新型風電機組變壓器基礎研究*

文 | 汪海燕，楊菁，賀廣零

新型風電機組變壓器基礎研究*

文 | 汪海燕，楊菁，賀廣零

自從2001年以來，風電場大規模建設持續發展，并逐漸趨于平穩。在建設過程中，風能資源較好且較為平坦的場地已經陸續被占領完畢，擬建的風電場有向山地、灘涂等區域發展的趨勢。然而，傳統的機組變壓器布置方式無法解決山地風電場山脊場地面積不夠、灘涂風電場潮水位較高等一系列問題。為此，本文將提出一種新的機組變壓器布置方式以解決上述問題。

傳統機組變壓器布置方式

傳統的機組變壓器布置方式為（圖1）：將機組變壓器布置于距機組基礎15m-20m處，從機組引下的電纜順塔筒而下，通過預埋在機組基礎內的電纜套管進入土壤中，直埋至35kV集電線路桿塔下，順桿塔而上匯入35kV集電線路。此時機組變壓器放置在自然地面上約0.3m-0.5m處，機組變壓器基礎埋于地下，為現澆鋼筋混凝土箱形基礎，考慮到電氣人員接線及檢修的需要，機組變壓器的箱形基礎內需要預留一定空間，考慮到凍土深度及地基承載力的要求，機組變壓器箱形基礎的埋置深度不能太淺，這就導致了機組變壓器箱形基礎的工程量（混凝土量、鋼筋量及開挖土方量）不會太小，且機組變壓器箱形基礎所占用的土地是作為永久征地來考慮的，風電場中動輒幾十臺，甚至上百臺機組，每臺機組配備一個機組變壓器，因此這種布置方式機組變壓器的總占地還是可觀的。

傳統方案的缺陷較為突出：占用永久征地面積大，開挖土方量大，基礎材料量大，無法解決海邊灘涂、湖邊、河邊等洪、潮水位較高的風電場中機組變壓器的防洪問題。

新型機組變壓器布置方式

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

將機組變壓器基礎緊靠機組塔筒布置，機組變壓器基礎采用現澆鋼筋混凝土框架式基礎（圖3），變壓器擱置在框架頂部的鋼筋混凝土平臺上，框架柱生根在機組基礎底板內（圖4）。機組基礎是由圓型或正八邊形底板及基礎中心的鋼筋混凝土臺柱組成的獨立基礎，臺柱中預埋基礎環，與機組塔筒通過法蘭連接，機組基礎的埋深一般在3m以下，機組基礎的底板根部（靠近臺柱處）厚度較大，此處底板頂面距地面較近，因此便于機組變壓器框架柱的生根。塔筒內的低壓電纜通過塔筒門下部引出，直接從平臺的預留孔進入機組變壓器，因此可節省低壓側電纜。從機組變壓器引出的高壓電纜可通過架空線接入35kV集電線路，也可以順框架柱而下，通過地埋電纜方式接入35kV集電線路。

對于位于海邊灘涂、湖邊、河邊等洪、潮水位較高的風電場或場地較平坦的風電場，機組變壓器框架式基礎的平臺高度應高于相應洪水設計標準的最高洪、潮水位。而對于山區風電場，由于機組位于地勢較高的山脊或山頂，機組機位處的地面已經位于最高洪水位之上，沒有洪水沖刷的問題，所以機組變壓器框架式基礎頂部僅需與塔筒門高度一致，方便電纜進入機組變壓器，也可兼作進入塔筒門的休息平臺。

其基本原理是：機組變壓器框架式基礎生根于機組基礎底板上，將荷載傳至機組基礎，機組變壓器相對于機組及塔筒而言重量很小，置于機組基礎底板上所產生的附加荷載與機組作用在機組基礎上的荷載相比，所占比例非常小，一般僅為1%左右，不會影響機組基礎的安全，也不增加機組基礎的材料量。由于機組變壓器基礎是在機組基礎占地范圍內，征地時無需再對機組變壓器基礎單獨征地，節省了征地費用。

該基礎優點為：節約用地、布置緊湊、經濟性好、節省材料、節省低壓側電纜。特別適合于海邊灘涂、湖邊、河邊等洪、潮水位較高的風電場，及山區風電機組機位處場地狹小或征地困難的風電場。

