某山區(qū)風(fēng)電場(chǎng)工程35 kⅤ集電線路運(yùn)行期出現(xiàn)的問題及處理策略

邢丁丹 沈家正

1 工程概況

本風(fēng)電場(chǎng)工程總裝機(jī)容量為40 MW，裝設(shè)20臺(tái)單機(jī)容量為2 MW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組；工程所在地位于西南某省山區(qū)，地貌類型復(fù)雜多樣，以丘陵、山地為主。場(chǎng)區(qū)范圍內(nèi)最高高程1 200 m，最低高程370 m，山勢(shì)陡峻，溝谷縱橫；風(fēng)機(jī)均布置在山頂高處，通過場(chǎng)內(nèi)35 kV集電線路匯流至升壓站，包含架空線路10.85 km以及地埋電纜線路20.96 km。

本工程于2014年11月開工，主體工程建設(shè)工期歷時(shí)1年，2015年12月風(fēng)力發(fā)電機(jī)組全部并網(wǎng)投運(yùn)。2016年9月，工程運(yùn)行管理單位函報(bào)多次出現(xiàn)線路設(shè)備故障，影響風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電效益；中水北方勘測(cè)研究有限責(zé)任公司作為設(shè)計(jì)單位，積極配合業(yè)主方探究故障原因，迅速確定技改方案，排除故障隱患，提升工程運(yùn)行穩(wěn)定性。下文簡(jiǎn)要介紹故障情況、原因分析和提升改造方案措施。

2 架空線路雷擊跳閘故障的處理

2.1 現(xiàn)象描述

35 kV架空集電線路投運(yùn)約9個(gè)月，運(yùn)管單位反饋線路因雷擊跳閘共計(jì)7次，均為過流Ⅰ段零序Ⅱ段保護(hù)動(dòng)作跳閘。架空線路為風(fēng)機(jī)匯流主干線路，多次雷擊跳閘導(dǎo)致風(fēng)機(jī)批量停機(jī)，影響風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電效益。

2.2 故障原因分析

工程所在地屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，每年4月份進(jìn)入雨季，雨季雷雨天氣非常頻繁，年平均雷暴日為116 d。因此在架空線路工程路徑選擇和勘察設(shè)計(jì)階段，考慮雷電過電壓對(duì)線路運(yùn)行造成的影響，采取了多種技術(shù)措施：（1）架空線路作為匯流主通道，路徑多位于山腰和低矮山谷處，避開山頂高處和山體的明顯凸起，以減小線路遭遇雷擊的概率；（2）線路全線架設(shè)地線，采用OPGW架空光纖復(fù)合地線，地線對(duì)桿塔外側(cè)邊導(dǎo)線的保護(hù)角取25°；（3）在架空線路首末兩端和線路中段引下電纜處，均逐相裝設(shè)復(fù)合外套氧化鋅避雷器，以保護(hù)電力電纜、風(fēng)機(jī)箱變和升壓站內(nèi)電氣設(shè)備；（4）線路全線采用鐵塔架設(shè)且逐基接地，采用鍍鋅扁鋼帶將每基鐵塔接地網(wǎng)串聯(lián)，保證線路鐵塔處工頻接地電阻值不大于15Ω。

線路雷擊跳閘故障發(fā)生后，使用絕緣搖表測(cè)量導(dǎo)線相對(duì)地絕緣數(shù)值正常，線路重合閘后均一次性送電成功，說明雷擊沒有對(duì)絕緣子造成電氣和結(jié)構(gòu)損傷。通過線路跳閘現(xiàn)象描述，結(jié)合線路設(shè)計(jì)和實(shí)施階段的防雷措施分析，基本排除雷電直擊鐵塔頂部或是越過避雷線繞擊相線的情況，推斷為線路附近空中或地面發(fā)生雷擊，對(duì)線路產(chǎn)生了感應(yīng)過電壓，造成開關(guān)站內(nèi)保護(hù)動(dòng)作跳閘。

