风机塔筒侧壁开孔关键技术研究

赵文章 亓涛 连美娟 张克

摘 要：随着风电行业的快速发展，塔架中应用的创新技术层出不穷，全新理念不断打破风电行业对塔架及相关附件的传统理解和思维定式。传统的风力发电机发电需要经过电缆传输到箱变，将电缆通过埋管敷设的方式，需要考虑环境温度校验系数、敷设方式校验系数、热阻校验系数，对电缆载流量大小有较大影响，动力电缆与传输光缆敷设一起会造成电缆中电势震荡，电缆击穿，对地放电。同时，网侧电缆采用电缆管埋设方式也易造成埋设标准不统一，工艺粗糙。为了节约电缆材料成本，减少征地面积，勘界限制，降低网侧电缆选型要求，解决施工难度及后期维护问题，选择塔筒侧壁开孔作为方便线缆走线及用于其他用途的通道优势非常明显。然而塔架开孔位置也是最容易出现破坏的位置之一，因而如何保证侧壁孔洞处的塔筒强度、塔筒的稳定性、孔洞支撑结构的设计、制造及安装的经济性、电缆布局合理性至关重要。在目前国内外很少有侧壁开孔设计规范的背景下，本文的研究工作为侧壁开孔塔架的实际设计提供了有意义的参考。

关键词：全新理念;电缆击穿;侧壁开孔;稳定性;经济性

中图分类号：TH213.3 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）22-0067-02

1 绪论

1.1 研究背景

风力发电作为可再生的清洁能源，被许多国家越来越多的利用和认可，风力发电前景广阔。如在2015年中国新增风电装机容量3050万千瓦，同比上升31.5%，预计2020年将达到25000万千瓦。可以预见，在环境保护日益重要的今天，中国将持续并大力推广风力发电这种绿色能源，并将成为世界上风力发展最令人瞩目的国家之一。同时，风机开发阶段及投入使用后，保证风机结构的综合经济性，风机运行的稳定性，减轻设备的检修、维护和保养工作量至关重要。

本文主要阐述了通过塔筒侧壁开洞方式，箱变低压侧电缆出塔筒后不进行铺设直接连接箱变，保证了电缆电势的稳定、降低了施工的难度，节约成本，便于维护。通过风机的机型确定箱变低压侧电缆的型号及数量，确定电缆的走向布局及折弯半径等数据。分析不同工况下塔架开孔处的极限强度、屈曲强度、疲劳强度，确保孔洞加强结构的安全性。确认塔架开孔对载荷分布的影响，保证开孔后塔架自身强度满足要求[1]。同时设计并优化孔洞加强结构、电缆桥架、电气布局等结构参数，满足相应功能要求。保证孔洞加强结构及其他附件结构制造、安装、维护的经济性与合理性。

1.2 塔架相关组成介绍

塔架是风力发电机的支撑结构。风速随着离地面的高度增加而增加，对不同的风电场而言，选择合适的的塔架高度会增加发电量。同时，塔架是进入风力发电机的通道，能够容纳电缆及相关电气部件。机舱内发电机产生的电流通过电缆线进入塔筒底部平台放置的控制柜。由于风力发电机的位置距离负荷中心较远，其所产生的电能为交流690V。要将风力发电机组产生的电能输送到较远的距离必须通过箱式变压器进行升压，箱式变压器安装在风机塔筒外部的底面上[2]。风机变流柜输出的电能通过低压电缆，一般采用埋管敷设的方式连接箱变。

2 项目研究详情

由于河北大名、河北临西、河北肥乡、河南获嘉四个风电场项目机位点布局情况复杂，征地面积、土地指标及勘界限制，同时为了解决电缆埋设标准不统一，工艺粗糙的问题，节约电缆材料成本，降低网侧电缆选型要求，解决施工难度及后期维护问题，该项目采用塔筒侧壁开洞，出塔筒后不进行埋地铺设直接连接箱变方案。通过塔筒侧壁开洞的方式，改变传统埋管敷设方式，原则上新的塔筒电缆路径选择应使电缆不易受到机械性外力，过热，腐蚀等危害，要便于维护，在满足安全条件下，使电缆路径最短。同时，电缆采用侧壁开洞的方式走线，在其全部路径条件的上下左右改变部位，均应满足电缆允许的弯曲半径要求。电缆的最小允许弯曲半径数值参照GB 50217-2007电力工程电缆设计规范相关要求执行。

2.1 确定低压侧电缆型号及数量

该项目采用的风机机型为：GW131-2200和GW131-2300机型混排。低压侧电缆采用8根ZR-YJY23-0.6/1-3*240mm2+1*120mm2型铜芯电缆。低压侧电缆的最小弯曲半径为1.2米。

2.2 初步确定侧壁开洞尺寸规格

根据风机机型确定之后的低压侧电缆型号、数量，电缆的最小弯曲半径确定塔筒侧壁开洞位置及尺寸规格。

2.3 开洞后塔筒强度分析

2.3.1 静强度分析

塔筒的结构静力设计是设计承力构件的截面或连接件，使其能具有抵抗极端破坏的能力，主要包含结构的静强度和刚度两项性能指标设计，是其它设计环节的基础。利用第四强度理论，通过输入塔筒每段的极限弯矩、极限轴力和附加弯矩计算出对应的正应力，然后通过输入每段的极限扭矩和极限剪力，计算对应的切应力，最后得到等效应力设计值[3]。

