强风地区风力发电场线路绝缘化处理探究

郭志鹏

（晋能清洁能源风力发电有限责任公司，山西 朔州 036000）

0 引言

在全球经济高速度发展下，资源匮乏、能源紧缺、温室效应问题愈发显著，新型能源的崛起成为当今社会解决能源问题的热点[1]。太阳能、风能、水能等作为新型可再生能源，具有不可替代性强、发电潜能巨大的特点。在我国对新能源的大力推广下，风能电网规模持续扩大，由于中国地理、气候环境复杂多样，对架空线路的质量可靠性标准要求越来越严格。

实际上，强风地区风电场架空输电线路的导线承担着传导电流的功能，必须具有足够的截面以保持合理的流通密度，因此导线都是处在高电位。为了减小电晕放电引起的电能损耗和电磁干扰，导线还应具有较大的曲率半径。超高压输电线路，由于输送容量大，工作电压高，多采用分裂导线。与地下输电线路相比较，架空线路建设成本低，施工周期短，易于检修维护。因此，架空线路输电是电力工业发展以来所采用的主要输电方式。通常所称的输电线路就是指架空输电线路。通过架空线路将不同地区的发电站、变电站、负荷点连接起来，输送或交换电能，构成各种电压等级的电力网络或配电网[2]。为了保障强风地区风力发电场线路的正常运行，本文将详细探究强风地区风力发电场线路的绝缘化处理思路及措施。

1 课题研究的背景和意义

1.1 研究背景

工业革命以来，世界各国生产利用的主要能源依旧是化石燃料等不可再生资源，资源的有限性和保护环境制度的严格要求，限制了以能源消耗为主的企业、行业的发展以及人类社会的可持续发展。然而，利用清洁能源进行发展生产，改变能源结构占比已经成为焦点问题，风力发电这一新型发电模式，环保无污染，分布广泛，可供开发使用的蕴藏量巨大。相较于太阳能和水能，风能资源利用率更高效可靠，并且风力发电不会影响生态环境，对农业生产也无明显影响。投资回收期短、建设快等特点，让风力发电拥有巨大的应用前景[3]。

从实际情况来看，采用架空输电线路的方式进行集电是大多数风力发电场的不二选择。我国地理环境、气候复杂多变，且风力发电场多选址于高海拔山区、强风等位置，输电线路受环境、气候的影响偏大，尤其是大风、雨雪、雷暴等强对流天气。由于处在复杂的地理位置，输电线路一旦发生故障很难进行排查与处理。为了防止风力发电场在各种恶劣环境下发生短路、跳闸等事故，必须对风电场输电线路进行绝缘化处理，以改善强风地区风电场的运作稳定性、安全性以及经济性[4]。

1.2 研究意义

根据某风力发电公司企业的数据显示，2016年—2019年，所管辖的输电线路共计发生354次异常事故事件（如表1所示），其中输电线路的异常事故高达296次，占比83.6%，且大多数都是由于绝缘化处理不当导致的永久性故障。根据事故原因统计分析，某公司输电线路事故原因如表2所示。通过计算表2的相关数据，这些事故原因中雷击所占比例最大，约为36.5%；污秽次之约为20.6%；覆冰占比约为19.9%；线路绝缘占比15.5%；其他原因占比最少，约为7.4%。由此可见，强风地区输电线路的绝缘化处理也是避免事故发生的重要一环[5]。

表1 某公司输电线路异常情况统计

表2 某公司输电线路异常原因统计表次

对输电线路的绝缘化处理，就是减少由于环境、气候问题造成的线路破损，降低放电现象的发生，从而提高风力发电场输电线路的安全稳定性，降低维修成本，增加风电企业的经济效益。随着社会经济的高速发展和用电需求的不断加大，目前输电线路体系变得复杂交错。只有通过对输电线路绝缘化处理，规模庞大的输电线路在面临复杂环境气候的时候，才能保证其输电的安全可靠性，降低事故概率[6]。

强风地区风电场架空输电线路绝缘化处理中的绝缘配合是输送系统高效运行和可靠性的关键一步，发电装置的绝缘化水平要结合系统中各装置需承受的工作电压、过电压和保护设备的特性及各工作电压的耐受性来确定。输电线路不管是处于高海拔还是强对流天气区域，都广泛发生着由于外部环境影响、绝缘处理不当造成的短路、跳闸等现象。架空输电线路虽然可以通过使用绝缘导线进行绝缘化处理，但这个方案存在经济实用性差、工程量大、耗费时间长等缺点。

本文根据强风地区风电场输电线路的运行特征，通过分析出现的问题，提出线路绝缘化处理的方式，以达到高效、低成本的效果。

2 输电线路存在的问题分析

强风地区风力发电场大多使用架空输电线路，风电场架空输电线路在恶劣的气候环境中长期暴露，加上受到雨、雪、暴风等的摧残和侵蚀，输电线路特别容易出现裂纹、裂口等，导致漏电、短路、跳闸等故障，很难确保输电的安全、稳定。

