郭志鵬
(晉能清潔能源風(fēng)力發(fā)電有限責(zé)任公司,山西 朔州 036000)
在全球經(jīng)濟(jì)高速度發(fā)展下,資源匱乏、能源緊缺、溫室效應(yīng)問(wèn)題愈發(fā)顯著,新型能源的崛起成為當(dāng)今社會(huì)解決能源問(wèn)題的熱點(diǎn)[1]。太陽(yáng)能、風(fēng)能、水能等作為新型可再生能源,具有不可替代性強(qiáng)、發(fā)電潛能巨大的特點(diǎn)。在我國(guó)對(duì)新能源的大力推廣下,風(fēng)能電網(wǎng)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大,由于中國(guó)地理、氣候環(huán)境復(fù)雜多樣,對(duì)架空線(xiàn)路的質(zhì)量可靠性標(biāo)準(zhǔn)要求越來(lái)越嚴(yán)格。
實(shí)際上,強(qiáng)風(fēng)地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)架空輸電線(xiàn)路的導(dǎo)線(xiàn)承擔(dān)著傳導(dǎo)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(dǎo)線(xiàn)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(dǎo)線(xiàn)還應(yīng)具有較大的曲率半徑。超高壓輸電線(xiàn)路,由于輸送容量大,工作電壓高,多采用分裂導(dǎo)線(xiàn)。與地下輸電線(xiàn)路相比較,架空線(xiàn)路建設(shè)成本低,施工周期短,易于檢修維護(hù)。因此,架空線(xiàn)路輸電是電力工業(yè)發(fā)展以來(lái)所采用的主要輸電方式。通常所稱(chēng)的輸電線(xiàn)路就是指架空輸電線(xiàn)路。通過(guò)架空線(xiàn)路將不同地區(qū)的發(fā)電站、變電站、負(fù)荷點(diǎn)連接起來(lái),輸送或交換電能,構(gòu)成各種電壓等級(jí)的電力網(wǎng)絡(luò)或配電網(wǎng)[2]。為了保障強(qiáng)風(fēng)地區(qū)風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)線(xiàn)路的正常運(yùn)行,本文將詳細(xì)探究強(qiáng)風(fēng)地區(qū)風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)線(xiàn)路的絕緣化處理思路及措施。
工業(yè)革命以來(lái),世界各國(guó)生產(chǎn)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(hù)環(huán)境制度的嚴(yán)格要求,限制了以能源消耗為主的企業(yè)、行業(yè)的發(fā)展以及人類(lèi)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。然而,利用清潔能源進(jìn)行發(fā)展生產(chǎn),改變能源結(jié)構(gòu)占比已經(jīng)成為焦點(diǎn)問(wèn)題,風(fēng)力發(fā)電這一新型發(fā)電模式,環(huán)保無(wú)污染,分布廣泛,可供開(kāi)發(fā)使用的蘊(yùn)藏量巨大。相較于太陽(yáng)能和水能,風(fēng)能資源利用率更高效可靠,并且風(fēng)力發(fā)電不會(huì)影響生態(tài)環(huán)境,對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)也無(wú)明顯影響。投資回收期短、建設(shè)快等特點(diǎn),讓風(fēng)力發(fā)電擁有巨大的應(yīng)用前景[3]。
從實(shí)際情況來(lái)看,采用架空輸電線(xiàn)路的方式進(jìn)行集電是大多數(shù)風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的不二選擇。我國(guó)地理環(huán)境、氣候復(fù)雜多變,且風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)多選址于高海拔山區(qū)、強(qiáng)風(fēng)等位置,輸電線(xiàn)路受環(huán)境、氣候的影響偏大,尤其是大風(fēng)、雨雪、雷暴等強(qiáng)對(duì)流天氣。由于處在復(fù)雜的地理位置,輸電線(xiàn)路一旦發(fā)生故障很難進(jìn)行排查與處理。為了防止風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)在各種惡劣環(huán)境下發(fā)生短路、跳閘等事故,必須對(duì)風(fēng)電場(chǎng)輸電線(xiàn)路進(jìn)行絕緣化處理,以改善強(qiáng)風(fēng)地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)作穩(wěn)定性、安全性以及經(jīng)濟(jì)性[4]。
