新型風(fēng)電機(jī)組變壓器基礎(chǔ)研究*

文 | 汪海燕，楊菁，賀廣零

新型風(fēng)電機(jī)組變壓器基礎(chǔ)研究*

文 | 汪海燕，楊菁，賀廣零

自從2001年以來(lái)，風(fēng)電場(chǎng)大規(guī)模建設(shè)持續(xù)發(fā)展，并逐漸趨于平穩(wěn)。在建設(shè)過(guò)程中，風(fēng)能資源較好且較為平坦的場(chǎng)地已經(jīng)陸續(xù)被占領(lǐng)完畢，擬建的風(fēng)電場(chǎng)有向山地、灘涂等區(qū)域發(fā)展的趨勢(shì)。然而，傳統(tǒng)的機(jī)組變壓器布置方式無(wú)法解決山地風(fēng)電場(chǎng)山脊場(chǎng)地面積不夠、灘涂風(fēng)電場(chǎng)潮水位較高等一系列問(wèn)題。為此，本文將提出一種新的機(jī)組變壓器布置方式以解決上述問(wèn)題。

傳統(tǒng)機(jī)組變壓器布置方式

傳統(tǒng)的機(jī)組變壓器布置方式為（圖1）：將機(jī)組變壓器布置于距機(jī)組基礎(chǔ)15m-20m處，從機(jī)組引下的電纜順?biāo)捕?，通過(guò)預(yù)埋在機(jī)組基礎(chǔ)內(nèi)的電纜套管進(jìn)入土壤中，直埋至35kV集電線路桿塔下，順桿塔而上匯入35kV集電線路。此時(shí)機(jī)組變壓器放置在自然地面上約0.3m-0.5m處，機(jī)組變壓器基礎(chǔ)埋于地下，為現(xiàn)澆鋼筋混凝土箱形基礎(chǔ)，考慮到電氣人員接線及檢修的需要，機(jī)組變壓器的箱形基礎(chǔ)內(nèi)需要預(yù)留一定空間，考慮到凍土深度及地基承載力的要求，機(jī)組變壓器箱形基礎(chǔ)的埋置深度不能太淺，這就導(dǎo)致了機(jī)組變壓器箱形基礎(chǔ)的工程量（混凝土量、鋼筋量及開(kāi)挖土方量）不會(huì)太小，且機(jī)組變壓器箱形基礎(chǔ)所占用的土地是作為永久征地來(lái)考慮的，風(fēng)電場(chǎng)中動(dòng)輒幾十臺(tái)，甚至上百臺(tái)機(jī)組，每臺(tái)機(jī)組配備一個(gè)機(jī)組變壓器，因此這種布置方式機(jī)組變壓器的總占地還是可觀的。

傳統(tǒng)方案的缺陷較為突出：占用永久征地面積大，開(kāi)挖土方量大，基礎(chǔ)材料量大，無(wú)法解決海邊灘涂、湖邊、河邊等洪、潮水位較高的風(fēng)電場(chǎng)中機(jī)組變壓器的防洪問(wèn)題。

新型機(jī)組變壓器布置方式

為了既能解決海邊灘涂、湖邊、河邊等洪、潮水位較高的風(fēng)電場(chǎng)的機(jī)組變壓器防洪問(wèn)題，又能減少平原、山區(qū)風(fēng)電場(chǎng)的機(jī)組變壓器占地較多的問(wèn)題，提出了以下新型機(jī)組變壓器布置方式（圖2）。

將機(jī)組變壓器基礎(chǔ)緊靠機(jī)組塔筒布置，機(jī)組變壓器基礎(chǔ)采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架式基礎(chǔ)（圖3），變壓器擱置在框架頂部的鋼筋混凝土平臺(tái)上，框架柱生根在機(jī)組基礎(chǔ)底板內(nèi)（圖4）。機(jī)組基礎(chǔ)是由圓型或正八邊形底板及基礎(chǔ)中心的鋼筋混凝土臺(tái)柱組成的獨(dú)立基礎(chǔ)，臺(tái)柱中預(yù)埋基礎(chǔ)環(huán)，與機(jī)組塔筒通過(guò)法蘭連接，機(jī)組基礎(chǔ)的埋深一般在3m以下，機(jī)組基礎(chǔ)的底板根部（靠近臺(tái)柱處）厚度較大，此處底板頂面距地面較近，因此便于機(jī)組變壓器框架柱的生根。塔筒內(nèi)的低壓電纜通過(guò)塔筒門(mén)下部引出，直接從平臺(tái)的預(yù)留孔進(jìn)入機(jī)組變壓器，因此可節(jié)省低壓側(cè)電纜。從機(jī)組變壓器引出的高壓電纜可通過(guò)架空線接入35kV集電線路，也可以順框架柱而下，通過(guò)地埋電纜方式接入35kV集電線路。

