GIS分支母線防風(fēng)性能研究

吳 軻，郭約法，劉國兵，潘 維，樊健斌

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司東莞供電局，廣東 東莞 523000）

廣東電網(wǎng)目標(biāo)網(wǎng)架建設(shè)工程中的柔直背靠背換流站是核心工程，站內(nèi)設(shè)備的安全穩(wěn)定可靠運(yùn)行是保證換流站異步聯(lián)網(wǎng)的重要保障。在中、南通道土地資源緊張的客觀條件下，為了保證設(shè)備間的安全電氣連接，換流站交流側(cè)線路需要采用氣體絕緣封閉輸電線路。

目前來看，GIL、GIS分支母線都適用于緊湊型換流站布置。而GIL在近年來的國產(chǎn)化使用中出現(xiàn)了不同程度的運(yùn)行問題，“中國南方電網(wǎng)公司反事故措施（2019年版）”針對(duì)GIL設(shè)備提出了“謹(jǐn)慎使用”的建議。而GIS分支母線能夠滿足運(yùn)行需求且在國網(wǎng)多個(gè)換流站中都有采用，目前來看運(yùn)行情況良好，因此在中南通道工程擬采用GIS分支母線方案。

為了分析論證大風(fēng)和微風(fēng)振動(dòng)等氣候地理的復(fù)雜性對(duì)中、南通道換流站GIS分支母線的影響，需要對(duì)防風(fēng)性能進(jìn)行仿真計(jì)算[1-2]。同時(shí)，本文得到的規(guī)律性結(jié)論同樣適用于相同電壓等級(jí)的新建GIS分支母線的工程設(shè)計(jì)，也為后續(xù)工程中GIS分支母線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)給出參考性方案。

岳希明等[3]對(duì)一種四通管在工作壓力下的工作壓力進(jìn)行了數(shù)值仿真。研究發(fā)現(xiàn)，在箱形箱梁與箱梁的交叉點(diǎn)處，軸向受力最大。模擬計(jì)算與實(shí)際測量的殼內(nèi)應(yīng)力基本吻合，驗(yàn)證了采用有限元模擬技術(shù)進(jìn)行母線筒的模擬是可行的。張相庭[4-5]對(duì)橫向和順向風(fēng)向的振動(dòng)反應(yīng)進(jìn)行了細(xì)致的分析和探討。樓文娟等[6]利用風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)及計(jì)算方法，對(duì)高層建筑的橫向風(fēng)振反應(yīng)進(jìn)行了深入的研究。

綜上，現(xiàn)有的GIS抗風(fēng)性能分析不能充分了解母線的靜、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，不能達(dá)到防災(zāi)的水平，理論研究也不成熟。此外，上述研究大多使用理論數(shù)據(jù)來確定GIS的工作狀態(tài)，沒有實(shí)際的環(huán)境記錄，分析結(jié)果與實(shí)際情況存在偏差。本文調(diào)研站址所在水文地質(zhì)、氣象氣候等變量，并按最嚴(yán)苛情況仿真分析GIS分支母線在大風(fēng)等外力作用下的穩(wěn)定性能，以及微風(fēng)振動(dòng)、溫度應(yīng)力等影響因素對(duì)力學(xué)性能的影響，并得出規(guī)律性結(jié)論。結(jié)合地基沉降相關(guān)專題研究成果，通過有限元仿真分析判斷機(jī)械應(yīng)力是否滿足技術(shù)指標(biāo)，提出對(duì)GIS分支母線防沉降的針對(duì)性策略。

1 風(fēng)荷載的計(jì)算與氣象調(diào)研

根據(jù)工程初步設(shè)計(jì)方案，單通道GIS分支母線總長度約為1.2 km，采用戶外布置。影響GIS分支母線運(yùn)行可靠性的因素包括大風(fēng)和微風(fēng)振動(dòng)等外力影響。對(duì)于中通道換流站，由于GIS在戶外距離長，表面積大造成風(fēng)荷載大，多相間易形成氣流渦流互相影響，且在跨越聯(lián)接變地段需要通過門型構(gòu)架將GIS分支母線架至約12 m高，伸縮節(jié)等柔性部件成為了抗外力的薄弱環(huán)節(jié)，氣候地理的復(fù)雜性和布置方案都對(duì)GIS的運(yùn)行環(huán)境提出了更高的要求。