新型機組變壓器布置方式打破了傳統，將機組變壓器基礎緊鄰風電機組塔筒布置，省去了機組變壓器基礎的占地；改變機組變壓器基礎的結構形式（由地下鋼筋混凝土箱形結構變為地上框架結構），節省了基礎的材料量；將機組變壓器基礎生根在機組基礎上，若場地工程地質條件不好，可不用再對機組變壓器基礎進行地基處理，節省了地基處理的費用；在施工機組基礎時可將機組變壓器框架柱的鋼筋預留好，并施工至地面以上，可節省機組變壓器基礎的土方開挖費用；縮短了塔筒和機組變壓器的距離，節省了低壓側電纜。該基礎形式具有很好的經濟性和廣泛的適用性，這種置于機組塔筒旁的新型機組變壓器基礎具有新穎性、創造性和實用性。

關鍵點1：將機組變壓器基礎緊鄰機組塔筒布置，省去了機組變壓器基礎的占地，節省了征地費用。

關鍵點2：改變機組變壓器基礎的結構形式（由地下鋼筋混凝土箱形結構變為地上框架結構），節省了基礎的材料量。

關鍵點3：將機組變壓器基礎生根在機組基礎上，若場地工程地質條件不好，可不用再對機組變壓器基礎進行地基處理，節省了地基處理的費用。

關鍵點4：通過框架式基礎將機組變壓器抬高布置，有利于防洪。

關鍵點5：縮短了塔筒和機組變壓器的距離，節省了低壓側電纜。

關鍵點6：機組變壓器框架式基礎平臺標高與塔筒門一致，可兼作塔筒門的休息平臺，節省了塔筒門休息平臺的鋼材量。

工程實例

工程實例1：灘涂風電場。中電投江蘇大豐風電場200MW風電特許權項目位于大豐市東部沿海，屬黃海潮間帶灘涂地貌單元。場區地形為原始海灘涂改造后的漁場，全區地勢低洼，地面高程為2.4m-3.9m，高差1.50m，地勢平灘開闊。將機組基礎與機組變壓器基礎建在灘地上，將受到海潮水位的影響，根據大豐市水利局提供的有關資料，風電場處50年一遇設計高潮位為5.01m，再考慮10級風風浪的爬高1.5m，故機組變壓器平臺高度應按50年一遇最高潮位+浪爬高+安全超高確定，標高約7.50m（圖3）。機組塔筒底部自身應考慮防水、防腐及防浪加固措施。

工程實例2：山地風電場。中廣核綿陽梓潼馬鳴風電場位于四川省綿陽市梓潼縣馬鳴鄉境內，為山地風電場，海拔700m左右，屬山地地形，主要為林場。馬鳴風電場新建18臺2.0MW風電機組，輪轂高度為90m，并新建35kV開關站。為了避免風電機組出現跨越不同鄉鎮的現象，并減少征地面積，擬采用上述新型機組變壓器布置方式。由于風電機組采用梁板式機組基礎，機組變壓器基礎平面布置有所不同（圖4），其生根方式也比較特殊（圖5）。同時，考慮到馬鳴風電場地下水位較深，不存在凍脹現象，且場地土對混凝土及其中的鋼筋均為微腐蝕性，故機組變壓器基礎可采用砌體結構。

工程實例3：渠邊風電場。天津沙井子200MW風電場工程位于天津市大港區，建設132臺1.5MW風電機組，大部分機位于北排河兩岸灘地，部分機位位于北排河河道內。由于北排河兩岸多為基本農田，可作為機組機位的場地非常有限。在這有限的、離散的場地里，每塊場地的單向尺寸不超過18m，采用常規的機組變壓器布置方式不具有可行性。為了能夠解決上述問題，并節約土地資源，擬采用上述新型機組變壓器布置方式（圖6）。由于機組位于北排河兩岸灘地或河道內，故需要依據防洪報告提供的最高水位，將機組變壓器平臺適當抬高。

結論

新型機組變壓器布置方式打破了傳統，將機組變壓器基礎緊鄰機組塔筒布置，具有節約用地、布置緊湊、經濟性好、節省材料、節省低壓側電纜等優點。特別適合于海邊灘涂、湖邊、河邊等洪、潮水位較高的風電場，及山區風電機組機位處場地狹小或征地困難的風電場。

（作者單位：中國電力工程顧問集團華北電力設計院有限公司）

中國博士后科學基金項目（20110490702）、水沙科學與水利水電工程國家重點實驗室開放基金項目（sklhse-2012-D-02）、華北電力設計院有限公司科技項目（K2013-T501、Y2013-T501）資助。