河床式水電站高壓配電裝置布置及振動分析

向重平， 韓 燕

(四川省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610072)

0 前 言

伴隨著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展,高壓配電裝置逐步改進(jìn)了分相中型、高型、半高型等屋外配電裝置和110～220 kV屋內(nèi)配電裝置,使得設(shè)計(jì)更為經(jīng)濟(jì)、合理。高壓配電裝置的布置是整個(gè)水電站設(shè)計(jì)中的核心部分，設(shè)計(jì)原則應(yīng)滿足：一是做到切合實(shí)際、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理；二是要注意充分利用地形、因地制宜，布置力求整齊、簡單、緊湊。高壓配電裝置的布置位置還應(yīng)結(jié)合安裝、檢修運(yùn)輸、消防通道、進(jìn)線出線、防火防爆要求確定；盡量靠近廠房，以縮短昂貴的發(fā)電機(jī)電壓母線長度，減小電能損失和故障機(jī)會，并滿足防火、防爆、防雷、防水霧和通風(fēng)冷卻的要求，安全可靠；盡量與安裝間在同一高程上，便于主變壓器的運(yùn)輸、安裝和利用軌道推進(jìn)廠房的安裝間進(jìn)行檢修；變壓器的運(yùn)輸和高壓側(cè)出線要方便，且變壓器之間要留必要空間。高程應(yīng)高于下游最高洪水位，且四周設(shè)置排水溝。

根據(jù)電站的不同形式，高壓配電裝置的布置位置也不同。河床式廠房，由于尾水管較長，可將升壓變壓器布置在尾水平臺上，這時(shí)尾水平臺的寬度，應(yīng)使高壓設(shè)備在檢修移出時(shí)符合最小安全凈距的要求。引水式地面廠房，升壓站場可能的位置是廠房的一端進(jìn)廠公路旁、尾水渠旁、廠房上游側(cè)或尾水平臺上。壩后式廠房，可以利用廠壩之間的空間布置升壓變壓器。由于地形和場地的限制，個(gè)別水電站將主變壓器布置在廠房頂上，地下廠房的主變壓器可布置在地下洞室內(nèi)。

安谷水電站為河床式電站，水電站尾水平臺具備布置高壓配電裝置的條件，通過對尾水平臺上布置高壓配電裝置后各部分相關(guān)的固有振動頻率的分析研究，解決了河床式水電站的開關(guān)站布置問題，因此避免了GIS開關(guān)站布置在岸邊必須增大土石方和高邊坡開挖及發(fā)電機(jī)電壓母線等的工程投資，對工程建設(shè)具有一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和推廣意義。

1 工程概述

安谷水電站工程是大渡河干流梯級開發(fā)中的最后一級，壩址位于樂山市安谷河段的生姜坡，距上游沙灣水電站約35 km，下游距樂山市區(qū)約15 km，有省道S103從樞紐區(qū)左岸通過，對外交通較方便。工程采用混合開發(fā)方式，即建壩壅水高20.0 m，河床式廠房，廠后接長約9 461 m的尾水渠，尾水渠利用落差15.5 m。

安谷水電站工程的開發(fā)任務(wù)為發(fā)電、防洪、航運(yùn)、灌溉和供水等。電站裝機(jī)容量772 MW，正常蓄水位398.0 m，正常蓄水位以下庫容6 330萬m3。其中大機(jī)組4×190 MW，額定水頭33.0 m，設(shè)計(jì)引用流量2 576.0 m3/s，年利用小時(shí)數(shù)4 023 h，多年平均發(fā)電量30.58億kW·h，保證出力193 MW；小機(jī)組1×12 MW，額定水頭21m，設(shè)計(jì)引用流量64.9 m3/s，年利用小時(shí)數(shù)7 235 h，多年平均發(fā)電量0.87億kW·h，保證出力10 MW。電站采用一級混合開發(fā)方式，即建壩壅水高20.0 m，河床式廠房，廠后接長約9 461 m的尾水渠，尾水渠利用落差15.5 m。

安谷水電站的主接線方式：五臺機(jī)組與五臺變壓器各接成發(fā)電機(jī)-變壓器單元接線，1～4號機(jī)各經(jīng)一臺SFP11-220000/220 kVA的主變壓器由發(fā)電機(jī)電壓13.8 kV升壓至220 kV；5號機(jī)經(jīng)一臺SF11-15000/220 kVA的主變壓器由發(fā)電機(jī)電壓10.5 kV升壓至220 kV。220 kV出線共2回，送至南天變電站。220 kV側(cè)選用的為戶內(nèi)SF6氣體絕緣組合電器設(shè)備(GIS)。

