干式鐵芯電抗器設(shè)備振動控制措施研究

伍文科，杜林林，秦敬偉，祖曉臣，王 菲

（國機集團科學技術(shù)研究院有限公司 國機集團工程振動控制技術(shù)研究中心，北京100080）

隨著跨區(qū)域長距離輸變電工程的建設(shè)及電壓等級的不斷提高，輸電線路的充電電容顯著增大。為了補償線路的充電功率，抑制系統(tǒng)的工頻過電壓，保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，高壓并聯(lián)電抗器已成為超高壓電網(wǎng)中必不可少的電氣設(shè)備[1]。電抗器主體部分由繞組和鐵芯構(gòu)成，漏磁和電流相互作用產(chǎn)生的繞組電磁力、鐵芯所受電磁力以及鐵芯的磁致伸縮會引起電抗器振動，并通過鐵芯構(gòu)件等傳播[2-3]。

目前國內(nèi)外學者對電抗器振動特性及控制措施進行了很多研究。文獻[4－8]通過理論分析、有限元模擬及現(xiàn)場試驗等方式對電抗器振動產(chǎn)生機理和特性進行了研究。文獻[9]分析了并聯(lián)電抗器振動產(chǎn)生的原因與危害，并從電抗器內(nèi)部構(gòu)造與外部安裝等方面提出了優(yōu)化措施。文獻[10]發(fā)現(xiàn)采用填充材料填充鐵芯間氣隙后電抗器振動位移有一定減小。文獻[11]中采用隔振器代替原來的硬性連接，并實施降噪措施后，電抗器室的振動與噪聲有了明顯的改善。文獻[12]提出“貫通縫+鋼筋混凝土支墩”的電抗器基礎(chǔ)方案，該方案具有消除和減少樓面振動和環(huán)境噪聲的雙重功效。雖然已有很多研究成果，但振動噪聲控制仍是鐵心電抗器世界性問題之一。

當前城市用地極為緊張，為提高城市土地利用率，有相當一部分新建的電抗器組設(shè)置在建筑物中，并且變電站內(nèi)部變壓器、電抗器等動力設(shè)備被集中布置，將電抗器基礎(chǔ)與主體結(jié)構(gòu)分離較為困難，很多時候電抗器都是直接放置于結(jié)構(gòu)樓板上，因此電抗器振動對其自身及所在處建筑結(jié)構(gòu)均存在較大影響。本文針對集中布置于樓板上的干式鐵芯電抗器正常運行時的振動對結(jié)構(gòu)樓板及設(shè)備自身的影響進行分析，通過現(xiàn)場測試及有限元分析對電抗器運行時振動荷載及相應(yīng)振動控制措施開展研究，提取采取不同振動控制措施時電抗器布置區(qū)域結(jié)構(gòu)局部振動響應(yīng)，獲得各種措施的實際減振效率，為電抗器下部結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供指導。

1 工程概況

本文以某220千伏變電站為研究對象。該變電站為全地下變電站，其中地上一層、地下四層，結(jié)構(gòu)長70.5 m，寬33 m，地下深約22 m，結(jié)構(gòu)筏板厚度為1.8 m。當前已投運2 臺電抗器，后續(xù)還準備投入2臺，均布置在地下三層，其平面布置如圖1所示。

圖1 變電站平面圖

2 振動控制措施

實際工程經(jīng)驗與相關(guān)研究成果[13]表明，樓板的結(jié)構(gòu)剛度是影響樓板振動幅度的重要指標，樓板的結(jié)構(gòu)剛度越大，樓板振動的振幅越小。為增大電抗器布置區(qū)域結(jié)構(gòu)剛度，本文分別研究加大樓板厚度、加密電抗器布置區(qū)域次梁、在電抗器區(qū)下層布置隔墻及立柱等結(jié)構(gòu)性措施和采用鋼彈簧隔振器等措施的減振效率。

2.1 加厚樓板

當前電抗器所在樓層樓板厚度為200 mm，為研究通過加厚電抗器所在層的樓板以達到降低樓板振動響應(yīng)的有效性，將樓板厚度從原200 mm分別加厚至250 mm、300 mm、350 mm。

