風機塔筒側壁開孔關鍵技術研究

趙文章 亓濤 連美娟 張克

摘 要：隨著風電行業的快速發展，塔架中應用的創新技術層出不窮，全新理念不斷打破風電行業對塔架及相關附件的傳統理解和思維定式。傳統的風力發電機發電需要經過電纜傳輸到箱變，將電纜通過埋管敷設的方式，需要考慮環境溫度校驗系數、敷設方式校驗系數、熱阻校驗系數，對電纜載流量大小有較大影響，動力電纜與傳輸光纜敷設一起會造成電纜中電勢震蕩，電纜擊穿，對地放電。同時，網側電纜采用電纜管埋設方式也易造成埋設標準不統一，工藝粗糙。為了節約電纜材料成本，減少征地面積，勘界限制，降低網側電纜選型要求，解決施工難度及后期維護問題，選擇塔筒側壁開孔作為方便線纜走線及用于其他用途的通道優勢非常明顯。然而塔架開孔位置也是最容易出現破壞的位置之一，因而如何保證側壁孔洞處的塔筒強度、塔筒的穩定性、孔洞支撐結構的設計、制造及安裝的經濟性、電纜布局合理性至關重要。在目前國內外很少有側壁開孔設計規范的背景下，本文的研究工作為側壁開孔塔架的實際設計提供了有意義的參考。

關鍵詞：全新理念;電纜擊穿;側壁開孔;穩定性;經濟性

中圖分類號：TH213.3 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）22-0067-02

1 緒論

1.1 研究背景

風力發電作為可再生的清潔能源，被許多國家越來越多的利用和認可，風力發電前景廣闊。如在2015年中國新增風電裝機容量3050萬千瓦，同比上升31.5%，預計2020年將達到25000萬千瓦。可以預見，在環境保護日益重要的今天，中國將持續并大力推廣風力發電這種綠色能源，并將成為世界上風力發展最令人矚目的國家之一。同時，風機開發階段及投入使用后，保證風機結構的綜合經濟性，風機運行的穩定性，減輕設備的檢修、維護和保養工作量至關重要。

本文主要闡述了通過塔筒側壁開洞方式，箱變低壓側電纜出塔筒后不進行鋪設直接連接箱變，保證了電纜電勢的穩定、降低了施工的難度，節約成本，便于維護。通過風機的機型確定箱變低壓側電纜的型號及數量，確定電纜的走向布局及折彎半徑等數據。分析不同工況下塔架開孔處的極限強度、屈曲強度、疲勞強度，確保孔洞加強結構的安全性。確認塔架開孔對載荷分布的影響，保證開孔后塔架自身強度滿足要求[1]。同時設計并優化孔洞加強結構、電纜橋架、電氣布局等結構參數，滿足相應功能要求。保證孔洞加強結構及其他附件結構制造、安裝、維護的經濟性與合理性。

1.2 塔架相關組成介紹

塔架是風力發電機的支撐結構。風速隨著離地面的高度增加而增加，對不同的風電場而言，選擇合適的的塔架高度會增加發電量。同時，塔架是進入風力發電機的通道，能夠容納電纜及相關電氣部件。機艙內發電機產生的電流通過電纜線進入塔筒底部平臺放置的控制柜。由于風力發電機的位置距離負荷中心較遠，其所產生的電能為交流690V。要將風力發電機組產生的電能輸送到較遠的距離必須通過箱式變壓器進行升壓，箱式變壓器安裝在風機塔筒外部的底面上[2]。風機變流柜輸出的電能通過低壓電纜，一般采用埋管敷設的方式連接箱變。

