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        GIS分支母線防風性能研究

        2022-11-07 08:29:38郭約法劉國兵樊健斌
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2022年31期
        關(guān)鍵詞:風速支架

        吳 軻,郭約法,劉國兵,潘 維,樊健斌

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

        廣東電網(wǎng)目標網(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)了不同程度的運行問題,“中國南方電網(wǎng)公司反事故措施(2019年版)”針對GIL設(shè)備提出了“謹慎使用”的建議。而GIS分支母線能夠滿足運行需求且在國網(wǎng)多個換流站中都有采用,目前來看運行情況良好,因此在中南通道工程擬采用GIS分支母線方案。

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

        岳希明等[3]對一種四通管在工作壓力下的工作壓力進行了數(shù)值仿真。研究發(fā)現(xiàn),在箱形箱梁與箱梁的交叉點處,軸向受力最大。模擬計算與實際測量的殼內(nèi)應(yīng)力基本吻合,驗證了采用有限元模擬技術(shù)進行母線筒的模擬是可行的。張相庭[4-5]對橫向和順向風向的振動反應(yīng)進行了細致的分析和探討。樓文娟等[6]利用風洞實驗及計算方法,對高層建筑的橫向風振反應(yīng)進行了深入的研究。

        綜上,現(xiàn)有的GIS抗風性能分析不能充分了解母線的靜、動態(tài)響應(yīng)特性,不能達到防災(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),沒有實際的環(huán)境記錄,分析結(jié)果與實際情況存在偏差。本文調(diào)研站址所在水文地質(zhì)、氣象氣候等變量,并按最嚴苛情況仿真分析GIS分支母線在大風等外力作用下的穩(wěn)定性能,以及微風振動、溫度應(yīng)力等影響因素對力學(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械應(yīng)力是否滿足技術(shù)指標,提出對GIS分支母線防沉降的針對性策略。

        1 風荷載的計算與氣象調(diào)研

        根據(jù)工程初步設(shè)計方案,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分支母線運行可靠性的因素包括大風和微風振動等外力影響。對于中通道換流站,由于GIS在戶外距離長,表面積大造成風荷載大,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GIS的運行環(huán)境提出了更高的要求。

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

        式中:wk是風荷載標準值;βz是高度z處的風振系數(shù);μs是風荷載體形系數(shù);μz是風壓高度變化系數(shù);w0是基本風壓。高度的增加與周圍環(huán)境的變化會導(dǎo)致風速不一樣,故必須對不同地形地貌、不同地域高度等有所規(guī)定,為了區(qū)別不同地域風速或風壓的大小,可根據(jù)地面粗糙度的類型確定風壓高度的變化系數(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類的風壓為1.17,地面粗糙度B類的風壓為1.00,地面粗糙度C類的風壓為0.74,地面粗糙度D類的風壓為0.62。

        對于未給出基本風壓的區(qū)域,在建筑時,應(yīng)根據(jù)當?shù)仫L速數(shù)據(jù)計算基本風速,然后根據(jù)以下公式轉(zhuǎn)換為基本風壓

        式中:w為基本風壓;ρ為空氣密度;g為重力加速度;v為風速;y為空氣容量。

        在標準大氣壓下,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,西面為東莞運河,南面和東面為流經(jīng)的東引運河支流包圍。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。受季風的影響,全年盛行偏東風,年內(nèi)風向隨季節(jié)轉(zhuǎn)換明顯,每年4—8月盛行東南風,9月—次年3月盛行東北風。夏、秋季節(jié)常受強烈熱帶風暴的影響,是當?shù)刂饕臑?zāi)害性天氣之一;而冬季則受北方強冷空氣的侵襲,會出現(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行統(tǒng)計,得各氣象要素的特征值如下:多年平均氣壓為1 010.6 hPa;多年平均相對濕度為78%;多年平均大風日數(shù)為2 d;多年平均風速為2.0 m/s。10 m高度10 min平均最大風速26.8 m/s,相應(yīng)風向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測年最大風速原始資料進行代表性、可靠性和一致性審查,風速高度訂正,觀測次數(shù)和風速時距換算,統(tǒng)一訂正和換算為離地10 m高10 min平均最大風速。采用極值Ⅰ型和P-III型分布進行頻率計算,得到離地10m高50年一遇10min平均最大風速27.2 m/s,風壓系數(shù)取值1/1 600,由基本風壓公式計算基本風壓為0.46 kN/m2。

