水电站尾水平台低频振动对GIS设备的影响

孙科

[摘    要]布置在尾水平台上的GIS设备会受到尾水管低频振动的影响，通过实测振动数据及计算GIS设备振动模型，分析设备受影响程度，并提出针对性抗振设计和保护措施。

[关键词]尾水平台;GIS;低频振动;振动模型

[中图分類号]TV737 [文献标志码]A [文章编号]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

将气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）布置在河床式水电站厂房尾水平台上，需要考虑尾水管振动对GIS设备的影响。国内外对水电站厂房、尾水平台、机组的振动有不同程度的研究，如尾水管压力振动的研究及控制、混流式机组的振动和贯流灯泡机组的振动等，但尾水平台的振动对GIS的影响问题，尚未有专门研究和解决方案

GIS设备采用SF6气体作为绝缘介质。如果SF6气体组合电气设备发生异常振动，可能会导致设备机械性能损坏。具有破坏性的振动大多数是由共振引起的，共振使设备结构产生很大的危险应力，甚至破坏。为此，设备振动原因的分析及采取正确的消除方法至关重要。

1 尾水平台振动规律和特性分析

1.1 尾水管振动

水轮发电机组在部分负荷运行时，在尾水管中有时出现一种不稳定流的涡带现象，在转轮出口形成涡流运动，它是水轮机功率摆动、机组转动部分及尾壁低频振动和噪音的主要根源，尤其在低负荷运行时，往往出现较大的振动声。

涡带引起的压力脉动频率与涡带的频率相同，涡带频率在尾水管中各处都是一样的。尾水管涡带所造成的压力脉动频率，与许多因素有关，通常采用雷岗斯经验公式（1）：

f涡（Hz） （1）

式中n为机组转速，r/min;b为系数，b=2～6，通常b=3～4;fn为机组旋转频率，简称转频，Hz。

不同的运行工况点下，尾水管所受脉动压力变化很大，脉动幅值变化也较大，压力脉动频率变化却不大，压力脉动的频率在不同工况下都为低频。

1.2 尾水管振动实测

据国内外一些试验结果表明，尾水管涡带压力脉动相对振幅在2%～20%，其中实心涡带相对振幅小于10%，空腔涡带相对振幅可达20%，在此范围内，低水头机组相对振幅偏高，高水头机组偏低。尾水管中，测点不同，所测得的压力脉动幅值不同。

根据已有的部分研究成果显示，国内8座水电站的尾水管振动实测值见表1[1]。

基于此问题对已建成运行的多座水电站尾水平台、厂房的振动情况进行现场测量分析。

1.2.1 XM水电站

该电站机组转速n=83.3 r/min，尾水频率估算根据式（2）：

f涡0.23～0.69 Hz （2）

因此信号统计分析可得尾水涡带频率带在0.23 ～0.69 Hz。

现场实测结果见表2。

1.2.2 GQ水电站

该电站机组转速n=83.3 r/min，尾水频率估算根据式（3）：

f涡0.23～0.69 Hz （3）

因此信号统计分析可得尾水涡带频率带在0.23 ～0.69 Hz。

现场实测结果见表3。

1.2.3 SXG水电站

该电站机组转速n=88.2 r/min，尾水频率估算根据式（4）：

f涡0.245～0.735 Hz （4）

因此信号统计分析可得尾水涡带频率带在0.245 ～0.735 Hz。

现场实测结果如下表4。

以上实测数据可以看出，水电站尾水平台振动频率较低，在0.24～1.94Hz之间;振动幅值较小，在0.02～2.3mm。这些水电站在运行中，也未发生因尾水平台振动损坏设备的情况。

2 GIS振动模型计算及分析

2.1 振动模型

通过与GIS厂家合作，针对典型布置方式设备抗振能力进行了模拟研究和结果分析。设备振动模型采用底座与地面固结方式，考虑主要部件及其重量分布、材料特性（包含弹模、波松比、抗拉强度、屈服应力、疲劳强度、地震时容许应力）、瓷套和胶装的截面

等[2-4]。

根据所提供的三个水电站尾水平台、厂房振动实测结果，取检测数据的最大值，振动幅值为2.3 mm，根据公式（5）。

（5）

其中：ω为圆频率，取结构的基频18.84 RAD/SEC;D为振动幅值，取2.3 mm;A为加速度。

计算可得振动幅值为2.3 mm对应的加速度峰值为0.083 25 g。

根据《GB/T13540—2009，高压开关設备和控制设备的抗震要求》，风速为10 m/s。风荷载分别作用在X向和Y方向上。

根据三个水电站的尾水平台、厂房振动测量报告，计算振动载荷。然后用振型叠加反应谱法对安装在尾水平台上的GIS设备进行综合抗振能力分析。综合考虑检测得到的尾水平台振动量以及风载荷，对这两种载荷共同作用时的抗振能力进行安全分析与评价。

2.2 模型计算

有限元模型计算结果如图1～2。

2.3 计算分析

从有限元模型计算动位移分析结果看，结构有可能出现损害;但是从加速度振幅分析结果看，该设备应处于振动安全状态。

3 GIS尾水平台布置的抗振设计和措施

对于布置在尾水平台上的GIS设备，为了尽量避免尾水管低频振动对GIS设备造成破坏，可以在GIS设备设计及安装的过程中采取一些切实可行的设计方法和措施，尽量减小振动带来的影响。

（1）在设计阶段对尾水平台的振动进行预测和控制，从结构设计方面进行抗震优化设计。

（2）采取适当的措施通过适当减少补气量，达到缓解压力脉动的目的，以缓解尾水平台的振动情况

（3）对GIS设备本身而言，可以通过调整GIS设备开关、管道母线的跨距等，使设备和导体的固有频率避开尾水平台振动的主要频率范围。

（4）对振动传播过程阻隔，对振动能量进行吸收，在GIS设备下方设置一些具有一定质量的隔振材料，在母线与设备的联接段设置伸缩节，隔断振动波的扩散，消除振动源传递到GIS设备能量。

4 结论

（1）水电站尾水管振动理论分析可知，其主要表现为低频涡带振动，且频率一般低于6 Hz。实测振动数据应证尾水平台振动频率较低，在0.24～1.94Hz;振动幅值较小，范围在0.02～2.3mm。

（2）通过对GIS设备的抗振能力进行模拟研究表明，在尾水平台低频振动下有可能出现损害，需进行相应的验证计算，如有需要可采取相应的抗振设计和措施。

（3）在GIS设备设计及安装的过程中，使GIS的自振频率错开尾水涡带频率和尾水平台建筑物的低频振动频率，并采取GIS设备支撑部位安装防振垫隔绝振动波等措施，使得布置在尾水平台上的GIS设备处于振动安全状态。

参考文献

[1] 张大本等.混流式水轮机尾水管涡带引起的水力振动[M].广西：广西电力技术，1996.

[2] 徐灏.疲劳强度设计[M].北京：机械工业出版社，1981.

[3] 高压开关设备和控制设备的抗震要求：GB/T13540—2009[S].

[4] 建筑结构荷载规范：GB50009—2001[S].