2 項目研究詳情

由于河北大名、河北臨西、河北肥鄉、河南獲嘉四個風電場項目機位點布局情況復雜，征地面積、土地指標及勘界限制，同時為了解決電纜埋設標準不統一，工藝粗糙的問題，節約電纜材料成本，降低網側電纜選型要求，解決施工難度及后期維護問題，該項目采用塔筒側壁開洞，出塔筒后不進行埋地鋪設直接連接箱變方案。通過塔筒側壁開洞的方式，改變傳統埋管敷設方式，原則上新的塔筒電纜路徑選擇應使電纜不易受到機械性外力，過熱，腐蝕等危害，要便于維護，在滿足安全條件下，使電纜路徑最短。同時，電纜采用側壁開洞的方式走線，在其全部路徑條件的上下左右改變部位，均應滿足電纜允許的彎曲半徑要求。電纜的最小允許彎曲半徑數值參照GB 50217-2007電力工程電纜設計規范相關要求執行。

2.1 確定低壓側電纜型號及數量

該項目采用的風機機型為：GW131-2200和GW131-2300機型混排。低壓側電纜采用8根ZR-YJY23-0.6/1-3*240mm2+1*120mm2型銅芯電纜。低壓側電纜的最小彎曲半徑為1.2米。

2.2 初步確定側壁開洞尺寸規格

根據風機機型確定之后的低壓側電纜型號、數量，電纜的最小彎曲半徑確定塔筒側壁開洞位置及尺寸規格。

2.3 開洞后塔筒強度分析

2.3.1 靜強度分析

塔筒的結構靜力設計是設計承力構件的截面或連接件，使其能具有抵抗極端破壞的能力，主要包含結構的靜強度和剛度兩項性能指標設計，是其它設計環節的基礎。利用第四強度理論，通過輸入塔筒每段的極限彎矩、極限軸力和附加彎矩計算出對應的正應力，然后通過輸入每段的極限扭矩和極限剪力，計算對應的切應力，最后得到等效應力設計值[3]。

2.3.2 塔筒屈曲分析

塔架發生屈曲是指當塔架承受的載荷超過某一臨界值（又稱為失穩載荷），塔架突然失去原有平衡或幾何形狀的現象。理想的失穩荷載是塔架結構在理想條件下基于線彈性理論確定的最小分叉荷載，對應的應力稱為理想失穩臨界應力。但是實際的工程結構受到幾何缺陷、結構缺陷以及材料非彈性行為等影響，實際情況與理想情況不完全一致，需要通過修正理想失穩臨界應力而獲得實際的失穩臨界應力[4]。計算屈曲之前判斷是否需要軸向屈曲，針對塔筒中的錐段需要計算其等效長度和等效半徑。

2.3.3 塔筒疲勞分析

塔架的材料、零件和構件的抗疲勞能力，是指在變載荷作用下，抵抗疲勞斷裂破壞的能力。持續作用在塔架上的疲勞載荷，由眾多載荷循環構成，每一循環都會給塔架造成一定的損傷，損傷量隨著循環次數的增加而累積。塔架疲勞壽命設計針對筒壁焊縫、孔洞等進行。目前通用的塔架疲勞設計方法，采用Miner損傷理論，再考慮焊縫特征（焊接型式、焊接質量等）、結構特征和生產工藝等因素，設計出在設計年限內、累積損傷滿足要求的塔架。焊縫疲勞計算步驟包括（線性累積損傷理論）：得到載荷的Markov矩陣，計算S-N曲線，計算疲勞損傷。塔筒法蘭螺栓疲勞計算包括計算螺栓拉力，得到載荷的Markov矩陣，計算S-N曲線，計算疲勞損傷[5]。

2.4 孔洞處強度分析

計算塔架孔洞處的極限強度，分析塔架開孔對載荷分布的影響。對孔洞加強結構強度評估，包括全工況下極限強度的分析及損傷評估。根據第四強度理論結果，應力為367MPa，位移為2.28mm，依據工程規范，采用線性插值的方法對此值修正后滿足要求。

