水電站尾水平臺(tái)低頻振動(dòng)對(duì)GIS設(shè)備的影響

孫科

[摘? ? 要]布置在尾水平臺(tái)上的GIS設(shè)備會(huì)受到尾水管低頻振動(dòng)的影響，通過(guò)實(shí)測(cè)振動(dòng)數(shù)據(jù)及計(jì)算GIS設(shè)備振動(dòng)模型，分析設(shè)備受影響程度，并提出針對(duì)性抗振設(shè)計(jì)和保護(hù)措施。

[關(guān)鍵詞]尾水平臺(tái);GIS;低頻振動(dòng);振動(dòng)模型

[中圖分類號(hào)]TV737 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2022）02–00–03

Impact of the Hydropower Station Tailrace Platform

Low-Frequency Vibration on GIS Equipment

Sun Ke

[Abstract]Layout on the tailrace platform of GIS equipment are influenced by the tailrace low-frequency vibration. Based on measured vibration data and calculation of the GIS equipment vibration model， analyze the impact of the device. And targeted vibration-proof design and protective measures are put forward in the feasibility study.

[Keywords]tailrace platform; GIS; Low-frequency vibration; vibration model

將氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備（GIS）布置在河床式水電站廠房尾水平臺(tái)上，需要考慮尾水管振動(dòng)對(duì)GIS設(shè)備的影響。國(guó)內(nèi)外對(duì)水電站廠房、尾水平臺(tái)、機(jī)組的振動(dòng)有不同程度的研究，如尾水管壓力振動(dòng)的研究及控制、混流式機(jī)組的振動(dòng)和貫流燈泡機(jī)組的振動(dòng)等，但尾水平臺(tái)的振動(dòng)對(duì)GIS的影響問(wèn)題，尚未有專門研究和解決方案

GIS設(shè)備采用SF6氣體作為絕緣介質(zhì)。如果SF6氣體組合電氣設(shè)備發(fā)生異常振動(dòng)，可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備機(jī)械性能損壞。具有破壞性的振動(dòng)大多數(shù)是由共振引起的，共振使設(shè)備結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大的危險(xiǎn)應(yīng)力，甚至破壞。為此，設(shè)備振動(dòng)原因的分析及采取正確的消除方法至關(guān)重要。

1 尾水平臺(tái)振動(dòng)規(guī)律和特性分析

1.1 尾水管振動(dòng)

水輪發(fā)電機(jī)組在部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，在尾水管中有時(shí)出現(xiàn)一種不穩(wěn)定流的渦帶現(xiàn)象，在轉(zhuǎn)輪出口形成渦流運(yùn)動(dòng)，它是水輪機(jī)功率擺動(dòng)、機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分及尾壁低頻振動(dòng)和噪音的主要根源，尤其在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，往往出現(xiàn)較大的振動(dòng)聲。

渦帶引起的壓力脈動(dòng)頻率與渦帶的頻率相同，渦帶頻率在尾水管中各處都是一樣的。尾水管渦帶所造成的壓力脈動(dòng)頻率，與許多因素有關(guān)，通常采用雷崗斯經(jīng)驗(yàn)公式（1）：

f渦（Hz） （1）

式中n為機(jī)組轉(zhuǎn)速，r/min;b為系數(shù)，b=2～6，通常b=3～4;fn為機(jī)組旋轉(zhuǎn)頻率，簡(jiǎn)稱轉(zhuǎn)頻，Hz。

不同的運(yùn)行工況點(diǎn)下，尾水管所受脈動(dòng)壓力變化很大，脈動(dòng)幅值變化也較大，壓力脈動(dòng)頻率變化卻不大，壓力脈動(dòng)的頻率在不同工況下都為低頻。

1.2 尾水管振動(dòng)實(shí)測(cè)

據(jù)國(guó)內(nèi)外一些試驗(yàn)結(jié)果表明，尾水管渦帶壓力脈動(dòng)相對(duì)振幅在2%～20%，其中實(shí)心渦帶相對(duì)振幅小于10%，空腔渦帶相對(duì)振幅可達(dá)20%，在此范圍內(nèi)，低水頭機(jī)組相對(duì)振幅偏高，高水頭機(jī)組偏低。尾水管中，測(cè)點(diǎn)不同，所測(cè)得的壓力脈動(dòng)幅值不同。

根據(jù)已有的部分研究成果顯示，國(guó)內(nèi)8座水電站的尾水管振動(dòng)實(shí)測(cè)值見(jiàn)表1[1]。

基于此問(wèn)題對(duì)已建成運(yùn)行的多座水電站尾水平臺(tái)、廠房的振動(dòng)情況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量分析。

1.2.1 XM水電站

該電站機(jī)組轉(zhuǎn)速n=83.3 r/min，尾水頻率估算根據(jù)式（2）：

f渦0.23～0.69 Hz （2）

因此信號(hào)統(tǒng)計(jì)分析可得尾水渦帶頻率帶在0.23 ～0.69 Hz。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

1.2.2 GQ水電站

該電站機(jī)組轉(zhuǎn)速n=83.3 r/min，尾水頻率估算根據(jù)式（3）：

f渦0.23～0.69 Hz （3）

因此信號(hào)統(tǒng)計(jì)分析可得尾水渦帶頻率帶在0.23 ～0.69 Hz。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。

1.2.3 SXG水電站

該電站機(jī)組轉(zhuǎn)速n=88.2 r/min，尾水頻率估算根據(jù)式（4）：

f渦0.245～0.735 Hz （4）

因此信號(hào)統(tǒng)計(jì)分析可得尾水渦帶頻率帶在0.245 ～0.735 Hz。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果如下表4。

