枕头坝一级水电站GIS及中控室隔振设计

陈丹燕，王 勇，金 建

（中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳550081）

1 工程概况

枕头坝一级水电站位于四川省乐山市金口河区境内的大渡河中游干流上，电站采用堤坝式开发，工程枢纽建筑物由左岸非溢流坝段、河床厂房坝段、排污闸及泄洪闸坝段以及右岸非溢流坝段组成，拦河坝为常态混凝土闸坝。电站装机容量720MW，多年平均发电量32.90亿kW·h。

电站发电厂房为右岸河床式（长196.40m，高78.10m，宽94m），为“一”字型布置，安装4台单机容量180MW的轴流转桨式水轮发电机组，由主机间、左端安装间、下游副厂房（主变室及GIS开关站）、下游尾水闸墩、尾水渠、左岸进厂公路等建筑物组成。主机间从下到上分别为蜗壳、水轮机层、母线层、发电机层，共分4个机组段，右端接排污闸坝段，左端接安装间；上游接进水口，下游依次为下游副厂房（主变室及GIS开关站）、尾水闸墩、尾水渠等；安装间上游为左岸非溢流坝段，下游为回车平台和进厂公路；左端有公路通过。进厂公路由左岸公路接入，经尾水渠左边墙上部进入安装间前回车平台。下游副厂房尾水平台以上分别为主变层、高压母线层、GIS层、高压出线层。

2 问题的提出

GIS设备具有占地面积小，设备运行安全、可靠，维护工作量小的优点，已为国内大多数大中型水电站所普遍采用，但其安装和运行环境条件要求相对较高，尤其应避开较大振动源的影响。GIS设备的所有带电元件均由金属外壳包围封闭组成1个刚性整体，金属外壳内部充有一定压力的SF6绝缘气体。

枕头坝一级厂房GIS开关站布置在尾水平台上部，由于厂房尾水压力脉动引起的厂房振动、机组运行导致的厂房振动会直接传递到下游副厂房GIS层，使GIS振动较大，长期运行易造成GIS金属封闭管件连接部位疲劳松动、连接螺栓松动脱落，造成密封失效从而可能导致重大电气事故。如某水电站，GIS开关站布置在尾水平台上部副厂房内，自上世纪70年代末投产以来，出现了许多问题，和振动影响是有一定关系的[1]。

由于GIS设备自身避振措施非常有限，只能通过研究副厂房结构来探索避振措施。本工程中控室与GIS开关站布置在同一层副厂房内，是电站运行人员集中和长期工作的地方，同样受到厂房振动和尾水脉动的影响，达不到国标GB10070振动控制标准。为改善运行人员的工作环境，有必要进行中控室避振措施研究。

3 厂房振动分析

安装水轮机发电机组和各种辅助设备的水电站厂房由主厂房和副厂房两部分组成。它是水工建筑物、机械和电气设备的综合体，又是运行人员进行生产活动的场所。水电站运行时厂房中的动荷载种类多，包括水轮发电机组运行，水力运行，辅机中起吊设备、空压机、水泵、风机、空调等，其中前2项为引起振动的主要振动源，辅机因其质量相对较小，对其一定范围以外影响很小。厂房振动主要考虑机组运行以及相应的脉动压力。

水轮发电机组运行时所产生的振动荷载主要有以下3种：

（1）垂直动荷载：包括发电机转子带轴重、水轮机转轮带轴重、轴向水推力、各种事故工况的竖向振动分力等。

（2）水平动荷载：包括不均匀磁拉力和机组偏心离心力等。

（3）发电机扭矩：发电机运转时，由于电磁感应引起而作用在定子基础及机架上，分正常扭矩和短路扭矩两种。

机组振动荷载可以分解成竖向、径向和环向3个方向。机组振动荷载中，数值较大、对结构动力响应影响较大的机组振动荷载主要是作用在各基础上的竖向（轴向）荷载。

4 隔振结构设计

4.1 GIS结构特点

GIS是由断路器、隔离开关、接地开关、互感器、避雷器、母线、连接件和出线终端等组成，这些设备或部件全部封闭在接地的金属外壳中，在其内部充有一定压力的SF6绝缘气体。GIS设备基础分布比较分散，布置范围长55.5m，宽17.3m，设备总重175.8t。

4.2 GIS隔振形式选择

（1）水电站厂房振动主要为机组运行、水流压力脉动引起振动，对水轮发电机组采取主动隔振措施，即将机组基础与厂房结构之间采用弹性连接，结构会异常复杂，成功的可能性非常小，代价非常大，几乎不可能对机组采取主动隔振。另一个振动的主要因素为水流压力脉动，流道周边混凝土结构和厂房连为一体，不可能进行主动隔振。因此，GIS设备的隔振只能选择被动隔振，即将设备及其基础与周边结构进行分离，采用弹性支座支撑。

