基础不均匀沉降对特高压GIS 设备的影响分析及应对措施

◎王保刚 付佳佳 刘静静 程伟然 王磊 方启 刘斯腾 王晨峰 随祥旭

（作者单位：平高集团有限公司）

引言：随着我国电网规模的不断扩大，对特高压GIS 高压开关产品使用要求更为严格，使用环境适应性也更广泛。由于GIS开关设备运行高可靠性，占地面积小等特点，是用户首选的开关设备。针对特高压工程建设质量、设备的可靠性要求的高标准，使特高压GIS 开关设备的工程适应性就更加优越。特高压GIS 开关设备是安装在基础上对应预埋钢板上，所以特高压工程基础的建设是特高压GIS 设备安全、稳定运行的根本，一旦基础沉降超出要求值，且发生不均匀沉降时，将会对GIS 设备安全可靠运行带来严重的、不可预估的质量隐患，如气体泄漏、放电等事故。

本文针对某特高压工程基础发生较大不均匀沉降时，结合GIS 设备结构特殊性，提出GIS 设备沉降值的获取方法；对沉降数据分析计算，找出适合GIS 设备应力计算模型；利用ANSYS 分析与应力计算模型进行对比，评价设备状态；提出GIS 开关设备的临时性解决方案，及实施过程中的注意事项。为基础沉降后的GIS 设备运行状态评价分析提供参考依据。关于基础永久纠偏措施复杂，本文不做分析研究。

一、特高压GIS 对基础设计要求

目前我国特高压GIS 工程建设时，均按一倍半接线方式进行GIS 开关设备布置，由于特高压GIS 开关设备占地面积较高压、超高压GIS 开关设备大，基础设计按功能分：串内设备基础、主母设备基础、分支母线设备基础。由于串内设备与主母设备布置原因，一般串内设备与主母线基础设计为同一基础，即一个特高压工程基础最终按功能划分为GIS 本体基础、分支母线基础。

为保证特高压GIS 开关设备安全、可靠运行，对基础设计有严格要求，即要满足GIS 运行时载荷要求，又要满足沉降要求。GIS 本体基础设计时通常为整体大板结构，一般在80～100m 左右设置伸缩缝，解决基础热胀冷缩；分支母线基础为整体大板设计，也可以是筏板加支墩方式设计，分支母线基础与GIS 本体基础交接处设置伸缩缝。伸缩缝的设置一是为满足基础表面在受载不均或基础自身热胀冷缩工况避免发生局部断裂等问题；二是用来吸收不同基础间均匀沉降量。

二、特高压GIS 对基础沉降要求

基础沉降是指GIS 设备和土工建筑物荷载通过基础传递给地基，地基中产生了竖向、侧向和剪切变形，导致各点的竖向和侧向位移。

基础沉降又分均匀沉降和不均匀沉降。GIS 工程设计时是按照工程均匀沉降量要求，经科学计算后进行合理结构布置，基础在均匀沉降范围内，GIS 设备均能安全可靠运行。

GIS 设备安装时，通过设备支撑高低调整来解决基础埋件施工误差及基础均匀沉降差，GIS 等高设备安装后要保证中心高度相同。所以，两个独立大板基础或同一大板内不同埋件间出现不均匀沉降时，判定设备是否安全可靠运行前提条件有以下几方面：1. 基础相对沉降量必须满足GIS 设备结构设计允许值。2.两个独立大板伸缩缝处相对沉降量必须小于此处GIS 弹簧元件沉降功能允许值。3.同一大板内不同支撑埋件的相对沉降差必须小于两支撑间GIS 设备挠度变形量允许值。4.当基础发生不均匀沉降时，仍然要通过测量GIS 设备中心高度，分析设备变形量，评价设备状态。

三、不均匀沉降对GIS 设备影响分析

造成基础不沉降因素较多，如土体性质、设计方面、勘测报告、施工原因等，所以针对不均匀沉降的影响分析，需以实际沉降数据为依据，对土工建筑物或基础上安装设备进行影响分析。

下面以某特高压工程基础不均匀沉降实际工况，对基础上安装的特高压GIS开关设备实际形变进行影响分析，评价设备运行状态。

1.GIS 设备沉降量的确定。GIS 设备是安装在基础表面的预埋钢板上，预埋钢板通过植筋与混凝土钢筋网进行连接并进行尺寸定位，再进行混凝土浇筑。GIS 开关设备安装前要进行所有预埋钢板高度差测量，高度误差在设计范围内才允许GIS安装。

