沙漠地質(zhì)條件下風(fēng)電場集電線路的選型及現(xiàn)狀分析

劉殿忠，薛 樂

（吉林建筑大學(xué)，長春 130111）

在《可再生能源法》及一系列國家產(chǎn)業(yè)政策的推動(dòng)下，我國風(fēng)電裝機(jī)容量迅速增長，風(fēng)電裝備制造業(yè)也快速發(fā)展，產(chǎn)業(yè)體系已逐步形成。中國已經(jīng)成為世界風(fēng)能大國，正在向風(fēng)能強(qiáng)國轉(zhuǎn)變，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景廣闊。目前，全國（不含港、澳、臺(tái)）共建設(shè)1 445個(gè)風(fēng)電場，安裝風(fēng)電機(jī)組52 827臺(tái)。風(fēng)電并網(wǎng)裝機(jī)容量最多的5個(gè)?。ㄗ灾螀^(qū)）是內(nèi)蒙古16.70GW、河北7.06GW、甘肅6.34GW、遼寧4.71GW、山東3.93 GW。內(nèi)蒙古全年風(fēng)力發(fā)電量211×108kW·h，占全國總發(fā)電量的10%。中國風(fēng)電正經(jīng)歷著由分散、小規(guī)模開發(fā)，向集中開發(fā)、大規(guī)模遠(yuǎn)距離輸送方向發(fā)展。在“建設(shè)大基地、融入大電網(wǎng)”的風(fēng)電發(fā)展戰(zhàn)略導(dǎo)引下，我國風(fēng)電場呈現(xiàn)出規(guī)?；l(fā)展的趨勢，在內(nèi)蒙古、新疆哈密、甘肅酒泉、河北、吉林西部以及江蘇沿岸規(guī)劃建設(shè)了大型風(fēng)電基地。

集電線路工程的設(shè)計(jì)主要關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)有3個(gè)：其一，集電線路回路數(shù)量的確定，其決定整個(gè)工程集電線路的總長度，從而決定了集電線路工程的總投資；其二，集電線路的導(dǎo)線截面，其與集電線路回路數(shù)量相互關(guān)聯(lián)，決定輸送容量及電損耗，導(dǎo)線約占集電線路本體投資的1/4，并且直接影響了鐵塔鋼材的使用量；其三，桿塔與基礎(chǔ)，桿塔與基礎(chǔ)約占集電線路本體投資的一半，與集電線路投資密不可分。下面結(jié)合內(nèi)蒙古蒙東地區(qū)某風(fēng)場集電線路設(shè)計(jì)，其風(fēng)電場規(guī)模為49.5 MW，集電線路隨風(fēng)場位置穿梭于沙漠、沙丘之中，其形式以架空線路為主，并附加地埋電纜，電壓等級(jí)為35kV。下面對(duì)沙漠地質(zhì)條件集電線路的選型進(jìn)行探討。

1 工程概況及地質(zhì)條件

此風(fēng)場位于內(nèi)蒙古蒙東地區(qū)，氣候?qū)儆诒睖貛Т箨懶约撅L(fēng)干旱氣候，有蒙古高原氣旋、華北氣旋和冷渦，還有黃海氣流和北上臺(tái)風(fēng)也能影響該地區(qū)。該地區(qū)四季分明，最大風(fēng)速25.3m/s，多年平均大風(fēng)36天。該工程規(guī)劃容量為100 MW，分兩期建設(shè)。一期工程裝機(jī)容量為49.5 MW，共安裝33臺(tái)單機(jī)容量1 500kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。場內(nèi)新建一座220kV 升壓變電站，供2期工程共用。一期風(fēng)場地勢開闊，總體上呈西部高、東側(cè)漸低的起伏沙地地貌特征。

風(fēng)電場場地內(nèi)大部分沙丘處于固定或半固定狀態(tài)，少部分處于流動(dòng)狀態(tài)。其表層為一套全新統(tǒng)風(fēng)積細(xì)砂層，下伏約有百米厚的上、中更新統(tǒng)的沖湖積細(xì)砂夾粉土層。地表浮動(dòng)沙丘風(fēng)積形成的砂層分布不連續(xù)，表現(xiàn)為松散到稍密狀態(tài)，外觀上呈黃褐色、土黃色，其下為中密到密實(shí)狀態(tài)的細(xì)砂，偶含粉土夾層，外觀上呈灰白色、灰色，結(jié)構(gòu)比較致密，呈半固結(jié)狀態(tài)。地層分布連續(xù)，巖性均勻，層面高程相對(duì)變化較小，穩(wěn)定性好，工程地質(zhì)條件良好。