与建筑结构相结合类型的隔振设计可分为：

1）支撑式隔振：为普遍使用的一种形式。隔振台座用钢筋混凝土、型钢混凝土、石料、型钢或铸钢制作，台座应具有足够的刚度。

2）悬挂式隔振，包括以下2种：

①刚性吊杆悬挂式隔振：采用两端铰接的刚性吊杆悬挂隔振台座及设备，此种形式仅用于减弱水平向振动。

②悬挂支撑式隔振：两端铰接的刚性吊杆一端连接隔振台座，另一端连接隔振器。隔振器一般为受压状态，此种形式用于减弱垂直向及水平向振动。支撑式隔振为常用的隔振方案。

3）地板（楼板）整体式隔振：当仪器、设备布置较密集时，采用此种形式，将大面积地板（楼板）置于隔振器上，这种形式常用于电子计算机机房。

（2）由GIS设备基础布置情况可知，其基础较多，设备之间由母线（充填SF6气体的金属气室）连接，不宜单个进行隔振，适合采用楼板整体式隔振。因此将GIS楼板考虑为GIS设备的整个基础，基础布置长55.5m，宽17.3m。基础下部布置隔振器，GIS设备+基础+隔振器组成隔振体系。基础可布置无梁板结构和板梁结构。

1）无梁板结构：楼板采用无梁板，与周边结构脱离，隔振器作为无梁板支撑点，隔振器布置在下部粱格交叉点上，粱格间距离控制在4m以下。

2）板梁结构：基础设计成板梁结构形式，与周边结构脱离，隔振器布置在上、下游侧混凝土连续牛腿上，中间布置在柱顶部。

2种隔振体系比较：无梁板式隔振器下部梁格和上下游墙及中间构架柱刚性连接，有利于加强副厂房的顺河向刚度。板梁式结构支撑点跨度较大，且结构不对称，隔振器布置不对称，单个隔振器承载能力要求较高。因此，采用无梁板式结构隔振体系，可保证副厂房水平刚度，具有结构对称，隔振器布置限制条件较少等优点。

（3）根据GIS隔振体系固有频率选择要求，橡胶隔振器、橡胶垫等因最低固有频率较高，不适合本工程；海绵乳胶因承载能力低、易老化，也不宜选择；空气弹簧隔振器价格昂贵，需要配置高度控制阀、控制柜、管道及接头、空压机、储气罐、除尘器、出油器等辅助系统，不便于维护管理，一般用于隔振精度要求非常高的精密仪器，本工程没有必要选择。

弹簧隔振器构造简单，承载范围广，免维护，频率范围2.1～3.5Hz，适合本工程。其缺点是阻尼小，对于固有频率附近的干扰振动，有发生共振风险，一般配合阻尼器进行使用，目前市场上有厂家能提供弹簧阻尼隔振器，其阻尼能提高到0.05，这是避免共振扩大的较佳阻尼值。

弹簧隔振器还具有以下优点：

弹簧隔振器由螺旋钢弹簧、粘滞阻尼器和钢结构箱体组成，弹簧放在钢板或者钢套之间，弹簧的数量可增、可减，也可以采用不同刚度的弹簧组合而成；弹簧在整个荷载范围内有很好的荷载-压缩线性关系。

弹簧具有高承载能力，弹簧隔振器可以按需设计，在垂直方向和水平方向上都有弹性，阻尼器在三维方向上同时具有阻尼耗能作用。

弹簧隔振器在出厂前经过预压缩，预压量约为弹簧设计压缩量的110%，从而在设备基础施工以及设备安装期间，弹簧隔振器始终为刚性支承。当基础施工完毕且设备安装完成后，才利用专用设备将弹簧释放。释放后，弹簧的弹性才起作用。正是弹簧隔振器的可预压缩性，才使方便地调整弹簧的高度成为可能，甚至在必要时，更换整个弹簧隔振器。

弹簧隔振系统不仅可以隔振，而且可以抵抗基础的沉降和不均匀沉降。当设备基础发生少量的沉降或者不均匀沉降时，弹簧隔振系统将会自动地调整各组弹簧的应力，如果沉降过大，则可以采用在隔振器上增加（或者减少）调平垫片的方法来进行补偿，从而使设备基础永远保持水平与稳定。

由于弹簧隔振系统所有的参数都是确定的，很容易控制与修改，系统的各种特性很稳定，隔振器使用寿命长，达50年以上，且无易损件，基本无需日常维护和维修。

根据以上分析，参照其他行业类似隔振措施，绝大多数采用弹簧阻尼隔振器，本工程采用弹簧阻尼隔振器是合适的[1]。

4.3 GIS隔振器布置

根据GIS设备基础布置情况，确定将弹簧隔振器布置在GIS设备基础与设备下井字格梁之间， 弹簧隔振器通过专用防滑垫片与GIS设备基础以及井字梁连接，避免了螺栓连接，简单方便。在进行弹簧隔振器布置时，需要考虑以下几条原则：

为了避免耦合振动，弹簧隔振器布置间距不宜过大，一般＜5m，这样在进行弹簧隔振体系动力分析时可不考虑隔振器下梁的变形。

设计时需要充分考虑到弹簧隔振器的安装空间以及上部结构的荷载分布，根据隔振器上的荷载分布图，选用不同承载能力的弹簧隔振器。尽量保证所有弹簧隔振器的弹簧压缩量均匀一致。尽量保证所有弹簧隔振器的刚度中心与GIS设备和基础的重心一致，这样整个隔振系统不会发生重心偏移，从而避免产生偏心荷载。

