集电线路优化研究改进集电线路杆塔布置结构以抵抗暴风、覆冰对杆塔稳定性的破坏，改进风电机组并网出线引流线接线方式来消除风力作用下T接引流线发生的摆动磨损、断线和覆冰造成的短路，精减元件、优化出线回路，从而大幅减少集电线路故障次数，提高风电场安全生产水平。 2.2 应用方法

2.2.1 改进集电线路杆塔布置结构

风电场集电线路初期设计以架空线路为主，汇流线及风电机组并网出线选用MZ2-18、MZ2-21型杆塔，呼高分别为13.3 m、16.3 m，直线杆塔选用MZ1-15、MZ1-18、MZ1-21、

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DM3015、DM3018、DMT2-21型，耐张杆塔选用NM3018-15、NM3018-50、NM3015-15、NM3015-50、NM3015-90型。

风电场地理位置处于高海拨地区的山脊，10 m以上高程风力比地面风力要高许多，特别是狭管效应强烈的地区，环型钢筋混凝土电杆组合杆塔将承受巨大的压力，同时呼称较高的杆塔在遭受暴风和导线覆冰时，不平衡受力更为严重。运行2年左右的杆塔表面多数出现纵向细微裂纹，甚至出现横向和纵向交叉的裂纹网络，进而发生杆塔倒塌。为了防止线路倒杆断线，项目公司以现场勘查集电线路杆塔状况为基础，制定改进方案。

选用35B08-J4、35B08DL-J4型铁塔作为替代杆塔，呼高与原线路保持一致，这种铁塔根开较大，耐张承重性能极其优良，以跳跃布置的方式替换原线路中存在严重缺陷的杆塔，同时创造了多个耐张段，方便线路发生重大事故的及时抢修。

同时也指出，地理位置处于高海拨地区的山脊型风电场集电线路设计应避免选用MZ、DM、DMT2、NM型钢筋混凝土电杆组合杆塔。 2.2.2 改进风电机组并网出线引流线接线方式

原风电机组并网出线引流线采用LGJ120-25（7/4.72+7/2.10）型钢芯铝绞线，铝线芯直径较大，柔韧性较差，使用JB型并沟线夹与主架空线并接，引下线在并沟线夹端部顺线路方向成120度角转下引向跌落式熔断器上端，与主架空线横线路方向成70度角。这种接线方式在受到暴风袭扰时，并沟线夹端部弯曲的导线将产生高频率的扭动、磨损，铝线芯和钢芯先后磨断，最终造成导线断线。大风伴随降雪时，风机出线杆塔上的导线、绝缘子迎风面将产生大量的覆冰、覆雪，造成设备对地绝缘距离不足发生放电。

经过深入研究发现，解决并网出线引流线的引下方式问题是防止断线的关键。

（1）改进线夹型式。主架空线与引下线并接部位采用TL-185A型单导线T型线夹，取代JB型并沟线夹。只需拆除原JB型线夹，在原位置重新缠绕铝包带，安装TL-A型线夹。引下线端部采用SY-120/20-25压缩型铝设备线夹，与TL-A型线夹螺栓连接。

（2）改进导线性能。并网出线引流线采用JKLGYJ-120/20（26/2.38+7/1.85）型钢芯铝绞线芯交联聚乙烯绝缘架空电缆，取代LGJ120-25（7/4.72+7/2.10）型钢芯铝绞线。电缆端部SY线夹压接前剥除绝缘电缆绝缘层时注意绝缘层断面要与SY线夹端口尽量缩小间隙。同时加装架空导线防磨损装置，将导线与线夹作整体合并。消除导线引下角度在风力作用下发生摆动磨损。改进导线性能后同时消除了覆冰对架空引下线绝缘距离的影响。 2.2.3 优化出线回路元件

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跌落式高压熔断器串接在并网出线回路中运行，在风电场局部小气候的作用下，经常发生保险管脱落事件。甚至在脱落过程中发生横向拉弧造成三相弧光短路，线路过流跳闸。2012年统计数据显示，跌落保险因风力作用发生故障造成的风机停运多达68次，其中8次引起二相或三相弧光短路造成线路跳闸。运行中需要断开跌落保险的工作又非常少，并可结合线路停电进行。因此在优化改造中，拆除跌落式高压熔断器，在原安装位置加装复合支柱绝缘子固定架空电缆，绝缘架空电缆直接与箱变出线电缆连接。 3 结语

改进集电线路杆塔布置结构、改进风电机组并网出线引流线接线方式、优化出线回路元件等关键技术的成功应用，有重大创新。总体技术水平和主要技术经济指标接近国际同类技术的先进水平。实用化程度高，有很大的推广应用前景。同时创造了较大的经济效益，对促进电力科技进步和产业结构优化升级有重大意义。 参考文献

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