雷雨季節(jié)空中出現(xiàn)雷云，雷云中帶有電荷，對(duì)地面及附近的導(dǎo)電物體產(chǎn)生靜電感應(yīng)，出現(xiàn)異種電荷。當(dāng)雷云之間或?qū)Φ孛姘l(fā)生放電現(xiàn)象時(shí)，造成內(nèi)部電荷快速流動(dòng)，電力線路上的感應(yīng)電荷也在瞬間發(fā)生流動(dòng)產(chǎn)生感應(yīng)雷電波。感應(yīng)過電壓的入侵波幅值最高可達(dá)500～600 kV，如果對(duì)感應(yīng)雷防范措施不到位，對(duì)35 kV及以下的電力線路及站內(nèi)設(shè)備造成很大的威脅。因?yàn)楸竟こ碳芸站€路防雷保護(hù)措施配備較為齊全，僅造成線路保護(hù)設(shè)備動(dòng)作跳閘故障，未對(duì)電氣設(shè)備造成閃絡(luò)擊穿甚至直接燒毀等嚴(yán)重后果。

2.3 處理措施

為提升架空線路運(yùn)行穩(wěn)定性，工程運(yùn)管單位、施工安裝單位和勘察設(shè)計(jì)單位等各方召開專題會(huì)議研究，決定在線路的部分檔距間加裝避雷器作為防雷設(shè)施。

經(jīng)過設(shè)計(jì)單位對(duì)線路路徑走向和地形、高程等因素綜合分析，重點(diǎn)考慮對(duì)于大檔距跨越段、埡口及陡峭山坡等特殊地形位置的鐵塔，加裝線路用復(fù)合絕緣外套氧化鋅避雷器。單回路鐵塔安裝在A、C邊相，同塔雙回路鐵塔安裝在雙側(cè)A、B相。避雷器通過螺栓緊固抱箍安裝在鐵塔橫擔(dān)上，并聯(lián)于帶電導(dǎo)線；配套絕緣子支撐放電間隙，并要求配置動(dòng)作計(jì)數(shù)器及在線監(jiān)測(cè)裝置，便于運(yùn)行人員隨時(shí)掌握避雷器動(dòng)作次數(shù)及內(nèi)部元器件損耗程度，進(jìn)一步確保正常發(fā)揮防雷作用。

3 高壓電纜終端放電及噪音的處理

3.1 現(xiàn)象描述

受35 kV高壓電力電纜運(yùn)輸條件限制，根據(jù)電纜截面粗細(xì)不同，每個(gè)電纜卷軸能夠裝載的電纜長(zhǎng)度為700～1 100 m。當(dāng)?shù)芈耠娎|線路路徑長(zhǎng)度超過單根電纜長(zhǎng)度時(shí)，需要在相鄰兩段電纜接頭處設(shè)置電纜分接箱。本工程分接箱采用專業(yè)生產(chǎn)廠家定型產(chǎn)品，箱內(nèi)設(shè)置預(yù)制熱縮式電纜終端，螺接在三相銅排母線上；箱體內(nèi)部按照規(guī)范要求保證帶電導(dǎo)體相間和相對(duì)地絕緣距離，箱體外部防護(hù)等級(jí)滿足戶外布置安裝要求。

運(yùn)管單位反饋，部分35 kV電纜終端帶電投運(yùn)后出現(xiàn)放電現(xiàn)象，絕緣傘裙表面出現(xiàn)白色細(xì)小粉末，絕緣護(hù)套表面出現(xiàn)爬電痕跡；在箱體外可明顯聽到電纜終端和銅排母線中電流通過產(chǎn)生較大噪音。個(gè)別電纜終端運(yùn)行過程中溫度偏高，絕緣護(hù)套發(fā)生局部熔化，表面破裂。多種不良運(yùn)行狀態(tài)對(duì)人身和設(shè)備安全產(chǎn)生隱患，有必要立即整改消除風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 故障原因分析

