某山区风电场工程35 kⅤ集电线路运行期出现的问题及处理策略

邢丁丹 沈家正

1 工程概况

本风电场工程总装机容量为40 MW，装设20台单机容量为2 MW的风力发电机组；工程所在地位于西南某省山区，地貌类型复杂多样，以丘陵、山地为主。场区范围内最高高程1 200 m，最低高程370 m，山势陡峻，沟谷纵横；风机均布置在山顶高处，通过场内35 kV集电线路汇流至升压站，包含架空线路10.85 km以及地埋电缆线路20.96 km。

本工程于2014年11月开工，主体工程建设工期历时1年，2015年12月风力发电机组全部并网投运。2016年9月，工程运行管理单位函报多次出现线路设备故障，影响风电场发电效益；中水北方勘测研究有限责任公司作为设计单位，积极配合业主方探究故障原因，迅速确定技改方案，排除故障隐患，提升工程运行稳定性。下文简要介绍故障情况、原因分析和提升改造方案措施。

2 架空线路雷击跳闸故障的处理

2.1 现象描述

35 kV架空集电线路投运约9个月，运管单位反馈线路因雷击跳闸共计7次，均为过流Ⅰ段零序Ⅱ段保护动作跳闸。架空线路为风机汇流主干线路，多次雷击跳闸导致风机批量停机，影响风电场发电效益。

2.2 故障原因分析

工程所在地属于亚热带季风气候区，每年4月份进入雨季，雨季雷雨天气非常频繁，年平均雷暴日为116 d。因此在架空线路工程路径选择和勘察设计阶段，考虑雷电过电压对线路运行造成的影响，采取了多种技术措施：（1）架空线路作为汇流主通道，路径多位于山腰和低矮山谷处，避开山顶高处和山体的明显凸起，以减小线路遭遇雷击的概率；（2）线路全线架设地线，采用OPGW架空光纤复合地线，地线对杆塔外侧边导线的保护角取25°；（3）在架空线路首末两端和线路中段引下电缆处，均逐相装设复合外套氧化锌避雷器，以保护电力电缆、风机箱变和升压站内电气设备；（4）线路全线采用铁塔架设且逐基接地，采用镀锌扁钢带将每基铁塔接地网串联，保证线路铁塔处工频接地电阻值不大于15Ω。

线路雷击跳闸故障发生后，使用绝缘摇表测量导线相对地绝缘数值正常，线路重合闸后均一次性送电成功，说明雷击没有对绝缘子造成电气和结构损伤。通过线路跳闸现象描述，结合线路设计和实施阶段的防雷措施分析，基本排除雷电直击铁塔顶部或是越过避雷线绕击相线的情况，推断为线路附近空中或地面发生雷击，对线路产生了感应过电压，造成开关站内保护动作跳闸。

雷雨季节空中出现雷云，雷云中带有电荷，对地面及附近的导电物体产生静电感应，出现异种电荷。当雷云之间或对地面发生放电现象时，造成内部电荷快速流动，电力线路上的感应电荷也在瞬间发生流动产生感应雷电波。感应过电压的入侵波幅值最高可达500～600 kV，如果对感应雷防范措施不到位，对35 kV及以下的电力线路及站内设备造成很大的威胁。因为本工程架空线路防雷保护措施配备较为齐全，仅造成线路保护设备动作跳闸故障，未对电气设备造成闪络击穿甚至直接烧毁等严重后果。

2.3 处理措施

为提升架空线路运行稳定性，工程运管单位、施工安装单位和勘察设计单位等各方召开专题会议研究，决定在线路的部分档距间加装避雷器作为防雷设施。

经过设计单位对线路路径走向和地形、高程等因素综合分析，重点考虑对于大档距跨越段、垭口及陡峭山坡等特殊地形位置的铁塔，加装线路用复合绝缘外套氧化锌避雷器。单回路铁塔安装在A、C边相，同塔双回路铁塔安装在双侧A、B相。避雷器通过螺栓紧固抱箍安装在铁塔横担上，并联于带电导线；配套绝缘子支撑放电间隙，并要求配置动作计数器及在线监测装置，便于运行人员随时掌握避雷器动作次数及内部元器件损耗程度，进一步确保正常发挥防雷作用。

3 高压电缆终端放电及噪音的处理

3.1 现象描述

受35 kV高压电力电缆运输条件限制，根据电缆截面粗细不同，每个电缆卷轴能够装载的电缆长度为700～1 100 m。当地埋电缆线路路径长度超过单根电缆长度时，需要在相邻两段电缆接头处设置电缆分接箱。本工程分接箱采用专业生产厂家定型产品，箱内设置预制热缩式电缆终端，螺接在三相铜排母线上；箱体内部按照规范要求保证带电导体相间和相对地绝缘距离，箱体外部防护等级满足户外布置安装要求。

运管单位反馈，部分35 kV电缆终端带电投运后出现放电现象，绝缘伞裙表面出现白色细小粉末，绝缘护套表面出现爬电痕迹；在箱体外可明显听到电缆终端和铜排母线中电流通过产生较大噪音。个别电缆终端运行过程中温度偏高，绝缘护套发生局部熔化，表面破裂。多种不良运行状态对人身和设备安全产生隐患，有必要立即整改消除风险。