2 集電線路回路數(shù)量及導(dǎo)線截面的確定

2.1 集電線路回路數(shù)量的確定

集電線路回路數(shù)量的確定，要本著安全可靠、先進(jìn)適用、經(jīng)濟(jì)合理、節(jié)約資源、環(huán)境友好的原則。集電線路主要根據(jù)導(dǎo)線傳輸容量及電損耗，通常選擇2～3回線路串聯(lián)風(fēng)機(jī)。選擇2回串聯(lián)風(fēng)機(jī)時(shí)，集電線路路徑較短，但每回串聯(lián)風(fēng)機(jī)較多，一旦線路發(fā)生故障或需要檢修，造成的損失也大；選擇3回串聯(lián)風(fēng)機(jī)時(shí)，集電線路路徑略長，但每回串聯(lián)風(fēng)機(jī)較少，一旦線路發(fā)生故障或需要檢修，造成的損失有限。本工程按照風(fēng)電場內(nèi)風(fēng)機(jī)位置規(guī)劃，確定3回線路的布置方案，線路分為主線和支線兩種，全部采用單回路，其中第1回線主線長7.892km，支線長0.763km；第2回線主線長9.257km，支線長2.439km；第3回線主線長5.583km，支線長4.713km。本工程線路采用一根地線，為12芯（OPGW，光纖復(fù)合架空地線）光纜。做到了既安全可靠，又保證了經(jīng)濟(jì)性。

2.2 導(dǎo)線截面的確定

在集電線路導(dǎo)體截面選擇方面，由于風(fēng)機(jī)的年發(fā)電時(shí)間有限，一般在2 000h左右，在選擇導(dǎo)體截面時(shí)，不能完全按照經(jīng)濟(jì)電流密度選取，這樣不利于控制工程造價(jià)，造成較大浪費(fèi)，也不能完全按照回路持續(xù)工作電流選擇，這樣會(huì)造成導(dǎo)線過熱，損耗增加，不利于線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行。現(xiàn)在的通常做法是，按照經(jīng)濟(jì)電流密度和回路持續(xù)工作電流分別選取導(dǎo)體截面，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)體型號(hào)、考慮提高電暈起始電壓并避免微風(fēng)振動(dòng)，綜合考慮取中間值，再進(jìn)一步校驗(yàn)動(dòng)穩(wěn)定、熱穩(wěn)定、機(jī)械共振等條件。線路主線導(dǎo)線采用1×LGJ－150/20型鋼芯鋁絞線，支線導(dǎo)線采用1×LGJ－95/20型鋼芯鋁絞線。本工程線路采用一根地線，為12芯OPGW 光纜。實(shí)踐證明，這樣選擇導(dǎo)體截面，既能控制工程造價(jià)，避免較大浪費(fèi)，也可以保證線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3 桿塔與基礎(chǔ)選型

3.1 桿塔選型

桿塔的造價(jià)約占集電線路本體投資的1/3，是影響工程造價(jià)的主要因素。目前集電線路使用的桿塔類型主要有全塔、全鋼筋混凝土電桿以及桿塔混合。全塔方案綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)稍高，但可靠性最好，另外自立式鐵塔檔距較混凝土電桿要大，故同樣長度的集電線路自立式鐵塔的基數(shù)要遠(yuǎn)小于混凝土電桿，大大降低了線路征地工作的難度。全鋼筋混凝土電桿方案，其鋼筋混凝土電桿是集電線路主要桿型，但是由于有些工程對(duì)鋼筋混凝土電桿技術(shù)處理不當(dāng)，常使此種桿型出現(xiàn)裂縫、傾覆等問題，因此使用受到限制。桿塔混合方案為現(xiàn)階段風(fēng)場集電線路最常采取的一種方案。一般的，對(duì)于線路耐張、終端及電纜塔都采用自立式鐵塔，而直線塔則全部采用混凝土電桿。這樣，不僅在技術(shù)上能滿足要求，而且在經(jīng)濟(jì)指標(biāo)上，桿塔混合方案介于混凝土電桿和全塔方案之間；在可靠度方面，也介于前兩者之間。

本工程采用桿塔混合方案，根據(jù)風(fēng)場具體情況及終排位，該工程新建鐵塔共58 基，混凝土電桿159基。其中新建LGJ－150/20 導(dǎo)線單回路塔24基，混凝土電桿95基；新建LGJ－95/20導(dǎo)線單回路塔28基，混凝土電桿64基；T 接塔6基。桿塔規(guī)劃表見表1、表2，其中自立鐵塔合計(jì)58基，混凝土電桿合計(jì)159基。

桿塔的選型不僅要考慮以往線路工程關(guān)于檔距、轉(zhuǎn)角度數(shù)的要求，而且還要滿足一些設(shè)備安裝及檢修的要求。例如電纜塔關(guān)于避雷器、熔斷器安裝位置的選擇，一般的風(fēng)機(jī)電纜引線連接的電纜塔都帶有電纜架，電纜架的高度設(shè)置在塔身4～5m 處，熔斷器與避雷器安裝在電纜架上端，并且前后排列。這樣安排，主要為了方便風(fēng)場投產(chǎn)后的檢修工作，一旦熔斷器或避雷器（主要是熔斷器跳閘）發(fā)生故障，維修人員可以不必登塔就能完成檢修工作，滿足風(fēng)場的實(shí)際要求。