計(jì)算主要受力結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)根據(jù)以下公式計(jì)算

式中：wk是風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值；βz是高度z處的風(fēng)振系數(shù)；μs是風(fēng)荷載體形系數(shù)；μz是風(fēng)壓高度變化系數(shù)；w0是基本風(fēng)壓。高度的增加與周圍環(huán)境的變化會(huì)導(dǎo)致風(fēng)速不一樣，故必須對(duì)不同地形地貌、不同地域高度等有所規(guī)定，為了區(qū)別不同地域風(fēng)速或風(fēng)壓的大小，可根據(jù)地面粗糙度的類型確定風(fēng)壓高度的變化系數(shù)，分為A類指近海；B類指田野；C類指建筑群密集；D類指建筑物密集而且房屋高大。例如，同樣是高度為5 m，地面粗糙度A類的風(fēng)壓為1.17，地面粗糙度B類的風(fēng)壓為1.00，地面粗糙度C類的風(fēng)壓為0.74，地面粗糙度D類的風(fēng)壓為0.62。

對(duì)于未給出基本風(fēng)壓的區(qū)域，在建筑時(shí)，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)仫L(fēng)速數(shù)據(jù)計(jì)算基本風(fēng)速，然后根據(jù)以下公式轉(zhuǎn)換為基本風(fēng)壓

式中：w為基本風(fēng)壓；ρ為空氣密度；g為重力加速度；v為風(fēng)速；y為空氣容量。

在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，設(shè)空氣容量，γ=0.012 018 kN/m3，g=9.81 m/s2，則在一般情況下，常取

站址位于廣東省東莞市沙田鎮(zhèn)西太隆村，直線距離西太隆村中心約0.5 km，東北側(cè)距離東莞市中心約20 km。站址東側(cè)緊鄰500 kV崇煥變電站，西北側(cè)緊鄰厚鏵橡膠廠，北側(cè)距離番莞高速（高架橋）約100 m，西面為東莞運(yùn)河，南面和東面為流經(jīng)的東引運(yùn)河支流包圍。變電站位于位于東莞市沙田鎮(zhèn)，地處珠江三角洲河網(wǎng)區(qū)，臨近南海，屬亞熱帶季風(fēng)氣候。光熱充足，氣候溫和，雨量充沛，但降雨量的年內(nèi)分配很不均勻，其中汛期的4—9月約占全年降雨量的82.3%，降雨多屬鋒面雨和熱帶氣旋雨。受季風(fēng)的影響，全年盛行偏東風(fēng)，年內(nèi)風(fēng)向隨季節(jié)轉(zhuǎn)換明顯，每年4—8月盛行東南風(fēng)，9月—次年3月盛行東北風(fēng)。夏、秋季節(jié)常受強(qiáng)烈熱帶風(fēng)暴的影響，是當(dāng)?shù)刂饕臑?zāi)害性天氣之一；而冬季則受北方強(qiáng)冷空氣的侵襲，會(huì)出現(xiàn)短暫的低溫霜凍現(xiàn)象。

根據(jù)東莞氣象站歷年觀測氣象資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得各氣象要素的特征值如下：多年平均氣壓為1 010.6 hPa；多年平均相對(duì)濕度為78%；多年平均大風(fēng)日數(shù)為2 d；多年平均風(fēng)速為2.0 m/s。10 m高度10 min平均最大風(fēng)速26.8 m/s，相應(yīng)風(fēng)向ESE，發(fā)生日期為1971年8月17日。

將從東莞氣象站收集到的歷年實(shí)測年最大風(fēng)速原始資料進(jìn)行代表性、可靠性和一致性審查，風(fēng)速高度訂正，觀測次數(shù)和風(fēng)速時(shí)距換算，統(tǒng)一訂正和換算為離地10 m高10 min平均最大風(fēng)速。采用極值Ⅰ型和P-III型分布進(jìn)行頻率計(jì)算，得到離地10m高50年一遇10min平均最大風(fēng)速27.2 m/s，風(fēng)壓系數(shù)取值1/1 600，由基本風(fēng)壓公式計(jì)算基本風(fēng)壓為0.46 kN/m2。

查GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》的全國基本風(fēng)壓圖和廣東省標(biāo)準(zhǔn)DBJ 15—101—2014《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，得站址區(qū)域50年一遇基本風(fēng)壓為0.65 kN/m2。根據(jù)《南方電網(wǎng)沿海地區(qū)100年一遇設(shè)計(jì)基本風(fēng)速分布圖（2018版）》，本工程位于10 m高50年一遇設(shè)計(jì)風(fēng)速為33 m/s的風(fēng)區(qū)，因此風(fēng)速按33 m/s計(jì)算。根據(jù)東莞氣象站累年全年風(fēng)向玫瑰圖可以看出，東莞站的全年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镋，風(fēng)向頻率為14%；次主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镹E，風(fēng)向頻率為10%；靜風(fēng)頻率為17%。

由東莞氣象站實(shí)測年最大風(fēng)速計(jì)算得到的風(fēng)壓結(jié)果略小于從GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》查得的離地10 m高50年一遇風(fēng)壓，主要原因是該氣象站自20世紀(jì)90年代以來觀測環(huán)境發(fā)生較大變化，周圍建筑物較多，屏蔽大風(fēng)狀況下的氣流，很難觀測到真實(shí)野外空曠環(huán)境下的最大風(fēng)速。為工程安全起見，站址處離地10 m高50年一遇風(fēng)壓取0.65 kN/m2，相應(yīng)離地10 m高50年一遇10 min平均最大風(fēng)速為32.2 m/s，地面粗糙度類別為B類。

綜合分析，對(duì)為工程安全起見，站址處離地10 m高50年一遇風(fēng)壓取0.68 kN/m2，相應(yīng)離地10 m高50年一遇10 min平均最大風(fēng)速為33 m/s，地面粗糙度類別為B類。

2 GIS套管和母線風(fēng)載響應(yīng)

以500 kV的GIS的戶外設(shè)備的其中一小部分進(jìn)行等效靜態(tài)風(fēng)載分析，以套管和母線為研究對(duì)象，運(yùn)用有限元分析方法，針對(duì)該地域離地高度為10 m處的情況，對(duì)500 kV的GIS的部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析，以重點(diǎn)關(guān)注套管在強(qiáng)風(fēng)下的風(fēng)載應(yīng)力響應(yīng)。

本次計(jì)算的模型主要有套管和母線GIS戶外部分結(jié)構(gòu)圖。通過對(duì)結(jié)構(gòu)的靜力分析，得到了結(jié)構(gòu)在強(qiáng)風(fēng)作用下相應(yīng)的應(yīng)力和位移，全面了解了結(jié)構(gòu)的靜力力學(xué)特性，找出了結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力和最大位移。通過計(jì)算分析可知，套管頂部是形狀變量中最嚴(yán)重的部分。圖1為瞬時(shí)最大風(fēng)速98 m/s對(duì)應(yīng)的應(yīng)力云圖和位移響應(yīng)云圖，可以看出，套管的最大應(yīng)力主要集中在套管與支架連接的儲(chǔ)罐根部，這主要是由于支架對(duì)套管的固定作用。由于儲(chǔ)罐的固定作用、套管本身的自重和大風(fēng)壓的共同作用，套管根部的應(yīng)力最大。而本次分析的套管在風(fēng)速為33 m/s下的風(fēng)載響應(yīng)應(yīng)力值為4.72 MPa；此次計(jì)算由于所取的研究對(duì)象范圍較小，強(qiáng)風(fēng)下的穩(wěn)定性較弱，支架和套管的相互作用增大了套管的受力響應(yīng)。因此此次分析的套管應(yīng)力響應(yīng)相對(duì)較大。可以看出，套管的最大應(yīng)力出現(xiàn)在瞬時(shí)極大風(fēng)速為98 m/s時(shí)，其值為30.4 MPa，此時(shí)對(duì)應(yīng)的最大位移為17.259 mm。硅橡膠的強(qiáng)度為38 MPa，由于硅橡膠材料的應(yīng)力分散性較大，計(jì)算時(shí)以其60%的值作為校核數(shù)據(jù)，因此該復(fù)合套管在98 m/s風(fēng)速下的安全裕度不能滿足安全設(shè)計(jì)要求。母線最大位移偏移量為2.897 mm、最大應(yīng)力為12.8 MPa，母線的應(yīng)力的最大值遠(yuǎn)小于為鋁合金的屈服強(qiáng)度為125 MPa，安全裕量為89%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其屈服強(qiáng)度，安全系數(shù)較大。

