干式铁芯电抗器设备振动控制措施研究

伍文科，杜林林，秦敬伟，祖晓臣，王 菲

（国机集团科学技术研究院有限公司 国机集团工程振动控制技术研究中心，北京100080）

随着跨区域长距离输变电工程的建设及电压等级的不断提高，输电线路的充电电容显著增大。为了补偿线路的充电功率，抑制系统的工频过电压，保证系统的安全稳定运行，高压并联电抗器已成为超高压电网中必不可少的电气设备[1]。电抗器主体部分由绕组和铁芯构成，漏磁和电流相互作用产生的绕组电磁力、铁芯所受电磁力以及铁芯的磁致伸缩会引起电抗器振动，并通过铁芯构件等传播[2-3]。

目前国内外学者对电抗器振动特性及控制措施进行了很多研究。文献[4－8]通过理论分析、有限元模拟及现场试验等方式对电抗器振动产生机理和特性进行了研究。文献[9]分析了并联电抗器振动产生的原因与危害，并从电抗器内部构造与外部安装等方面提出了优化措施。文献[10]发现采用填充材料填充铁芯间气隙后电抗器振动位移有一定减小。文献[11]中采用隔振器代替原来的硬性连接，并实施降噪措施后，电抗器室的振动与噪声有了明显的改善。文献[12]提出“贯通缝+钢筋混凝土支墩”的电抗器基础方案，该方案具有消除和减少楼面振动和环境噪声的双重功效。虽然已有很多研究成果，但振动噪声控制仍是铁心电抗器世界性问题之一。

当前城市用地极为紧张，为提高城市土地利用率，有相当一部分新建的电抗器组设置在建筑物中，并且变电站内部变压器、电抗器等动力设备被集中布置，将电抗器基础与主体结构分离较为困难，很多时候电抗器都是直接放置于结构楼板上，因此电抗器振动对其自身及所在处建筑结构均存在较大影响。本文针对集中布置于楼板上的干式铁芯电抗器正常运行时的振动对结构楼板及设备自身的影响进行分析，通过现场测试及有限元分析对电抗器运行时振动荷载及相应振动控制措施开展研究，提取采取不同振动控制措施时电抗器布置区域结构局部振动响应，获得各种措施的实际减振效率，为电抗器下部结构的设计提供指导。

1 工程概况

本文以某220千伏变电站为研究对象。该变电站为全地下变电站，其中地上一层、地下四层，结构长70.5 m，宽33 m，地下深约22 m，结构筏板厚度为1.8 m。当前已投运2 台电抗器，后续还准备投入2台，均布置在地下三层，其平面布置如图1所示。

图1 变电站平面图

2 振动控制措施

实际工程经验与相关研究成果[13]表明，楼板的结构刚度是影响楼板振动幅度的重要指标，楼板的结构刚度越大，楼板振动的振幅越小。为增大电抗器布置区域结构刚度，本文分别研究加大楼板厚度、加密电抗器布置区域次梁、在电抗器区下层布置隔墙及立柱等结构性措施和采用钢弹簧隔振器等措施的减振效率。

2.1 加厚楼板

当前电抗器所在楼层楼板厚度为200 mm，为研究通过加厚电抗器所在层的楼板以达到降低楼板振动响应的有效性，将楼板厚度从原200 mm分别加厚至250 mm、300 mm、350 mm。

2.2 增加次梁

为增加电抗器布置区结构整体刚度，按照3 种形式分别加密该区域内次梁的密度：单独加密横向次梁；单独加密结构纵向次梁；同时加密结构横向与纵向次梁最终形成“井”字梁结构。

2.3 增加隔墙

在电抗器所在楼层下层对应区域已经存在梁的位置增加隔墙。隔墙的设置分为3 种形式：两电抗器外侧增加隔墙；两电抗器中间增加隔墙；电抗器中间及两侧都增加隔墙。

2.4 增加立柱

增加立柱来起到代替隔墙的作用，即在相应位置增加钢筋混凝土柱以提高局部结构的刚度，也分为3种形式：两电抗器外侧增加两根柱；电抗器中间增加单柱；电抗器中间及两侧共增加3根立柱。

2.5 主动隔振

通过在设备与基础之间设置隔振器，来减小设备振动传递率，称为主动隔振[14－16]。目前，国内外为控制电力设备运行时结构的振动响应，采用隔振器进行主动隔振的控制方式已广泛应用在电力设施中[17]。文中隔振器为定制化的钢质弹簧隔振装置，每台电抗器采用6 个钢质弹簧，工作频率为3.0 Hz，隔振方法分为两种：单独采用钢质弹簧隔振装置；在采用钢质弹簧隔振装置的同时在电抗器区域布置“井”字梁并将楼板加厚至250 mm。

3 振动荷载

在实际结构振动时程分析中，常用的结构基底振动时程输入方法是一致激励法，但是对于电抗器设备运行振动所引起的结构局部楼板振动问题，由于电抗器本体的振动是通过连接地脚传递到设备基础及结构楼板，影响区域极小[1]，故不能采用一致输入。因此本文借鉴大质量法[18－19]，在电抗器设备与楼板连接节点处施加远大于设备质量的大质量（大于设备总质量的10 倍以上），可使得惯性力在结构响应中占优势。大质量法的表达式如式（1）所示。

