大風區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)

大風區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,為大風區段牽引變電所設計提供理論依據。

電氣化鐵路;牽引變電所;大風區

1 概述

我國地域遼闊,氣象環境多變,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展,沿海、甘肅及新疆地區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的重要組成部分之一,在地方三相電力系統與接觸網系統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的設計存在著很大的區別,不能按照常規的均勻風速下靜力學計算方法近似確定進行設計,必須根據實際的氣候條件,進行詳細的計算,確定各個技術參數。大風作用會使牽引變電所內導線發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量,甚至會引發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,減少牽引供電系統故障和經濟損失,保證鐵路安全運行。必須從實際出發,結合地區特點,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為例,對位于大風地區的典型牽引變電所風偏、架構受力等技術參數進行計算分析。

2 大風區段的氣候特點

新疆境內分布有煙墩風區、百里風區、三十里風區、達坂城風區四大風區。根據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個風區劃分為Ⅰ區(大風極少區)、Ⅱ區(大風低發區)、Ⅲ區(大風一般區)、Ⅳ區(大風易發區)、Ⅴ區(大風頻繁區)。各風區30年、50年、100年一遇最大風速估計值如表1所示。

表1 各風區最大風速估計值m/s

3 大風區段牽引變電設計方案的研究

3.1 風速放大系數

(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)風速放大系數選擇

根據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

根據上述風速計算結果以及其他氣象資料,大風區段氣象條件選擇如表3所示。

表3 大風區段氣象條件

4 架構計算

4.1 220 kV架構

4.1.1 導線及架構受力計算

根據典型牽引變電所場坪布置以及以往外部電源進線實施經驗,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)計算

4.1.2 進線架構

從表4可見,當進線弧垂采用常規2 m時,架構需要16 m寬,當進線弧垂降至1.6 m內時,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)。

4.1.3 中間架構

從表4可見,當進線弧垂采用常規2 m時,架構需要16 m寬,當進線弧垂降至1.6 m內時,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

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

表5 68 m/設計風速(百里風區)計算

4.2.2 饋線架構

從表5可見,當進線弧垂采用常規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,大風區段饋線架構統一采用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)。

5 設備要求

5.1 各風速狀態接線端子受力計算(表6)

表6 各風速狀態接線端子受力計算

5.2 根據設計選取風速的計算結果

根據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設計風速提出產品的機械荷載要求,設備招標后根據廠家提供的外形尺寸核對產品本體以及安裝支架的機械荷載要求。

6 結論

本文根據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,對大風區域牽引變電所的設計提供了理論依據。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年畢業于西南交通大學電氣工程學院鐵道電氣化專業,工學學士,E-mail:13911557016@ 139.com。