風電場集電線路桿塔倒塌原因及對策探討

邵明德

（中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，長沙 410014）

1 引言

目前，國家大力推動清潔能源的開發(fā)，發(fā)展低碳經濟，豐富的風能資源逐漸得到開發(fā)利用，風力發(fā)電正處于高速發(fā)展的階段。風力發(fā)電場工程主要包括升壓站、風機工程、進場道路以及集電線路等主要工程。雖然集電線路工程造價在風電場工程投資中所占比例不大，但對風電場發(fā)電的穩(wěn)定運行起著至關重要的作用。

2 工程概述

山西神池風電場（一期）工程位于山西省西北部神池縣，在山地呈條狀分布，占地約35 km2，地形起伏較大，地面高程約1 600～2 155 m，風場處于霸業(yè)梁上，地形險峻，最低氣溫在-30～-40 ℃，冰凍期較長，每年無霜期在110 d 左右。工程選用24 臺單機容量2 000 kW 的風力發(fā)電機組，總裝機容量48 MW，集電線路設計為A、B 線，全長約18.6 km。A 線為雙回路線路，分別為集電線路Ⅱ線、Ⅲ線，B 線為單回路線路，為集電線路Ⅰ線。每個回路均連接8 臺風機。集電線路設計均為架空線路，架空集電線路桿塔為鐵塔和水泥桿，鐵塔基礎設計為現澆鋼筋混凝土獨立基礎，輸電線路主導線為185 mm2的鋼芯鋁絞線。

3 施工情況

神池風電場集電線路Ⅱ線工程基礎工程于2009 年11 月7 日全部完成基礎澆筑施工，在基礎施工完畢后相應進行鐵塔架立施工，同步進行水泥桿的架立施工，于2010 年春節(jié)前完成全部的桿、塔架立和大部分的線路架設施工。神池風電場集電線路Ⅲ線工程基礎工程于2009 年9 月28 日全部完成基礎澆筑施工，2010 年3 月進場進行桿、塔架立施工以及線路架設施工，4 月20 日基本完成現場所有施工。集電線路大部分施工均在當地寒冷季節(jié)內完成的。

4 風電場的兩次桿塔倒塌事件

4.1 第一次桿塔倒塌情況

2010 年3 月19 日夜間，霸業(yè)梁刮大風，第二天早上，項目部在工地巡視過程中，發(fā)現集電線路II 線A15 號鐵塔、A16 號水泥桿、A17 號鐵塔已經倒塌，倒塌情況如圖1～圖3 所示。

圖1 A15 號鐵塔倒塌情況

圖2 A16 號水泥桿倒塌情況

圖3 A17 號鐵塔倒塌情況

4.2 第二次桿塔倒塌情況

2010 年4 月22 日，霸業(yè)梁發(fā)生了類似于南方2008 年冰凍災害的嚴重覆冰和風暴冰雪天氣，風暴過后現場檢查工地，發(fā)現集電線路Ⅲ線A27 號水泥桿、A28 號鐵塔已經倒塌，并且A28 號鐵塔正好砸在19 號箱變上，造成箱變受損。倒塌情況如圖4～圖6 所示。

圖4 A27 號水泥桿倒塌情況

圖5 A28 號鐵塔倒塌情況

圖6 19 號箱變被傾覆的鐵塔砸損

4.3 兩次桿塔倒塌的損失

集電線路工程在短短的一個月內發(fā)生兩次桿塔倒塌事件，造成了工期和費用損失。雖然經過最大的努力，集電線路A 線投運仍滯后約一個月，并影響后續(xù)16 臺風機的投運發(fā)電。

5 桿塔倒塌原因分析

5.1 工程設計情況

設計單位考慮神池風電場的特殊天氣、自然環(huán)境情況，在集電線路設計時，提高了設計標準，33 kV 線路設計標準按110 kV 設計標準設計，工程造價對比常規(guī)集電線路有很大的提高，每千米集電線路造價達60 萬以上，設計采用參數見表1。