2.1 强风地区输电线路易发事故的类型

2.1.1 雷击问题

与机械强度较高的裸导线相比，绝缘导线机械强度低且容易在雷电条件下断线。相关数据显示，输电绝缘线路在正常运行下，发生事故的主要原因就是雷暴天气雷击造成的断线。而且，在高海拔空旷地区，雷击绝缘化的输电线路还会造成闪络现象，雷击电流侵入波对垂直排列、三角形排列等线路极有可能造成顶相先断线的现象。

2.1.2 绝缘问题

架空输送线路中，绝缘裸导线和电气连接点在绝缘防护方面没有达到标准要求，造成短路、跳闸。输送线路中电缆连接点、设备线夹和柱上隔离开关处等存在着绝缘覆盖性差的问题，容易被附近环境的生物筑巢、休憩或者大风天气吹来的异物等造成异常覆盖，从而引起相间短路事故。

2.1.3 接地问题

在架空输送线路中，结合安全用电的要求，在对线路进行绝缘化处理时必须在线路上接装接地设备。然而在实际工作中，大部分线路都没有接装接地设备，存在漏电、触电的危险[7-8]。

2.2 强风地区气候条件对输电绝缘子性能的影响

2.2.1 污秽影响

近年来，污染现象严重影响着直流输电绝缘子的实际应用保护能力，降低了直流驱动输电线路中直流输电绝缘子的保护效果，而直流输电绝缘子在输电高压直流综合输电绝缘线路的直流综合输电绝缘作用能力中一直发挥着重要的综合绝缘抑制作用[9]。

强风地区的大风、雨雪等恶劣环境使空气中的污秽有害因素对输电线路综合绝缘作用能力的发挥造成了不良的影响，空气中的微粒子和其他污染有害因子将持续性地附着在直流输电绝缘子的应用环境中，干扰了其综合绝缘作用能力的正常发挥。与传统交流光伏电压的绝缘相比，直流光伏电压的绝缘有着较大的恒定吸附电场和阻力的恒定吸附绝缘作用，进一步抑制了直流电压绝缘子的恒定绝缘吸附能力。

2.2.2 冰雪影响

目前，我国不同区域之间仍然存在一定的气候差异性，输电线路不可避免地会通过一些冰雪多发的区域，输电线路上覆盖的冰雪在一定程度上会造成电路绝缘故障的发生频率大幅上升，使电路绝缘子的连续作用力和环境绝缘情况出现直线性下降，抑制了电路绝缘子的连续绝缘作用能力。据有关部门调查结果显示，我国目前已经是世界上每年受此类冰雪天气危害最为严重的国家，尤其是在高海拔的强风地区。

2.2.3 海拔影响

强风地区的风电场大都处在高海拔地带，我国高海拔区域面积占比较高，区域广阔且人口密度较低。高海拔地区大气压强低的显著特点，对直流冰闪绝缘子的导电功能发挥形成了一定的限制影响，绝缘子的污闪和交流冰闪绝缘电压相对低于华北平原局部地区，飘弧线的现象对直流和冰闪绝缘子电压的功能影响也相对较低。空气是一种较好的绝缘作用介质，随着当地海拔的不断升高，空气密度会不断降低，导致了空气绝缘介质性能不断下降，在工程设计时应适当提升空气绝缘性能标准[10]。

3 风电场输电线路绝缘化处理

3.1 输电线路绝缘化配合常用方法

架空线路输电电缆线路的电气绝缘惯性配合设计方法主要分为惯性使用法、统计法和简化概率统计法3种。

惯性使用法就是按照其作用在最大绝缘上的最大绝缘过电压和最小最大绝缘感应强度的组合概念法来进行最大绝缘强度配合，最大绝缘配合水平一般为绝缘裕度。统计法主要是通过承认其中存在某些绝缘部件击穿的事实，允许其具有一定的绝缘故障率，并按实际可以接受的绝缘故障率来决定选择哪种绝缘。该方法一般需要通过采集许多绝缘数据源并进行定量统计和分析确定某些绝缘参数的空间分布变化规律，该分析方法计算复杂且目前不是很完善。简化概率统计法主要是一种用一条对应某一定概率参考因素概率的点数来代替整条线的概率计算曲线。目前在我国，330 kV及以下资源电压较高等级信号线路一般普遍采用信号惯性使用法，500 kV及以上资源电压较低等级信号线路一般采用信号简化法和统计法[11]。

3.2 输电线路绝缘化配合原则

220 kV及以下的过电压幅度等级下的线路应与操作最大过电压的最大绝缘子片配合，宜以最大线路操作最小过电压幅度为计算基础，将最大绝缘配合强度的值作为最大随机变量值并加以计算确定；330 kV及以上的过电压幅度等级下的线路，将最小操作最大过电压幅度的值与最大绝缘配合强度均匀值作为最大随机变量，选定的最大绝缘配合子片线路数幅值应足以保证每条架空供电线路必须具有一个实际可广泛接受的最大绝缘子片数闪络率。一般不按照对各种雷电线路绝缘元件过电压的绝缘强度校验要求及其标准规定来选择各种雷电线路绝缘子串的耐雷绝缘性及耐电元件强度，但应根据已明确要求选定的各种雷电线路绝缘元件强度校验水平及其要求标准来对其进行强度校验，并以连接输电线路的各种雷电绝缘耐雷元件绝缘强度水平工频电压为持续电压。由于工频电压较稳定，波动范围较小，架空输电线的绝缘配置必须满足工频电压所需的绝缘强度。

