沙漠地质条件下风电场集电线路的选型及现状分析

刘殿忠，薛 乐

（吉林建筑大学，长春 130111）

在《可再生能源法》及一系列国家产业政策的推动下，我国风电装机容量迅速增长，风电装备制造业也快速发展，产业体系已逐步形成。中国已经成为世界风能大国，正在向风能强国转变，风电产业发展前景广阔。目前，全国（不含港、澳、台）共建设1 445个风电场，安装风电机组52 827台。风电并网装机容量最多的5个省（自治区）是内蒙古16.70GW、河北7.06GW、甘肃6.34GW、辽宁4.71GW、山东3.93 GW。内蒙古全年风力发电量211×108kW·h，占全国总发电量的10%。中国风电正经历着由分散、小规模开发，向集中开发、大规模远距离输送方向发展。在“建设大基地、融入大电网”的风电发展战略导引下，我国风电场呈现出规模化发展的趋势，在内蒙古、新疆哈密、甘肃酒泉、河北、吉林西部以及江苏沿岸规划建设了大型风电基地。

集电线路工程的设计主要关键节点有3个：其一，集电线路回路数量的确定，其决定整个工程集电线路的总长度，从而决定了集电线路工程的总投资；其二，集电线路的导线截面，其与集电线路回路数量相互关联，决定输送容量及电损耗，导线约占集电线路本体投资的1/4，并且直接影响了铁塔钢材的使用量；其三，杆塔与基础，杆塔与基础约占集电线路本体投资的一半，与集电线路投资密不可分。下面结合内蒙古蒙东地区某风场集电线路设计，其风电场规模为49.5 MW，集电线路随风场位置穿梭于沙漠、沙丘之中，其形式以架空线路为主，并附加地埋电缆，电压等级为35kV。下面对沙漠地质条件集电线路的选型进行探讨。

1 工程概况及地质条件

此风场位于内蒙古蒙东地区，气候属于北温带大陆性季风干旱气候，有蒙古高原气旋、华北气旋和冷涡，还有黄海气流和北上台风也能影响该地区。该地区四季分明，最大风速25.3m/s，多年平均大风36天。该工程规划容量为100 MW，分两期建设。一期工程装机容量为49.5 MW，共安装33台单机容量1 500kW风力发电机组。场内新建一座220kV 升压变电站，供2期工程共用。一期风场地势开阔，总体上呈西部高、东侧渐低的起伏沙地地貌特征。

风电场场地内大部分沙丘处于固定或半固定状态，少部分处于流动状态。其表层为一套全新统风积细砂层，下伏约有百米厚的上、中更新统的冲湖积细砂夹粉土层。地表浮动沙丘风积形成的砂层分布不连续，表现为松散到稍密状态，外观上呈黄褐色、土黄色，其下为中密到密实状态的细砂，偶含粉土夹层，外观上呈灰白色、灰色，结构比较致密，呈半固结状态。地层分布连续，岩性均匀，层面高程相对变化较小，稳定性好，工程地质条件良好。

2 集电线路回路数量及导线截面的确定

2.1 集电线路回路数量的确定

集电线路回路数量的确定，要本着安全可靠、先进适用、经济合理、节约资源、环境友好的原则。集电线路主要根据导线传输容量及电损耗，通常选择2～3回线路串联风机。选择2回串联风机时，集电线路路径较短，但每回串联风机较多，一旦线路发生故障或需要检修，造成的损失也大；选择3回串联风机时，集电线路路径略长，但每回串联风机较少，一旦线路发生故障或需要检修，造成的损失有限。本工程按照风电场内风机位置规划，确定3回线路的布置方案，线路分为主线和支线两种，全部采用单回路，其中第1回线主线长7.892km，支线长0.763km；第2回线主线长9.257km，支线长2.439km；第3回线主线长5.583km，支线长4.713km。本工程线路采用一根地线，为12芯（OPGW，光纤复合架空地线）光缆。做到了既安全可靠，又保证了经济性。

2.2 导线截面的确定

在集电线路导体截面选择方面，由于风机的年发电时间有限，一般在2 000h左右，在选择导体截面时，不能完全按照经济电流密度选取，这样不利于控制工程造价，造成较大浪费，也不能完全按照回路持续工作电流选择，这样会造成导线过热，损耗增加，不利于线路的安全稳定运行。现在的通常做法是，按照经济电流密度和回路持续工作电流分别选取导体截面，结合标准导体型号、考虑提高电晕起始电压并避免微风振动，综合考虑取中间值，再进一步校验动稳定、热稳定、机械共振等条件。线路主线导线采用1×LGJ－150/20型钢芯铝绞线，支线导线采用1×LGJ－95/20型钢芯铝绞线。本工程线路采用一根地线，为12芯OPGW 光缆。实践证明，这样选择导体截面，既能控制工程造价，避免较大浪费，也可以保证线路的安全稳定运行。