2 高壓配電裝置布置位置的選擇

根據(jù)廠區(qū)樞紐圖，高壓設(shè)備布置位置可選擇在廠房右岸(左岸為沖砂泄洪閘)或尾水平臺上。下面就兩個(gè)布置方案進(jìn)行分析比較。

方案一：高壓設(shè)備布置在廠房右岸。根據(jù)四川省交通廳2001年6月編制的《四川省內(nèi)河航運(yùn)發(fā)展規(guī)劃》(2002-2050)，安谷水電站尾水渠出口在鷹咀巖河段上游約700 m處，船閘航道與尾水渠結(jié)合，故廠房右岸預(yù)留有60 m船閘位置，加上上壩公路的距離，220 kV高壓設(shè)備可布置在距離廠房約70 m避開陡坡的開闊地帶。機(jī)組與主變設(shè)備通過離相封閉母線連接，母線沿水輪機(jī)層廊道至廠房端部，下引，通過船閘底部的母線廊道，穿過船閘與布置在GIS樓底層的變壓器連接。GIS樓布置在右岸開闊位置，尺寸為132 m×12 m。出廠區(qū)后的母線廊道位于船閘底部，船閘最低航道水位為355.102 m。

安谷電站四臺大機(jī)共4套三相分離式封閉母線，每相母線的外徑約為850 mm，間距為1 400 mm，從盡量減少工程量的角度考慮，四臺機(jī)分成2組，每組母線采取同平面、高程錯(cuò)開的布置方式。根據(jù)該布置方式，母線廊道尺寸(寬×高)為12 m×6 m。

方案二：高壓配電裝置布置于尾水平臺上。機(jī)組與主變設(shè)備通過三相分離式封閉母線連接，主變水平位置與機(jī)組出線軸方向位置保持一致。各臺機(jī)組母線沿水輪機(jī)層廊道頂部引至下游側(cè)墻面，沿預(yù)留的母線孔上引與變壓器連接。

兩個(gè)方案進(jìn)行比較，技術(shù)方面：方案一的母線廊道過長，母線引接距離遠(yuǎn)，且廊道需穿過船閘底部，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，環(huán)境潮濕，設(shè)備長期運(yùn)行在該環(huán)境下，容易引發(fā)故障，不利于電站的長期穩(wěn)定運(yùn)行。方案二則沒有相關(guān)影響；經(jīng)濟(jì)方面：方案一投資遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于方案二。

綜上所述，方案一是較優(yōu)的(見表1)。

表1 方案一、二經(jīng)濟(jì)比較 萬元

注：以方案2為基準(zhǔn)。

3 振動分析

3.1 概述

尾水平臺最常見的水力振動是尾水管渦帶引起的壓力脈動。電站在運(yùn)行時(shí)也常常不能有效避開不利運(yùn)行工況點(diǎn)，導(dǎo)致運(yùn)行中尾水管出現(xiàn)振動。安谷水電站的220 kV高壓設(shè)備布置于尾水平臺，發(fā)電時(shí)，機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)勢必會帶來尾水平臺產(chǎn)生一定的振動，從而成為一個(gè)持續(xù)振動源。高壓設(shè)備在日常運(yùn)行中也有其固有的振動頻率。一旦設(shè)備的固有頻率與該持續(xù)振動源的振動頻率重疊，就會引發(fā)共振，對設(shè)備及主體結(jié)構(gòu)帶來破壞性損害，因此必須對高壓設(shè)備的運(yùn)行工況進(jìn)行分析，杜絕該類現(xiàn)象的發(fā)生。要避開共振情況，首先要對設(shè)備的固有頻率進(jìn)行分析計(jì)算。

3.2 主變、GIS固有振動頻率分析

對設(shè)備的固有振動頻率的分析，其中一種方法就是進(jìn)行模態(tài)分析。模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動力特性一種近代方法，是系統(tǒng)辨別方法在工程振動領(lǐng)域中的應(yīng)用。模態(tài)是機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動特性，每一個(gè)模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。這些模態(tài)參數(shù)可以由計(jì)算或試驗(yàn)分析取得。

3.2.1 GIS固有振動頻率分析

要對GIS固有頻率進(jìn)行分析計(jì)算，首先要對GIS設(shè)備進(jìn)行建模。建模步驟如下：

(1)采用三維顯示的梁單元建立GIS主要構(gòu)件模型；

(2)并使用約束方程連接GIS主體結(jié)構(gòu)和支撐件，構(gòu)成GIS設(shè)備的有限元模型；

(3)根據(jù)GIS主體結(jié)構(gòu)及支撐部件的材料特性，建立GIS各部件的有限元模型；

(4)設(shè)置邊界條件：限制所有同地面連接的節(jié)點(diǎn)的所有自由度，包括所有方向的位移和轉(zhuǎn)動自由度。

建模完成后取75個(gè)模態(tài)，即從基頻開始的75階的變量。取對應(yīng)該結(jié)構(gòu)的X、Y、Z方向的自然頻率，得出頻率和對應(yīng)的模態(tài)質(zhì)量以及各階的模態(tài)變形，采用MIDAS軟件計(jì)算后最終得出GIS的固有頻率(見表2)。

