陳學光

(中國鐵路總公司工程設計鑒定中心,北京 100844)

大風區(qū)對牽引變電所設計影響的研究

陳學光

(中國鐵路總公司工程設計鑒定中心,北京 100844)

針對大風區(qū)的氣候特點,研究牽引變電所設計方案。通過建立牽引變電所的風場計算模型,并結合實際氣象資料,分析結構設計風速,對牽引變電所室外導線相間及相對地距離、最小架構寬度、架構以及設備接線端子受力情況進行仿真計算,為大風區(qū)段牽引變電所設計提供理論依據(jù)。

電氣化鐵路;牽引變電所;大風區(qū)

1 概述

我國地域遼闊,氣象環(huán)境多變,氣象災害多種多樣,其中風害是特別值得注意的氣象災害問題。隨著我國鐵路建設的大發(fā)展,沿海、甘肅及新疆地區(qū)的大風災害對鐵路建設的影響也日趨嚴重,是危害鐵路設施和行車安全的主要問題。

牽引變電所是牽引供電系統(tǒng)的重要組成部分之一,在地方三相電力系統(tǒng)與接觸網(wǎng)系統(tǒng)之間起著橋梁的作用。其可靠性的高低不僅事關整個牽引供電系統(tǒng)的安全運行,也直接影響著客運專線的運輸能力與暢通。位于大風地區(qū)的牽引供配電設備的布置形式、架構的選擇、導線的相間距、設備接線端子的受力等與常規(guī)的設計存在著很大的區(qū)別,不能按照常規(guī)的均勻風速下靜力學計算方法近似確定進行設計,必須根據(jù)實際的氣候條件,進行詳細的計算,確定各個技術參數(shù)。大風作用會使牽引變電所內(nèi)導線發(fā)生更大更復雜的振動及風偏,不僅影響導線和金具的疲勞壽命及牽引供電質(zhì)量,甚至會引發(fā)安全事故而導致鐵路運營中斷。

為了提高牽引變電所抵御風害的能力,減少牽引供電系統(tǒng)故障和經(jīng)濟損失,保證鐵路安全運行。必須從實際出發(fā),結合地區(qū)特點,科學、高效地開展防風設計。

本文以風害較為嚴重的新疆地區(qū)為例,對位于大風地區(qū)的典型牽引變電所風偏、架構受力等技術參數(shù)進行計算分析。

2 大風區(qū)段的氣候特點

新疆境內(nèi)分布有煙墩風區(qū)、百里風區(qū)、三十里風區(qū)、達坂城風區(qū)四大風區(qū)。根據(jù)各測風站點最大風速、極大風速、2 min平均最大風速風力、頻率、風向及與線路交角,工程設計中將上述4個風區(qū)劃分為Ⅰ區(qū)(大風極少區(qū))、Ⅱ區(qū)(大風低發(fā)區(qū))、Ⅲ區(qū)(大風一般區(qū))、Ⅳ區(qū)(大風易發(fā)區(qū))、Ⅴ區(qū)(大風頻繁區(qū))。各風區(qū)30年、50年、100年一遇最大風速估計值如表1所示。

表1 各風區(qū)最大風速估計值m/s

3 大風區(qū)段牽引變電設計方案的研究

3.1 風速放大系數(shù)

(1)計算模型

典型牽引變電所場坪布置設置模型如圖1所示。

模型尺寸及位置:墻高3 m,厚0.24 m。墻前方距離入口邊界(風速計算的起始點距圍墻的距離)20 m,墻后方距離出口邊界(風場作用邊界)120 m,地面距離計算域頂部邊界40 m。

圖1 計算模型

計算風速:計算風速取10 m/s。

邊界條件:入口邊界為風場入口,出口邊界為壓力出口,計算域頂部為滑移壁面且滑移速度為10 m/s,地面和墻體均為無滑移壁面。

(2)墻體附近風速等值線圖

利用2維計算模型,模型采用2-D方法,計算方法為全隱式耦合算法,采用RNG湍流模型,對流項為高精度格式,考慮流線彎曲以及二階流動等影響因素。仿真得出墻體附近風速等值線如圖2所示。

圖2 墻體附近風速等值線圖

(3)風速放大系數(shù)選擇

根據(jù)典型牽引變電所場坪布置,選取220、27.5 kV架構和導線的風偏風速放大系數(shù)測量點分別如下。

27.5 kV點:位于墻體下風側,距墻中心線4.5 m,距地面7 m高處;

220 kV點:位于墻體下風側,距墻中心線6 m,距地面13 m高處;