根據(jù)某風(fēng)力發(fā)電公司企業(yè)的數(shù)據(jù)顯示,2016年—2019年,所管轄的輸電線(xiàn)路共計(jì)發(fā)生354次異常事故事件(如表1所示),其中輸電線(xiàn)路的異常事故高達(dá)296次,占比83.6%,且大多數(shù)都是由于絕緣化處理不當(dāng)導(dǎo)致的永久性故障。根據(jù)事故原因統(tǒng)計(jì)分析,某公司輸電線(xiàn)路事故原因如表2所示。通過(guò)計(jì)算表2的相關(guān)數(shù)據(jù),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(xiàn)路絕緣占比15.5%;其他原因占比最少,約為7.4%。由此可見(jiàn),強(qiáng)風(fēng)地區(qū)輸電線(xiàn)路的絕緣化處理也是避免事故發(fā)生的重要一環(huán)[5]。
表1 某公司輸電線(xiàn)路異常情況統(tǒng)計(jì)
表2 某公司輸電線(xiàn)路異常原因統(tǒng)計(jì)表次
對(duì)輸電線(xiàn)路的絕緣化處理,就是減少由于環(huán)境、氣候問(wèn)題造成的線(xiàn)路破損,降低放電現(xiàn)象的發(fā)生,從而提高風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)輸電線(xiàn)路的安全穩(wěn)定性,降低維修成本,增加風(fēng)電企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和用電需求的不斷加大,目前輸電線(xiàn)路體系變得復(fù)雜交錯(cuò)。只有通過(guò)對(duì)輸電線(xiàn)路絕緣化處理,規(guī)模龐大的輸電線(xiàn)路在面臨復(fù)雜環(huán)境氣候的時(shí)候,才能保證其輸電的安全可靠性,降低事故概率[6]。
強(qiáng)風(fēng)地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)架空輸電線(xiàn)路絕緣化處理中的絕緣配合是輸送系統(tǒng)高效運(yùn)行和可靠性的關(guān)鍵一步,發(fā)電裝置的絕緣化水平要結(jié)合系統(tǒng)中各裝置需承受的工作電壓、過(guò)電壓和保護(hù)設(shè)備的特性及各工作電壓的耐受性來(lái)確定。輸電線(xiàn)路不管是處于高海拔還是強(qiáng)對(duì)流天氣區(qū)域,都廣泛發(fā)生著由于外部環(huán)境影響、絕緣處理不當(dāng)造成的短路、跳閘等現(xiàn)象。架空輸電線(xiàn)路雖然可以通過(guò)使用絕緣導(dǎo)線(xiàn)進(jìn)行絕緣化處理,但這個(gè)方案存在經(jīng)濟(jì)實(shí)用性差、工程量大、耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)等缺點(diǎn)。
本文根據(jù)強(qiáng)風(fēng)地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)輸電線(xiàn)路的運(yùn)行特征,通過(guò)分析出現(xiàn)的問(wèn)題,提出線(xiàn)路絕緣化處理的方式,以達(dá)到高效、低成本的效果。
強(qiáng)風(fēng)地區(qū)風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)大多使用架空輸電線(xiàn)路,風(fēng)電場(chǎng)架空輸電線(xiàn)路在惡劣的氣候環(huán)境中長(zhǎng)期暴露,加上受到雨、雪、暴風(fēng)等的摧殘和侵蝕,輸電線(xiàn)路特別容易出現(xiàn)裂紋、裂口等,導(dǎo)致漏電、短路、跳閘等故障,很難確保輸電的安全、穩(wěn)定。
2.1.1 雷擊問(wèn)題
