湖南電網風電送出線路防凍融冰綜述

李波，胡金理，毛新果，朱思國，張勁帆

(1.湖南防災科技有限公司，湖南 長沙410129；2.國網湖南省電力有限公司，湖南長沙410004)

0 引言

湖南電網風電場多位于高海拔微氣象微地形區(qū)，其送出線路極易發(fā)生嚴重覆冰，導致風電送出受阻，迎峰度冬期間電力供應缺口擴大[1]。據(jù)統(tǒng)計，2020年12月13日至2021年3月1日，湖南電網因覆冰導致風電退備容量534.2萬kW(占比80.4%)，損失電量共計3.03億kW·h，折合上網電價，發(fā)電損失約1.36億元。

截至2021年6月，湖南電網已投運風電場107座，裝機容量711萬kW，占全省總裝機容量的15.6%。預計到2030年，湖南風電裝機將突破2 000萬kW，占比約18.6%。隨著“碳達峰、碳中”和“30·60”計劃和構建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)等國家重大能源戰(zhàn)略的實施，風電將迎來大規(guī)模發(fā)展[2]，成為湖南電網電源的重要組成部分，其安全可靠送出的水位程度決定湖南電網迎峰度冬供電能力。

1 防凍融冰現(xiàn)狀

1.1 覆冰現(xiàn)狀

近5年湖南省共有45條風電送出線路發(fā)生覆冰，覆冰線路海拔均在800 m以上，累計覆冰線路1 650條次，各地區(qū)風電送出線路覆冰情況如圖1所示。線路實際覆冰超過設計冰厚的有12條，由于未及時開展融冰，導致斷線13條次(含架空地線2條次)。

圖1 湖南省各地區(qū)風電送出線路覆冰統(tǒng)計

1.2 規(guī)劃現(xiàn)狀

風電送出線路所經區(qū)域微地形微氣象特征明顯，可研階段的氣象數(shù)據(jù)與實際情況存在較大差異。為節(jié)省投資，規(guī)劃設計階段未嚴格執(zhí)行DL/T 5440—2020《重覆冰架空輸電線路設計技術規(guī)程》等要求，存在線路走向選擇易覆冰區(qū)、覆冰厚度驗算不準確和導地線安全系數(shù)及最大張力未嚴格執(zhí)行到位等問題，導致風電送出線路抗冰能力先天不足[3]。

1.3 運行現(xiàn)狀

《湖南電網防凍融冰規(guī)程》對融除冰管理等方面已提出較為全面的要求，各部門及各技術支撐單位已建立相對完善的防凍融冰管理體系，能有效對電網資產線路開展防凍融冰工作。對非電網資產線路，由于送出線路尚未納入湖南電網防凍融冰管理體系，存在冰情預測和覆冰觀測雙重缺失、信息匯報不及時、設備維護不到位等問題，嚴重影響融冰實施，增加斷線倒塔風險。

2 防凍融冰存在的問題

2.1 防凍融冰現(xiàn)狀

2.1.1 送出線路融冰措施亟待加強

湖南省102條風電送出線路中，有72條線路暫無可實施的融冰措施[4]:①27條線路無融冰方案；②24條線路融冰電流不符合規(guī)程要求；③17條線路融冰電流偏小，難以滿足高海拔低溫、大風速下融冰要求[5]；④9條線路融冰時須串聯(lián)3回線路及以上，融冰開展對電網方式影響較大；⑤4條線路融冰時須跨接設備超過3個，融冰實施困難。

2.1.2 尚無成熟的地線融冰手段

地線覆冰易導致弧垂降低，引發(fā)供電和通信中斷，使風電新能源送出嚴重受阻[6]。風電線路覆冰后，可利用電流熱效應對導線開展融冰，但針對地線尚無成熟融冰手段。如果利用電流熱效應對地線開展融冰，需通過增加間隙或分段開關等方式對地線進行絕緣改造，耗時耗費，融冰前后開關操作工作量大。同時，絕緣化改造會極大程度地影響地線原有防雷效果，增加線路運行雷擊風險[7]。

2.2 防凍融冰管理

2.2.1 抗融冰能力建設缺乏政策支持

風電送出線路在規(guī)劃設計、建設施工、大修技改和并網發(fā)電等方面的抗冰能力建設缺乏政府電力主管部門政策文件支持和行業(yè)規(guī)程指導，導致差異化抗冰要求、融冰措施配置等無法有效落實，各風電場抗融冰能力良莠不齊。

2.2.2 防凍融冰缺乏統(tǒng)一管理機制

《湖南電網防凍融冰規(guī)程》可有效指導電網公司資產線路應對大范圍雨雪冰凍災害。非電網公司資產線路在覆冰預測、冰情監(jiān)測、融除冰操作等方面因涉及風電企業(yè)和電網公司多個專業(yè)和部門，無統(tǒng)一的防凍融冰管理體系，隨著風電新能源的發(fā)展，電網防凍融冰壓力與日俱增。