風速放大系數(shù)計算結果分別為1.39、1.27。

3.2 風速計算結果

風速計算結果如表2所示。

表2 風速計算結果m/s

3.3 氣象條件選擇

根據(jù)上述風速計算結果以及其他氣象資料,大風區(qū)段氣象條件選擇如表3所示。

表3 大風區(qū)段氣象條件

4 架構計算

4.1 220 kV架構

4.1.1 導線及架構受力計算

根據(jù)典型牽引變電所場坪布置以及以往外部電源進線實施經(jīng)驗,牽引變電所進線架構與外部電源終端桿塔按距離50 m考慮、進線偏角按10°考慮,中間架構距離按30 m考慮,以百里風區(qū)為例其計算結果如表4所示。

表4 68 m/s設計風速(百里風區(qū))計算

4.1.2 進線架構

從表4可見,當進線弧垂采用常規(guī)2 m時,架構需要16 m寬,當進線弧垂降至1.6 m內(nèi)時,架構寬15 m可滿足要求,但架構受力也相應增加約1.2倍;為施工、運營檢修方便,結合既有牽引變電所實施情況,大風區(qū)段220 kV進線架構采用15 m寬,同時架構拉力按21 kN考慮、進線最大弧垂控制在1.6 m、絕緣子采用XWP-100型絕緣子(考慮4倍安全系數(shù))。

4.1.3 中間架構

從表4可見,當進線弧垂采用常規(guī)2 m時,架構需要16 m寬,當進線弧垂降至1.6 m內(nèi)時,架構寬15 m可滿足要求,為施工、運營檢修方便,結合既有牽引變電所實施情況,大風區(qū)段220 kV中間架構采用15 m寬,同時架構拉力按12 kN考慮、最大弧垂控制在1.6 m、絕緣子統(tǒng)一采用XWP-100型絕緣子。

4.2 27.5 kV架構

4.2.1 導線及架構受力計算

根據(jù)典型牽引變電所場坪布置以及以往外部電源進線實施經(jīng)驗,牽引變電所饋線架構與接觸網(wǎng)供電線終端桿塔按距離30 m考慮,以百里風區(qū)為例其計算結果如表5所示。

表5 68 m/設計風速(百里風區(qū))計算

4.2.2 饋線架構

從表5可見,當進線弧垂采用常規(guī)1.1 m時,架構需要6 m寬,相間距為3.2 m,架構受力單導線最大為19.6 kN、雙導線為24.3 kN;當進線弧垂增至1.5 m時,架構7 m、相間距為3.6 m才可滿足要求,但架構受力也相應減少約1.3倍;為施工、運營檢修方便,結合既有牽引變電所實施情況,大風區(qū)段饋線架構統(tǒng)一采用6 m寬、相間距3.2 m,同時架構拉力按單導線最大為19.6 kN、雙導線為24.3 kN考慮、進線最大弧垂控制在1.1 m,絕緣子采用XWP-100型絕緣子(考慮4倍安全系數(shù))。

5 設備要求

5.1 各風速狀態(tài)接線端子受力計算(表6)

表6 各風速狀態(tài)接線端子受力計算

5.2 根據(jù)設計選取風速的計算結果

根據(jù)設計選取風速的計算結果,需加強高壓設備接線端子機械荷載,按表7選取。

表7 設備接線端子機械荷載

5.3 戶外設備

對于是細高形狀的主變、GIS套管、隔開支持絕緣子等對風速特別敏感,設備制造廠家應根據(jù)設計風速提出產(chǎn)品的機械荷載要求,設備招標后根據(jù)廠家提供的外形尺寸核對產(chǎn)品本體以及安裝支架的機械荷載要求。

6 結論

本文根據(jù)典型牽引所場坪布置設置的計算模型,并結合實際氣象資料,確定風偏、結構設計風速,以百里風區(qū)為例對220 kV側、27.5 kV側導線相間距、相對地距離、最小架構寬度以及架構受力進行了仿真計算,對大風區(qū)域牽引變電所的設計提供了理論依據(jù)。同時,對設備接線端子受力情況進行了分析,對設備從制造到安裝均提出防風設計的要求。

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Research on Design Methods of Traction Substation in Strong Wind Area

CHEN Xue-guang
(Engineering Design Evaluation Center of China Railway Corporation,Beijing 100844,China)

U224

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.08.034

1004-2954(2014)08-0141-03

2014-04-25;

2014-05-18

陳學光(1958—),男,高級工程師,1982年畢業(yè)于西南交通大學電氣工程學院鐵道電氣化專業(yè),工學學士,E-mail:13911557016@ 139.com。