伍文科，杜林林，秦敬偉，祖曉臣，王 菲

（國(guó)機(jī)集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 國(guó)機(jī)集團(tuán)工程振動(dòng)控制技術(shù)研究中心，北京100080）

隨著跨區(qū)域長(zhǎng)距離輸變電工程的建設(shè)及電壓等級(jí)的不斷提高，輸電線路的充電電容顯著增大。為了補(bǔ)償線路的充電功率，抑制系統(tǒng)的工頻過(guò)電壓，保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，高壓并聯(lián)電抗器已成為超高壓電網(wǎng)中必不可少的電氣設(shè)備[1]。電抗器主體部分由繞組和鐵芯構(gòu)成，漏磁和電流相互作用產(chǎn)生的繞組電磁力、鐵芯所受電磁力以及鐵芯的磁致伸縮會(huì)引起電抗器振動(dòng)，并通過(guò)鐵芯構(gòu)件等傳播[2-3]。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)電抗器振動(dòng)特性及控制措施進(jìn)行了很多研究。文獻(xiàn)[4－8]通過(guò)理論分析、有限元模擬及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等方式對(duì)電抗器振動(dòng)產(chǎn)生機(jī)理和特性進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[9]分析了并聯(lián)電抗器振動(dòng)產(chǎn)生的原因與危害，并從電抗器內(nèi)部構(gòu)造與外部安裝等方面提出了優(yōu)化措施。文獻(xiàn)[10]發(fā)現(xiàn)采用填充材料填充鐵芯間氣隙后電抗器振動(dòng)位移有一定減小。文獻(xiàn)[11]中采用隔振器代替原來(lái)的硬性連接，并實(shí)施降噪措施后，電抗器室的振動(dòng)與噪聲有了明顯的改善。文獻(xiàn)[12]提出“貫通縫+鋼筋混凝土支墩”的電抗器基礎(chǔ)方案，該方案具有消除和減少樓面振動(dòng)和環(huán)境噪聲的雙重功效。雖然已有很多研究成果，但振動(dòng)噪聲控制仍是鐵心電抗器世界性問(wèn)題之一。

當(dāng)前城市用地極為緊張，為提高城市土地利用率，有相當(dāng)一部分新建的電抗器組設(shè)置在建筑物中，并且變電站內(nèi)部變壓器、電抗器等動(dòng)力設(shè)備被集中布置，將電抗器基礎(chǔ)與主體結(jié)構(gòu)分離較為困難，很多時(shí)候電抗器都是直接放置于結(jié)構(gòu)樓板上，因此電抗器振動(dòng)對(duì)其自身及所在處建筑結(jié)構(gòu)均存在較大影響。本文針對(duì)集中布置于樓板上的干式鐵芯電抗器正常運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)樓板及設(shè)備自身的影響進(jìn)行分析，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及有限元分析對(duì)電抗器運(yùn)行時(shí)振動(dòng)荷載及相應(yīng)振動(dòng)控制措施開展研究，提取采取不同振動(dòng)控制措施時(shí)電抗器布置區(qū)域結(jié)構(gòu)局部振動(dòng)響應(yīng)，獲得各種措施的實(shí)際減振效率，為電抗器下部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1 工程概況

本文以某220千伏變電站為研究對(duì)象。該變電站為全地下變電站，其中地上一層、地下四層，結(jié)構(gòu)長(zhǎng)70.5 m，寬33 m，地下深約22 m，結(jié)構(gòu)筏板厚度為1.8 m。當(dāng)前已投運(yùn)2 臺(tái)電抗器，后續(xù)還準(zhǔn)備投入2臺(tái)，均布置在地下三層，其平面布置如圖1所示。

圖1 變電站平面圖

2 振動(dòng)控制措施

實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)與相關(guān)研究成果[13]表明，樓板的結(jié)構(gòu)剛度是影響樓板振動(dòng)幅度的重要指標(biāo)，樓板的結(jié)構(gòu)剛度越大，樓板振動(dòng)的振幅越小。為增大電抗器布置區(qū)域結(jié)構(gòu)剛度，本文分別研究加大樓板厚度、加密電抗器布置區(qū)域次梁、在電抗器區(qū)下層布置隔墻及立柱等結(jié)構(gòu)性措施和采用鋼彈簧隔振器等措施的減振效率。