對(duì)于位于海邊灘涂、湖邊、河邊等洪、潮水位較高的風(fēng)電場(chǎng)或場(chǎng)地較平坦的風(fēng)電場(chǎng)，機(jī)組變壓器框架式基礎(chǔ)的平臺(tái)高度應(yīng)高于相應(yīng)洪水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的最高洪、潮水位。而對(duì)于山區(qū)風(fēng)電場(chǎng)，由于機(jī)組位于地勢(shì)較高的山脊或山頂，機(jī)組機(jī)位處的地面已經(jīng)位于最高洪水位之上，沒(méi)有洪水沖刷的問(wèn)題，所以機(jī)組變壓器框架式基礎(chǔ)頂部?jī)H需與塔筒門(mén)高度一致，方便電纜進(jìn)入機(jī)組變壓器，也可兼作進(jìn)入塔筒門(mén)的休息平臺(tái)。

其基本原理是：機(jī)組變壓器框架式基礎(chǔ)生根于機(jī)組基礎(chǔ)底板上，將荷載傳至機(jī)組基礎(chǔ)，機(jī)組變壓器相對(duì)于機(jī)組及塔筒而言重量很小，置于機(jī)組基礎(chǔ)底板上所產(chǎn)生的附加荷載與機(jī)組作用在機(jī)組基礎(chǔ)上的荷載相比，所占比例非常小，一般僅為1%左右，不會(huì)影響機(jī)組基礎(chǔ)的安全，也不增加機(jī)組基礎(chǔ)的材料量。由于機(jī)組變壓器基礎(chǔ)是在機(jī)組基礎(chǔ)占地范圍內(nèi)，征地時(shí)無(wú)需再對(duì)機(jī)組變壓器基礎(chǔ)單獨(dú)征地，節(jié)省了征地費(fèi)用。

該基礎(chǔ)優(yōu)點(diǎn)為：節(jié)約用地、布置緊湊、經(jīng)濟(jì)性好、節(jié)省材料、節(jié)省低壓側(cè)電纜。特別適合于海邊灘涂、湖邊、河邊等洪、潮水位較高的風(fēng)電場(chǎng)，及山區(qū)風(fēng)電機(jī)組機(jī)位處場(chǎng)地狹小或征地困難的風(fēng)電場(chǎng)。

新型機(jī)組變壓器布置方式打破了傳統(tǒng)，將機(jī)組變壓器基礎(chǔ)緊鄰風(fēng)電機(jī)組塔筒布置，省去了機(jī)組變壓器基礎(chǔ)的占地；改變機(jī)組變壓器基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)形式（由地下鋼筋混凝土箱形結(jié)構(gòu)變?yōu)榈厣峡蚣芙Y(jié)構(gòu)），節(jié)省了基礎(chǔ)的材料量；將機(jī)組變壓器基礎(chǔ)生根在機(jī)組基礎(chǔ)上，若場(chǎng)地工程地質(zhì)條件不好，可不用再對(duì)機(jī)組變壓器基礎(chǔ)進(jìn)行地基處理，節(jié)省了地基處理的費(fèi)用；在施工機(jī)組基礎(chǔ)時(shí)可將機(jī)組變壓器框架柱的鋼筋預(yù)留好，并施工至地面以上，可節(jié)省機(jī)組變壓器基礎(chǔ)的土方開(kāi)挖費(fèi)用；縮短了塔筒和機(jī)組變壓器的距離，節(jié)省了低壓側(cè)電纜。該基礎(chǔ)形式具有很好的經(jīng)濟(jì)性和廣泛的適用性，這種置于機(jī)組塔筒旁的新型機(jī)組變壓器基礎(chǔ)具有新穎性、創(chuàng)造性和實(shí)用性。

關(guān)鍵點(diǎn)1：將機(jī)組變壓器基礎(chǔ)緊鄰機(jī)組塔筒布置，省去了機(jī)組變壓器基礎(chǔ)的占地，節(jié)省了征地費(fèi)用。

關(guān)鍵點(diǎn)2：改變機(jī)組變壓器基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)形式（由地下鋼筋混凝土箱形結(jié)構(gòu)變?yōu)榈厣峡蚣芙Y(jié)構(gòu)），節(jié)省了基礎(chǔ)的材料量。

關(guān)鍵點(diǎn)3：將機(jī)組變壓器基礎(chǔ)生根在機(jī)組基礎(chǔ)上，若場(chǎng)地工程地質(zhì)條件不好，可不用再對(duì)機(jī)組變壓器基礎(chǔ)進(jìn)行地基處理，節(jié)省了地基處理的費(fèi)用。