與機(jī)械強(qiáng)度較高的裸導(dǎo)線(xiàn)相比,絕緣導(dǎo)線(xiàn)機(jī)械強(qiáng)度低且容易在雷電條件下斷線(xiàn)。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示,輸電絕緣線(xiàn)路在正常運(yùn)行下,發(fā)生事故的主要原因就是雷暴天氣雷擊造成的斷線(xiàn)。而且,在高海拔空曠地區(qū),雷擊絕緣化的輸電線(xiàn)路還會(huì)造成閃絡(luò)現(xiàn)象,雷擊電流侵入波對(duì)垂直排列、三角形排列等線(xiàn)路極有可能造成頂相先斷線(xiàn)的現(xiàn)象。
2.1.2 絕緣問(wèn)題
架空輸送線(xiàn)路中,絕緣裸導(dǎo)線(xiàn)和電氣連接點(diǎn)在絕緣防護(hù)方面沒(méi)有達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求,造成短路、跳閘。輸送線(xiàn)路中電纜連接點(diǎn)、設(shè)備線(xiàn)夾和柱上隔離開(kāi)關(guān)處等存在著絕緣覆蓋性差的問(wèn)題,容易被附近環(huán)境的生物筑巢、休憩或者大風(fēng)天氣吹來(lái)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(wèn)題
在架空輸送線(xiàn)路中,結(jié)合安全用電的要求,在對(duì)線(xiàn)路進(jìn)行絕緣化處理時(shí)必須在線(xiàn)路上接裝接地設(shè)備。然而在實(shí)際工作中,大部分線(xiàn)路都沒(méi)有接裝接地設(shè)備,存在漏電、觸電的危險(xiǎn)[7-8]。
2.2.1 污穢影響
近年來(lái),污染現(xiàn)象嚴(yán)重影響著直流輸電絕緣子的實(shí)際應(yīng)用保護(hù)能力,降低了直流驅(qū)動(dòng)輸電線(xiàn)路中直流輸電絕緣子的保護(hù)效果,而直流輸電絕緣子在輸電高壓直流綜合輸電絕緣線(xiàn)路的直流綜合輸電絕緣作用能力中一直發(fā)揮著重要的綜合絕緣抑制作用[9]。
強(qiáng)風(fēng)地區(qū)的大風(fēng)、雨雪等惡劣環(huán)境使空氣中的污穢有害因素對(duì)輸電線(xiàn)路綜合絕緣作用能力的發(fā)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(xù)性地附著在直流輸電絕緣子的應(yīng)用環(huán)境中,干擾了其綜合絕緣作用能力的正常發(fā)揮。與傳統(tǒng)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(chǎng)和阻力的恒定吸附絕緣作用,進(jìn)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(guó)不同區(qū)域之間仍然存在一定的氣候差異性,輸電線(xiàn)路不可避免地會(huì)通過(guò)一些冰雪多發(fā)的區(qū)域,輸電線(xiàn)路上覆蓋的冰雪在一定程度上會(huì)造成電路絕緣故障的發(fā)生頻率大幅上升,使電路絕緣子的連續(xù)作用力和環(huán)境絕緣情況出現(xiàn)直線(xiàn)性下降,抑制了電路絕緣子的連續(xù)絕緣作用能力。據(jù)有關(guān)部門(mén)調(diào)查結(jié)果顯示,我國(guó)目前已經(jīng)是世界上每年受此類(lèi)冰雪天氣危害最為嚴(yán)重的國(guó)家,尤其是在高海拔的強(qiáng)風(fēng)地區(qū)。
2.2.3 海拔影響
強(qiáng)風(fēng)地區(qū)的風(fēng)電場(chǎng)大都處在高海拔地帶,我國(guó)高海拔區(qū)域面積占比較高,區(qū)域廣闊且人口密度較低。高海拔地區(qū)大氣壓強(qiáng)低的顯著特點(diǎn),對(duì)直流冰閃絕緣子的導(dǎo)電功能發(fā)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(duì)低于華北平原局部地區(qū),飄弧線(xiàn)的現(xiàn)象對(duì)直流和冰閃絕緣子電壓的功能影響也相對(duì)較低。空氣是一種較好的絕緣作用介質(zhì),隨著當(dāng)?shù)睾0蔚牟粩嗌?,空氣密度?huì)不斷降低,導(dǎo)致了空氣絕緣介質(zhì)性能不斷下降,在工程設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)適當(dāng)提升空氣絕緣性能標(biāo)準(zhǔn)[10]。