根据以上原则，结合GIS基础布置，调整好梁格布置，在梁格上布置了90组隔振器。

4.4 中控室隔振设计

3、4号机组段GIS层布置中控室和其他电气设备，是运行人员主要活动场所，分别布置了中控室、计算机室、通信设备室、蓄电池室、继电保护室、交接班室和资料室等房间。根据相关资料所做的研究，本层振动加速度级一般不满足人体健康评价标准和《建筑物内人体舒适度振动容许值》标准，有必要采取隔振措施。

若采用GIS类似的隔振系统，即整个进行基础板隔振，因其柱子、隔墙、设备等布置很不均匀，板上开孔开洞较多，隔振器刚度中心较难控制和结构中心重合，多数房间进行隔振的必要性也不大。因此，主要对人员长期工作的中控室进行隔振处理。

目前，对于仪器设备室的隔振已经比较成熟，绝大多数采用浮置地板技术，浮置楼板隔振器采用弹簧内置式，浮置楼板隔振系统是针对某一个特定房间，在该房间的结构楼板上，再做一层混凝土楼板，新做的混凝土楼板利用弹簧隔振器支撑在原来的结构楼板上，从而切断了振动传递的路径，避免设备运行时产生振动以及振动引起的固体传声向室内传递。弹簧隔振器的布置按照楼板上的荷载分布确定。每个弹簧隔振器由外套桶，内套桶和配套的调平钢板组成，内套桶包括螺旋钢弹簧和阻尼材料，是主要的隔振元件。

5 隔振效果评价

根据文献[1]的相关研究，机组振动荷载和低频脉动压力作用下，设置了隔振方案后，GIS室和中控室的振动略有增加，但上述荷载作用下结构的振动响应比较小，尤其是振动速度和加速度数值很小，因此即使略有放大也不会对结构本身和人体健康造成影响。而脉动频率较高的工况隔振方案，楼板的振动响应普遍小于非隔振方案，从隔振方案振动响应和非隔振方案相比的减小比例看出对高频脉动压力，隔振措施有明显的隔振效果，对竖向振动位移的减小比例可达70%以上，对速度和加速度的减小比例普遍在60%以上，随脉动压力频率的增加，其减小幅度越大，工况隔振方案楼板位移、速度和加速度最大可分别减小78%、98%和99%。采用隔振措施后，GIS室和中控室振动加速度均能满足关于人体舒适度的控制标准。

总体而言，隔振方案对高频脉动压力有较好的隔振效果，除了减小振动位移外，更能有效降低因高频引起的高振动速度和加速度；对低频荷载引起的振动虽然有所放大，但影响很小。

6 结语

水电工程经过多年的建设发展，各类关于工程经济、安全的研究已经日趋完善，保障了工程的顺利建设及安全运行。水电站厂房为大型的工业厂房，布置了众多的设备，是运行人员活动的主要场所，厂房内多种设备都会在运行时产生振动，引起厂房结构振动，其中起控制作用的主要为水轮发电机组运行振动及水力脉动。随着大型水电厂房的兴建，其机组荷载大，水力脉动更复杂，引起的厂房结构振动逐步得到关注。

水电站厂房内电气设备的安全运行对环境要求相对较高，振动、湿度、温度等对电气设备的安全运行及设备故障率都会产生影响，目前在电站厂房设计阶段，对环境的设计考虑重视程度还不够，尤其是微小振动的影响。枕头坝河床式厂房单机仅有180MW，但其因水头低、引用流量大，采用的轴流转桨式机组尺寸大、荷载大、厂房结构振动比其他厂房可能会突出些。因布置条件限制，厂房GIS开关站及人员较集中的中控室只能选择布置在尾水平台以上的副厂房内，机组运行振动及水力脉动引起GIS设备及副厂房的振动会更加明显，振动环境对GIS设备的运行不利，增加了设备发生故障的概率，而GIS设备的故障会带来较大的停电损失，因此，我们主要研究其微小振动，采取必要隔振措施，改善GIS设备运行环境及运行人员环境。

通过研究，GIS室及中控室结构振动量还在微小振动范围，结构是安全的，但其振动量超过了人体健康安全及人体舒适度标准，有必要进行隔振处理。目前隔振技术日趋成熟，在工业设备、精密仪器、轨道交通、火电核电动力基础、建筑减振等领域都已经得到广泛应用，为本工程隔振措施提供了诸多借鉴。

研究采用的弹簧隔振技术，弹簧隔振系统所有的参数都是确定的，很容易控制与修改，系统的各种特性很稳定，隔振器使用寿命长，达50年以上，且无易损件，基本无需日常维护和维修。隔振系统结构简单，安全可靠，投资较小，施工简单。隔振性能计算和动力分析表明，隔振效果明显，极大的降低了GIS副厂房振动能量，改善了GIS运行环境和运行人员工作环境。