河床式水电站高压配电装置布置及振动分析

向重平， 韩 燕

(四川省水利水电勘测设计研究院，四川 成都 610072)

0 前 言

伴随着工农业的发展,高压配电装置逐步改进了分相中型、高型、半高型等屋外配电装置和110～220 kV屋内配电装置,使得设计更为经济、合理。高压配电装置的布置是整个水电站设计中的核心部分，设计原则应满足：一是做到切合实际、运行可靠、维护方便、技术先进、经济合理；二是要注意充分利用地形、因地制宜，布置力求整齐、简单、紧凑。高压配电装置的布置位置还应结合安装、检修运输、消防通道、进线出线、防火防爆要求确定；尽量靠近厂房，以缩短昂贵的发电机电压母线长度，减小电能损失和故障机会，并满足防火、防爆、防雷、防水雾和通风冷却的要求，安全可靠；尽量与安装间在同一高程上，便于主变压器的运输、安装和利用轨道推进厂房的安装间进行检修；变压器的运输和高压侧出线要方便，且变压器之间要留必要空间。高程应高于下游最高洪水位，且四周设置排水沟。

根据电站的不同形式，高压配电装置的布置位置也不同。河床式厂房，由于尾水管较长，可将升压变压器布置在尾水平台上，这时尾水平台的宽度，应使高压设备在检修移出时符合最小安全净距的要求。引水式地面厂房，升压站场可能的位置是厂房的一端进厂公路旁、尾水渠旁、厂房上游侧或尾水平台上。坝后式厂房，可以利用厂坝之间的空间布置升压变压器。由于地形和场地的限制，个别水电站将主变压器布置在厂房顶上，地下厂房的主变压器可布置在地下洞室内。

安谷水电站为河床式电站，水电站尾水平台具备布置高压配电装置的条件，通过对尾水平台上布置高压配电装置后各部分相关的固有振动频率的分析研究，解决了河床式水电站的开关站布置问题，因此避免了GIS开关站布置在岸边必须增大土石方和高边坡开挖及发电机电压母线等的工程投资，对工程建设具有一定的经济价值和推广意义。

1 工程概述

安谷水电站工程是大渡河干流梯级开发中的最后一级，坝址位于乐山市安谷河段的生姜坡，距上游沙湾水电站约35 km，下游距乐山市区约15 km，有省道S103从枢纽区左岸通过，对外交通较方便。工程采用混合开发方式，即建坝壅水高20.0 m，河床式厂房，厂后接长约9 461 m的尾水渠，尾水渠利用落差15.5 m。

安谷水电站工程的开发任务为发电、防洪、航运、灌溉和供水等。电站装机容量772 MW，正常蓄水位398.0 m，正常蓄水位以下库容6 330万m3。其中大机组4×190 MW，额定水头33.0 m，设计引用流量2 576.0 m3/s，年利用小时数4 023 h，多年平均发电量30.58亿kW·h，保证出力193 MW；小机组1×12 MW，额定水头21m，设计引用流量64.9 m3/s，年利用小时数7 235 h，多年平均发电量0.87亿kW·h，保证出力10 MW。电站采用一级混合开发方式，即建坝壅水高20.0 m，河床式厂房，厂后接长约9 461 m的尾水渠，尾水渠利用落差15.5 m。

安谷水电站的主接线方式：五台机组与五台变压器各接成发电机-变压器单元接线，1～4号机各经一台SFP11-220000/220 kVA的主变压器由发电机电压13.8 kV升压至220 kV；5号机经一台SF11-15000/220 kVA的主变压器由发电机电压10.5 kV升压至220 kV。220 kV出线共2回，送至南天变电站。220 kV侧选用的为户内SF6气体绝缘组合电器设备(GIS)。

2 高压配电装置布置位置的选择

根据厂区枢纽图，高压设备布置位置可选择在厂房右岸(左岸为冲砂泄洪闸)或尾水平台上。下面就两个布置方案进行分析比较。

方案一：高压设备布置在厂房右岸。根据四川省交通厅2001年6月编制的《四川省内河航运发展规划》(2002-2050)，安谷水电站尾水渠出口在鹰咀岩河段上游约700 m处，船闸航道与尾水渠结合，故厂房右岸预留有60 m船闸位置，加上上坝公路的距离，220 kV高压设备可布置在距离厂房约70 m避开陡坡的开阔地带。机组与主变设备通过离相封闭母线连接，母线沿水轮机层廊道至厂房端部，下引，通过船闸底部的母线廊道，穿过船闸与布置在GIS楼底层的变压器连接。GIS楼布置在右岸开阔位置，尺寸为132 m×12 m。出厂区后的母线廊道位于船闸底部，船闸最低航道水位为355.102 m。

安谷电站四台大机共4套三相分离式封闭母线，每相母线的外径约为850 mm，间距为1 400 mm，从尽量减少工程量的角度考虑，四台机分成2组，每组母线采取同平面、高程错开的布置方式。根据该布置方式，母线廊道尺寸(宽×高)为12 m×6 m。

方案二：高压配电装置布置于尾水平台上。机组与主变设备通过三相分离式封闭母线连接，主变水平位置与机组出线轴方向位置保持一致。各台机组母线沿水轮机层廊道顶部引至下游侧墙面，沿预留的母线孔上引与变压器连接。

两个方案进行比较，技术方面：方案一的母线廊道过长，母线引接距离远，且廊道需穿过船闸底部，结构不稳定，环境潮湿，设备长期运行在该环境下，容易引发故障，不利于电站的长期稳定运行。方案二则没有相关影响；经济方面：方案一投资远远大于方案二。