（1）本工程電纜分接箱內(nèi)采用預(yù)制熱縮式35 kV電纜終端，電纜線路施工時(shí)間段正處于當(dāng)?shù)赜昙荆絽^(qū)環(huán)境濕度過大。在安裝過程中，熱縮附件需采用煤氣噴槍烘烤的方式使套管收縮固定在電纜芯線上。分析認(rèn)為電纜終端安裝時(shí)采用的常規(guī)烘烤緊縮工藝，沒有充分考慮潮濕氣候條件下的特殊要求，導(dǎo)致材料之間的接觸表面未能達(dá)到完全烘干，少量水蒸氣和雜質(zhì)被密封在護(hù)套和電纜之間的微小縫隙中，降低了材料的絕緣效果。導(dǎo)致電纜終端在帶電運(yùn)行過程中受電場(chǎng)作用產(chǎn)生表面電暈放電現(xiàn)象，將潮濕空氣中的微小液滴氣化，雜質(zhì)殘留在絕緣護(hù)套表面產(chǎn)生白色粉末。

通過對(duì)出現(xiàn)典型故障現(xiàn)象的電纜終端進(jìn)行拆解發(fā)現(xiàn)，爬電痕跡僅存在于護(hù)套表面，內(nèi)部各層絕緣材料之間的接觸面狀態(tài)良好，主絕緣層未發(fā)現(xiàn)破壞和損傷。噪音產(chǎn)生的原因可能是導(dǎo)體表面存在小顆粒雜質(zhì)，在高壓電場(chǎng)作用下產(chǎn)生高頻震動(dòng)；電纜接線端與母排之間的連接螺栓緊固不實(shí)，帶電運(yùn)行時(shí)也會(huì)產(chǎn)生一定震動(dòng)。

（2）分接箱內(nèi)同時(shí)并列布置多組電纜終端，帶電部件之間預(yù)留了足夠的絕緣距離。但是電纜終端的外絕緣傘裙在不同相之間互有搭接，導(dǎo)致了相間爬電現(xiàn)象，潮濕氣候條件下長(zhǎng)期運(yùn)行，存在將絕緣護(hù)套完全擊穿發(fā)生相間短路，造成擴(kuò)大故障范圍的風(fēng)險(xiǎn)。雖然分接箱外殼防護(hù)等級(jí)達(dá)到IP65，防水防塵標(biāo)準(zhǔn)完全達(dá)到戶外布置的要求，但是箱體內(nèi)沒有設(shè)置加熱除濕裝置，對(duì)于潮濕空氣的防范性能不佳。電纜分接箱常年在野外環(huán)境下帶電運(yùn)行，運(yùn)維人員需要頻繁檢查箱體內(nèi)外部運(yùn)行情況，必要時(shí)需要停電檢修；在一定程度上增加了巡檢工作量，造成人工和時(shí)間成本的浪費(fèi)。

3.3 處理措施

（1）將電纜分接箱內(nèi)的熱縮式電纜終端更換為冷縮式電纜終端。該產(chǎn)品是國內(nèi)引進(jìn)美國3M公司制造工藝研發(fā)和改進(jìn)的新型產(chǎn)品，在無塵干燥的工廠車間內(nèi)預(yù)制絕緣護(hù)套，并預(yù)留用于緊縮安裝使用的螺旋襯管，安裝時(shí)僅需牽拉位于螺旋襯管末端的緊縮拉條，即可將絕緣護(hù)套及接線端子一同緊固在電纜芯線末端。安裝操作簡(jiǎn)便快捷，將受安裝環(huán)境和操作工藝精度等因素影響最大的加熱烘烤工序，在工廠內(nèi)理想環(huán)境下完成，大大降低了現(xiàn)場(chǎng)施工安裝難度，簡(jiǎn)化安裝流程，減少了因操作不當(dāng)造成的后期運(yùn)行隱患。近些年來，隨著材料成本控制和技術(shù)演變，冷縮式電纜終端的采購價(jià)格也逐漸平價(jià)化，大量應(yīng)用于電力線路、電網(wǎng)開關(guān)站及用戶側(cè)變電站等場(chǎng)合，是一種性能優(yōu)良、造價(jià)合理、操作簡(jiǎn)化的新型替代方案。