2.2 增加次梁

為增加電抗器布置區(qū)結(jié)構(gòu)整體剛度，按照3 種形式分別加密該區(qū)域內(nèi)次梁的密度：單獨加密橫向次梁；單獨加密結(jié)構(gòu)縱向次梁；同時加密結(jié)構(gòu)橫向與縱向次梁最終形成“井”字梁結(jié)構(gòu)。

2.3 增加隔墻

在電抗器所在樓層下層對應(yīng)區(qū)域已經(jīng)存在梁的位置增加隔墻。隔墻的設(shè)置分為3 種形式：兩電抗器外側(cè)增加隔墻；兩電抗器中間增加隔墻；電抗器中間及兩側(cè)都增加隔墻。

2.4 增加立柱

增加立柱來起到代替隔墻的作用，即在相應(yīng)位置增加鋼筋混凝土柱以提高局部結(jié)構(gòu)的剛度，也分為3種形式：兩電抗器外側(cè)增加兩根柱；電抗器中間增加單柱；電抗器中間及兩側(cè)共增加3根立柱。

2.5 主動隔振

通過在設(shè)備與基礎(chǔ)之間設(shè)置隔振器，來減小設(shè)備振動傳遞率，稱為主動隔振[14－16]。目前，國內(nèi)外為控制電力設(shè)備運行時結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)，采用隔振器進行主動隔振的控制方式已廣泛應(yīng)用在電力設(shè)施中[17]。文中隔振器為定制化的鋼質(zhì)彈簧隔振裝置，每臺電抗器采用6 個鋼質(zhì)彈簧，工作頻率為3.0 Hz，隔振方法分為兩種：單獨采用鋼質(zhì)彈簧隔振裝置；在采用鋼質(zhì)彈簧隔振裝置的同時在電抗器區(qū)域布置“井”字梁并將樓板加厚至250 mm。

3 振動荷載

在實際結(jié)構(gòu)振動時程分析中，常用的結(jié)構(gòu)基底振動時程輸入方法是一致激勵法，但是對于電抗器設(shè)備運行振動所引起的結(jié)構(gòu)局部樓板振動問題，由于電抗器本體的振動是通過連接地腳傳遞到設(shè)備基礎(chǔ)及結(jié)構(gòu)樓板，影響區(qū)域極小[1]，故不能采用一致輸入。因此本文借鑒大質(zhì)量法[18－19]，在電抗器設(shè)備與樓板連接節(jié)點處施加遠大于設(shè)備質(zhì)量的大質(zhì)量（大于設(shè)備總質(zhì)量的10 倍以上），可使得慣性力在結(jié)構(gòu)響應(yīng)中占優(yōu)勢。大質(zhì)量法的表達式如式（1）所示。

其中：M0為節(jié)點大質(zhì)量；P為各節(jié)點上所施加的隨時間變化的節(jié)點荷載為電抗器設(shè)備支撐節(jié)點處樓板加速度。

將式（1）第j個方程展開如式（2）所示：

在式（2）兩邊同時除以M0，由于選取大質(zhì)量遠大于其他質(zhì)量、阻尼與剛度，故，通過上述方法最終實現(xiàn)對支撐節(jié)點的加速度輸入。

在實際測試中發(fā)現(xiàn)電抗器運行時無法對設(shè)備振動及與設(shè)備連接的樓板振動響應(yīng)進行測試，故對設(shè)備附近樓板振動響應(yīng)進行測試，測點布置如圖2 所示。其中1#測點位于兩電抗器中間梁上，2#測點位于電抗器外側(cè)跨中板上。選擇1#點實測加速度時程作為振動輸入，并通過在動力分析后反算驗證的方式確定設(shè)備振動荷載。經(jīng)多次計算驗證后發(fā)現(xiàn)模擬與實測值的時域指標誤差滿足要求，說明本文采用的振動荷載輸入方法準確性較高。兩測點模擬與實測值如表1所示。

圖2 樓板振動響應(yīng)測試測點布置圖

表1 兩測點模擬與實測時域指標對比/（mm·s-2）

4 數(shù)值模擬

4.1 分析模型

依據(jù)變電站的結(jié)構(gòu)施工圖，建立電抗器結(jié)構(gòu)數(shù)值仿真模型，主體采用框架單元模擬，剪力墻與結(jié)構(gòu)樓板采用殼單元，將電抗器等效成實體布置在結(jié)構(gòu)對應(yīng)位置，電抗器與樓板采用LINK 單元連接，共設(shè)置6 個LINK 單元，分別位于4 個角點及長邊中點。數(shù)值模型如圖3所示。