        查GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》的全國基本風壓圖和廣東省標準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)計基本風速分布圖(2018版)》,本工程位于10 m高50年一遇設(shè)計風速為33 m/s的風區(qū),因此風速按33 m/s計算。根據(jù)東莞氣象站累年全年風向玫瑰圖可以看出,東莞站的全年主導(dǎo)風向為E,風向頻率為14%;次主導(dǎo)風向為NE,風向頻率為10%;靜風頻率為17%。

        由東莞氣象站實測年最大風速計算得到的風壓結(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年一遇風壓,主要原因是該氣象站自20世紀90年代以來觀測環(huán)境發(fā)生較大變化,周圍建筑物較多,屏蔽大風狀況下的氣流,很難觀測到真實野外空曠環(huán)境下的最大風速。為工程安全起見,站址處離地10 m高50年一遇風壓取0.65 kN/m2,相應(yīng)離地10 m高50年一遇10 min平均最大風速為32.2 m/s,地面粗糙度類別為B類。

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

        2 GIS套管和母線風載響應(yīng)

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

        本次計算的模型主要有套管和母線GIS戶外部分結(jié)構(gòu)圖。通過對結(jié)構(gòu)的靜力分析,得到了結(jié)構(gòu)在強風作用下相應(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。通過計算分析可知,套管頂部是形狀變量中最嚴重的部分。圖1為瞬時最大風速98 m/s對應(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罐根部,這主要是由于支架對套管的固定作用。由于儲罐的固定作用、套管本身的自重和大風壓的共同作用,套管根部的應(yīng)力最大。而本次分析的套管在風速為33 m/s下的風載響應(yīng)應(yīng)力值為4.72 MPa;此次計算由于所取的研究對象范圍較小,強風下的穩(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)相對較大??梢钥闯?,套管的最大應(yīng)力出現(xiàn)在瞬時極大風速為98 m/s時,其值為30.4 MPa,此時對應(yīng)的最大位移為17.259 mm。硅橡膠的強度為38 MPa,由于硅橡膠材料的應(yīng)力分散性較大,計算時以其60%的值作為校核數(shù)據(jù),因此該復(fù)合套管在98 m/s風速下的安全裕度不能滿足安全設(shè)計要求。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)力的最大值遠小于為鋁合金的屈服強度為125 MPa,安全裕量為89%,遠遠低于其屈服強度,安全系數(shù)較大。

        圖1 套管的應(yīng)力云圖和位移云圖

        3 GIS支架風載響應(yīng)

        對結(jié)構(gòu)進行實體建模,采用該地區(qū)50年一遇10 min平均最大風速為33 m/s,進行等效靜力風載分析。

        通過對結(jié)構(gòu)的靜力分析,得到了結(jié)構(gòu)2個方向上實際支撐的最大應(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,但因為支架材料剛度大,所以支架在x方向上等效靜態(tài)風載響應(yīng)值仍滿足國家安全標準要求。通過對實際支架的x方向上的等效靜態(tài)風載響應(yīng)分析可知,在33 m/s的風速下,支架都處于較為安全的狀態(tài),安全系數(shù)較大,不會在強風下遭受損壞。y方向等效靜態(tài)風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)力值較大是因為在y方向下的風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風向下受力較大。不管哪個方向的風載,支架的最大應(yīng)力都遠小于Q235的屈服強度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)目標網(wǎng)架建設(shè)中、南通道換流站GIS為研究對象,研究了套管、母線及支架基于ANSYS Workbench的有限元分析方法,對結(jié)構(gòu)在平均最大風速和瞬時極大風速下中靜力學(xué)響應(yīng)特征進行有限元分析?;诜抡娼Y(jié)果得知,各結(jié)構(gòu)在50年一遇10 min平均最大風速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年一遇瞬時極大風速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)重點關(guān)注。本文研究不僅對于提高GIS設(shè)備運行的安全性,而且對GIS分支母線系統(tǒng)的設(shè)計、安裝等,都具有重要的理論和工程實踐意義。后續(xù)可針對區(qū)域強風多發(fā)地區(qū)GIS分支母線,開發(fā)基于精細化氣象預(yù)報數(shù)據(jù)的預(yù)警平臺,實現(xiàn)GIS分支母線強風災(zāi)害的前期優(yōu)化防治、即時在線評估和預(yù)警、災(zāi)后的防風和防震數(shù)據(jù)迭代更新,有效提高GIS分支母線的防風能力。

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