综上所述，方案一是较优的(见表1)。

表1 方案一、二经济比较 万元

注：以方案2为基准。

3 振动分析

3.1 概述

尾水平台最常见的水力振动是尾水管涡带引起的压力脉动。电站在运行时也常常不能有效避开不利运行工况点，导致运行中尾水管出现振动。安谷水电站的220 kV高压设备布置于尾水平台，发电时，机组运转势必会带来尾水平台产生一定的振动，从而成为一个持续振动源。高压设备在日常运行中也有其固有的振动频率。一旦设备的固有频率与该持续振动源的振动频率重叠，就会引发共振，对设备及主体结构带来破坏性损害，因此必须对高压设备的运行工况进行分析，杜绝该类现象的发生。要避开共振情况，首先要对设备的固有频率进行分析计算。

3.2 主变、GIS固有振动频率分析

对设备的固有振动频率的分析，其中一种方法就是进行模态分析。模态分析是研究结构动力特性一种近代方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。这些模态参数可以由计算或试验分析取得。

3.2.1 GIS固有振动频率分析

要对GIS固有频率进行分析计算，首先要对GIS设备进行建模。建模步骤如下：

(1)采用三维显示的梁单元建立GIS主要构件模型；

(2)并使用约束方程连接GIS主体结构和支撑件，构成GIS设备的有限元模型；

(3)根据GIS主体结构及支撑部件的材料特性，建立GIS各部件的有限元模型；

(4)设置边界条件：限制所有同地面连接的节点的所有自由度，包括所有方向的位移和转动自由度。

建模完成后取75个模态，即从基频开始的75阶的变量。取对应该结构的X、Y、Z方向的自然频率，得出频率和对应的模态质量以及各阶的模态变形，采用MIDAS软件计算后最终得出GIS的固有频率(见表2)。

表2 GIS的固有频率 Hz

3.2.2 主变固有振动分析

主变的振动一般来自以下几方面：

(1)硅钢片的磁滞收缩引起的铁芯振动；

(2)硅钢片连接处和叠片之间存在因漏磁而产生的电磁吸引力，从而引起铁芯振动；

(3)当绕组中有负载电流通过时，负载电流产生的漏磁引起绕组、油箱等振动。

根据主要引起振动的因素，对变压器进行ANSYS系统建模。模型采用三维实体单元，对变压器各部件进行有限元分块建模，附带边界条件，完成模型计算，得出变压器本体的低阶固有振动频率约为14.77 Hz。

4 机组部分振动分析

针对安谷水电站高压设备布置于尾水平台的特殊性，西安理工大学水利水电学院进行详细的研究计算后，提出了《安谷水电站厂房变压器设备基础振动复核研究报告》。报告针对电站特殊的布置情况，对厂房的线性三维有限元计算进行了重新建模。模型主要对副厂房楼板、变压器及GIS设备基础进行了调整，并针对副厂房变压器、GIS设备支承楼板等局部结构自振特征，选取了局部模型进行自振特性计算，结论见表3、4。

表3 下游GIS支承楼板自振频率 Hz

表4 下游主变支承楼板自振频率 Hz

5 结 论

通过模型数据可以得出以下结论：下游变压器支承楼板自振其中第一阶频率为25.83 Hz。变压器本体第一阶自振频率为14.77 Hz(SFP11-220000/220型)，错开度较大，不会有发生变压器与支承楼板共振的可能性。此外，机组动荷载作用频率为1.47 Hz(正常运行工况)，变压器频率与支承楼板频率相对机组动荷载激励频率均错开较大，所以，支承楼板与机组振动激励荷载发生共振的可能性也很小。

下游变压器支撑楼板第一阶频率为8.99 Hz，而GIS设备本体竖向第一阶自振频率为28.49 Hz，错开度较大，一般不会有GIS设备与支承楼板共振的可能性。此外，机组动荷载作用频率为1.47 Hz(正常运行工况)，GIS设备支承楼板频率相对机组动荷载激励频率错开较大，所以，支承楼板与机组振动荷载发生共振的可能性也很小。

通过上述分析论证，安谷电站中高压配电装置布置于尾水平台后，与水工建筑物产生共振的几率很小，方案是可行且安全的。为了进一步减少主体建筑物长期振动而可能带来的设备本身结构的危害，高压配电装置还应采取以下一些抗振措施：

(1)增加铁芯撑条数量，增大线圈内纸筒与铁芯的有效解除面积；控制套装间隙，保证线圈轴线圈油道垫块进行密压工艺处理，以保证线圈轴向紧实；

(2)提高油箱强度，调整并加强受力部位的结构和数量，减小集中，提高油箱焊缝强度；

(3)GIS各部件连接螺栓采取适当合理的防松措施；

(4)在GIS基础部位增加隔振部件；

(5)在主变及GIS安装在线检测系统，对设备运行中的工况进行实时监控。

安谷水电站首台机组于2014年10月发电，至2015年9月四台机组(包括生态机组)已全部投产运行，目前运行状况良好，检测到的相关振动参数也在安全范围内。

参考文献：

[1] 余晓辉.变压器绕组模型的固有频率计算与分析.变压器，2010，47(7)：6-8.

[2]顾晓安.大型变压器振动和噪声控制方法研究.噪声与振动，2001,21(5)：7-11.

[3]杨瑞棠.GIS振动的分析.华通技术，2001(2)：11-14.