文 | 馬建春,趙懷宇,馬風(fēng)有
風(fēng)電場(chǎng)集電線路主要功能是匯集風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)各風(fēng)電機(jī)組所發(fā)的電能并送至升壓變電站,主要有架空、直埋電纜和架空與電纜混合使用三種形式。受風(fēng)電機(jī)組機(jī)位布置以及場(chǎng)內(nèi)道路因素制約限制,集電線路路徑可選擇余地較小,而風(fēng)電機(jī)組一般位處海拔較高、基本風(fēng)速大的地方,如果環(huán)境溫度、濕度適合,集電線路覆冰的機(jī)率就非常大。
2011年至今,河北省張家口壩上地區(qū)多個(gè)風(fēng)電場(chǎng)連續(xù)發(fā)生多起倒塔事故,集電線路搶修期間,多臺(tái)風(fēng)電機(jī)組電能無(wú)法正常匯集送出,給項(xiàng)目建設(shè)單位造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。設(shè)計(jì)單位有必要認(rèn)真總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn),避免此類事故的再次發(fā)生。
(1)2011年10月16日至11月22日,河北省張家口地區(qū)某風(fēng)電場(chǎng)有4基直線塔發(fā)生傾覆,1基轉(zhuǎn)角塔發(fā)生扭曲破壞,如圖1、圖2所示。
(2)2012年9月28日至10月23日,上述風(fēng)電場(chǎng)再次發(fā)生3基直線塔倒塌事故,其中一基直線塔在兩次冰災(zāi)事故中均發(fā)生了傾覆破壞。
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察及冰災(zāi)發(fā)生后搜集整理的氣象資料,得到上述風(fēng)電場(chǎng)冰災(zāi)倒塔事故的特征如下:
(1)兩起倒塔事故均發(fā)生在秋冬季節(jié)交換時(shí)期,塔位處海拔高程1900m-2150m,事故發(fā)生時(shí)當(dāng)?shù)貧鉁?2.4℃至-3.3℃之間,相對(duì)濕度在87%-97%,附近氣象站記錄的平均風(fēng)速為13.9m/s,風(fēng)向?yàn)镾W、WSW、W,風(fēng)向與風(fēng)電場(chǎng)的東南-西北走向集電線路路徑夾角較大。
(2)事故風(fēng)電場(chǎng)桿塔導(dǎo)線覆冰后最大直徑120mm-140mm,覆冰類型為霧凇,折算成標(biāo)準(zhǔn)冰厚為15.6mm-21.5mm。
(3)傾覆塔型全部為單回路直線塔,一基單回路轉(zhuǎn)角塔塔身發(fā)生扭曲破壞。
(4)傾覆直線塔彎折傾覆位置均在導(dǎo)線橫擔(dān)以下的第二段塔身處。
(5)傾覆直線塔前后側(cè)檔距相差均較大。
圖1 35kV直線塔傾覆現(xiàn)場(chǎng)
圖2 35kV耐張塔扭曲現(xiàn)場(chǎng)
集電線路桿塔覆冰主要有雨凇、霧凇、混合淞、濕雪等形式,針對(duì)河北省張家口壩上地區(qū),由于該地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)海拔較高,在每年10月-11月秋冬交替季節(jié)和次年1月-3月倒春寒時(shí),線路桿塔覆冰概率較高,集電線路桿塔覆冰形式主要為霧凇和混合淞。
(1)大氣條件:適當(dāng)?shù)臏囟?、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向是形成導(dǎo)線覆冰的大氣條件。針對(duì)霧凇,當(dāng)環(huán)境溫度在-8℃至-15℃之間,相對(duì)濕度在85%以上,風(fēng)速在2m/s-10m/s范圍內(nèi),風(fēng)向與集電線路走向夾角45度-150度時(shí),最有利于霧凇的形成。而對(duì)于混合淞,形成溫度在-3℃至-9℃之間,晴冷天氣時(shí)雨凇與霧凇交替重疊形成,其生長(zhǎng)速度快、粘著力強(qiáng),對(duì)桿塔危害特別嚴(yán)重。
