GIS分支母线防风性能研究

吴 轲，郭约法，刘国兵，潘 维，樊健斌

（广东电网有限责任公司东莞供电局，广东 东莞 523000）

广东电网目标网架建设工程中的柔直背靠背换流站是核心工程，站内设备的安全稳定可靠运行是保证换流站异步联网的重要保障。在中、南通道土地资源紧张的客观条件下，为了保证设备间的安全电气连接，换流站交流侧线路需要采用气体绝缘封闭输电线路。

目前来看，GIL、GIS分支母线都适用于紧凑型换流站布置。而GIL在近年来的国产化使用中出现了不同程度的运行问题，“中国南方电网公司反事故措施（2019年版）”针对GIL设备提出了“谨慎使用”的建议。而GIS分支母线能够满足运行需求且在国网多个换流站中都有采用，目前来看运行情况良好，因此在中南通道工程拟采用GIS分支母线方案。

为了分析论证大风和微风振动等气候地理的复杂性对中、南通道换流站GIS分支母线的影响，需要对防风性能进行仿真计算[1-2]。同时，本文得到的规律性结论同样适用于相同电压等级的新建GIS分支母线的工程设计，也为后续工程中GIS分支母线的结构设计给出参考性方案。

岳希明等[3]对一种四通管在工作压力下的工作压力进行了数值仿真。研究发现，在箱形箱梁与箱梁的交叉点处，轴向受力最大。模拟计算与实际测量的壳内应力基本吻合，验证了采用有限元模拟技术进行母线筒的模拟是可行的。张相庭[4-5]对横向和顺向风向的振动反应进行了细致的分析和探讨。楼文娟等[6]利用风洞实验及计算方法，对高层建筑的横向风振反应进行了深入的研究。

综上，现有的GIS抗风性能分析不能充分了解母线的静、动态响应特性，不能达到防灾的水平，理论研究也不成熟。此外，上述研究大多使用理论数据来确定GIS的工作状态，没有实际的环境记录，分析结果与实际情况存在偏差。本文调研站址所在水文地质、气象气候等变量，并按最严苛情况仿真分析GIS分支母线在大风等外力作用下的稳定性能，以及微风振动、温度应力等影响因素对力学性能的影响，并得出规律性结论。结合地基沉降相关专题研究成果，通过有限元仿真分析判断机械应力是否满足技术指标，提出对GIS分支母线防沉降的针对性策略。

1 风荷载的计算与气象调研

根据工程初步设计方案，单通道GIS分支母线总长度约为1.2 km，采用户外布置。影响GIS分支母线运行可靠性的因素包括大风和微风振动等外力影响。对于中通道换流站，由于GIS在户外距离长，表面积大造成风荷载大，多相间易形成气流涡流互相影响，且在跨越联接变地段需要通过门型构架将GIS分支母线架至约12 m高，伸缩节等柔性部件成为了抗外力的薄弱环节，气候地理的复杂性和布置方案都对GIS的运行环境提出了更高的要求。

计算主要受力结构时，应根据以下公式计算

式中：wk是风荷载标准值；βz是高度z处的风振系数；μs是风荷载体形系数；μz是风压高度变化系数；w0是基本风压。高度的增加与周围环境的变化会导致风速不一样，故必须对不同地形地貌、不同地域高度等有所规定，为了区别不同地域风速或风压的大小，可根据地面粗糙度的类型确定风压高度的变化系数，分为A类指近海；B类指田野；C类指建筑群密集；D类指建筑物密集而且房屋高大。例如，同样是高度为5 m，地面粗糙度A类的风压为1.17，地面粗糙度B类的风压为1.00，地面粗糙度C类的风压为0.74，地面粗糙度D类的风压为0.62。

对于未给出基本风压的区域，在建筑时，应根据当地风速数据计算基本风速，然后根据以下公式转换为基本风压

式中：w为基本风压；ρ为空气密度；g为重力加速度；v为风速；y为空气容量。

在标准大气压下，设空气容量，γ=0.012 018 kN/m3，g=9.81 m/s2，则在一般情况下，常取

站址位于广东省东莞市沙田镇西太隆村，直线距离西太隆村中心约0.5 km，东北侧距离东莞市中心约20 km。站址东侧紧邻500 kV崇焕变电站，西北侧紧邻厚铧橡胶厂，北侧距离番莞高速（高架桥）约100 m，西面为东莞运河，南面和东面为流经的东引运河支流包围。变电站位于位于东莞市沙田镇，地处珠江三角洲河网区，临近南海，属亚热带季风气候。光热充足，气候温和，雨量充沛，但降雨量的年内分配很不均匀，其中汛期的4—9月约占全年降雨量的82.3%，降雨多属锋面雨和热带气旋雨。受季风的影响，全年盛行偏东风，年内风向随季节转换明显，每年4—8月盛行东南风，9月—次年3月盛行东北风。夏、秋季节常受强烈热带风暴的影响，是当地主要的灾害性天气之一；而冬季则受北方强冷空气的侵袭，会出现短暂的低温霜冻现象。

根据东莞气象站历年观测气象资料进行统计，得各气象要素的特征值如下：多年平均气压为1 010.6 hPa；多年平均相对湿度为78%；多年平均大风日数为2 d；多年平均风速为2.0 m/s。10 m高度10 min平均最大风速26.8 m/s，相应风向ESE，发生日期为1971年8月17日。