架空線(xiàn)路輸電電纜線(xiàn)路的電氣絕緣慣性配合設(shè)計(jì)方法主要分為慣性使用法、統(tǒng)計(jì)法和簡(jiǎn)化概率統(tǒng)計(jì)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(guò)電壓和最小最大絕緣感應(yīng)強(qiáng)度的組合概念法來(lái)進(jìn)行最大絕緣強(qiáng)度配合,最大絕緣配合水平一般為絕緣裕度。統(tǒng)計(jì)法主要是通過(guò)承認(rèn)其中存在某些絕緣部件擊穿的事實(shí),允許其具有一定的絕緣故障率,并按實(shí)際可以接受的絕緣故障率來(lái)決定選擇哪種絕緣。該方法一般需要通過(guò)采集許多絕緣數(shù)據(jù)源并進(jìn)行定量統(tǒng)計(jì)和分析確定某些絕緣參數(shù)的空間分布變化規(guī)律,該分析方法計(jì)算復(fù)雜且目前不是很完善。簡(jiǎn)化概率統(tǒng)計(jì)法主要是一種用一條對(duì)應(yīng)某一定概率參考因素概率的點(diǎn)數(shù)來(lái)代替整條線(xiàn)的概率計(jì)算曲線(xiàn)。目前在我國(guó),330 kV及以下資源電壓較高等級(jí)信號(hào)線(xiàn)路一般普遍采用信號(hào)慣性使用法,500 kV及以上資源電壓較低等級(jí)信號(hào)線(xiàn)路一般采用信號(hào)簡(jiǎn)化法和統(tǒng)計(jì)法[11]。
220 kV及以下的過(guò)電壓幅度等級(jí)下的線(xiàn)路應(yīng)與操作最大過(guò)電壓的最大絕緣子片配合,宜以最大線(xiàn)路操作最小過(guò)電壓幅度為計(jì)算基礎(chǔ),將最大絕緣配合強(qiáng)度的值作為最大隨機(jī)變量值并加以計(jì)算確定;330 kV及以上的過(guò)電壓幅度等級(jí)下的線(xiàn)路,將最小操作最大過(guò)電壓幅度的值與最大絕緣配合強(qiáng)度均勻值作為最大隨機(jī)變量,選定的最大絕緣配合子片線(xiàn)路數(shù)幅值應(yīng)足以保證每條架空供電線(xiàn)路必須具有一個(gè)實(shí)際可廣泛接受的最大絕緣子片數(shù)閃絡(luò)率。一般不按照對(duì)各種雷電線(xiàn)路絕緣元件過(guò)電壓的絕緣強(qiáng)度校驗(yàn)要求及其標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定來(lái)選擇各種雷電線(xiàn)路絕緣子串的耐雷絕緣性及耐電元件強(qiáng)度,但應(yīng)根據(jù)已明確要求選定的各種雷電線(xiàn)路絕緣元件強(qiáng)度校驗(yàn)水平及其要求標(biāo)準(zhǔn)來(lái)對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度校驗(yàn),并以連接輸電線(xiàn)路的各種雷電絕緣耐雷元件絕緣強(qiáng)度水平工頻電壓為持續(xù)電壓。由于工頻電壓較穩(wěn)定,波動(dòng)范圍較小,架空輸電線(xiàn)的絕緣配置必須滿(mǎn)足工頻電壓所需的絕緣強(qiáng)度。
從直流系統(tǒng)絕緣子的性能表現(xiàn)上看,直流電力系統(tǒng)絕緣操作電流過(guò)電壓的倍數(shù)較小。因此,與民用交流高壓絕緣子系統(tǒng)相比,直流系統(tǒng)絕緣子的操作抗壓特異性相對(duì)較差,受電磁干擾破壞情況也較為嚴(yán)重,由此分析得出特殊的氣候環(huán)境對(duì)高壓直流電力輸電系統(tǒng)絕緣子的性能影響較大。
直流高壓絕緣子的外部應(yīng)用保護(hù)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(hù)距離與直流絕緣保護(hù)高度的比值明顯比交流高壓絕緣子的外部爬電保護(hù)距離與交流絕緣保護(hù)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(yīng)用性能上具有一定的絕緣風(fēng)險(xiǎn)性和防控上的差距。也就是說(shuō),直流高壓絕緣子在不同伏特高壓直流電和輸電電纜線(xiàn)路外部的絕緣保護(hù)環(huán)境中可能存在不同的絕緣表現(xiàn),環(huán)境因素直接影響著其絕緣保護(hù)力度。
3.4.1 絕緣子形式選擇
瓷絕緣子的運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng),機(jī)械強(qiáng)度較大,具有更高的機(jī)械強(qiáng)度,同樣的正常運(yùn)行時(shí)間具有老化度低的優(yōu)點(diǎn)。玻璃的絕緣子具有某種自爆性,它的自爆性一般都不會(huì)掉串,且檢出率較高,電壓分布均勻,耐電弧性能強(qiáng),同時(shí)還具有一定的自潔性。
針對(duì)強(qiáng)風(fēng)地區(qū)高海拔、高度污穢、結(jié)冰期長(zhǎng)的環(huán)境特點(diǎn),在選用特高壓直流電路絕緣子類(lèi)型時(shí),提出以下建議:復(fù)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(fù)合絕緣子后,原來(lái)憎水的特性就會(huì)消失。所以,瓷絕緣子或玻璃絕緣子比較實(shí)用。