關(guān)鍵點(diǎn)4：通過(guò)框架式基礎(chǔ)將機(jī)組變壓器抬高布置，有利于防洪。

關(guān)鍵點(diǎn)5：縮短了塔筒和機(jī)組變壓器的距離，節(jié)省了低壓側(cè)電纜。

關(guān)鍵點(diǎn)6：機(jī)組變壓器框架式基礎(chǔ)平臺(tái)標(biāo)高與塔筒門(mén)一致，可兼作塔筒門(mén)的休息平臺(tái)，節(jié)省了塔筒門(mén)休息平臺(tái)的鋼材量。

工程實(shí)例

工程實(shí)例1：灘涂風(fēng)電場(chǎng)。中電投江蘇大豐風(fēng)電場(chǎng)200MW風(fēng)電特許權(quán)項(xiàng)目位于大豐市東部沿海，屬黃海潮間帶灘涂地貌單元。場(chǎng)區(qū)地形為原始海灘涂改造后的漁場(chǎng)，全區(qū)地勢(shì)低洼，地面高程為2.4m-3.9m，高差1.50m，地勢(shì)平灘開(kāi)闊。將機(jī)組基礎(chǔ)與機(jī)組變壓器基礎(chǔ)建在灘地上，將受到海潮水位的影響，根據(jù)大豐市水利局提供的有關(guān)資料，風(fēng)電場(chǎng)處50年一遇設(shè)計(jì)高潮位為5.01m，再考慮10級(jí)風(fēng)風(fēng)浪的爬高1.5m，故機(jī)組變壓器平臺(tái)高度應(yīng)按50年一遇最高潮位+浪爬高+安全超高確定，標(biāo)高約7.50m（圖3）。機(jī)組塔筒底部自身應(yīng)考慮防水、防腐及防浪加固措施。

工程實(shí)例2：山地風(fēng)電場(chǎng)。中廣核綿陽(yáng)梓潼馬鳴風(fēng)電場(chǎng)位于四川省綿陽(yáng)市梓潼縣馬鳴鄉(xiāng)境內(nèi)，為山地風(fēng)電場(chǎng)，海拔700m左右，屬山地地形，主要為林場(chǎng)。馬鳴風(fēng)電場(chǎng)新建18臺(tái)2.0MW風(fēng)電機(jī)組，輪轂高度為90m，并新建35kV開(kāi)關(guān)站。為了避免風(fēng)電機(jī)組出現(xiàn)跨越不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)的現(xiàn)象，并減少征地面積，擬采用上述新型機(jī)組變壓器布置方式。由于風(fēng)電機(jī)組采用梁板式機(jī)組基礎(chǔ)，機(jī)組變壓器基礎(chǔ)平面布置有所不同（圖4），其生根方式也比較特殊（圖5）。同時(shí)，考慮到馬鳴風(fēng)電場(chǎng)地下水位較深，不存在凍脹現(xiàn)象，且場(chǎng)地土對(duì)混凝土及其中的鋼筋均為微腐蝕性，故機(jī)組變壓器基礎(chǔ)可采用砌體結(jié)構(gòu)。

工程實(shí)例3：渠邊風(fēng)電場(chǎng)。天津沙井子200MW風(fēng)電場(chǎng)工程位于天津市大港區(qū)，建設(shè)132臺(tái)1.5MW風(fēng)電機(jī)組，大部分機(jī)位于北排河兩岸灘地，部分機(jī)位位于北排河河道內(nèi)。由于北排河兩岸多為基本農(nóng)田，可作為機(jī)組機(jī)位的場(chǎng)地非常有限。在這有限的、離散的場(chǎng)地里，每塊場(chǎng)地的單向尺寸不超過(guò)18m，采用常規(guī)的機(jī)組變壓器布置方式不具有可行性。為了能夠解決上述問(wèn)題，并節(jié)約土地資源，擬采用上述新型機(jī)組變壓器布置方式（圖6）。由于機(jī)組位于北排河兩岸灘地或河道內(nèi)，故需要依據(jù)防洪報(bào)告提供的最高水位，將機(jī)組變壓器平臺(tái)適當(dāng)抬高。

結(jié)論

新型機(jī)組變壓器布置方式打破了傳統(tǒng)，將機(jī)組變壓器基礎(chǔ)緊鄰機(jī)組塔筒布置，具有節(jié)約用地、布置緊湊、經(jīng)濟(jì)性好、節(jié)省材料、節(jié)省低壓側(cè)電纜等優(yōu)點(diǎn)。特別適合于海邊灘涂、湖邊、河邊等洪、潮水位較高的風(fēng)電場(chǎng)，及山區(qū)風(fēng)電機(jī)組機(jī)位處場(chǎng)地狹小或征地困難的風(fēng)電場(chǎng)。

（作者單位：中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)華北電力設(shè)計(jì)院有限公司）

中國(guó)博士后科學(xué)基金項(xiàng)目（20110490702）、水沙科學(xué)與水利水電工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金項(xiàng)目（sklhse-2012-D-02）、華北電力設(shè)計(jì)院有限公司科技項(xiàng)目（K2013-T501、Y2013-T501）資助。