3.2 故障原因分析

（1）本工程电缆分接箱内采用预制热缩式35 kV电缆终端，电缆线路施工时间段正处于当地雨季，山区环境湿度过大。在安装过程中，热缩附件需采用煤气喷枪烘烤的方式使套管收缩固定在电缆芯线上。分析认为电缆终端安装时采用的常规烘烤紧缩工艺，没有充分考虑潮湿气候条件下的特殊要求，导致材料之间的接触表面未能达到完全烘干，少量水蒸气和杂质被密封在护套和电缆之间的微小缝隙中，降低了材料的绝缘效果。导致电缆终端在带电运行过程中受电场作用产生表面电晕放电现象，将潮湿空气中的微小液滴气化，杂质残留在绝缘护套表面产生白色粉末。

通过对出现典型故障现象的电缆终端进行拆解发现，爬电痕迹仅存在于护套表面，内部各层绝缘材料之间的接触面状态良好，主绝缘层未发现破坏和损伤。噪音产生的原因可能是导体表面存在小颗粒杂质，在高压电场作用下产生高频震动；电缆接线端与母排之间的连接螺栓紧固不实，带电运行时也会产生一定震动。

（2）分接箱内同时并列布置多组电缆终端，带电部件之间预留了足够的绝缘距离。但是电缆终端的外绝缘伞裙在不同相之间互有搭接，导致了相间爬电现象，潮湿气候条件下长期运行，存在将绝缘护套完全击穿发生相间短路，造成扩大故障范围的风险。虽然分接箱外壳防护等级达到IP65，防水防尘标准完全达到户外布置的要求，但是箱体内没有设置加热除湿装置，对于潮湿空气的防范性能不佳。电缆分接箱常年在野外环境下带电运行，运维人员需要频繁检查箱体内外部运行情况，必要时需要停电检修；在一定程度上增加了巡检工作量，造成人工和时间成本的浪费。

3.3 处理措施

（1）将电缆分接箱内的热缩式电缆终端更换为冷缩式电缆终端。该产品是国内引进美国3M公司制造工艺研发和改进的新型产品，在无尘干燥的工厂车间内预制绝缘护套，并预留用于紧缩安装使用的螺旋衬管，安装时仅需牵拉位于螺旋衬管末端的紧缩拉条，即可将绝缘护套及接线端子一同紧固在电缆芯线末端。安装操作简便快捷，将受安装环境和操作工艺精度等因素影响最大的加热烘烤工序，在工厂内理想环境下完成，大大降低了现场施工安装难度，简化安装流程，减少了因操作不当造成的后期运行隐患。近些年来，随着材料成本控制和技术演变，冷缩式电缆终端的采购价格也逐渐平价化，大量应用于电力线路、电网开关站及用户侧变电站等场合，是一种性能优良、造价合理、操作简化的新型替代方案。

（2）在电缆分接箱内不同相电缆终端的外绝缘伞裙之间加装绝缘隔板。绝缘隔板采用环氧树脂与玻璃纤维布浸透加压后烘干固化成型，具有良好的绝缘性能；可以根据实际使用需求剪裁尺寸，用于隔离带电部件并可以直接接触；35 kV电压等级的绝缘隔板厚度为6 mm。加装绝缘隔板后，能够避免相邻绝缘伞裙之间的搭接状态，在不同相间进行有效的绝缘隔离，消除相间爬电现象。不需要对箱体尺寸进行大规模改造，同时也提高了运行人员检修和巡查时的人身安全保障。

4 改造效果

在针对上述故障和不良运行工况进行专项整改之后，我公司持续跟进关注了本工程35 kV集电线路的改造效果和后期运行状态，一年之后对工程运管单位进行了回访和调研。改造后架空线路的雷击跳闸次数明显减少，运行保障率得到有效提升；截至2017年底，仅发生升压内线路保护设备动作1次，造成线路短时停电，当时大部分风机处于停机状态，跳闸故障未对工程发电量造成明显影响。通过对地埋电缆线路的多次巡检，运行人员反馈电缆分接箱安全隐患已基本排除，运行状态基本达到预期改造效果。箱体外部密封良好，运行噪音明显减小；电缆终端均未再次出现相间爬电、过度发热或绝缘加速老化现象。

5 结语

通过对上述工程运行期出现的问题的原因剖析和处理实例，总结出以下经验和设计思路：

（1）对于特殊气候条件地区，电力线路的设计标准不能局限于满足规程规范要求，需要提前了解工程所在地的已建线路运行情况，对于当地高发的故障原因要引起充分重视，有针对性地适当提高设计和施工标准。

（2）要积极采纳和推广新型材料、先进工艺，紧跟行业技术发展步伐；在合理控制采购和施工成本的前提下，将容易产生偏差的工序化繁为简，减少因环境条件影响和安装工艺不达标造成的运行期故障隐患。

电气设备安全稳定运行，是始终贯穿工程运行期间的效益保障，也是直观考量设计和施工水平的基本标准。希望本文介绍的故障处理方案和设计思路，能够给电力行业从业工作者提供一定的指导和借鉴。