3 杆塔与基础选型

3.1 杆塔选型

杆塔的造价约占集电线路本体投资的1/3，是影响工程造价的主要因素。目前集电线路使用的杆塔类型主要有全塔、全钢筋混凝土电杆以及杆塔混合。全塔方案综合经济指标稍高，但可靠性最好，另外自立式铁塔档距较混凝土电杆要大，故同样长度的集电线路自立式铁塔的基数要远小于混凝土电杆，大大降低了线路征地工作的难度。全钢筋混凝土电杆方案，其钢筋混凝土电杆是集电线路主要杆型，但是由于有些工程对钢筋混凝土电杆技术处理不当，常使此种杆型出现裂缝、倾覆等问题，因此使用受到限制。杆塔混合方案为现阶段风场集电线路最常采取的一种方案。一般的，对于线路耐张、终端及电缆塔都采用自立式铁塔，而直线塔则全部采用混凝土电杆。这样，不仅在技术上能满足要求，而且在经济指标上，杆塔混合方案介于混凝土电杆和全塔方案之间；在可靠度方面，也介于前两者之间。

本工程采用杆塔混合方案，根据风场具体情况及终排位，该工程新建铁塔共58 基，混凝土电杆159基。其中新建LGJ－150/20 导线单回路塔24基，混凝土电杆95基；新建LGJ－95/20导线单回路塔28基，混凝土电杆64基；T 接塔6基。杆塔规划表见表1、表2，其中自立铁塔合计58基，混凝土电杆合计159基。

杆塔的选型不仅要考虑以往线路工程关于档距、转角度数的要求，而且还要满足一些设备安装及检修的要求。例如电缆塔关于避雷器、熔断器安装位置的选择，一般的风机电缆引线连接的电缆塔都带有电缆架，电缆架的高度设置在塔身4～5m 处，熔断器与避雷器安装在电缆架上端，并且前后排列。这样安排，主要为了方便风场投产后的检修工作，一旦熔断器或避雷器（主要是熔断器跳闸）发生故障，维修人员可以不必登塔就能完成检修工作，满足风场的实际要求。

表1 自立式铁塔规划

表2 混凝土电杆规划

3.2 基础选型

集电线路铁塔基础造价约占集电线路本体投资的15%，沙漠地区铁塔基础的优化在于基础形式的选择。由于线路工程在环保要求方面的不断提高，优先采用原状土基础、减少基础开挖的土方量、减少植被破坏是基础优化设计的方向，但是对于沙漠地区集电线路基础，由于沙漠地质承载力低、上拔角小，集电线路铁塔根开偏小（直线塔尤其突出）的特点，其基础埋深往往较普通地质（例如粉质粘土）要大1/5～1/6。目前，线路使用的基础形式主要有钢筋现浇混凝土基础（刚性、柔性）、掏挖基础、灌注桩基础等几种形式。结合该工程地质条件及集电线路基础本身特点，并为有效地控制工程混凝土及钢筋用量，最后全线铁塔设计选择采用现浇混凝土柔性基础。因集电线路根开小，其基础间隙最小可达100mm，所以在基础施工时4个基础往往合并只开一个基坑，因此沙漠地质的集电线路中则不考虑高低基础来满足环保要求。

4 沙漠地质中风电场集电线路的现状

经过几年的大规模建设，内蒙古的风电场也初见规模。其集电线路在几年的运行中也暴露出了一些问题。由于在项目初期，在集电线路杆塔及基础选型上受到经济指标极大的控制及约束，一般的风场都会选择杆塔混合方案或混凝土电杆方案。但是由于沙漠地质环境的特殊性以及基础施工后基础回填土维护不当，杆塔基础（尤其是钢筋混凝土电杆）往往存在一些隐患。某风电场集电线路架设在内蒙古沙漠地区中，混凝土电杆埋深1.5～2.0m，自立式铁塔采用柔性基础，埋深2.5～3.5m。工程在竣工投运2年后，出现了个别混凝土电杆倾斜、侧倒、自立式铁塔基础外露的现象。检查发现混凝土电杆和铁塔基础表面沙层上也进行了压沙处理，但所用方式采用的是普通编织袋灌沙后铺设在塔基周围。经过2年或者更短时间的沙漠风沙的侵蚀，普通编织袋就很容易破损，其压沙、固沙的作用就随之消失了。当混凝土杆周围沙质松散或者沙层吹薄（相当于减小了混凝土杆的埋深），其抗倾覆的能力就大大下降，最终导致混凝土电杆倾倒。而铁塔基础周围沙层被吹走，导致基础主柱至基础底板大面积外露，从而其抗上拔能力大大下降，严重影响了铁塔直至集电线路的安全性。

5 结束语

沙漠地质条件下集电线路采用铁塔加钢筋混凝土电杆的组合方式，主要节点使用铁塔，重点采用钢筋混凝土柔性基础，同时合理地对铁塔系列进行优化，精确控制铁塔的钢材用量，合理优化排位及基础选型，对减少工程混凝土及钢材用量、方便施工、减少环境破坏、降低工程造价都起到了重要的作用。另外，为了整条集电线路的安全以及整个风场的正常运行，也为了更好地保证塔基的长期稳定安全，建议沙漠地质集电线路应重视并认真做好基础压沙、固沙工作。