廣東電網(wǎng)生產(chǎn)調(diào)度中心嵌入式附建變電站主變壓器振動分析研究

周 森 黃劍慧 李嘉業(yè)

（廣州市電力工程設(shè)計院有限公司）

0 引言

城市的快速融合發(fā)展對用電負荷的需求不斷增長，城市中心高密度負荷區(qū)變電站的建設(shè)需求迫切。然而城市建設(shè)用地資源稀缺，變電站用地與土地供給的矛盾越發(fā)突出。城市中心變電站周邊環(huán)境復雜，高層建筑、地下空間、軌道交通、市政管網(wǎng)等環(huán)境因素多樣，給變電站的建設(shè)及運營帶來巨大的挑戰(zhàn)。

嵌入式附建變電站是將原先獨立占地的變電設(shè)備放入主體建筑物樓層上并與建筑物投影有重合的變電站，其建設(shè)模式突破了變電站必須獨立占地的傳統(tǒng)理念，是城市中心變電站建設(shè)的新模式。郜時昆[1]、張衛(wèi)東等[2]、曹枚根等[3]對獨立占地的主變壓器隔震和消能減震進行了研究。目前針對嵌入式附建變電站電力設(shè)備振動及對建筑結(jié)構(gòu)影響研究的文獻還非常少，僅戴志勇等[4]研究了附建式變電站樓板振動舒適度。

本文結(jié)合嵌入附建式變電站工程案例，借助計算機仿真對主變壓器運行振動與建筑結(jié)構(gòu)自振進行耦合分析，論證主變壓器基礎(chǔ)的安全可靠性，探討控制主變壓器運行振動影響的有效方式，為主變壓器安裝及可靠運行提供技術(shù)參考。

1 工程概況

廣東電網(wǎng)生產(chǎn)調(diào)度中心位于獵德大道、華南快速與新港東路三面圍合的交匯處，北望珠江、南鄰黃埔涌，周邊城市軌道交通5 號線、3 號線、8 號線、APM 線縱橫交錯。整個地塊擬建主塔樓、附塔樓、后勤綜合樓、附屬綜合樓和110kV 琶洲II 變電站五棟建筑物，地塊下設(shè)三層地下空間，用作車庫、設(shè)備機房等輔助設(shè)施。地塊總平面布置示意如圖1 所示。

圖1 廣東電網(wǎng)生產(chǎn)調(diào)度中心地塊總平面布置

110kV 琶洲II 變電站位于地塊的東北角，占地43.2m×18.9m，建筑面積4096.67m2，建筑高度23.9m（限高24m）。站址不設(shè)圍墻，南側(cè)距主塔樓20m，西側(cè)距后勤綜合樓10m，北側(cè)退縮紅線20m，東側(cè)退縮紅線10m；變電站布置滿足建筑退縮與防火間距要求。該變電站為典型的嵌入式附建變電站。變電站設(shè)地上5 層，1～3 層為變電站使用范圍，4～5 層為調(diào)度中心使用范圍；變電站下方為三層車庫，車庫基礎(chǔ)底板面標高－14.500m。變電站電纜層、主變壓器（3×63MVA）、主變油坑均設(shè)置在負一層車庫頂板上，頂板面標高-1.600m。變電站與地下車庫典型斷面如圖2 所示，生產(chǎn)調(diào)度中心地塊三維效果如圖3 所示。

圖2 變電站與地下車庫典型斷面示意

圖3 廣東電網(wǎng)生產(chǎn)調(diào)度中心地塊三維效果圖

2 結(jié)構(gòu)方案

2.1 布置原則

主變壓器基礎(chǔ)在方案布置上考慮了如下原則：

⑴主變壓器基礎(chǔ)應具備足夠的剛度及穩(wěn)定性；

⑵盡可能減少主變壓器運行振動的橫向傳遞，即減少振動的影響范圍；

⑶主變壓器運行振動盡可能直接傳遞至地下空間基礎(chǔ)及地基；

⑷主變油坑、附屬構(gòu)支架等應與主變壓器基礎(chǔ)脫開，避免相互之間因振動產(chǎn)生位移錯動；

⑸主變壓器基礎(chǔ)布置應兼顧地下空間的使用功能；

⑹事故漏油的儲油設(shè)施應保證密封性及排油通暢。

2.2 布置方案

主變壓器設(shè)置剪力墻式基礎(chǔ)（簡稱“墻式基礎(chǔ)”）：主變基礎(chǔ)墩厚度為1700mm，墩下設(shè)置300mm 厚剪力墻框筒，同時為增加基礎(chǔ)整體剛度及穩(wěn)定性，剪力墻框筒內(nèi)增設(shè)300mm 厚“｜”字型抗側(cè)力剪力墻；建筑首層放置主變壓器及油坑，主變壓器基礎(chǔ)與地下空間梁板結(jié)構(gòu)設(shè)100mm 縫脫開，油坑與主變壓器基礎(chǔ)墩設(shè)100mm 縫脫開；主變壓器基礎(chǔ)下部與地下空間基礎(chǔ)底板直接嵌固；主變壓器基礎(chǔ)設(shè)置為空腔式，即非實體填充式，地下二三層沿外圍框筒設(shè)置連梁及樓層板，板厚200mm；油坑內(nèi)填充輕質(zhì)混凝土，油坑底部設(shè)置200mm 排污管，排污管與戶外事故油池聯(lián)通。主變壓器墻式基礎(chǔ)平面布置如圖4、剖面如圖5 所示。鋼筋混凝土強度等級取C40。