圖1 套管的應(yīng)力云圖和位移云圖

3 GIS支架風(fēng)載響應(yīng)

對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)體建模，采用該地區(qū)50年一遇10 min平均最大風(fēng)速為33 m/s，進(jìn)行等效靜力風(fēng)載分析。

通過對(duì)結(jié)構(gòu)的靜力分析，得到了結(jié)構(gòu)2個(gè)方向上實(shí)際支撐的最大應(yīng)力和位移，全面了解了結(jié)構(gòu)的靜力特性，找出了結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力和位移。圖2是x方向的支架的應(yīng)力云圖及位移云圖。應(yīng)力最大值為26.9 MPa，位移值為0.597 mm，但因?yàn)橹Ъ懿牧蟿偠却螅灾Ъ茉趚方向上等效靜態(tài)風(fēng)載響應(yīng)值仍滿足國家安全標(biāo)準(zhǔn)要求。通過對(duì)實(shí)際支架的x方向上的等效靜態(tài)風(fēng)載響應(yīng)分析可知，在33 m/s的風(fēng)速下，支架都處于較為安全的狀態(tài)，安全系數(shù)較大，不會(huì)在強(qiáng)風(fēng)下遭受損壞。y方向等效靜態(tài)風(fēng)載下各支架的最大應(yīng)力和最大位移值為72.7 MPa和0.453 mm。應(yīng)力值較大是因?yàn)樵趛方向下的風(fēng)壓不僅作用支架的套管上，還作用在與其相連的母線筒上，因此支架在y風(fēng)向下受力較大。不管哪個(gè)方向的風(fēng)載，支架的最大應(yīng)力都遠(yuǎn)小于Q235的屈服強(qiáng)度235 MPa。所以雖然支架受到較大應(yīng)力，但仍有較為可觀的安全裕度。

圖2 支架的x方向應(yīng)力云圖和位移云圖

4 結(jié)束語

本文以廣東電網(wǎng)目標(biāo)網(wǎng)架建設(shè)中、南通道換流站GIS為研究對(duì)象，研究了套管、母線及支架基于ANSYS Workbench的有限元分析方法，對(duì)結(jié)構(gòu)在平均最大風(fēng)速和瞬時(shí)極大風(fēng)速下中靜力學(xué)響應(yīng)特征進(jìn)行有限元分析。基于仿真結(jié)果得知，各結(jié)構(gòu)在50年一遇10 min平均最大風(fēng)速33 m/s的情況下，最大應(yīng)力和位移值均有較大安全裕量。在1 000年一遇瞬時(shí)極大風(fēng)速98 m/s工況下，套管頂端應(yīng)力值為30.4 MPa，超出材料所能承受范圍，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。本文研究不僅對(duì)于提高GIS設(shè)備運(yùn)行的安全性，而且對(duì)GIS分支母線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝等，都具有重要的理論和工程實(shí)踐意義。后續(xù)可針對(duì)區(qū)域強(qiáng)風(fēng)多發(fā)地區(qū)GIS分支母線，開發(fā)基于精細(xì)化氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)的預(yù)警平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)GIS分支母線強(qiáng)風(fēng)災(zāi)害的前期優(yōu)化防治、即時(shí)在線評(píng)估和預(yù)警、災(zāi)后的防風(fēng)和防震數(shù)據(jù)迭代更新，有效提高GIS分支母線的防風(fēng)能力。