（2）在電纜分接箱內(nèi)不同相電纜終端的外絕緣傘裙之間加裝絕緣隔板。絕緣隔板采用環(huán)氧樹脂與玻璃纖維布浸透加壓后烘干固化成型，具有良好的絕緣性能；可以根據(jù)實(shí)際使用需求剪裁尺寸，用于隔離帶電部件并可以直接接觸；35 kV電壓等級(jí)的絕緣隔板厚度為6 mm。加裝絕緣隔板后，能夠避免相鄰絕緣傘裙之間的搭接狀態(tài)，在不同相間進(jìn)行有效的絕緣隔離，消除相間爬電現(xiàn)象。不需要對(duì)箱體尺寸進(jìn)行大規(guī)模改造，同時(shí)也提高了運(yùn)行人員檢修和巡查時(shí)的人身安全保障。

4 改造效果

在針對(duì)上述故障和不良運(yùn)行工況進(jìn)行專項(xiàng)整改之后，我公司持續(xù)跟進(jìn)關(guān)注了本工程35 kV集電線路的改造效果和后期運(yùn)行狀態(tài)，一年之后對(duì)工程運(yùn)管單位進(jìn)行了回訪和調(diào)研。改造后架空線路的雷擊跳閘次數(shù)明顯減少，運(yùn)行保障率得到有效提升；截至2017年底，僅發(fā)生升壓內(nèi)線路保護(hù)設(shè)備動(dòng)作1次，造成線路短時(shí)停電，當(dāng)時(shí)大部分風(fēng)機(jī)處于停機(jī)狀態(tài)，跳閘故障未對(duì)工程發(fā)電量造成明顯影響。通過對(duì)地埋電纜線路的多次巡檢，運(yùn)行人員反饋電纜分接箱安全隱患已基本排除，運(yùn)行狀態(tài)基本達(dá)到預(yù)期改造效果。箱體外部密封良好，運(yùn)行噪音明顯減??；電纜終端均未再次出現(xiàn)相間爬電、過度發(fā)熱或絕緣加速老化現(xiàn)象。

5 結(jié)語

通過對(duì)上述工程運(yùn)行期出現(xiàn)的問題的原因剖析和處理實(shí)例，總結(jié)出以下經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)思路：

（1）對(duì)于特殊氣候條件地區(qū)，電力線路的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不能局限于滿足規(guī)程規(guī)范要求，需要提前了解工程所在地的已建線路運(yùn)行情況，對(duì)于當(dāng)?shù)馗甙l(fā)的故障原因要引起充分重視，有針對(duì)性地適當(dāng)提高設(shè)計(jì)和施工標(biāo)準(zhǔn)。

（2）要積極采納和推廣新型材料、先進(jìn)工藝，緊跟行業(yè)技術(shù)發(fā)展步伐；在合理控制采購和施工成本的前提下，將容易產(chǎn)生偏差的工序化繁為簡(jiǎn)，減少因環(huán)境條件影響和安裝工藝不達(dá)標(biāo)造成的運(yùn)行期故障隱患。

電氣設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行，是始終貫穿工程運(yùn)行期間的效益保障，也是直觀考量設(shè)計(jì)和施工水平的基本標(biāo)準(zhǔn)。希望本文介紹的故障處理方案和設(shè)計(jì)思路，能夠給電力行業(yè)從業(yè)工作者提供一定的指導(dǎo)和借鑒。