国内某一特高压工程在GIS 设备自安装后运行约1 年，依据GB/T12897-2006国家一二等水准测量规范、GB50026-2007工程测量规范、JGJ 8-2016 建筑变形测量规范、DL/T5445-2010 电力工程施工测量技术规范标准，对基础进行沉降观测发现（基础示意见图1，线框为基础边界），其中GIS 设备分支母线1、分支母线2 处基础局部发生不均匀沉降现象，沉降速率远超0.01mm/d。

图1 某一特高压工程基础示意图

为研究该工程基础不均匀沉降对GIS设备影响，现以本程沉降最严重的分支母线1 数据为例进行研究分析。以分支母线1设备区域基础发生沉降后，分支母线1 设备不同部位发生不同程度挠度变形。

依据设计要求，在母线长度方向进行分段设置支撑，支撑与母线连接部位设置有高低调整结构，可用于GIS 设备安装时或运行一段时间后（即当基础沉降趋于稳定后）的高低调整，本工程支撑最大调整量为10mm。所以，为了准确得到GIS 设备的实际沉降量，提出以GIS 设备每个筒体连接法兰为测量点，每个法兰处分别取最高点和水平中心位置为测量点，每点测量至少三次，取平均值并记录。分支母线1 测量点见图2。

图2 分支母线1 测量点示意图

依据国家相关测量规范及标准，对测量数据汇总见表1。为分析GIS 设备受最大沉降影响，每处法兰取两个测量点中的最大绝对值为设备的相对沉降值yn（n 为1～9 自然数）。

表1 沉降值数据表

2.计算分析。（1）数据分析。依据用户要求，分支母线1 与GIS 本体大板基础之间的沉降差值不得超过±25mm，每一块大板基础上的任意两块埋件的设计沉降值按表2 执行：

表2 分支母线1 埋件设计沉降量

根据图2 及表2，计算得出分支母线1每处支撑位置GIS 设备设计沉降值为y设n#（见表3）。

表3 支撑点设计沉降值y 设n#/mm

按图2 设置布置及表1 测量数据，简化绘制出分支母线1 设备实际沉降近似曲线图（见图3），从图上可看出：分支母线1在MX1-72、MX1-82 点位置沉降最为明显。

图3 分支母线1 沉降曲线

依据实际沉降曲线图3，利用三角形等比定理，近似计算出每两个支撑间GIS设备相对沉降量，假设5#支撑与4#支撑间的设备相对沉降量为y5#，即：

以此类推，计算出每个支撑处GIS 设备实际相对沉降量得出表4。

表4 支撑点GIS筒体实际相对沉降量yn#/mm

结论：对比表3 和表4，5#～7#支撑处GIS 设备实际相对沉降量已超出设计允许值，说明基础已产生较大不均匀沉降。

（2）GIS 设备工况分析。由于GIS 结构及支撑布置的特殊性，为更准确计算GIS设备沉降应力，综合前述沉降分析，需将分支母线1 简化为分段模型计算。通过分析，在基础沉降时，往往支撑位置筒体承受应力最大。通过对整体沉降趋势分析，转化计算各支撑处的沉降值（见表4），建立数学模型，可以计算出各支撑处筒体应力情况。

根据受力分析，可将每个支撑处GIS设备分析为悬臂梁受力结构，分析本次沉降对该分支母线设备的受力状况。

数学模型公式：y=FL3/(3EI) （4）

其中：y 为筒体沉降绝对值（表4）；F为筒体承受力；L 为支撑间筒体长度；E 为弹性模量（5083-H112：71GPa、304：204GP）；I 为筒体惯性矩0.002769m4。

根据公式（4）可以推出筒体产生沉降力如式（5）所示： F=3EIy/L3（5）

由于1#支撑处筒体为测量参考点，默认沉降为0，所以对2#支撑处母线设备简化模型如下图：

图4 2#支撑处设备沉降后简化模型

即2#支撑间母线设备所承受沉降力值为：

根据上式计算取F2#最大值用于考核筒体承载应力，以此计算出所有支撑处设备筒体沉降力F 为：

表5 支撑点GIS 筒体沉降力

应力计算公式：由σ=M/W，得出：σ=FLD/(2I)＜σ0.2（6）

其中：F 为筒体产生的沉降力；L 为支撑间筒体长度；D 为筒体直径；I 为筒体惯性矩0.002769m4；σ0.2为材料屈服强度（5083-H112：125MPa、304：205MPa）。