以上實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，水電站尾水平臺(tái)振動(dòng)頻率較低，在0.24～1.94Hz之間;振動(dòng)幅值較小，在0.02～2.3mm。這些水電站在運(yùn)行中，也未發(fā)生因尾水平臺(tái)振動(dòng)損壞設(shè)備的情況。

2 GIS振動(dòng)模型計(jì)算及分析

2.1 振動(dòng)模型

通過(guò)與GIS廠家合作，針對(duì)典型布置方式設(shè)備抗振能力進(jìn)行了模擬研究和結(jié)果分析。設(shè)備振動(dòng)模型采用底座與地面固結(jié)方式，考慮主要部件及其重量分布、材料特性（包含彈模、波松比、抗拉強(qiáng)度、屈服應(yīng)力、疲勞強(qiáng)度、地震時(shí)容許應(yīng)力）、瓷套和膠裝的截面

等[2-4]。

根據(jù)所提供的三個(gè)水電站尾水平臺(tái)、廠房振動(dòng)實(shí)測(cè)結(jié)果，取檢測(cè)數(shù)據(jù)的最大值，振動(dòng)幅值為2.3 mm，根據(jù)公式（5）。

（5）

其中：ω為圓頻率，取結(jié)構(gòu)的基頻18.84 RAD/SEC;D為振動(dòng)幅值，取2.3 mm;A為加速度。

計(jì)算可得振動(dòng)幅值為2.3 mm對(duì)應(yīng)的加速度峰值為0.083 25 g。

根據(jù)《GB/T13540—2009，高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備的抗震要求》，風(fēng)速為10 m/s。風(fēng)荷載分別作用在X向和Y方向上。

根據(jù)三個(gè)水電站的尾水平臺(tái)、廠房振動(dòng)測(cè)量報(bào)告，計(jì)算振動(dòng)載荷。然后用振型疊加反應(yīng)譜法對(duì)安裝在尾水平臺(tái)上的GIS設(shè)備進(jìn)行綜合抗振能力分析。綜合考慮檢測(cè)得到的尾水平臺(tái)振動(dòng)量以及風(fēng)載荷，對(duì)這兩種載荷共同作用時(shí)的抗振能力進(jìn)行安全分析與評(píng)價(jià)。

2.2 模型計(jì)算

有限元模型計(jì)算結(jié)果如圖1～2。

2.3 計(jì)算分析

從有限元模型計(jì)算動(dòng)位移分析結(jié)果看，結(jié)構(gòu)有可能出現(xiàn)損害;但是從加速度振幅分析結(jié)果看，該設(shè)備應(yīng)處于振動(dòng)安全狀態(tài)。

3 GIS尾水平臺(tái)布置的抗振設(shè)計(jì)和措施

對(duì)于布置在尾水平臺(tái)上的GIS設(shè)備，為了盡量避免尾水管低頻振動(dòng)對(duì)GIS設(shè)備造成破壞，可以在GIS設(shè)備設(shè)計(jì)及安裝的過(guò)程中采取一些切實(shí)可行的設(shè)計(jì)方法和措施，盡量減小振動(dòng)帶來(lái)的影響。

（1）在設(shè)計(jì)階段對(duì)尾水平臺(tái)的振動(dòng)進(jìn)行預(yù)測(cè)和控制，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面進(jìn)行抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（2）采取適當(dāng)?shù)拇胧┩ㄟ^(guò)適當(dāng)減少補(bǔ)氣量，達(dá)到緩解壓力脈動(dòng)的目的，以緩解尾水平臺(tái)的振動(dòng)情況

（3）對(duì)GIS設(shè)備本身而言，可以通過(guò)調(diào)整GIS設(shè)備開(kāi)關(guān)、管道母線的跨距等，使設(shè)備和導(dǎo)體的固有頻率避開(kāi)尾水平臺(tái)振動(dòng)的主要頻率范圍。

（4）對(duì)振動(dòng)傳播過(guò)程阻隔，對(duì)振動(dòng)能量進(jìn)行吸收，在GIS設(shè)備下方設(shè)置一些具有一定質(zhì)量的隔振材料，在母線與設(shè)備的聯(lián)接段設(shè)置伸縮節(jié)，隔斷振動(dòng)波的擴(kuò)散，消除振動(dòng)源傳遞到GIS設(shè)備能量。

4 結(jié)論

（1）水電站尾水管振動(dòng)理論分析可知，其主要表現(xiàn)為低頻渦帶振動(dòng)，且頻率一般低于6 Hz。實(shí)測(cè)振動(dòng)數(shù)據(jù)應(yīng)證尾水平臺(tái)振動(dòng)頻率較低，在0.24～1.94Hz;振動(dòng)幅值較小，范圍在0.02～2.3mm。

（2）通過(guò)對(duì)GIS設(shè)備的抗振能力進(jìn)行模擬研究表明，在尾水平臺(tái)低頻振動(dòng)下有可能出現(xiàn)損害，需進(jìn)行相應(yīng)的驗(yàn)證計(jì)算，如有需要可采取相應(yīng)的抗振設(shè)計(jì)和措施。

（3）在GIS設(shè)備設(shè)計(jì)及安裝的過(guò)程中，使GIS的自振頻率錯(cuò)開(kāi)尾水渦帶頻率和尾水平臺(tái)建筑物的低頻振動(dòng)頻率，并采取GIS設(shè)備支撐部位安裝防振墊隔絕振動(dòng)波等措施，使得布置在尾水平臺(tái)上的GIS設(shè)備處于振動(dòng)安全狀態(tài)。

參考文獻(xiàn)

[1] 張大本等.混流式水輪機(jī)尾水管渦帶引起的水力振動(dòng)[M].廣西：廣西電力技術(shù)，1996.

[2] 徐灝.疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1981.

[3] 高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備的抗震要求：GB/T13540—2009[S].

[4] 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范：GB50009—2001[S].