強風地區風力發電場線路絕緣化處理探究

郭志鵬

（晉能清潔能源風力發電有限責任公司，山西 朔州 036000）

0 引言

在全球經濟高速度發展下，資源匱乏、能源緊缺、溫室效應問題愈發顯著，新型能源的崛起成為當今社會解決能源問題的熱點[1]。太陽能、風能、水能等作為新型可再生能源，具有不可替代性強、發電潛能巨大的特點。在我國對新能源的大力推廣下，風能電網規模持續擴大，由于中國地理、氣候環境復雜多樣，對架空線路的質量可靠性標準要求越來越嚴格。

實際上，強風地區風電場架空輸電線路的導線承擔著傳導電流的功能，必須具有足夠的截面以保持合理的流通密度，因此導線都是處在高電位。為了減小電暈放電引起的電能損耗和電磁干擾，導線還應具有較大的曲率半徑。超高壓輸電線路，由于輸送容量大，工作電壓高，多采用分裂導線。與地下輸電線路相比較，架空線路建設成本低，施工周期短，易于檢修維護。因此，架空線路輸電是電力工業發展以來所采用的主要輸電方式。通常所稱的輸電線路就是指架空輸電線路。通過架空線路將不同地區的發電站、變電站、負荷點連接起來，輸送或交換電能，構成各種電壓等級的電力網絡或配電網[2]。為了保障強風地區風力發電場線路的正常運行，本文將詳細探究強風地區風力發電場線路的絕緣化處理思路及措施。

1 課題研究的背景和意義

1.1 研究背景

工業革命以來，世界各國生產利用的主要能源依舊是化石燃料等不可再生資源，資源的有限性和保護環境制度的嚴格要求，限制了以能源消耗為主的企業、行業的發展以及人類社會的可持續發展。然而，利用清潔能源進行發展生產，改變能源結構占比已經成為焦點問題，風力發電這一新型發電模式，環保無污染，分布廣泛，可供開發使用的蘊藏量巨大。相較于太陽能和水能，風能資源利用率更高效可靠，并且風力發電不會影響生態環境，對農業生產也無明顯影響。投資回收期短、建設快等特點，讓風力發電擁有巨大的應用前景[3]。

從實際情況來看，采用架空輸電線路的方式進行集電是大多數風力發電場的不二選擇。我國地理環境、氣候復雜多變，且風力發電場多選址于高海拔山區、強風等位置，輸電線路受環境、氣候的影響偏大，尤其是大風、雨雪、雷暴等強對流天氣。由于處在復雜的地理位置，輸電線路一旦發生故障很難進行排查與處理。為了防止風力發電場在各種惡劣環境下發生短路、跳閘等事故，必須對風電場輸電線路進行絕緣化處理，以改善強風地區風電場的運作穩定性、安全性以及經濟性[4]。

1.2 研究意義

根據某風力發電公司企業的數據顯示，2016年—2019年，所管轄的輸電線路共計發生354次異常事故事件（如表1所示），其中輸電線路的異常事故高達296次，占比83.6%，且大多數都是由于絕緣化處理不當導致的永久性故障。根據事故原因統計分析，某公司輸電線路事故原因如表2所示。通過計算表2的相關數據，這些事故原因中雷擊所占比例最大，約為36.5%；污穢次之約為20.6%；覆冰占比約為19.9%；線路絕緣占比15.5%；其他原因占比最少，約為7.4%。由此可見，強風地區輸電線路的絕緣化處理也是避免事故發生的重要一環[5]。

表1 某公司輸電線路異常情況統計

表2 某公司輸電線路異常原因統計表次

對輸電線路的絕緣化處理，就是減少由于環境、氣候問題造成的線路破損，降低放電現象的發生，從而提高風力發電場輸電線路的安全穩定性，降低維修成本，增加風電企業的經濟效益。隨著社會經濟的高速發展和用電需求的不斷加大，目前輸電線路體系變得復雜交錯。只有通過對輸電線路絕緣化處理，規模龐大的輸電線路在面臨復雜環境氣候的時候，才能保證其輸電的安全可靠性，降低事故概率[6]。

