水電站尾水平臺低頻振動對GIS設備的影響

孫科

[摘? ? 要]布置在尾水平臺上的GIS設備會受到尾水管低頻振動的影響，通過實測振動數據及計算GIS設備振動模型，分析設備受影響程度，并提出針對性抗振設計和保護措施。

[關鍵詞]尾水平臺;GIS;低頻振動;振動模型

[中圖分類號]TV737 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2022）02–00–03

Impact of the Hydropower Station Tailrace Platform

Low-Frequency Vibration on GIS Equipment

Sun Ke

[Abstract]Layout on the tailrace platform of GIS equipment are influenced by the tailrace low-frequency vibration. Based on measured vibration data and calculation of the GIS equipment vibration model， analyze the impact of the device. And targeted vibration-proof design and protective measures are put forward in the feasibility study.

[Keywords]tailrace platform; GIS; Low-frequency vibration; vibration model

將氣體絕緣金屬封閉開關設備（GIS）布置在河床式水電站廠房尾水平臺上，需要考慮尾水管振動對GIS設備的影響。國內外對水電站廠房、尾水平臺、機組的振動有不同程度的研究，如尾水管壓力振動的研究及控制、混流式機組的振動和貫流燈泡機組的振動等，但尾水平臺的振動對GIS的影響問題，尚未有專門研究和解決方案

GIS設備采用SF6氣體作為絕緣介質。如果SF6氣體組合電氣設備發生異常振動，可能會導致設備機械性能損壞。具有破壞性的振動大多數是由共振引起的，共振使設備結構產生很大的危險應力，甚至破壞。為此，設備振動原因的分析及采取正確的消除方法至關重要。

1 尾水平臺振動規律和特性分析

1.1 尾水管振動

水輪發電機組在部分負荷運行時，在尾水管中有時出現一種不穩定流的渦帶現象，在轉輪出口形成渦流運動，它是水輪機功率擺動、機組轉動部分及尾壁低頻振動和噪音的主要根源，尤其在低負荷運行時，往往出現較大的振動聲。

渦帶引起的壓力脈動頻率與渦帶的頻率相同，渦帶頻率在尾水管中各處都是一樣的。尾水管渦帶所造成的壓力脈動頻率，與許多因素有關，通常采用雷崗斯經驗公式（1）：

f渦（Hz） （1）

式中n為機組轉速，r/min;b為系數，b=2～6，通常b=3～4;fn為機組旋轉頻率，簡稱轉頻，Hz。

不同的運行工況點下，尾水管所受脈動壓力變化很大，脈動幅值變化也較大，壓力脈動頻率變化卻不大，壓力脈動的頻率在不同工況下都為低頻。

1.2 尾水管振動實測

據國內外一些試驗結果表明，尾水管渦帶壓力脈動相對振幅在2%～20%，其中實心渦帶相對振幅小于10%，空腔渦帶相對振幅可達20%，在此范圍內，低水頭機組相對振幅偏高，高水頭機組偏低。尾水管中，測點不同，所測得的壓力脈動幅值不同。

根據已有的部分研究成果顯示，國內8座水電站的尾水管振動實測值見表1[1]。

基于此問題對已建成運行的多座水電站尾水平臺、廠房的振動情況進行現場測量分析。

1.2.1 XM水電站

該電站機組轉速n=83.3 r/min，尾水頻率估算根據式（2）：

f渦0.23～0.69 Hz （2）

因此信號統計分析可得尾水渦帶頻率帶在0.23 ～0.69 Hz。

現場實測結果見表2。

1.2.2 GQ水電站

該電站機組轉速n=83.3 r/min，尾水頻率估算根據式（3）：

f渦0.23～0.69 Hz （3）

因此信號統計分析可得尾水渦帶頻率帶在0.23 ～0.69 Hz。

現場實測結果見表3。

1.2.3 SXG水電站

該電站機組轉速n=88.2 r/min，尾水頻率估算根據式（4）：

f渦0.245～0.735 Hz （4）

因此信號統計分析可得尾水渦帶頻率帶在0.245 ～0.735 Hz。

現場實測結果如下表4。

以上實測數據可以看出，水電站尾水平臺振動頻率較低，在0.24～1.94Hz之間;振動幅值較小，在0.02～2.3mm。這些水電站在運行中，也未發生因尾水平臺振動損壞設備的情況。

