調相機基礎動力特性研究

王慧慧 李天天

摘要：對國內某換流站調相機框架式基礎采用SAP2000計算軟件進行動力特性分析，并對不同梁、柱截面的框架基礎分別進行穩態分析，對調相機框架式基礎優化設計提出有益的意見。

關鍵詞：調相機組;框架式基礎;穩態分析

1 概述

隨著大容量、遠距離特高壓交直流輸電技術的發展，特高壓直流工程換流站或受端近區電網開展加裝調相機工程應運而生。近期國家電網公司已明確部署抓緊開展調相機在電網中的應用工作，但是目前國內還沒有正式投運的調相機工程，在調相機基礎動力特性研究方面還是空白。

調相機是換流站的重要設備之一，調相機組是通過其轉子運動而實現能量轉換，是精密度很高的大型旋轉機器，基礎力學性能的好壞，直接關系到機組的動力特性和換流站的安全運營。目前，大型汽輪發電機組基本上都采用框架式基礎^[1]。因此，調相機基礎也采用框架式基礎。所以，對調相機組框架式基礎的動力學特性進行研究具有重要的意義。

本文采用SAP2000有限元分析軟件對國內某換流站的1臺300Mvar的調相機基礎進行了動力特性分析計算。

2 空間框架式基礎的計算原則

調相機組框架式基礎是一個復雜的空間多自由度框架體系，通常由梁、板、柱等構件組成。隨著計算技術的發展，原有的兩自由度的簡化計算方法己逐漸為空間多自由度的計算方法取代。為了保證計算結果的一致性和正確性，減少因建模對結果造成的影響，應按照《建筑振動工程手冊》^[2]和《動力機器基礎設計規范》（GB50040-96）^[3]的規定，對空間多自由度汽輪發電機組框架基礎的計算模型進行簡化。簡化后的模型應設置足夠多的質點，使每一桿單元的基頻都不低于工作轉速的1.4倍，以保證該轉速范圍內基礎的所有振型都能參與疊加;其中縱橫梁交點、梁柱交點以及擾力作用點必須設置質點。

3 工程實例

3.1 實例概況

國內某換流站調相機框架式基礎，基礎頂板標高7.500 m，長16.620m，寬7.450m，板厚2.5 m，柱2列，每列兩根，縱向柱距分別為11.62m，橫向柱距5.15m，柱截面1.0m×1.3m，混凝土C30。機組設計參數見表l。調相機定子、轉子及冷凝器負荷大小及分布分別見表2和圖1。

3.2 模態分析

模態分析用于確定結構的模態，計算出結構自由振動的振型和周期（頻率），這些自振振型對了解結構內在特性很有幫助。前30個主振型的自振頻率和周期見表3。

3.3 動力計算的穩態分析

結構在簡諧荷載作用下，其振動由兩部分組成：一是按荷載頻率（機器頻率）的振動，即穩態強迫振動;二是按自振頻率的振動，即伴生的自由振動，伴生的自由振動由于存在阻尼，在短時間內即行消失。通過對結構振動的穩態分析，計算出振動速度和振動線位移，按《動力機器基礎設計規范》來判斷結構設計是否合理。3.4 計算結果分析

在框架式動力基礎設計中存在兩種意見，—種認為柱子應剛—些，即將柱截面加大，使自振頻率超過機器轉速，即為高頻基礎;—種認為應柔一些，而采用細柱，使自振頻率低于機器的工作轉速，即為低頻基礎。根據我國現行規范《動力機器基礎設計規范》設計的基礎為低頻基礎。但基礎構件截面尺寸的變化對基礎動力特性有何影響，仍需在計算中加以分析。因此，在對基礎進行動力計算的過程中，對基礎進行了多方案的比較，計算結果見表4。

由上表中計算結果可以發現如下規律當基礎頂板質量不變時，隨著柱截面由900×1200mm逐步增大到1100X1400mm，即柱剛度逐漸增大時，各質量點的垂直振幅值逐漸也增大，由此證明在旋轉式機器框架式基礎設計中柱子的剛度越小則質量點的垂直振幅越小，越有利于基礎的振動設計，因此在《動力機器基礎設計規范》（GB50040--96）中要求柱子布置時在滿足強度和穩定的前提下宜適當減小剛度，即柱應以柔為件。當柱截面不變時，若改變梁的高度，即改變質點質量，則各點垂直振幅也會發生變化，計算結果見表5所示。

由上表可看出當柱截面不變時，減小梁的截面高度也即減小各質點的質量，則各質點的垂直振幅值隨著梁截面的減小而增大，這也就說明增大質點的質量，有利于減小基礎的振動。

4 結語

（1）框架式基礎的低階頻率都處于汽輪發電機組的啟動升速區內或工作區附近（因為機組的工作頻率為50HZ），因此，在機組的啟動升速過程中都可能會經過一些振動量較大的共振區，所以要想使基礎所有的自振頻率均至少與機器的工作轉速避開20%是不可能的，由此也說明采用振幅法，通過控制基礎的振幅在一定的許可范圍之內柬作為基礎設計準則是要優于共振法的。

（3）當基礎橫梁尺寸不變時，改變柱截面尺寸（即改變柱的剛度），各質點的垂直振幅將發生變化，隨著柱剛度的增大，各質點垂直振幅也增大，這說明在滿足承載力、穩定性等的前提下，汽輪發電機組基礎的框架式基礎的柱子應以柔為佳。

（3）當柱截面不變時，改變橫梁斷面，也即增大質點的重量，各質點的垂直振幅減小，這說明，增加質點重量有利于減小質點的振動。這一結論可應用于調相組基礎的改造和加固中，可通過調整質點的質量來滿足基礎的動力要求。同時，在計算過程中，可以發現改變質點質量對頻率的影響極大，而對振幅的影響則相對較小。而質點質量條件限制及現場的情況變化均會產生誤差，這樣算出的頻率則很難精確，而其對振幅影響較小，則相對控制振幅更接近工程實際。

參考文獻

[1]梅德慶等.大型汽輪發電機組框架式基礎的動力特性研究[J].動力工程，2001.21（1）.

[2]徐健主編.建筑振動工程手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，2001.

[3]第一機械工業部設計研究總院編.動力機器基礎設計規范GB50040—96[S].北京：中國建筑工業出版社，1998.