表1 自立式鐵塔規(guī)劃

表2 混凝土電桿規(guī)劃

3.2 基礎(chǔ)選型

集電線路鐵塔基礎(chǔ)造價(jià)約占集電線路本體投資的15%，沙漠地區(qū)鐵塔基礎(chǔ)的優(yōu)化在于基礎(chǔ)形式的選擇。由于線路工程在環(huán)保要求方面的不斷提高，優(yōu)先采用原狀土基礎(chǔ)、減少基礎(chǔ)開挖的土方量、減少植被破壞是基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方向，但是對(duì)于沙漠地區(qū)集電線路基礎(chǔ)，由于沙漠地質(zhì)承載力低、上拔角小，集電線路鐵塔根開偏小（直線塔尤其突出）的特點(diǎn)，其基礎(chǔ)埋深往往較普通地質(zhì)（例如粉質(zhì)粘土）要大1/5～1/6。目前，線路使用的基礎(chǔ)形式主要有鋼筋現(xiàn)澆混凝土基礎(chǔ)（剛性、柔性）、掏挖基礎(chǔ)、灌注樁基礎(chǔ)等幾種形式。結(jié)合該工程地質(zhì)條件及集電線路基礎(chǔ)本身特點(diǎn)，并為有效地控制工程混凝土及鋼筋用量，最后全線鐵塔設(shè)計(jì)選擇采用現(xiàn)澆混凝土柔性基礎(chǔ)。因集電線路根開小，其基礎(chǔ)間隙最小可達(dá)100mm，所以在基礎(chǔ)施工時(shí)4個(gè)基礎(chǔ)往往合并只開一個(gè)基坑，因此沙漠地質(zhì)的集電線路中則不考慮高低基礎(chǔ)來滿足環(huán)保要求。

4 沙漠地質(zhì)中風(fēng)電場集電線路的現(xiàn)狀

經(jīng)過幾年的大規(guī)模建設(shè)，內(nèi)蒙古的風(fēng)電場也初見規(guī)模。其集電線路在幾年的運(yùn)行中也暴露出了一些問題。由于在項(xiàng)目初期，在集電線路桿塔及基礎(chǔ)選型上受到經(jīng)濟(jì)指標(biāo)極大的控制及約束，一般的風(fēng)場都會(huì)選擇桿塔混合方案或混凝土電桿方案。但是由于沙漠地質(zhì)環(huán)境的特殊性以及基礎(chǔ)施工后基礎(chǔ)回填土維護(hù)不當(dāng)，桿塔基礎(chǔ)（尤其是鋼筋混凝土電桿）往往存在一些隱患。某風(fēng)電場集電線路架設(shè)在內(nèi)蒙古沙漠地區(qū)中，混凝土電桿埋深1.5～2.0m，自立式鐵塔采用柔性基礎(chǔ)，埋深2.5～3.5m。工程在竣工投運(yùn)2年后，出現(xiàn)了個(gè)別混凝土電桿傾斜、側(cè)倒、自立式鐵塔基礎(chǔ)外露的現(xiàn)象。檢查發(fā)現(xiàn)混凝土電桿和鐵塔基礎(chǔ)表面沙層上也進(jìn)行了壓沙處理，但所用方式采用的是普通編織袋灌沙后鋪設(shè)在塔基周圍。經(jīng)過2年或者更短時(shí)間的沙漠風(fēng)沙的侵蝕，普通編織袋就很容易破損，其壓沙、固沙的作用就隨之消失了。當(dāng)混凝土桿周圍沙質(zhì)松散或者沙層吹?。ㄏ喈?dāng)于減小了混凝土桿的埋深），其抗傾覆的能力就大大下降，最終導(dǎo)致混凝土電桿傾倒。而鐵塔基礎(chǔ)周圍沙層被吹走，導(dǎo)致基礎(chǔ)主柱至基礎(chǔ)底板大面積外露，從而其抗上拔能力大大下降，嚴(yán)重影響了鐵塔直至集電線路的安全性。

5 結(jié)束語

沙漠地質(zhì)條件下集電線路采用鐵塔加鋼筋混凝土電桿的組合方式，主要節(jié)點(diǎn)使用鐵塔，重點(diǎn)采用鋼筋混凝土柔性基礎(chǔ)，同時(shí)合理地對(duì)鐵塔系列進(jìn)行優(yōu)化，精確控制鐵塔的鋼材用量，合理優(yōu)化排位及基礎(chǔ)選型，對(duì)減少工程混凝土及鋼材用量、方便施工、減少環(huán)境破壞、降低工程造價(jià)都起到了重要的作用。另外，為了整條集電線路的安全以及整個(gè)風(fēng)場的正常運(yùn)行，也為了更好地保證塔基的長期穩(wěn)定安全，建議沙漠地質(zhì)集電線路應(yīng)重視并認(rèn)真做好基礎(chǔ)壓沙、固沙工作。