由式（5）、（6）分别计算出每个支撑间母线设备的应力值：

以此计算各部位设备筒体应力为：

表6 计算筒体应力σ /MPa

结论：根据表6 可知，目前已有5#、6#、7#支撑筒应力已超出许用应力，但仍小于材料拉抗强度，虽然筒体没有遭到破坏，但说明筒体产生较大应力，存在损坏的隐患，或有轻微变形。

所以，对不均匀沉降量较大的位置所对应GIS 开关设备要及时进行应力消除。

（3）ANSYS 分析GIS 设备工况。为验证理论计算的正确性，利用ANSYS 软件对分支母线1 设备进行建模，计算筒体受力情况。计算模型如下图所示：

图5 沉降计算简化模型

由于支架为刚性连接，在三维建模过程中将支架略去，仅保留筒体的支腿。将表4 值施加在筒体支腿上，计算出筒体法兰沉降量，如下图所示：

图6 整体变形示意图

为了对比结果的正确性，提取表1 对应法兰位置的计算沉降量与表1 测量值作比较，结果如下：

表7 计算值与测量值对比

从表7 数据可知ANSYS 仿真计算的各个法兰对接面的沉降量与实测值较为接近，本文建立的ANSYS 模型基本正确。

表8 支撑点GIS筒体应力ANSYS计算结果l

表9 ANSYS 仿真与理论计算值对比

从表9 对比数据可知，理论计算值与ANSYS 仿真计算值基本吻合，理论计算可以反映筒体应力的真实情况。

四、基础不均匀沉降GIS 开关设备的临时性解决方案

通过对本工程沉降量分析，已超出GIS 设计允许范围，说明设备产生较大应力，存在较大质量隐患。所以，在基础不能及时做永久纠偏时，可以先对GIS 设备采取临时性对策，首先保证设备安全稳定运行。

1.临时性解决方法。

（1）对GIS 设备中心高度进行测量，整理数据；

（2）利用数据对设备进行挠度、应力计算，分析设备应力状态；

（3）当沉降量较小时，微调GIS 设备支撑高度解决设备不平状态；

（4）当沉降量超过支撑调整量时，通过抬升或降低设备支撑，使设备总体恢复至安装时水平高度状态；

（5）设备调整后，根据目前沉降速率，结合设备沉降能力范围，制定基础沉降观测频次，及时掌握沉降状态；

（6）重点关注雨季、冬季等易引起基础土层形变较大的季节，制定沉降量预警值。

2.特高压GIS 设备抬升或降低注意事项。由于特高压GIS 设备较常规GIS 开关体积大，重量沉，在设备调整时，务必做好人员、设备安全等相关措施，根据现场施工条件及特高压GIS 设备结构特点，要做到以下注意事项：

（1）当GIS 设备抬升或降低时，为保证安全，原则上建议设备停电后作业；

（2）作业前，GIS 设备外壳要有可靠接地，消除外壳静电危害；

（3）GIS 设备调整部分含有伸缩元器件时，要做好原始状态记录，便于设备精准恢复；

（4）GIS 设备抬升或降低调整时，务必平稳、等间距微调，可每次3～5mm 间距循环调整，杜绝一次性大距离调整；

（5）禁止对薄壁元件（如筒体）小面积作用力，务必使用专用工装，增大薄壁元件受力面积；

（6）作业用顶起（液压）装置或吊装工装等，使用前务必确认状态完好；

（7）若现场有焊接、气割等动火作业时，务必做好消防安全等措施。

五、总结及建议

本文对某一特高压工程基础发生不均匀沉降，提出了数据测量、计算分析、及临时性解决方案内容有：（1）提出了对GIS设备连接法兰进行中心高测量，可获得GIS 更精确的沉降量值；（2）比对GIS 设备实际沉降量，找出超出设计允许沉降量设备位置；（3）依据GIS 设备的结构特殊性，对超出允许沉降值的GIS 设备建立受力模型，评价设备应力工况；（4）GIS 设备母线出现沉降后可以通过理论计算对设备状态进行初步判断，评价设备工况；（5）根据设备评价结果，当基础不能做永久纠偏时，提出GIS 设备临时性解决方案，及实施过程中的注意事项。

以上对基础沉降后的GIS 设备运行状态评价分析提供参考意见。特高压工程是重点工程，基础建设至关重要，发生较大沉降时，要及时做好永久纠偏措施，预防特高压开关设备出现运行故障，以免造成重大安全事故。