3 防凍融冰整體解決措施

為解決風電送出線路冰害問題，有效提升冬季風電出力，保障電網迎峰度冬最大供電能力。面對國家“雙碳”重大需求，電網輸變電設備防災減災國家重點實驗室開展多年攻關，提出風電送出線路整體解決措施。

3.1 技術措施

3.1.1 送出線路融冰技術

根據(jù)風電送出線路線型、長度和地形地貌等因素，研制出風電送出線路專用低諧波直流融冰裝置[8]。該裝置采用多檔位多繞組消諧、多檔位寬調壓恒阻抗和“匹配阻抗”的感應電壓抑制等新技術，功率因數(shù)為0.97以上，并網諧波含量低于5%，無需額外配置無功及濾波單元[9]。

3.1.2 取消地線改造

針對風電送出線路設計冰厚20 mm及以上的重覆冰區(qū)段，采用“取消地線，加裝大容量防雷防冰絕緣子”技術方案。防雷防冰絕緣子通流能力達150 kA及以上，滿足失去地線保護后的線路防雷需求。采取優(yōu)化設計的傘裙布置和絕緣配合，防止覆冰、污穢、雷擊等復雜氣象條件下發(fā)生外絕緣閃絡[10]，如圖2所示。同時，防雷防冰復合絕緣子兼具普通絕緣子和并聯(lián)線路避雷器的功能，減少電網建設成本和運維工作量[11]。

圖2 防雷防冰復合絕緣子結構示意圖

3.1.3 精細化覆冰預測

結合高山分水嶺、埡口風增大等5種典型微地形覆冰模型與覆冰厚度微氣象－電磁－太陽輻射多物理場三維數(shù)值計算方法[1]，提出輸電線路覆冰落區(qū)自動、快速反演方法，構建基于粗糙集和TOPSIS的輸電線路冰害防治決策模型，最高分辨率達30 m×30 m，實現(xiàn)風電送出線路精確到桿塔的覆冰厚度精細化預測，見表1。經對2021年1月7日西公線和白外線現(xiàn)場實際覆冰厚度進行測量，與預測數(shù)據(jù)保持一致，覆冰預測可指導線路融除冰工作提前開展和有效應對[12]。

表1 送出線路覆冰厚度精細化預測

3.2 管理措施

3.2.1 明確抗冰要求

在風電場接入評審階段，明確提出風電送出線路抗融冰技術要求，審查抗冰設計和融冰措施的可行性，并在接入系統(tǒng)和可研批復中予以落實。同時，在工程建設及項目驗收階段，將抗融冰能力建設作為驗收投產的重要內容。

3.2.2 出臺政策文件

編制湖南省風電送出線路提升抗冰能力建設和改造的指導文件，包括規(guī)劃設計、建設施工、大修技改及并網發(fā)電等方面的實施細則，為風電送出線路抗融冰能力統(tǒng)籌建設提供重要依據(jù)，使線路抗融冰能力建設和改造有章可循、有規(guī)可依。

3.2.3 建立統(tǒng)一機制

將湖南省風電送出線路納入湖南電網防凍融冰體系統(tǒng)一管理，明確風電企業(yè)防凍融冰職責，為風電送出線路融除冰流程管理、現(xiàn)場操作實施等建立相關管理機制。

4 工程應用

4.1 送出線路融冰

在湖南串風坳、天堂山和西晃山等風電場應用16套風電送出線路融冰裝置，累計實施直流融冰67條次。其中，串風坳風電送出線路110 kV串蔡線線型為2×LGJ－240和LGJ－300，長度共計49.3 km，融冰電流890 A，僅通流18 min，導線溫度由－5℃提高至11.8℃，融冰效果明顯。

4.2 地線抗冰改造

湖南省內目前已有110 kV楚半塔線、110 kV芙洢線等5條風電送出線路完成重覆冰區(qū)段取消地線抗冰改造。取消地線后的線路歷經多輪雷雨和覆冰天氣，至今未發(fā)生覆冰導致的導線斷裂和雷擊跳閘停電故障，為提升風電線路重覆冰區(qū)取消地線安全穩(wěn)定運行提供了有力的現(xiàn)場運行經驗，經濟和社會效益顯著。

4.3 線路覆冰預測

湖南省風電場送出線路共有102條，其中屬于電網公司資產的線路57條。針對電網公司資產線路，電網輸變電設備防災減災國家重點實驗室已開展送出線路精細化覆冰預測，根據(jù)覆冰預測可提前開展線路融除冰人員和設備準備。天塘山風電場送出線路110 kV印天線近3年最大覆冰厚度17 mm，共開展直流融冰14次，未發(fā)生線路斷線情況，效果顯著。

5 結語

通過分析湖南風電送出線路防凍融冰現(xiàn)狀和存在的問題，提出風電送出線路防凍融冰整體解決措施，并開展工程應用，對“雙碳”和“新型電力系統(tǒng)建設”背景下的湖南電網風電新能源的開發(fā)和利用具有指導意義。