強風地區風電場架空輸電線路絕緣化處理中的絕緣配合是輸送系統高效運行和可靠性的關鍵一步，發電裝置的絕緣化水平要結合系統中各裝置需承受的工作電壓、過電壓和保護設備的特性及各工作電壓的耐受性來確定。輸電線路不管是處于高海拔還是強對流天氣區域，都廣泛發生著由于外部環境影響、絕緣處理不當造成的短路、跳閘等現象。架空輸電線路雖然可以通過使用絕緣導線進行絕緣化處理，但這個方案存在經濟實用性差、工程量大、耗費時間長等缺點。

本文根據強風地區風電場輸電線路的運行特征，通過分析出現的問題，提出線路絕緣化處理的方式，以達到高效、低成本的效果。

2 輸電線路存在的問題分析

強風地區風力發電場大多使用架空輸電線路，風電場架空輸電線路在惡劣的氣候環境中長期暴露，加上受到雨、雪、暴風等的摧殘和侵蝕，輸電線路特別容易出現裂紋、裂口等，導致漏電、短路、跳閘等故障，很難確保輸電的安全、穩定。

2.1 強風地區輸電線路易發事故的類型

2.1.1 雷擊問題

與機械強度較高的裸導線相比，絕緣導線機械強度低且容易在雷電條件下斷線。相關數據顯示，輸電絕緣線路在正常運行下，發生事故的主要原因就是雷暴天氣雷擊造成的斷線。而且，在高海拔空曠地區，雷擊絕緣化的輸電線路還會造成閃絡現象，雷擊電流侵入波對垂直排列、三角形排列等線路極有可能造成頂相先斷線的現象。

2.1.2 絕緣問題

架空輸送線路中，絕緣裸導線和電氣連接點在絕緣防護方面沒有達到標準要求，造成短路、跳閘。輸送線路中電纜連接點、設備線夾和柱上隔離開關處等存在著絕緣覆蓋性差的問題，容易被附近環境的生物筑巢、休憩或者大風天氣吹來的異物等造成異常覆蓋，從而引起相間短路事故。

2.1.3 接地問題

在架空輸送線路中，結合安全用電的要求，在對線路進行絕緣化處理時必須在線路上接裝接地設備。然而在實際工作中，大部分線路都沒有接裝接地設備，存在漏電、觸電的危險[7-8]。

2.2 強風地區氣候條件對輸電絕緣子性能的影響

2.2.1 污穢影響

近年來，污染現象嚴重影響著直流輸電絕緣子的實際應用保護能力，降低了直流驅動輸電線路中直流輸電絕緣子的保護效果，而直流輸電絕緣子在輸電高壓直流綜合輸電絕緣線路的直流綜合輸電絕緣作用能力中一直發揮著重要的綜合絕緣抑制作用[9]。

強風地區的大風、雨雪等惡劣環境使空氣中的污穢有害因素對輸電線路綜合絕緣作用能力的發揮造成了不良的影響，空氣中的微粒子和其他污染有害因子將持續性地附著在直流輸電絕緣子的應用環境中，干擾了其綜合絕緣作用能力的正常發揮。與傳統交流光伏電壓的絕緣相比，直流光伏電壓的絕緣有著較大的恒定吸附電場和阻力的恒定吸附絕緣作用，進一步抑制了直流電壓絕緣子的恒定絕緣吸附能力。

2.2.2 冰雪影響

目前，我國不同區域之間仍然存在一定的氣候差異性，輸電線路不可避免地會通過一些冰雪多發的區域，輸電線路上覆蓋的冰雪在一定程度上會造成電路絕緣故障的發生頻率大幅上升，使電路絕緣子的連續作用力和環境絕緣情況出現直線性下降，抑制了電路絕緣子的連續絕緣作用能力。據有關部門調查結果顯示，我國目前已經是世界上每年受此類冰雪天氣危害最為嚴重的國家，尤其是在高海拔的強風地區。