2 GIS振動模型計算及分析

2.1 振動模型

通過與GIS廠家合作，針對典型布置方式設備抗振能力進行了模擬研究和結果分析。設備振動模型采用底座與地面固結方式，考慮主要部件及其重量分布、材料特性（包含彈模、波松比、抗拉強度、屈服應力、疲勞強度、地震時容許應力）、瓷套和膠裝的截面

等[2-4]。

根據所提供的三個水電站尾水平臺、廠房振動實測結果，取檢測數據的最大值，振動幅值為2.3 mm，根據公式（5）。

（5）

其中：ω為圓頻率，取結構的基頻18.84 RAD/SEC;D為振動幅值，取2.3 mm;A為加速度。

計算可得振動幅值為2.3 mm對應的加速度峰值為0.083 25 g。

根據《GB/T13540—2009，高壓開關設備和控制設備的抗震要求》，風速為10 m/s。風荷載分別作用在X向和Y方向上。

根據三個水電站的尾水平臺、廠房振動測量報告，計算振動載荷。然后用振型疊加反應譜法對安裝在尾水平臺上的GIS設備進行綜合抗振能力分析。綜合考慮檢測得到的尾水平臺振動量以及風載荷，對這兩種載荷共同作用時的抗振能力進行安全分析與評價。

2.2 模型計算

有限元模型計算結果如圖1～2。

2.3 計算分析

從有限元模型計算動位移分析結果看，結構有可能出現損害;但是從加速度振幅分析結果看，該設備應處于振動安全狀態。

3 GIS尾水平臺布置的抗振設計和措施

對于布置在尾水平臺上的GIS設備，為了盡量避免尾水管低頻振動對GIS設備造成破壞，可以在GIS設備設計及安裝的過程中采取一些切實可行的設計方法和措施，盡量減小振動帶來的影響。

（1）在設計階段對尾水平臺的振動進行預測和控制，從結構設計方面進行抗震優化設計。

（2）采取適當的措施通過適當減少補氣量，達到緩解壓力脈動的目的，以緩解尾水平臺的振動情況

（3）對GIS設備本身而言，可以通過調整GIS設備開關、管道母線的跨距等，使設備和導體的固有頻率避開尾水平臺振動的主要頻率范圍。

（4）對振動傳播過程阻隔，對振動能量進行吸收，在GIS設備下方設置一些具有一定質量的隔振材料，在母線與設備的聯接段設置伸縮節，隔斷振動波的擴散，消除振動源傳遞到GIS設備能量。

4 結論

（1）水電站尾水管振動理論分析可知，其主要表現為低頻渦帶振動，且頻率一般低于6 Hz。實測振動數據應證尾水平臺振動頻率較低，在0.24～1.94Hz;振動幅值較小，范圍在0.02～2.3mm。

（2）通過對GIS設備的抗振能力進行模擬研究表明，在尾水平臺低頻振動下有可能出現損害，需進行相應的驗證計算，如有需要可采取相應的抗振設計和措施。

（3）在GIS設備設計及安裝的過程中，使GIS的自振頻率錯開尾水渦帶頻率和尾水平臺建筑物的低頻振動頻率，并采取GIS設備支撐部位安裝防振墊隔絕振動波等措施，使得布置在尾水平臺上的GIS設備處于振動安全狀態。

參考文獻

[1] 張大本等.混流式水輪機尾水管渦帶引起的水力振動[M].廣西：廣西電力技術，1996.

[2] 徐灝.疲勞強度設計[M].北京：機械工業出版社，1981.

[3] 高壓開關設備和控制設備的抗震要求：GB/T13540—2009[S].

[4] 建筑結構荷載規范：GB50009—2001[S].