2.1 加厚樓板

當(dāng)前電抗器所在樓層樓板厚度為200 mm，為研究通過(guò)加厚電抗器所在層的樓板以達(dá)到降低樓板振動(dòng)響應(yīng)的有效性，將樓板厚度從原200 mm分別加厚至250 mm、300 mm、350 mm。

2.2 增加次梁

為增加電抗器布置區(qū)結(jié)構(gòu)整體剛度，按照3 種形式分別加密該區(qū)域內(nèi)次梁的密度：?jiǎn)为?dú)加密橫向次梁；單獨(dú)加密結(jié)構(gòu)縱向次梁；同時(shí)加密結(jié)構(gòu)橫向與縱向次梁最終形成“井”字梁結(jié)構(gòu)。

2.3 增加隔墻

在電抗器所在樓層下層對(duì)應(yīng)區(qū)域已經(jīng)存在梁的位置增加隔墻。隔墻的設(shè)置分為3 種形式：兩電抗器外側(cè)增加隔墻；兩電抗器中間增加隔墻；電抗器中間及兩側(cè)都增加隔墻。

2.4 增加立柱

增加立柱來(lái)起到代替隔墻的作用，即在相應(yīng)位置增加鋼筋混凝土柱以提高局部結(jié)構(gòu)的剛度，也分為3種形式：兩電抗器外側(cè)增加兩根柱；電抗器中間增加單柱；電抗器中間及兩側(cè)共增加3根立柱。

2.5 主動(dòng)隔振

通過(guò)在設(shè)備與基礎(chǔ)之間設(shè)置隔振器，來(lái)減小設(shè)備振動(dòng)傳遞率，稱為主動(dòng)隔振[14－16]。目前，國(guó)內(nèi)外為控制電力設(shè)備運(yùn)行時(shí)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)，采用隔振器進(jìn)行主動(dòng)隔振的控制方式已廣泛應(yīng)用在電力設(shè)施中[17]。文中隔振器為定制化的鋼質(zhì)彈簧隔振裝置，每臺(tái)電抗器采用6 個(gè)鋼質(zhì)彈簧，工作頻率為3.0 Hz，隔振方法分為兩種：?jiǎn)为?dú)采用鋼質(zhì)彈簧隔振裝置；在采用鋼質(zhì)彈簧隔振裝置的同時(shí)在電抗器區(qū)域布置“井”字梁并將樓板加厚至250 mm。

3 振動(dòng)荷載

在實(shí)際結(jié)構(gòu)振動(dòng)時(shí)程分析中，常用的結(jié)構(gòu)基底振動(dòng)時(shí)程輸入方法是一致激勵(lì)法，但是對(duì)于電抗器設(shè)備運(yùn)行振動(dòng)所引起的結(jié)構(gòu)局部樓板振動(dòng)問(wèn)題，由于電抗器本體的振動(dòng)是通過(guò)連接地腳傳遞到設(shè)備基礎(chǔ)及結(jié)構(gòu)樓板，影響區(qū)域極小[1]，故不能采用一致輸入。因此本文借鑒大質(zhì)量法[18－19]，在電抗器設(shè)備與樓板連接節(jié)點(diǎn)處施加遠(yuǎn)大于設(shè)備質(zhì)量的大質(zhì)量（大于設(shè)備總質(zhì)量的10 倍以上），可使得慣性力在結(jié)構(gòu)響應(yīng)中占優(yōu)勢(shì)。大質(zhì)量法的表達(dá)式如式（1）所示。

其中：M0為節(jié)點(diǎn)大質(zhì)量；P為各節(jié)點(diǎn)上所施加的隨時(shí)間變化的節(jié)點(diǎn)荷載為電抗器設(shè)備支撐節(jié)點(diǎn)處樓板加速度。

將式（1）第j個(gè)方程展開如式（2）所示：

在式（2）兩邊同時(shí)除以M0，由于選取大質(zhì)量遠(yuǎn)大于其他質(zhì)量、阻尼與剛度，故，通過(guò)上述方法最終實(shí)現(xiàn)對(duì)支撐節(jié)點(diǎn)的加速度輸入。