3 結(jié)構(gòu)分析

3.1 振動機理

主變壓器本體主要由鐵芯與繞組組成，振動的主要來源包括：

⑴硅鋼片磁滯伸縮引起的鐵芯振動；

⑵硅鋼片接縫處和疊片之間因漏磁產(chǎn)生的電磁吸引力引起的鐵芯振動；

⑶負載電流漏磁引起繞組及油箱振動等。

已有研究表明，主變壓器的振動頻率為50Hz 及其倍頻[4]，振動的頻譜峰值一般在100～600Hz 之間。

3.2 設(shè)備荷載及假定

運行重量約1000kN，考慮動力放大系數(shù)1.2，故運行重量1200kN，折合均布活荷載73kN/m2。現(xiàn)階段國標尚沒有關(guān)于主變壓器振動荷載及分析方面的規(guī)定，因此對振動荷載作如下假定：

圖4 主變壓器墻式基礎(chǔ)平面布置

圖5 主變壓器墻式基礎(chǔ)剖面

⑴在50Hz 時振動激勵力（不平衡力）的幅值是1.0噸（10kN），不平衡力幅值隨著振源頻率的增大而增大，并與頻率平方成正比。此條為振動荷載輸入方式假定，可理解為一個作用在主變壓器質(zhì)心三個方向的簡諧荷載，荷載幅值是10kN×頻率的平方，頻率是倍頻（50、100、150、200、250…600 Hz）。每個方向、每個頻率做一次時程分析，獲得的振動幅值采用“平方和開平方根”方式組合[5]。

⑵不平衡力的作用點在主變壓器的中心位置。取主變壓器質(zhì)心距基礎(chǔ)墩臺面1.50m。

3.3 振動分析

采用SAP2000 對主變壓器基礎(chǔ)進行動力分析（模態(tài)分析及頻域分析），分別采用梁單元、殼單元、實體單元模擬梁、板、剪力墻及基礎(chǔ)。計算模型嵌固端設(shè)在負三層地下空間基礎(chǔ)底板上，基礎(chǔ)設(shè)計為人工挖孔樁+筏板，筏板厚度1.20m，嵌固端具有足夠的剛度。幾何分析模型、前三階振型、豎向主振型如圖6 所示。對模型進行前300 階振動分析，并列舉主要的模態(tài)分析結(jié)果如表1 所示。

從模態(tài)分析結(jié)果來看，主變壓器基礎(chǔ)的前40 階振型與主變壓器的振動頻率均相差較大，主變壓器運行振動不會引起基礎(chǔ)共振。在高階振型如第46 階、64 階、85階、136 階、167 階、200 階、229 階、266 階出現(xiàn)主變壓器倍頻模態(tài)。按照德國標準DIN 4024 規(guī)定：當基礎(chǔ)的模態(tài)頻率與機器的工作頻率無法錯開足夠長的頻段時，應進行強迫振動分析。

圖6 主變壓器基礎(chǔ)分析模型及振型

表1 主變壓器基礎(chǔ)模態(tài)分析

采用動剛度來評價基礎(chǔ)的動力特性。動剛度的定義是：對動力基礎(chǔ)施加一個幅值為F（本文假定F=10kN）的簡諧荷載，計算出力作用點的最大振動線位移幅值S，則F/S 即為動剛度，動剛度與振動荷載大小無關(guān)。

強迫振動分析結(jié)果如表2 所示。當強迫振動頻率為550Hz 時，Y 向最大振動線位移幅值為1.08μm，按簡諧荷載F=10kN 計算基礎(chǔ)動剛度最小值為：10kN/1.08μm=9.26×106kN/m。按照汽輪機組的標準看來[5]，20μm 的允許振動線位移能抵抗變壓器中心作用不平衡力幅值約為185.18kN，此抗力遠大于主變壓器可能的振動不平衡力，因此主變壓器基礎(chǔ)安全度足夠。

4 結(jié)論

表2 主變壓器基礎(chǔ)強迫振動分析

廣東電網(wǎng)生產(chǎn)調(diào)度中心琶洲II 變電站屬嵌入式附建變電站，通過計算機仿真分析及振動控制優(yōu)化設(shè)計，所形成主要結(jié)論如下：

⑴主變壓器墻式基礎(chǔ)與地下空間結(jié)構(gòu)間設(shè)置變形縫脫開，有效阻隔了主變壓器運行振動的橫向傳遞，減少了振動的影響范圍；主變壓器基礎(chǔ)嵌固端設(shè)置在地下空間基礎(chǔ)底板上，保證主變壓器運行振動直接豎向傳遞至地基。

⑵主變壓器運行振動不會引起結(jié)構(gòu)共振。高階振型出現(xiàn)主變壓器倍頻模態(tài)，采用強迫振動分析結(jié)構(gòu)動剛度，結(jié)構(gòu)抗力遠大于主變壓器振動不平衡力，表明主變壓器基礎(chǔ)安全度足夠。