将从东莞气象站收集到的历年实测年最大风速原始资料进行代表性、可靠性和一致性审查，风速高度订正，观测次数和风速时距换算，统一订正和换算为离地10 m高10 min平均最大风速。采用极值Ⅰ型和P-III型分布进行频率计算，得到离地10m高50年一遇10min平均最大风速27.2 m/s，风压系数取值1/1 600，由基本风压公式计算基本风压为0.46 kN/m2。

查GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》的全国基本风压图和广东省标准DBJ 15—101—2014《建筑结构荷载规范》，得站址区域50年一遇基本风压为0.65 kN/m2。根据《南方电网沿海地区100年一遇设计基本风速分布图（2018版）》，本工程位于10 m高50年一遇设计风速为33 m/s的风区，因此风速按33 m/s计算。根据东莞气象站累年全年风向玫瑰图可以看出，东莞站的全年主导风向为E，风向频率为14%；次主导风向为NE，风向频率为10%；静风频率为17%。

由东莞气象站实测年最大风速计算得到的风压结果略小于从GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》查得的离地10 m高50年一遇风压，主要原因是该气象站自20世纪90年代以来观测环境发生较大变化，周围建筑物较多，屏蔽大风状况下的气流，很难观测到真实野外空旷环境下的最大风速。为工程安全起见，站址处离地10 m高50年一遇风压取0.65 kN/m2，相应离地10 m高50年一遇10 min平均最大风速为32.2 m/s，地面粗糙度类别为B类。

综合分析，对为工程安全起见，站址处离地10 m高50年一遇风压取0.68 kN/m2，相应离地10 m高50年一遇10 min平均最大风速为33 m/s，地面粗糙度类别为B类。

2 GIS套管和母线风载响应

以500 kV的GIS的户外设备的其中一小部分进行等效静态风载分析，以套管和母线为研究对象，运用有限元分析方法，针对该地域离地高度为10 m处的情况，对500 kV的GIS的部分结构进行静力分析，以重点关注套管在强风下的风载应力响应。

本次计算的模型主要有套管和母线GIS户外部分结构图。通过对结构的静力分析，得到了结构在强风作用下相应的应力和位移，全面了解了结构的静力力学特性，找出了结构的最大应力和最大位移。通过计算分析可知，套管顶部是形状变量中最严重的部分。图1为瞬时最大风速98 m/s对应的应力云图和位移响应云图，可以看出，套管的最大应力主要集中在套管与支架连接的储罐根部，这主要是由于支架对套管的固定作用。由于储罐的固定作用、套管本身的自重和大风压的共同作用，套管根部的应力最大。而本次分析的套管在风速为33 m/s下的风载响应应力值为4.72 MPa；此次计算由于所取的研究对象范围较小，强风下的稳定性较弱，支架和套管的相互作用增大了套管的受力响应。因此此次分析的套管应力响应相对较大。可以看出，套管的最大应力出现在瞬时极大风速为98 m/s时，其值为30.4 MPa，此时对应的最大位移为17.259 mm。硅橡胶的强度为38 MPa，由于硅橡胶材料的应力分散性较大，计算时以其60%的值作为校核数据，因此该复合套管在98 m/s风速下的安全裕度不能满足安全设计要求。母线最大位移偏移量为2.897 mm、最大应力为12.8 MPa，母线的应力的最大值远小于为铝合金的屈服强度为125 MPa，安全裕量为89%，远远低于其屈服强度，安全系数较大。

图1 套管的应力云图和位移云图

3 GIS支架风载响应

对结构进行实体建模，采用该地区50年一遇10 min平均最大风速为33 m/s，进行等效静力风载分析。

通过对结构的静力分析，得到了结构2个方向上实际支撑的最大应力和位移，全面了解了结构的静力特性，找出了结构的最大应力和位移。图2是x方向的支架的应力云图及位移云图。应力最大值为26.9 MPa，位移值为0.597 mm，但因为支架材料刚度大，所以支架在x方向上等效静态风载响应值仍满足国家安全标准要求。通过对实际支架的x方向上的等效静态风载响应分析可知，在33 m/s的风速下，支架都处于较为安全的状态，安全系数较大，不会在强风下遭受损坏。y方向等效静态风载下各支架的最大应力和最大位移值为72.7 MPa和0.453 mm。应力值较大是因为在y方向下的风压不仅作用支架的套管上，还作用在与其相连的母线筒上，因此支架在y风向下受力较大。不管哪个方向的风载，支架的最大应力都远小于Q235的屈服强度235 MPa。所以虽然支架受到较大应力，但仍有较为可观的安全裕度。

图2 支架的x方向应力云图和位移云图

4 结束语

本文以广东电网目标网架建设中、南通道换流站GIS为研究对象，研究了套管、母线及支架基于ANSYS Workbench的有限元分析方法，对结构在平均最大风速和瞬时极大风速下中静力学响应特征进行有限元分析。基于仿真结果得知，各结构在50年一遇10 min平均最大风速33 m/s的情况下，最大应力和位移值均有较大安全裕量。在1 000年一遇瞬时极大风速98 m/s工况下，套管顶端应力值为30.4 MPa，超出材料所能承受范围，应重点关注。本文研究不仅对于提高GIS设备运行的安全性，而且对GIS分支母线系统的设计、安装等，都具有重要的理论和工程实践意义。后续可针对区域强风多发地区GIS分支母线，开发基于精细化气象预报数据的预警平台，实现GIS分支母线强风灾害的前期优化防治、即时在线评估和预警、灾后的防风和防震数据迭代更新，有效提高GIS分支母线的防风能力。