2.2.3 海拔影響

強風地區的風電場大都處在高海拔地帶，我國高海拔區域面積占比較高，區域廣闊且人口密度較低。高海拔地區大氣壓強低的顯著特點，對直流冰閃絕緣子的導電功能發揮形成了一定的限制影響，絕緣子的污閃和交流冰閃絕緣電壓相對低于華北平原局部地區，飄弧線的現象對直流和冰閃絕緣子電壓的功能影響也相對較低?？諝馐且环N較好的絕緣作用介質，隨著當地海拔的不斷升高，空氣密度會不斷降低，導致了空氣絕緣介質性能不斷下降，在工程設計時應適當提升空氣絕緣性能標準[10]。

3 風電場輸電線路絕緣化處理

3.1 輸電線路絕緣化配合常用方法

架空線路輸電電纜線路的電氣絕緣慣性配合設計方法主要分為慣性使用法、統計法和簡化概率統計法3種。

慣性使用法就是按照其作用在最大絕緣上的最大絕緣過電壓和最小最大絕緣感應強度的組合概念法來進行最大絕緣強度配合，最大絕緣配合水平一般為絕緣裕度。統計法主要是通過承認其中存在某些絕緣部件擊穿的事實，允許其具有一定的絕緣故障率，并按實際可以接受的絕緣故障率來決定選擇哪種絕緣。該方法一般需要通過采集許多絕緣數據源并進行定量統計和分析確定某些絕緣參數的空間分布變化規律，該分析方法計算復雜且目前不是很完善。簡化概率統計法主要是一種用一條對應某一定概率參考因素概率的點數來代替整條線的概率計算曲線。目前在我國，330 kV及以下資源電壓較高等級信號線路一般普遍采用信號慣性使用法，500 kV及以上資源電壓較低等級信號線路一般采用信號簡化法和統計法[11]。

3.2 輸電線路絕緣化配合原則

220 kV及以下的過電壓幅度等級下的線路應與操作最大過電壓的最大絕緣子片配合，宜以最大線路操作最小過電壓幅度為計算基礎，將最大絕緣配合強度的值作為最大隨機變量值并加以計算確定；330 kV及以上的過電壓幅度等級下的線路，將最小操作最大過電壓幅度的值與最大絕緣配合強度均勻值作為最大隨機變量，選定的最大絕緣配合子片線路數幅值應足以保證每條架空供電線路必須具有一個實際可廣泛接受的最大絕緣子片數閃絡率。一般不按照對各種雷電線路絕緣元件過電壓的絕緣強度校驗要求及其標準規定來選擇各種雷電線路絕緣子串的耐雷絕緣性及耐電元件強度，但應根據已明確要求選定的各種雷電線路絕緣元件強度校驗水平及其要求標準來對其進行強度校驗，并以連接輸電線路的各種雷電絕緣耐雷元件絕緣強度水平工頻電壓為持續電壓。由于工頻電壓較穩定，波動范圍較小，架空輸電線的絕緣配置必須滿足工頻電壓所需的絕緣強度。

3.3 直流絕緣子特性

從直流系統絕緣子的性能表現上看，直流電力系統絕緣操作電流過電壓的倍數較小。因此，與民用交流高壓絕緣子系統相比，直流系統絕緣子的操作抗壓特異性相對較差，受電磁干擾破壞情況也較為嚴重，由此分析得出特殊的氣候環境對高壓直流電力輸電系統絕緣子的性能影響較大。

直流高壓絕緣子的外部應用保護性能與其他交流高壓絕緣子相比也明顯較差。直流高壓絕緣子的外部爬電保護距離與直流絕緣保護高度的比值明顯比交流高壓絕緣子的外部爬電保護距離與交流絕緣保護高度的比值大。這一物理特征也直接決定了直流高壓絕緣子與其他交流高壓絕緣子相比，在應用性能上具有一定的絕緣風險性和防控上的差距。也就是說，直流高壓絕緣子在不同伏特高壓直流電和輸電電纜線路外部的絕緣保護環境中可能存在不同的絕緣表現，環境因素直接影響著其絕緣保護力度。