(2)地形條件:主要包括山脈走向和坡向、山體部位、海拔高度及江湖水體等。一般來(lái)講,海拔相對(duì)較高的山埡口、迎風(fēng)坡和分水嶺區(qū)域出現(xiàn)覆冰的機(jī)會(huì)較多。在海拔較高的山上,常有云霧環(huán)繞、空氣濕度很高、風(fēng)速較大、氣溫較低、凍結(jié)高度以上的地區(qū)容易形成霧淞,而在山嶺背風(fēng)面,過(guò)冷卻水滴和覆冰風(fēng)速因有屏蔽作用均明顯減小,覆冰就不會(huì)很嚴(yán)重。
風(fēng)電場(chǎng)集電線路電壓等級(jí)一般為35kV,常用的地線型號(hào)為GJ-35、GJ-50,常用的導(dǎo)線型號(hào)為L(zhǎng)GJ-95/20、LGJ-150/25、LGJ-240/30,導(dǎo)地線覆冰后垂直載荷、水平荷載隨覆冰厚度增加的變化情況如圖3、圖4所示。
由圖3、圖4可以看出,針對(duì)同一覆冰厚度,隨著導(dǎo)地線型號(hào)的增加,導(dǎo)地線覆冰后垂直荷載和水平荷載增加幅度呈下降趨勢(shì);導(dǎo)地線截面越小,其受覆冰垂直、水平荷載影響的程度就越大,小截面導(dǎo)地線抗覆冰過(guò)載能力較差。
針對(duì)覆冰工況,桿塔導(dǎo)地線縱向張力大小與桿塔前后側(cè)導(dǎo)地線覆冰程度、高差大小以及導(dǎo)地線脫冰不均勻程度有關(guān),在覆冰率相同時(shí),桿塔導(dǎo)地線縱向張力隨導(dǎo)地線覆冰厚度的增加而增加。如果塔位處于山頂,垂直檔距較大且兩側(cè)檔距相差懸殊時(shí),桿塔受不均勻覆冰影響所產(chǎn)生的縱向不平衡張力就很大,該塔位就非常危險(xiǎn)。
(1)原始覆冰設(shè)計(jì)輸入條件嚴(yán)重偏離實(shí)際
倒塔事故所涉及的風(fēng)電場(chǎng)均位于張家口壩上地區(qū),海拔較高,山勢(shì)陡峭,人煙稀少,風(fēng)電場(chǎng)投運(yùn)之前,風(fēng)電場(chǎng)范圍內(nèi)無(wú)架空輸電線路經(jīng)過(guò),集電線路設(shè)計(jì)所需要的氣象資料均依據(jù)附近沽源氣象站的實(shí)測(cè)資料的統(tǒng)計(jì)提出,而沽源氣象站位于事故風(fēng)電場(chǎng)北側(cè)約45km處,海拔高度為1412.0m,根據(jù)該氣象站1983年-2007年累年數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,倒塔風(fēng)電場(chǎng)最大導(dǎo)線覆冰標(biāo)準(zhǔn)厚度僅為2.09mm。
據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,河北省張家口地區(qū)事故風(fēng)電場(chǎng)發(fā)生傾覆的鐵塔位置、當(dāng)時(shí)的氣象條件等均與覆冰的必要條件相吻合,鐵塔導(dǎo)線覆冰后直徑達(dá)100mm-120mm,折算成標(biāo)準(zhǔn)冰厚為15.6mm-21.5mm,與原施工圖設(shè)計(jì)5mm覆冰相比偏差很大。
(2)超設(shè)計(jì)覆冰與大風(fēng)荷載的共同作用
依據(jù)現(xiàn)行《66kV及以下架空電力線路設(shè)計(jì)規(guī)范》以及《重覆冰架空輸電線路設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定,針對(duì)覆冰不大于10mm的輕冰區(qū),覆冰同時(shí)風(fēng)速取10m/s,重冰區(qū)為15m/s。而據(jù)現(xiàn)場(chǎng)搶修人員反映,風(fēng)電場(chǎng)桿塔覆冰后未融化前刮過(guò)“白毛風(fēng)”,因風(fēng)電機(jī)組頂部安裝的風(fēng)速記錄儀被凍結(jié),無(wú)法取得當(dāng)時(shí)風(fēng)速的實(shí)測(cè)值,但根據(jù)經(jīng)驗(yàn)風(fēng)速應(yīng)不小于20m/s,因?yàn)轱L(fēng)壓與風(fēng)速的平方成正比,桿塔在超大覆冰垂直荷載和風(fēng)荷載的共同作用下發(fā)生傾覆是在所難免的。