2.3.2 塔筒屈曲分析

塔架发生屈曲是指当塔架承受的载荷超过某一临界值（又称为失稳载荷），塔架突然失去原有平衡或几何形状的现象。理想的失稳荷载是塔架结构在理想条件下基于线弹性理论确定的最小分叉荷载，对应的应力称为理想失稳临界应力。但是实际的工程结构受到几何缺陷、结构缺陷以及材料非弹性行为等影响，实际情况与理想情况不完全一致，需要通过修正理想失稳临界应力而获得实际的失稳临界应力[4]。计算屈曲之前判断是否需要轴向屈曲，针对塔筒中的锥段需要计算其等效长度和等效半径。

2.3.3 塔筒疲劳分析

塔架的材料、零件和構件的抗疲劳能力，是指在变载荷作用下，抵抗疲劳断裂破坏的能力。持续作用在塔架上的疲劳载荷，由众多载荷循环构成，每一循环都会给塔架造成一定的损伤，损伤量随着循环次数的增加而累积。塔架疲劳寿命设计针对筒壁焊缝、孔洞等进行。目前通用的塔架疲劳设计方法，采用Miner损伤理论，再考虑焊缝特征（焊接型式、焊接质量等）、结构特征和生产工艺等因素，设计出在设计年限内、累积损伤满足要求的塔架。焊缝疲劳计算步骤包括（线性累积损伤理论）：得到载荷的Markov矩阵，计算S-N曲线，计算疲劳损伤。塔筒法兰螺栓疲劳计算包括计算螺栓拉力，得到载荷的Markov矩阵，计算S-N曲线，计算疲劳损伤[5]。

2.4 孔洞处强度分析

计算塔架孔洞处的极限强度，分析塔架开孔对载荷分布的影响。对孔洞加强结构强度评估，包括全工况下极限强度的分析及损伤评估。根据第四强度理论结果，应力为367MPa，位移为2.28mm，依据工程规范，采用线性插值的方法对此值修正后满足要求。

2.4.1 相关接口参数信息输入

（1）初步确定低压侧电缆型号及数量及侧壁开洞位置、尺寸规格。（2）箱变需求。箱变需求包括厂家、规格型号、详细图纸及三维模型，能反映出箱变的外形尺寸，安装尺寸，最大检修部件，吊装高度要求，进出线位置，接口，电气原理图，物料清单，冷却系统管路连接方式，接口等详细信息。（3）高压柜需求。高压柜需求包括厂家、规格型号、详细图纸及三维模型，能反映出高压柜的外形尺寸，安装尺寸，检修距离，安全通道要求，进出线位置，接口，电气原理图，物料清单等信息。（4）箱变散热方式。确定箱变采用的散热方式如水冷或风冷。箱变散热器的外形尺寸，安装尺寸，进出线，水管，水泵，管路的连接关系，电气原理图，物料清单等信息。（5）确定视频监控系统、自动消防系统等参数。

2.4.2 侧壁开孔结构设计

根据确定后的电气输入参数及强度计算结果进行塔筒侧壁开孔结构的设计，侧壁开孔结构中心面与塔筒门正中心平面呈90度，根据已确定的箱变位置确定。侧壁开孔结构中心距离塔筒底法兰距离为1140mm，考虑到低压侧电缆的折弯半径，方便低压侧电缆的布线。

侧壁开孔结构是由线缆孔加强板、出孔加强筋隔板及孔围边构成，其中线缆孔加强板的厚度、尺寸及伸出筒壁的尺寸依据强度分析结果、出孔加强筋隔板中电缆孔的分布依据电气输入参数、孔围边的尺寸大小依据电缆的直径。

侧壁开孔相关其他附件的设计也将作为一个整体独立系统，进行三维协同设计，保证总体规划，综合考虑系统布局、布线，提高附件设计的准确度、集成化、规范化及稳固性。

3 结语

本文主要阐述了风机塔筒侧壁开孔的方案的设计过程，根据项目具体的机型确定低压侧电缆型号及数量、确定侧壁开洞尺寸规格，同时设计过程中综合考虑接口参数信息输入，如箱变需求、高压柜需求、视频监控系统、自动消防系统等参数。在强度分析方面，要分析塔筒开孔后的极限强度、屈曲强度、疲劳强度的校核，孔洞加强结构的极限强度及结构的优化设计。侧壁开孔结构及相关附件设计作为一个整体的系统，综合考虑系统布局、布线，塔筒及相应加强板、隔板、桥架等附件的制造及安装，提高附件设计的规范化、精确度及经济性。

风机塔筒侧壁开孔结构和电气布局实现塔筒侧壁开洞线缆走线直接连接箱变，节约电缆材料成本，降低网侧电缆选型要求，解决施工难度及后期维护问题;同时，侧壁开孔结构能够保证塔架运行的稳定性与安全性。对于相同兆瓦级机组网侧电缆塔壁侧壁出线，直接进入箱变，降低电缆的选型要求，可以选用非铠装电缆，减少了竖直埋地电缆长度，节约成本，减少征地面积，勘界限制，便于后期维护，为后续侧壁开孔的塔架的实际设计提供了有意义的参考。

参考文献

[1] 韩军杰，胥勇.风电钢制塔架中开孔去除体积部分的重量计算探讨[J].CAD/CAM与制造业信息化，2013（06）：78-80.

[2] 范文.浅谈风轮机的设计与选型[J].中国科技博览，2011（36）：122-123.

[3] 李斌，高春彦.大型风力发电机锥台型塔筒的受力性能分析与优化设计[C]//第22届全国结构工程学术会议论文集第Ⅱ册.2013.

[4] GB/T 1591-2008，低合金高強度结构钢[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.