3.4 強風地區風電場輸電線路絕緣化處理方法

3.4.1 絕緣子形式選擇

瓷絕緣子的運行時間較長，機械強度較大，具有更高的機械強度，同樣的正常運行時間具有老化度低的優點。玻璃的絕緣子具有某種自爆性，它的自爆性一般都不會掉串，且檢出率較高，電壓分布均勻，耐電弧性能強，同時還具有一定的自潔性。

針對強風地區高海拔、高度污穢、結冰期長的環境特點，在選用特高壓直流電路絕緣子類型時，提出以下建議：復合絕緣子或玻璃絕緣子既適用于懸垂串也適用于形串，而瓷絕緣子或玻璃絕緣子適用于耐張串，在冰雪覆蓋復合絕緣子后，原來憎水的特性就會消失。所以，瓷絕緣子或玻璃絕緣子比較實用。

3.4.2 絕緣子片數選擇

強風地區的特殊操作環境，使輸電線路特別容易出現污閃事故。為了避免這種情況的發生，結合輸電線外絕緣設計原則，針對強風地區輸電線路絕緣子片數的選擇有以下建議：在確定輸電線路絕緣子的串長時，其方法有2種，一是爬電比距的方法，即根據線路通過區域內的污穢水平，結合線路的額定電壓來確定爬電比，從而得到絕緣子的串長；二是根據擬建線路附近已投運±500 kV線路的絕緣水平，對其同樣污穢的情況進行類比，并根據絕緣等級和電壓水平之間的正比，推算出絕緣子串長。

3.5 強風地區線路絕緣化處理措施

加強對電氣導線連接點和導線絕緣內部裸露電氣導線的內部絕緣電氣保護。通過對電氣導線連接點和導線絕緣內部裸露電氣導線直接進行內部絕緣電氣保護，完善全系列絕緣線的內部絕緣電氣保護，防止部分絕緣電氣對設備和人體造成意外損害，有效地降低其正常運行過程中的電氣安全事故。

a）按照線路運行規程的設計，裝備與絕緣導線之間的連接部分應安裝專用絕緣護罩，分支連接處、電纜進出線連接處，采用防護罩對動物進行保護，并可有效地防止因樹枝、鐵絲等搭接而造成相間短路事故的發生。另外，安裝絕緣護罩還可以防止對人體造成的傷害。

b）單臺配電變壓器的容量不超過315 kV，支線桿塔的新建路段不超過10個基，應采用10 kV專業穿刺線夾連接接頭。800 kV配電變壓器及以上主線抗張桿塔絕緣導線采用并溝夾的連接點，應在固定導線距離耐張斷線夾0.5 m處被抗張懸垂線夾下，最大限度地保證絕緣導線的機械強度，防止由于絕緣線破口接線而引起的導線夾脫落。

c）充分發揮多層帶電作業絕緣優點，對因帶電桿塔長期移動、改建后等而遺存的帶電絕緣層和導線等應進行多層帶電作業絕緣層的包扎加固處理。處理時，先利用具有帶電導線動力的漏斗臂將帶電導線修補器的絕緣膜裸露出來，然后再用專門的10 kV型的絕緣膠帶纏繞，這樣就可達到修補絕緣導線密封的目的。

4 結束語

強風地區風電場架空輸電線的絕緣程度需要滿足以下要求：工頻下不會出現污閃；操作中不發出濕閃；具有一定的雷電沖擊耐受性，保證線路的耐雷程度和規范水平。在輕污區中，絕緣水平由外電壓和內電壓確定；隨著污染等級的提高，工頻電壓也成為決定絕緣水平的因素。

綜合多種因素分析，我國強風地區風電場高壓直流輸電在外絕緣上存在一定的差異性，所以，在進行線路絕緣化處理時要進行合理設計，提高架空輸電線路的可靠性，保障風電系統的安全運行。