圖3 覆冰厚度與導(dǎo)地線重量關(guān)系曲線
圖4 覆冰厚度與導(dǎo)地線水平荷載關(guān)系曲線
(3)集電線路所使用鐵塔結(jié)構(gòu)存在的缺陷
1.鐵塔三相導(dǎo)線非對(duì)稱布置。以35kV上字形直線塔為例,鐵塔中心線一側(cè)有一相導(dǎo)線,而另一側(cè)有兩相,當(dāng)較大覆冰現(xiàn)象發(fā)生時(shí),導(dǎo)線與覆冰自重的疊加值對(duì)塔身產(chǎn)生一個(gè)很大的附加彎矩作用,當(dāng)此附加彎矩與垂直于線路方向的大風(fēng)工況疊加作用時(shí),塔身結(jié)構(gòu)中個(gè)別桿件首先發(fā)生壓曲破壞而退出工作,從而導(dǎo)致整基鐵塔彎折傾覆。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘察,所有事故直線塔均沿垂直于線路方向且向兩相導(dǎo)線一側(cè)發(fā)生彎折,就印證了這一點(diǎn),見圖1。
2.塔身斜材布置形式對(duì)鐵塔受力的影響。目前風(fēng)電場(chǎng)集電線路所使用的鐵塔一般取自我國(guó)20世紀(jì)70年代-20世紀(jì)80年代的典型設(shè)計(jì)型錄,鑒于當(dāng)時(shí)的經(jīng)濟(jì)條件,為最大限度地節(jié)約鋼材,塔身斜材為之字形布置的單斜材,塔身主材采用平行軸布置。依據(jù)規(guī)范,平行軸布置主材計(jì)算長(zhǎng)度L0取1.2L,計(jì)算回轉(zhuǎn)半徑為rx,最小軸布置時(shí)主材計(jì)算長(zhǎng)度L0取L,計(jì)算回轉(zhuǎn)半徑為ry0,而角鋼rx≈1.5ry0,構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比為構(gòu)件計(jì)算長(zhǎng)度與回轉(zhuǎn)半徑的比值,因此λ平≈0.8λ小,λ越小,查出的軸心受壓穩(wěn)定系數(shù)φ越大,計(jì)算出的構(gòu)件應(yīng)力越小,選出的主材規(guī)格越小。因此,平行軸布置選用的主材偏小。主材平行軸布置結(jié)構(gòu)在鐵塔真型試驗(yàn)中屢次發(fā)生失穩(wěn)破壞,其計(jì)算長(zhǎng)度的取值有待進(jìn)一步探討。
3.塔身隔面布置對(duì)鐵塔抗扭剛度的影響也不容忽視?,F(xiàn)行規(guī)范中鐵塔橫隔面間距布置原則是“同一塔身坡度不變段內(nèi)一般不大于平均寬度(面寬)的5倍,也不宜大于4個(gè)主材分段”,而針對(duì)35kV集電線路鐵塔,鐵塔呼稱高和鐵塔根開一般較小,4個(gè)主材分段要求很容易滿足,而平均寬度的5倍這一要求就需要認(rèn)真核對(duì),從現(xiàn)場(chǎng)直線塔破壞位置來(lái)看,主要是在第二段最下邊節(jié)間處發(fā)生彎折,而第二段隔面設(shè)置剛剛滿足平均寬度5倍的要求,雖然鐵塔計(jì)算和構(gòu)造滿足要求,但隔面間距偏大,塔身的抗扭剛度較小,鐵塔的抗冰能力較弱。
(4)集電線路桿塔定位方面的原因
由于發(fā)生倒塔事故的風(fēng)電場(chǎng)在初步設(shè)計(jì)階段搜集的資料中就缺乏重冰數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),集電線路終勘定位時(shí)未采取針對(duì)重冰的防范措施,導(dǎo)致線路定位成果存在很多不合理性,主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面:
1.鐵塔前后側(cè)檔距不均。由于事故風(fēng)電場(chǎng)地形條件復(fù)雜,集電線路定位時(shí)出現(xiàn)了多處鐵塔前后側(cè)檔距極不均勻現(xiàn)象,當(dāng)導(dǎo)地線出現(xiàn)較大覆冰時(shí),鐵塔縱向存在很大的張力差,在垂直于線路方向的側(cè)向風(fēng)作用下,鐵塔受力較大的某段主材壓應(yīng)力出現(xiàn)疊加后發(fā)生屈曲破壞而退出工作,帶動(dòng)其他構(gòu)件破壞而使整基鐵塔發(fā)生彎折。
2.個(gè)別區(qū)段處出現(xiàn)較大度數(shù)的轉(zhuǎn)角。在《重覆冰架空輸電線路設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》中明文規(guī)定在重覆冰地區(qū),桿塔轉(zhuǎn)角度數(shù)不宜過(guò)大,這是因?yàn)橹乇a(chǎn)生的角度荷載隨轉(zhuǎn)角度數(shù)的增加而顯著增大。而在上述倒塔事故中發(fā)生扭曲破壞的轉(zhuǎn)角塔,位于突出的山體頂部,海拔高程2166m,線路轉(zhuǎn)角73.5度,在發(fā)生較大覆冰時(shí),導(dǎo)地線在橫擔(dān)軸線方向產(chǎn)生很大的張力,并與覆冰融化前在橫擔(dān)軸線方向產(chǎn)生的大風(fēng)應(yīng)力疊加,使該基轉(zhuǎn)角塔內(nèi)角側(cè)主材首先壓屈變形,從而帶動(dòng)其周圍塔身正面交叉材變形而退出工作,使整基鐵塔發(fā)生扭曲破壞,見圖2。
集電線路承載的是匯集、輸送風(fēng)電機(jī)組所發(fā)電力的功能,集電線路運(yùn)行可靠性與風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電效益緊密相連,因?yàn)榧娋€路一旦發(fā)生倒塔事故,風(fēng)電場(chǎng)一個(gè)回路甚至幾個(gè)回路的風(fēng)電機(jī)組所發(fā)電能將無(wú)法送出,會(huì)給項(xiàng)目建設(shè)單位造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。如何防范冰災(zāi)倒塔事故的發(fā)生是集電線路設(shè)計(jì)單位所面臨的必須解決的技術(shù)課題。以下為對(duì)處理和防范集電線路冰災(zāi)倒塔事故的一點(diǎn)體會(huì)和建議,供設(shè)計(jì)時(shí)參考:
一、充分搜集氣象資料。對(duì)風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域內(nèi)以及附近氣象站、已建電力線、通信線路歷年覆冰情況進(jìn)行廣泛調(diào)查,在分析計(jì)算的基礎(chǔ)上,盡可能較準(zhǔn)確地搜集到或推測(cè)出覆冰厚度值,對(duì)地處埡口、分水嶺、迎風(fēng)坡、山頂?shù)纫资芪⒌匦?、微氣象因素影響區(qū)段的集電線路,設(shè)計(jì)冰厚宜適當(dāng)加大。
二、合理選用集電線路形式。對(duì)發(fā)生覆冰量級(jí)大、發(fā)展快、消融迅速區(qū)段的集電線路,在經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析的基礎(chǔ)上,盡可能采用直埋電纜方式。
三、對(duì)可能出現(xiàn)較大覆冰而無(wú)法避免采用架空形式時(shí),集電線路設(shè)計(jì)應(yīng)注意以下幾點(diǎn):
(1)合理選擇架空集電線路路徑,盡量走陽(yáng)坡,避開埡口、湖泊或水庫(kù)下風(fēng)向等,避免線路走向與覆冰期主風(fēng)向發(fā)生正交。
(2)對(duì)可能受微地形、微氣象因素影響而出現(xiàn)較大覆冰區(qū)段,應(yīng)重點(diǎn)防范。
1.采用導(dǎo)線呈對(duì)稱布置的高電壓等級(jí)直線塔,雖然短期投資會(huì)有所增加,但從集電線路長(zhǎng)期運(yùn)行以及事故發(fā)電量損失情況來(lái)看,局部提高安全設(shè)防等級(jí)是十分必要的。