3.4.2 絕緣子片數(shù)選擇
強(qiáng)風(fēng)地區(qū)的特殊操作環(huán)境,使輸電線(xiàn)路特別容易出現(xiàn)污閃事故。為了避免這種情況的發(fā)生,結(jié)合輸電線(xiàn)外絕緣設(shè)計(jì)原則,針對(duì)強(qiáng)風(fēng)地區(qū)輸電線(xiàn)路絕緣子片數(shù)的選擇有以下建議:在確定輸電線(xiàn)路絕緣子的串長(zhǎng)時(shí),其方法有2種,一是爬電比距的方法,即根據(jù)線(xiàn)路通過(guò)區(qū)域內(nèi)的污穢水平,結(jié)合線(xiàn)路的額定電壓來(lái)確定爬電比,從而得到絕緣子的串長(zhǎng);二是根據(jù)擬建線(xiàn)路附近已投運(yùn)±500 kV線(xiàn)路的絕緣水平,對(duì)其同樣污穢的情況進(jìn)行類(lèi)比,并根據(jù)絕緣等級(jí)和電壓水平之間的正比,推算出絕緣子串長(zhǎng)。
加強(qiáng)對(duì)電氣導(dǎo)線(xiàn)連接點(diǎn)和導(dǎo)線(xiàn)絕緣內(nèi)部裸露電氣導(dǎo)線(xiàn)的內(nèi)部絕緣電氣保護(hù)。通過(guò)對(duì)電氣導(dǎo)線(xiàn)連接點(diǎn)和導(dǎo)線(xiàn)絕緣內(nèi)部裸露電氣導(dǎo)線(xiàn)直接進(jìn)行內(nèi)部絕緣電氣保護(hù),完善全系列絕緣線(xiàn)的內(nèi)部絕緣電氣保護(hù),防止部分絕緣電氣對(duì)設(shè)備和人體造成意外損害,有效地降低其正常運(yùn)行過(guò)程中的電氣安全事故。
a)按照線(xiàn)路運(yùn)行規(guī)程的設(shè)計(jì),裝備與絕緣導(dǎo)線(xiàn)之間的連接部分應(yīng)安裝專(zhuān)用絕緣護(hù)罩,分支連接處、電纜進(jìn)出線(xiàn)連接處,采用防護(hù)罩對(duì)動(dòng)物進(jìn)行保護(hù),并可有效地防止因樹(shù)枝、鐵絲等搭接而造成相間短路事故的發(fā)生。另外,安裝絕緣護(hù)罩還可以防止對(duì)人體造成的傷害。
b)單臺(tái)配電變壓器的容量不超過(guò)315 kV,支線(xiàn)桿塔的新建路段不超過(guò)10個(gè)基,應(yīng)采用10 kV專(zhuān)業(yè)穿刺線(xiàn)夾連接接頭。800 kV配電變壓器及以上主線(xiàn)抗張桿塔絕緣導(dǎo)線(xiàn)采用并溝夾的連接點(diǎn),應(yīng)在固定導(dǎo)線(xiàn)距離耐張斷線(xiàn)夾0.5 m處被抗張懸垂線(xiàn)夾下,最大限度地保證絕緣導(dǎo)線(xiàn)的機(jī)械強(qiáng)度,防止由于絕緣線(xiàn)破口接線(xiàn)而引起的導(dǎo)線(xiàn)夾脫落。
c)充分發(fā)揮多層帶電作業(yè)絕緣優(yōu)點(diǎn),對(duì)因帶電桿塔長(zhǎng)期移動(dòng)、改建后等而遺存的帶電絕緣層和導(dǎo)線(xiàn)等應(yīng)進(jìn)行多層帶電作業(yè)絕緣層的包扎加固處理。處理時(shí),先利用具有帶電導(dǎo)線(xiàn)動(dòng)力的漏斗臂將帶電導(dǎo)線(xiàn)修補(bǔ)器的絕緣膜裸露出來(lái),然后再用專(zhuān)門(mén)的10 kV型的絕緣膠帶纏繞,這樣就可達(dá)到修補(bǔ)絕緣導(dǎo)線(xiàn)密封的目的。
強(qiáng)風(fēng)地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)架空輸電線(xiàn)的絕緣程度需要滿(mǎn)足以下要求:工頻下不會(huì)出現(xiàn)污閃;操作中不發(fā)出濕閃;具有一定的雷電沖擊耐受性,保證線(xiàn)路的耐雷程度和規(guī)范水平。在輕污區(qū)中,絕緣水平由外電壓和內(nèi)電壓確定;隨著污染等級(jí)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(guó)強(qiáng)風(fēng)地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)高壓直流輸電在外絕緣上存在一定的差異性,所以,在進(jìn)行線(xiàn)路絕緣化處理時(shí)要進(jìn)行合理設(shè)計(jì),提高架空輸電線(xiàn)路的可靠性,保障風(fēng)電系統(tǒng)的安全運(yùn)行。