220 kV变电站架构横风向共振原因分析及处理措施

胡春雷，张 彤，张红珊

(河北省电力勘测设计研究院，石家庄 050031)

随着钢结构材料的发展及变电站设计水平的提高，钢管结构在变电站户外配电装置架构中得到广泛应用，多边形(圆形)钢管梁也逐渐应用于变电站构架横梁设计中。在常规变电站设计中，架构横梁多采用桁架结构，一般只需要考虑顺风向发生的风荷载作用，不需要考虑横风向产生的风振，而选用多边形(圆形)钢管作为架构横梁时，横风向共振成为设计人员必须考虑的设计要素。现结合工程实际，针对迪吉利220 kV变电站工程中多边形钢管架构横梁的振动情况，对多边形钢管横梁横风向风振进行分析，并给出横风向风振诱发共振的预防及解决措施。

1 工程概述

迪吉利220 kV变电站在刚果共和国布拉柴市北部，距市区约10 km，建筑场地位于刚果(布)巴泰凯高原东南边缘低缓丘陵地带，地势由东向西倾斜。地面标高为226.3～230.0 m，地表被杂草所覆盖，场地内地形较平缓、开阔。变电站内规划建设3台主变压器，此次建设2台；220 kV配电装置规划建设出线4回，此次建设2回。

变电站架构梁主体采用φ381 mm×5 mm的多边形钢管。架构柱采用φ300 mm×5 mm的多边形钢管组成的“A”字型柱和带端撑的“A”字型柱，构架柱分段连接采用无肋法兰连接。架构梁、柱通过连接模块采用高强螺栓刚性连接。钢材型号为ASTM A572 GR65。220 kV进出线架构高度为15 m，跨度13 m。主变压器架构高度为15 m，跨度为15 m。变电站架构设计风速30 m/s，架构梁、柱的设计安全系数大于等于1.40。

2 变电站架构振动原因分析

2.1 现场情况

由于变电站架构采用钢管横梁模块化设计，架构安装比较顺利。2010年1月，迪吉利变电站3组出线架构和2组主变压器架构不同程度的发生振动，而且发生振动时，通常伴有微风。尤其在2010年1月12日下午，主变压器的2组架构产生强烈振动，振动频率较快，伴有声音，地线支架抖动，构架立杆舞动。

2.2 原因分析

通过对现场情况调查发现：在架构发生振动时，架构安装工作已经结束，现场无其它施工作业，没有明显的外力作用；架构上未悬挂绝缘子串，也没有挂进出线导线、地线，处于裸架构状态；现场风速不大，风速、风向比较稳定；架构设计强度完全满足顺风向风力作用的强度设计要求；大风作用下架构并没有发生振动。由于该变电站架构横梁主体为多边形钢管，在风力作用下，流动的空气绕过横梁，形成卡门涡街，在特定风速下，空气旋涡脱落频率与结构自振频率接近或一致时，将诱发共振。因此，可初步判断为架构在横风向风振作用下产生共振，但要准确判定振动的原因，还需要作进一步的计算分析。

为此，利用STAAD通用软件，计算变电站主变压器架构的自振周期，其中取第1振型自振周期T1=0.376 75 s。架构横梁直径D=0.381 m，圆截面结构斯脱罗哈数St=0.2，依据GB 50009-2001《建筑结构荷载规范》(2006年版)[1]临界风速vcr=D/(T1·St)= 5.056 m/s，可计算出雷诺数Re=1.3×105<3×105,可判定为亚临界微风共振，这与现场当时风速不大的情况吻合，验证了此次架构振动为横风向共振的推测。

3 变电站架构横风向共振的影响

变电站架构横梁在风力作用下形成卡门涡街，产生横风向旋涡脱落风力，直接作用在架构横梁上，对变电站架构安全产生威胁。在横风向风振的作用下，横风向旋涡脱落风力FV(z)可表示为顺风向风力FH的函数，即：

FV(z)=1/2ρv2B(z)μL=FHB(z)μL

(1)

式中：ρ为空气密度；v为风力速度；B(z)为垂直流动方向的截面尺度随高度z的变化量(架构设计中可取值B(z)=1)；μL为横风向升力系数，对于圆形截面μL取0.25[2-3]。根据式(1)，可以得出架构横梁的横风向旋涡脱落风力FV和顺风向风力FH的关系为：

FV=0.25FH

(2)

风力产生的合力应为FV和FH的矢量和，即：

(3)

可见横风向旋涡脱落风力FV对结构的影响较小，但实验表明，当与风速有关的旋涡脱落圆频率ωs与架构某一自振圆频率ωi一致时，即使风速增大，旋涡脱落频率亦不改变，而在增大风速的一个区域内，架构处于共振状态，此区域称为“锁住区域”(对于圆形截面结构，风速在1～1.3vcr之间为锁住区域)。如果在结构中出现共振和锁住区域，特别在风速较大的跨临界范围出现锁住区域，在该区域风力作用下将产生共振，振动力将比非共振状态下的横风向旋涡脱落风力大到10倍甚至几十倍[3]，此时横风向旋涡脱落风力将会影响结构的稳定甚至破坏结构。对于变电站架构，亚临界微风共振力虽然不能够破坏架构主体，但长时间共振可能导致焊缝开裂或螺栓松动，直接威胁架构的安全。

4 处理措施

根据理论分析，可通过破坏卡门涡街产生条件、调整架构自振周期、增加钢梁振动模态阻尼等措施，避免架构在卡门涡街作用下产生横风向共振，但由于破坏卡门涡街的产生条件将影响架构的美观。因此在工程实际中，一般采用以下3种实施方案：

a. 在变电站架构安装完成后及时悬挂绝缘子，改变架构自振周期，若架构安装结束后电气设备尚未进场，可悬挂其他重物(如装有水泥沙子的铁桶)；

b. 在钢梁管内放置一定重量的铁链，改变架构自振周期，同时增加阻尼，该方案将增加结构成本；

c. 在架构横梁或架构柱内灌入混凝土，改变架构自振周期，该方案增加结构成本较多，且增加重量大，需要对钢结构进行验算。

通过比较可以看出，第1个方案在不调整主变压器架构的结构、不增加成本的情况下，通过悬挂绝缘子串，防止产生架构共振现象，是成本最低廉，对架构影响最小的解决方案，为此采用该方案对迪吉利220 kV变电站进行了施工处理，悬挂绝缘子串后，架构未再发生振动情况。

5 结束语

为避免发生卡门涡街诱发共振的问题，设计人员应理清共振发生的原因，分清共振的种类，认清共振的危害。对于跨临界的强风共振，在设计上必须避免，必要时可以调整钢梁的结构形式，破坏卡门涡街的产生条件来避免诱发共振；对于亚临界微风共振，如果在设计阶段，设计人员发现存在亚临界的微风共振发生的可能，应在施工图中注明施工安装注意事项，避免由于施工习惯，导致在裸架构状态下发生横风向共振。设计人员应该意识到变电站架构自身的特点，在设计阶段可通过增加架构强度、设置阻尼器等手段，以避免亚临界的微风共振的发生。

参考文献：

[1] GB 50009-2001，建筑结构荷载规范[S].

[2] 陈 萌，管品武，赵更歧.横风向旋涡脱落的共振分析及在工程上的应用[J].世界地震工程，2004, 20(3)：95-99.

[3] 张相庭.横风向旋涡脱落共振响应分析及在规范上的应用[J].建筑科学，2000年12月,16(6)：22-25.