在實(shí)際測(cè)試中發(fā)現(xiàn)電抗器運(yùn)行時(shí)無(wú)法對(duì)設(shè)備振動(dòng)及與設(shè)備連接的樓板振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行測(cè)試，故對(duì)設(shè)備附近樓板振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)點(diǎn)布置如圖2 所示。其中1#測(cè)點(diǎn)位于兩電抗器中間梁上，2#測(cè)點(diǎn)位于電抗器外側(cè)跨中板上。選擇1#點(diǎn)實(shí)測(cè)加速度時(shí)程作為振動(dòng)輸入，并通過(guò)在動(dòng)力分析后反算驗(yàn)證的方式確定設(shè)備振動(dòng)荷載。經(jīng)多次計(jì)算驗(yàn)證后發(fā)現(xiàn)模擬與實(shí)測(cè)值的時(shí)域指標(biāo)誤差滿足要求，說(shuō)明本文采用的振動(dòng)荷載輸入方法準(zhǔn)確性較高。兩測(cè)點(diǎn)模擬與實(shí)測(cè)值如表1所示。

圖2 樓板振動(dòng)響應(yīng)測(cè)試測(cè)點(diǎn)布置圖

表1 兩測(cè)點(diǎn)模擬與實(shí)測(cè)時(shí)域指標(biāo)對(duì)比/（mm·s-2）

4 數(shù)值模擬

4.1 分析模型

依據(jù)變電站的結(jié)構(gòu)施工圖，建立電抗器結(jié)構(gòu)數(shù)值仿真模型，主體采用框架單元模擬，剪力墻與結(jié)構(gòu)樓板采用殼單元，將電抗器等效成實(shí)體布置在結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)位置，電抗器與樓板采用LINK 單元連接，共設(shè)置6 個(gè)LINK 單元，分別位于4 個(gè)角點(diǎn)及長(zhǎng)邊中點(diǎn)。數(shù)值模型如圖3所示。

圖3 結(jié)構(gòu)數(shù)值模型圖

4.2 動(dòng)力時(shí)程分析

4.2.1 加厚樓板

按設(shè)計(jì)工況修改有限元模型后進(jìn)行動(dòng)力時(shí)域分析，然后提取各減振措施下測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)加速度響應(yīng)并計(jì)算其減振效率，如圖4至圖5所示。

圖4 不同樓板厚度條件下的加速度對(duì)比

圖5 不同樓板厚度條件下的減振效率對(duì)比

當(dāng)電抗器所在樓層樓板由200 mm 增大到350 mm時(shí)，兩測(cè)點(diǎn)振動(dòng)響應(yīng)衰減都在25%以上，由此可見，加厚樓板可在一定程度上降低由電抗器運(yùn)行所引起的樓板振動(dòng)，但是減振效果并不明顯。且樓板厚度過(guò)大會(huì)增大結(jié)構(gòu)自重，增加結(jié)構(gòu)整體造價(jià)，因此在工程項(xiàng)目中應(yīng)根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)方案與項(xiàng)目預(yù)算適當(dāng)增大樓板厚度。

4.2.2 增加次梁

按上述增加次梁的方法修改有限元模型后進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析，然后提取以3 種形式加密次梁時(shí)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)加速度響應(yīng)并計(jì)算其減振效率，如圖6至圖7所示。

圖6 加密次梁的加速度對(duì)比

圖7 加密次梁的減振效率對(duì)比

當(dāng)電抗器所在區(qū)域次梁由最初形式加密成“井”字梁時(shí)，兩測(cè)點(diǎn)振動(dòng)響應(yīng)衰減都在40%以上，由此可見，加密次梁能很好降低由電抗器運(yùn)行引起的樓板振動(dòng)。

4.2.3 增加隔墻

按上述增加隔墻的做法修改有限元模型后進(jìn)行動(dòng)力時(shí)域分析，然后提取以3 種形式增加隔墻時(shí)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)加速度響應(yīng)并計(jì)算其減振效率，如圖8至圖9所示。