3.3 直流绝缘子特性

从直流系统绝缘子的性能表现上看，直流电力系统绝缘操作电流过电压的倍数较小。因此，与民用交流高压绝缘子系统相比，直流系统绝缘子的操作抗压特异性相对较差，受电磁干扰破坏情况也较为严重，由此分析得出特殊的气候环境对高压直流电力输电系统绝缘子的性能影响较大。

直流高压绝缘子的外部应用保护性能与其他交流高压绝缘子相比也明显较差。直流高压绝缘子的外部爬电保护距离与直流绝缘保护高度的比值明显比交流高压绝缘子的外部爬电保护距离与交流绝缘保护高度的比值大。这一物理特征也直接决定了直流高压绝缘子与其他交流高压绝缘子相比，在应用性能上具有一定的绝缘风险性和防控上的差距。也就是说，直流高压绝缘子在不同伏特高压直流电和输电电缆线路外部的绝缘保护环境中可能存在不同的绝缘表现，环境因素直接影响着其绝缘保护力度。

3.4 强风地区风电场输电线路绝缘化处理方法

3.4.1 绝缘子形式选择

瓷绝缘子的运行时间较长，机械强度较大，具有更高的机械强度，同样的正常运行时间具有老化度低的优点。玻璃的绝缘子具有某种自爆性，它的自爆性一般都不会掉串，且检出率较高，电压分布均匀，耐电弧性能强，同时还具有一定的自洁性。

针对强风地区高海拔、高度污秽、结冰期长的环境特点，在选用特高压直流电路绝缘子类型时，提出以下建议：复合绝缘子或玻璃绝缘子既适用于悬垂串也适用于形串，而瓷绝缘子或玻璃绝缘子适用于耐张串，在冰雪覆盖复合绝缘子后，原来憎水的特性就会消失。所以，瓷绝缘子或玻璃绝缘子比较实用。

3.4.2 绝缘子片数选择

强风地区的特殊操作环境，使输电线路特别容易出现污闪事故。为了避免这种情况的发生，结合输电线外绝缘设计原则，针对强风地区输电线路绝缘子片数的选择有以下建议：在确定输电线路绝缘子的串长时，其方法有2种，一是爬电比距的方法，即根据线路通过区域内的污秽水平，结合线路的额定电压来确定爬电比，从而得到绝缘子的串长；二是根据拟建线路附近已投运±500 kV线路的绝缘水平，对其同样污秽的情况进行类比，并根据绝缘等级和电压水平之间的正比，推算出绝缘子串长。

3.5 强风地区线路绝缘化处理措施

加强对电气导线连接点和导线绝缘内部裸露电气导线的内部绝缘电气保护。通过对电气导线连接点和导线绝缘内部裸露电气导线直接进行内部绝缘电气保护，完善全系列绝缘线的内部绝缘电气保护，防止部分绝缘电气对设备和人体造成意外损害，有效地降低其正常运行过程中的电气安全事故。

a）按照线路运行规程的设计，装备与绝缘导线之间的连接部分应安装专用绝缘护罩，分支连接处、电缆进出线连接处，采用防护罩对动物进行保护，并可有效地防止因树枝、铁丝等搭接而造成相间短路事故的发生。另外，安装绝缘护罩还可以防止对人体造成的伤害。

b）单台配电变压器的容量不超过315 kV，支线杆塔的新建路段不超过10个基，应采用10 kV专业穿刺线夹连接接头。800 kV配电变压器及以上主线抗张杆塔绝缘导线采用并沟夹的连接点，应在固定导线距离耐张断线夹0.5 m处被抗张悬垂线夹下，最大限度地保证绝缘导线的机械强度，防止由于绝缘线破口接线而引起的导线夹脱落。

c）充分发挥多层带电作业绝缘优点，对因带电杆塔长期移动、改建后等而遗存的带电绝缘层和导线等应进行多层带电作业绝缘层的包扎加固处理。处理时，先利用具有带电导线动力的漏斗臂将带电导线修补器的绝缘膜裸露出来，然后再用专门的10 kV型的绝缘胶带缠绕，这样就可达到修补绝缘导线密封的目的。

4 结束语

强风地区风电场架空输电线的绝缘程度需要满足以下要求：工频下不会出现污闪；操作中不发出湿闪；具有一定的雷电冲击耐受性，保证线路的耐雷程度和规范水平。在轻污区中，绝缘水平由外电压和内电压确定；随着污染等级的提高，工频电压也成为决定绝缘水平的因素。

综合多种因素分析，我国强风地区风电场高压直流输电在外绝缘上存在一定的差异性，所以，在进行线路绝缘化处理时要进行合理设计，提高架空输电线路的可靠性，保障风电系统的安全运行。