2.4.1 相關接口參數信息輸入

（1）初步確定低壓側電纜型號及數量及側壁開洞位置、尺寸規格。（2）箱變需求。箱變需求包括廠家、規格型號、詳細圖紙及三維模型，能反映出箱變的外形尺寸，安裝尺寸，最大檢修部件，吊裝高度要求，進出線位置，接口，電氣原理圖，物料清單，冷卻系統管路連接方式，接口等詳細信息。（3）高壓柜需求。高壓柜需求包括廠家、規格型號、詳細圖紙及三維模型，能反映出高壓柜的外形尺寸，安裝尺寸，檢修距離，安全通道要求，進出線位置，接口，電氣原理圖，物料清單等信息。（4）箱變散熱方式。確定箱變采用的散熱方式如水冷或風冷。箱變散熱器的外形尺寸，安裝尺寸，進出線，水管，水泵，管路的連接關系，電氣原理圖，物料清單等信息。（5）確定視頻監控系統、自動消防系統等參數。

2.4.2 側壁開孔結構設計

根據確定后的電氣輸入參數及強度計算結果進行塔筒側壁開孔結構的設計，側壁開孔結構中心面與塔筒門正中心平面呈90度，根據已確定的箱變位置確定。側壁開孔結構中心距離塔筒底法蘭距離為1140mm，考慮到低壓側電纜的折彎半徑，方便低壓側電纜的布線。

側壁開孔結構是由線纜孔加強板、出孔加強筋隔板及孔圍邊構成，其中線纜孔加強板的厚度、尺寸及伸出筒壁的尺寸依據強度分析結果、出孔加強筋隔板中電纜孔的分布依據電氣輸入參數、孔圍邊的尺寸大小依據電纜的直徑。

側壁開孔相關其他附件的設計也將作為一個整體獨立系統，進行三維協同設計，保證總體規劃，綜合考慮系統布局、布線，提高附件設計的準確度、集成化、規范化及穩固性。

3 結語

本文主要闡述了風機塔筒側壁開孔的方案的設計過程，根據項目具體的機型確定低壓側電纜型號及數量、確定側壁開洞尺寸規格，同時設計過程中綜合考慮接口參數信息輸入，如箱變需求、高壓柜需求、視頻監控系統、自動消防系統等參數。在強度分析方面，要分析塔筒開孔后的極限強度、屈曲強度、疲勞強度的校核，孔洞加強結構的極限強度及結構的優化設計。側壁開孔結構及相關附件設計作為一個整體的系統，綜合考慮系統布局、布線，塔筒及相應加強板、隔板、橋架等附件的制造及安裝，提高附件設計的規范化、精確度及經濟性。

風機塔筒側壁開孔結構和電氣布局實現塔筒側壁開洞線纜走線直接連接箱變，節約電纜材料成本，降低網側電纜選型要求，解決施工難度及后期維護問題;同時，側壁開孔結構能夠保證塔架運行的穩定性與安全性。對于相同兆瓦級機組網側電纜塔壁側壁出線，直接進入箱變，降低電纜的選型要求，可以選用非鎧裝電纜，減少了豎直埋地電纜長度，節約成本，減少征地面積，勘界限制，便于后期維護，為后續側壁開孔的塔架的實際設計提供了有意義的參考。

參考文獻

[1] 韓軍杰，胥勇.風電鋼制塔架中開孔去除體積部分的重量計算探討[J].CAD/CAM與制造業信息化，2013（06）：78-80.

[2] 范文.淺談風輪機的設計與選型[J].中國科技博覽，2011（36）：122-123.

[3] 李斌，高春彥.大型風力發電機錐臺型塔筒的受力性能分析與優化設計[C]//第22屆全國結構工程學術會議論文集第Ⅱ冊.2013.

[4] GB/T 1591-2008，低合金高強度結構鋼[S].

[5] Kelma S，Schaumann P.Probabilistic Fatigue Analysis of Jacket Support Structures for Offshore Wind Turbines Exemplified on Tubular Joints[J].Energy Procedia，2015，80（2）：151-158.