其中：M0为节点大质量；P为各节点上所施加的随时间变化的节点荷载为电抗器设备支撑节点处楼板加速度。

将式（1）第j个方程展开如式（2）所示：

在式（2）两边同时除以M0，由于选取大质量远大于其他质量、阻尼与刚度，故，通过上述方法最终实现对支撑节点的加速度输入。

在实际测试中发现电抗器运行时无法对设备振动及与设备连接的楼板振动响应进行测试，故对设备附近楼板振动响应进行测试，测点布置如图2 所示。其中1#测点位于两电抗器中间梁上，2#测点位于电抗器外侧跨中板上。选择1#点实测加速度时程作为振动输入，并通过在动力分析后反算验证的方式确定设备振动荷载。经多次计算验证后发现模拟与实测值的时域指标误差满足要求，说明本文采用的振动荷载输入方法准确性较高。两测点模拟与实测值如表1所示。

图2 楼板振动响应测试测点布置图

表1 两测点模拟与实测时域指标对比/（mm·s-2）

4 数值模拟

4.1 分析模型

依据变电站的结构施工图，建立电抗器结构数值仿真模型，主体采用框架单元模拟，剪力墙与结构楼板采用壳单元，将电抗器等效成实体布置在结构对应位置，电抗器与楼板采用LINK 单元连接，共设置6 个LINK 单元，分别位于4 个角点及长边中点。数值模型如图3所示。

图3 结构数值模型图

4.2 动力时程分析

4.2.1 加厚楼板

按设计工况修改有限元模型后进行动力时域分析，然后提取各减振措施下测点对应加速度响应并计算其减振效率，如图4至图5所示。

图4 不同楼板厚度条件下的加速度对比

图5 不同楼板厚度条件下的减振效率对比

当电抗器所在楼层楼板由200 mm 增大到350 mm时，两测点振动响应衰减都在25%以上，由此可见，加厚楼板可在一定程度上降低由电抗器运行所引起的楼板振动，但是减振效果并不明显。且楼板厚度过大会增大结构自重，增加结构整体造价，因此在工程项目中应根据实际设计方案与项目预算适当增大楼板厚度。

4.2.2 增加次梁

按上述增加次梁的方法修改有限元模型后进行动力时程分析，然后提取以3 种形式加密次梁时测点对应加速度响应并计算其减振效率，如图6至图7所示。

图6 加密次梁的加速度对比

图7 加密次梁的减振效率对比

当电抗器所在区域次梁由最初形式加密成“井”字梁时，两测点振动响应衰减都在40%以上，由此可见，加密次梁能很好降低由电抗器运行引起的楼板振动。

4.2.3 增加隔墙

按上述增加隔墙的做法修改有限元模型后进行动力时域分析，然后提取以3 种形式增加隔墙时测点对应加速度响应并计算其减振效率，如图8至图9所示。

图8 增加隔墙的加速度对比

图9 增加隔墙的减振效率对比

当增加3 道隔墙时，楼板振动响应衰减都达到99%以上，说明增加隔墙对局部结构刚度影响较大。然而单独在两电抗器中间区域或两电抗器两侧增加隔墙时，对结构刚度的影响有限，并且增加隔墙对于结构的使用空间造成很大的影响，因此在实际设计中需要根据设备下层结构的实际作用综合考虑。

4.2.4 增加立柱

按上述增加立柱的做法修改有限元模型后进行动力时域分析，然后提取以3 种形式增加立柱时测点对应加速度响应并计算其减振效率，分析结果如图10至图11所示。

图10 增加立柱的加速度对比

图11 增加立柱的减振效率对比

当电抗器所在区域下层增加3根钢筋混凝土柱后，结构局部刚度增加较为明显，两测点振动响应衰减在70%以上，故增加立柱可以很好降低由电抗器运行引起的楼板振动。且增加立柱相对与增加隔墙对下部结构使用空间的影响较小，在实际设计中可优先考虑在合适的位置增加钢筋混凝土立柱。

4.2.5 主动隔振

按上述主动隔振的做法修改有限元模型后进行动力时域分析，然后提取采用两种隔振方法时测点对应加速度响应并计算其减振效率，如图12至图13所示。

图12 增加隔振器的加速度对比

图13 增加隔振器的减振效率对比

在不改变原结构时，单独采用钢质弹簧隔振装置，实际减振效率可达80%，在配合采用结构性振动控制措施后，钢质弹簧的实际减振效率可达到90%以上，故采用隔振器进行主动隔振能很好降低由电抗器运行引起的楼板振动，且这种做法特别适用于改造工程。

5 结语

针对电抗器振动对自身及所处建筑结构的影响，本文通过有限元方法分析增加结构局部楼板厚度、加密次梁、增加隔墙或立柱及采用主动隔振等措施的减振效率，可为电抗器下部结构的设计提供指导。由上述分析过程，可得如下结论：

（1）采用大质量法施加振动荷载时，由于在电抗器设备与楼板连接节点处施加大质量，可以准确实现对支撑节点的加速度输入。

（2）增加楼板厚度可在一定程度上降低由电抗器运行引起的楼板振动，但楼板厚度过大会增大结构自重，增加结构整体造价，故工程项目中应根据实际设计方案与项目预算适当增大楼板厚度。

（3）加密次梁能有效降低由电抗器运行引起的楼板振动。

（4）增加隔墙或立柱对于控制楼板振动响应都有很好的效果，但是这两项措施会对结构的使用空间造成很大的影响，因此在实际设计中需要根据设备下层结构的实际作用综合考虑。

（5）单独采用钢质弹簧隔振装置进行主动隔振或结合其他结构性振动控制措施，均可获得很高的减振效率。因此在类似新建项目或在已有项目的改造中均可采用主动隔振措施。