表2 GIS的固有頻率 Hz

3.2.2 主變固有振動分析

主變的振動一般來自以下幾方面：

(1)硅鋼片的磁滯收縮引起的鐵芯振動；

(2)硅鋼片連接處和疊片之間存在因漏磁而產(chǎn)生的電磁吸引力，從而引起鐵芯振動；

(3)當(dāng)繞組中有負(fù)載電流通過時(shí)，負(fù)載電流產(chǎn)生的漏磁引起繞組、油箱等振動。

根據(jù)主要引起振動的因素，對變壓器進(jìn)行ANSYS系統(tǒng)建模。模型采用三維實(shí)體單元，對變壓器各部件進(jìn)行有限元分塊建模，附帶邊界條件，完成模型計(jì)算，得出變壓器本體的低階固有振動頻率約為14.77 Hz。

4 機(jī)組部分振動分析

針對安谷水電站高壓設(shè)備布置于尾水平臺的特殊性，西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院進(jìn)行詳細(xì)的研究計(jì)算后，提出了《安谷水電站廠房變壓器設(shè)備基礎(chǔ)振動復(fù)核研究報(bào)告》。報(bào)告針對電站特殊的布置情況，對廠房的線性三維有限元計(jì)算進(jìn)行了重新建模。模型主要對副廠房樓板、變壓器及GIS設(shè)備基礎(chǔ)進(jìn)行了調(diào)整，并針對副廠房變壓器、GIS設(shè)備支承樓板等局部結(jié)構(gòu)自振特征，選取了局部模型進(jìn)行自振特性計(jì)算，結(jié)論見表3、4。

表3 下游GIS支承樓板自振頻率 Hz

表4 下游主變支承樓板自振頻率 Hz

5 結(jié) 論

通過模型數(shù)據(jù)可以得出以下結(jié)論：下游變壓器支承樓板自振其中第一階頻率為25.83 Hz。變壓器本體第一階自振頻率為14.77 Hz(SFP11-220000/220型)，錯(cuò)開度較大，不會有發(fā)生變壓器與支承樓板共振的可能性。此外，機(jī)組動荷載作用頻率為1.47 Hz(正常運(yùn)行工況)，變壓器頻率與支承樓板頻率相對機(jī)組動荷載激勵頻率均錯(cuò)開較大，所以，支承樓板與機(jī)組振動激勵荷載發(fā)生共振的可能性也很小。

下游變壓器支撐樓板第一階頻率為8.99 Hz，而GIS設(shè)備本體豎向第一階自振頻率為28.49 Hz，錯(cuò)開度較大，一般不會有GIS設(shè)備與支承樓板共振的可能性。此外，機(jī)組動荷載作用頻率為1.47 Hz(正常運(yùn)行工況)，GIS設(shè)備支承樓板頻率相對機(jī)組動荷載激勵頻率錯(cuò)開較大，所以，支承樓板與機(jī)組振動荷載發(fā)生共振的可能性也很小。

通過上述分析論證，安谷電站中高壓配電裝置布置于尾水平臺后，與水工建筑物產(chǎn)生共振的幾率很小，方案是可行且安全的。為了進(jìn)一步減少主體建筑物長期振動而可能帶來的設(shè)備本身結(jié)構(gòu)的危害，高壓配電裝置還應(yīng)采取以下一些抗振措施：

(1)增加鐵芯撐條數(shù)量，增大線圈內(nèi)紙筒與鐵芯的有效解除面積；控制套裝間隙，保證線圈軸線圈油道墊塊進(jìn)行密壓工藝處理，以保證線圈軸向緊實(shí)；

(2)提高油箱強(qiáng)度，調(diào)整并加強(qiáng)受力部位的結(jié)構(gòu)和數(shù)量，減小集中，提高油箱焊縫強(qiáng)度；

(3)GIS各部件連接螺栓采取適當(dāng)合理的防松措施；

(4)在GIS基礎(chǔ)部位增加隔振部件；

(5)在主變及GIS安裝在線檢測系統(tǒng)，對設(shè)備運(yùn)行中的工況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

安谷水電站首臺機(jī)組于2014年10月發(fā)電，至2015年9月四臺機(jī)組(包括生態(tài)機(jī)組)已全部投產(chǎn)運(yùn)行，目前運(yùn)行狀況良好，檢測到的相關(guān)振動參數(shù)也在安全范圍內(nèi)。

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