圖8 增加隔墻的加速度對(duì)比

圖9 增加隔墻的減振效率對(duì)比

當(dāng)增加3 道隔墻時(shí)，樓板振動(dòng)響應(yīng)衰減都達(dá)到99%以上，說(shuō)明增加隔墻對(duì)局部結(jié)構(gòu)剛度影響較大。然而單獨(dú)在兩電抗器中間區(qū)域或兩電抗器兩側(cè)增加隔墻時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響有限，并且增加隔墻對(duì)于結(jié)構(gòu)的使用空間造成很大的影響，因此在實(shí)際設(shè)計(jì)中需要根據(jù)設(shè)備下層結(jié)構(gòu)的實(shí)際作用綜合考慮。

4.2.4 增加立柱

按上述增加立柱的做法修改有限元模型后進(jìn)行動(dòng)力時(shí)域分析，然后提取以3 種形式增加立柱時(shí)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)加速度響應(yīng)并計(jì)算其減振效率，分析結(jié)果如圖10至圖11所示。

圖10 增加立柱的加速度對(duì)比

圖11 增加立柱的減振效率對(duì)比

當(dāng)電抗器所在區(qū)域下層增加3根鋼筋混凝土柱后，結(jié)構(gòu)局部剛度增加較為明顯，兩測(cè)點(diǎn)振動(dòng)響應(yīng)衰減在70%以上，故增加立柱可以很好降低由電抗器運(yùn)行引起的樓板振動(dòng)。且增加立柱相對(duì)與增加隔墻對(duì)下部結(jié)構(gòu)使用空間的影響較小，在實(shí)際設(shè)計(jì)中可優(yōu)先考慮在合適的位置增加鋼筋混凝土立柱。

4.2.5 主動(dòng)隔振

按上述主動(dòng)隔振的做法修改有限元模型后進(jìn)行動(dòng)力時(shí)域分析，然后提取采用兩種隔振方法時(shí)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)加速度響應(yīng)并計(jì)算其減振效率，如圖12至圖13所示。

圖12 增加隔振器的加速度對(duì)比

圖13 增加隔振器的減振效率對(duì)比

在不改變?cè)Y(jié)構(gòu)時(shí)，單獨(dú)采用鋼質(zhì)彈簧隔振裝置，實(shí)際減振效率可達(dá)80%，在配合采用結(jié)構(gòu)性振動(dòng)控制措施后，鋼質(zhì)彈簧的實(shí)際減振效率可達(dá)到90%以上，故采用隔振器進(jìn)行主動(dòng)隔振能很好降低由電抗器運(yùn)行引起的樓板振動(dòng)，且這種做法特別適用于改造工程。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)電抗器振動(dòng)對(duì)自身及所處建筑結(jié)構(gòu)的影響，本文通過(guò)有限元方法分析增加結(jié)構(gòu)局部樓板厚度、加密次梁、增加隔墻或立柱及采用主動(dòng)隔振等措施的減振效率，可為電抗器下部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。由上述分析過(guò)程，可得如下結(jié)論：

（1）采用大質(zhì)量法施加振動(dòng)荷載時(shí)，由于在電抗器設(shè)備與樓板連接節(jié)點(diǎn)處施加大質(zhì)量，可以準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)對(duì)支撐節(jié)點(diǎn)的加速度輸入。

（2）增加樓板厚度可在一定程度上降低由電抗器運(yùn)行引起的樓板振動(dòng)，但樓板厚度過(guò)大會(huì)增大結(jié)構(gòu)自重，增加結(jié)構(gòu)整體造價(jià)，故工程項(xiàng)目中應(yīng)根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)方案與項(xiàng)目預(yù)算適當(dāng)增大樓板厚度。

（3）加密次梁能有效降低由電抗器運(yùn)行引起的樓板振動(dòng)。

（4）增加隔墻或立柱對(duì)于控制樓板振動(dòng)響應(yīng)都有很好的效果，但是這兩項(xiàng)措施會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的使用空間造成很大的影響，因此在實(shí)際設(shè)計(jì)中需要根據(jù)設(shè)備下層結(jié)構(gòu)的實(shí)際作用綜合考慮。

（5）單獨(dú)采用鋼質(zhì)彈簧隔振裝置進(jìn)行主動(dòng)隔振或結(jié)合其他結(jié)構(gòu)性振動(dòng)控制措施，均可獲得很高的減振效率。因此在類似新建項(xiàng)目或在已有項(xiàng)目的改造中均可采用主動(dòng)隔振措施。