2.鐵塔計(jì)算嚴(yán)格執(zhí)行現(xiàn)行《66kV及以下架空電力線路設(shè)計(jì)規(guī)范》的相關(guān)條款,對(duì)規(guī)范中規(guī)定較為模糊的部分,應(yīng)參考現(xiàn)行桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定、《重覆冰架空輸電線路設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》中的有關(guān)規(guī)定執(zhí)行,塔身主材宜采用最小軸布置,適當(dāng)減小塔身隔面之間的距離,增強(qiáng)塔身的抗扭剛度,提高使用桿塔的抗冰能力。
3.集電線路終勘定位時(shí),要盡量避免大轉(zhuǎn)角、大檔距、鐵塔前后側(cè)檔距不均勻等情況的發(fā)生。
4.桿塔定位盡量避開微地形地段,無(wú)法避開時(shí)應(yīng)采取縮小檔距、縮小耐張段長(zhǎng)度等措施,增強(qiáng)桿塔的抗冰能力。
5.對(duì)可能發(fā)生舞動(dòng)區(qū)段,全塔螺栓應(yīng)裝雙帽防松,防止導(dǎo)線脫冰跳躍時(shí)因螺栓脫落而使鐵塔部分構(gòu)件退出工作,進(jìn)而造成整基鐵塔失穩(wěn)傾覆。
6.對(duì)于地處海拔高、風(fēng)速大、覆冰較為嚴(yán)重地段的直線塔,可考慮采用上字形三相“V”串直線塔,以減小導(dǎo)線覆冰后垂直荷載對(duì)塔身的力臂,同時(shí)由于“V”串限制了導(dǎo)線搖擺,導(dǎo)線風(fēng)偏放電、電纜上塔T接線折斷等問(wèn)題一并得到改善。
7.對(duì)已投運(yùn)集電線路,一旦發(fā)生倒塔事故,應(yīng)在充分搜集資料的基礎(chǔ)上,合理確定覆冰厚度以及覆冰同時(shí)風(fēng)速等鐵塔補(bǔ)強(qiáng)驗(yàn)算所需要的邊界條件,按可能發(fā)生的最嚴(yán)重的荷載條件一次整改到位,如條件允許,重要危險(xiǎn)地段應(yīng)直接改成直埋電纜方式,徹底根除倒塔事故發(fā)生的可能性。
風(fēng)電場(chǎng)集電線路發(fā)生倒塔事故,一般是由多方面因素綜合作用的結(jié)果,防患于未然,盡量避免倒塔事故發(fā)生是設(shè)計(jì)單位首要考慮的技術(shù)問(wèn)題,防止冰災(zāi)倒塔事故的發(fā)生應(yīng)從以下幾個(gè)方面入手:
(一)充分搜集風(fēng)電場(chǎng)周邊水文氣象資料,對(duì)集電線路設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確詳實(shí)的資料和建議。
(二)在進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較的前提下,合理確定集電線路形式。
(三)合理選擇架空集電線路路徑,避免因微地形、微氣象因素而使部分區(qū)段出現(xiàn)較大覆冰,對(duì)于無(wú)法避免的微地形、微氣象區(qū)段,勘測(cè)相關(guān)專業(yè)應(yīng)在勘測(cè)報(bào)告中提出并對(duì)覆冰厚度、覆冰時(shí)同時(shí)風(fēng)速等具體參數(shù)提出有效建議值。
(四)架空集電線路終勘定位時(shí)應(yīng)盡量避免出現(xiàn)大轉(zhuǎn)角、大檔距以及前后側(cè)檔距相差懸殊等情況。
(五)鐵塔設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)參照?qǐng)?zhí)行較高電壓等級(jí)的規(guī)程規(guī)范,所設(shè)計(jì)的鐵塔要有一定的抗冰能力儲(chǔ)備。
(六)在冰災(zāi)倒塔事故處理時(shí),覆冰參數(shù)取值要留有一定裕度,鐵塔補(bǔ)強(qiáng)整改盡量一次到位,避免重復(fù)倒塔。