表1 神池風電場集電線路工程設計參數表

對比常規(guī)的集電線路，設計的安全度是符合規(guī)范要求的。

5.2 兩次桿塔倒塌現場情況

2010 年3 月20 日的桿塔倒塌，從現場情況分析，倒塔事件明確為A16 號水泥桿拉線拉環(huán)與拉盤連接位置出現破壞，固定拉環(huán)的鋼板從拉盤內拉出，使A16 號水泥桿出現倒桿，帶動A15 號、A17 號鐵塔倒塌。A16 水泥桿地處霸業(yè)梁的西北風風口，3 月19 日晚上及3 月20 日凌晨，霸業(yè)梁的風速達53 m/s，發(fā)生超強臺風級風暴自然災害的不可抗力因素是造成桿塔倒塌的客觀原因。

2010 年4 月22 日的桿塔倒塌，從現場情況分析，倒塔事件為A27 號水泥桿拉線出現破壞，使A27 號水泥桿出現倒桿，帶動A28 號鐵塔倒塌。當時，神池風電場發(fā)生了類似于南方2008 年冰凍災害的嚴重覆冰和風暴冰雪天氣，導致線路桿塔發(fā)生倒塌的自然災害。據實測當天線路覆冰厚度，霸業(yè)梁局部覆冰厚度達到16.5 mm，在已投運的1#風機處，在測風儀覆冰的情況下檢測到的最高風速為23.5 m/s。1#風機高程為1 828 m，19#風機位高程為2 099 m，高差達271 m。根據神池風電場的風速特點，高程越高風越大，初步估計19#風機位風速超過30 m/s（30 m/s 為12 級超強臺風等級）。

兩次桿塔倒塌事件均處于風電場西北風風口，同時均發(fā)生惡劣的大風和冰凍自然災害，形成微氣象、微地形風洞效應，氣象條件已經超過設計采用的集電線路設計參數的標準，集電線路荷載嚴重超過設計負荷，導致了集電線路桿塔倒塌。同時，集電線路工程施工均在冬季，施工環(huán)境惡劣，給施工帶來極大的困難，可能造成工程施工質量存在質量缺陷。

6 對策措施

1）一般風電場自然環(huán)境惡劣，發(fā)生大風和風暴的概率高，集電線路設計標準應相應提高。對特殊地形、特殊氣象從設計上應有特殊考慮，采取附加的安全保證措施，從設計源頭消除工程安全隱患。

2）設計采用的設計參數應力求與當地的氣象環(huán)境相吻合，避免出現自然氣候條件與設計參數存在較大差別，對自然氣候條件資料不完善的地方，應加強現場實地走訪了解，并可以考慮適當提高設計參數來保證安全。

3）對地形險峻的集電線路工程，采取既經濟又便捷可行的安全措施，如桿塔增加拉線，增加集電線路工程的安全度。

4）集電線路工程建議可以采用架空線路與電纜線路相結合的方式進行集電線路設計。對涉及征地困難的部分線路采用桿塔架空的集電線路，對地形險峻，可能存在微氣象、微地形風洞效應，氣象條件復雜地段的集電線路工程，如不涉及征地，可以采用直埋電纜線路方式，這樣既可以節(jié)省工程造價，又可以保證集電線路的安全運行。

5）分析地區(qū)氣候、地理條件對施工的影響，制定針對性的施工技術措施。

6）加強現場施工質量管理，確保施工質量。對可能影響集電線路運行的關鍵工序、關鍵部位加強現場控制。

7 結語

風電工程建設是一個系統(tǒng)工程。在工程建設中應該充分了解風電場特有的微地形氣候，考慮集電線路桿塔抗風、覆冰能力設計裕度，仔細比較設備選型中對設備、裝置在安裝地點的特殊要求，多角度比較論證風機的微觀選址，抓住主要制約點，如集電線路、風機基礎等，方能有效實現安全、質量、進度和費用等項目控制目標。

神池風電場位于高寒高風速地區(qū)，地質條件復雜，施工難度較大。總承包項目部在發(fā)現問題關鍵所在后，組織技術力量，加強現場協(xié)調監(jiān)督力度，給后期施工提出趕工措施提供技術支持，整個工程目標如期實現。至全部機組投產發(fā)電以來，工程運行優(yōu)良，為業(yè)主創(chuàng)造良好的發(fā)電效益。