圖3 結(jié)構(gòu)數(shù)值模型圖

4.2 動力時程分析

4.2.1 加厚樓板

按設(shè)計工況修改有限元模型后進行動力時域分析，然后提取各減振措施下測點對應(yīng)加速度響應(yīng)并計算其減振效率，如圖4至圖5所示。

圖4 不同樓板厚度條件下的加速度對比

圖5 不同樓板厚度條件下的減振效率對比

當電抗器所在樓層樓板由200 mm 增大到350 mm時，兩測點振動響應(yīng)衰減都在25%以上，由此可見，加厚樓板可在一定程度上降低由電抗器運行所引起的樓板振動，但是減振效果并不明顯。且樓板厚度過大會增大結(jié)構(gòu)自重，增加結(jié)構(gòu)整體造價，因此在工程項目中應(yīng)根據(jù)實際設(shè)計方案與項目預(yù)算適當增大樓板厚度。

4.2.2 增加次梁

按上述增加次梁的方法修改有限元模型后進行動力時程分析，然后提取以3 種形式加密次梁時測點對應(yīng)加速度響應(yīng)并計算其減振效率，如圖6至圖7所示。

圖6 加密次梁的加速度對比

圖7 加密次梁的減振效率對比

當電抗器所在區(qū)域次梁由最初形式加密成“井”字梁時，兩測點振動響應(yīng)衰減都在40%以上，由此可見，加密次梁能很好降低由電抗器運行引起的樓板振動。

4.2.3 增加隔墻

按上述增加隔墻的做法修改有限元模型后進行動力時域分析，然后提取以3 種形式增加隔墻時測點對應(yīng)加速度響應(yīng)并計算其減振效率，如圖8至圖9所示。

圖8 增加隔墻的加速度對比

圖9 增加隔墻的減振效率對比

當增加3 道隔墻時，樓板振動響應(yīng)衰減都達到99%以上，說明增加隔墻對局部結(jié)構(gòu)剛度影響較大。然而單獨在兩電抗器中間區(qū)域或兩電抗器兩側(cè)增加隔墻時，對結(jié)構(gòu)剛度的影響有限，并且增加隔墻對于結(jié)構(gòu)的使用空間造成很大的影響，因此在實際設(shè)計中需要根據(jù)設(shè)備下層結(jié)構(gòu)的實際作用綜合考慮。

4.2.4 增加立柱

按上述增加立柱的做法修改有限元模型后進行動力時域分析，然后提取以3 種形式增加立柱時測點對應(yīng)加速度響應(yīng)并計算其減振效率，分析結(jié)果如圖10至圖11所示。

圖10 增加立柱的加速度對比

圖11 增加立柱的減振效率對比

當電抗器所在區(qū)域下層增加3根鋼筋混凝土柱后，結(jié)構(gòu)局部剛度增加較為明顯，兩測點振動響應(yīng)衰減在70%以上，故增加立柱可以很好降低由電抗器運行引起的樓板振動。且增加立柱相對與增加隔墻對下部結(jié)構(gòu)使用空間的影響較小，在實際設(shè)計中可優(yōu)先考慮在合適的位置增加鋼筋混凝土立柱。

4.2.5 主動隔振

按上述主動隔振的做法修改有限元模型后進行動力時域分析，然后提取采用兩種隔振方法時測點對應(yīng)加速度響應(yīng)并計算其減振效率，如圖12至圖13所示。

圖12 增加隔振器的加速度對比

圖13 增加隔振器的減振效率對比

在不改變原結(jié)構(gòu)時，單獨采用鋼質(zhì)彈簧隔振裝置，實際減振效率可達80%，在配合采用結(jié)構(gòu)性振動控制措施后，鋼質(zhì)彈簧的實際減振效率可達到90%以上，故采用隔振器進行主動隔振能很好降低由電抗器運行引起的樓板振動，且這種做法特別適用于改造工程。

5 結(jié)語

針對電抗器振動對自身及所處建筑結(jié)構(gòu)的影響，本文通過有限元方法分析增加結(jié)構(gòu)局部樓板厚度、加密次梁、增加隔墻或立柱及采用主動隔振等措施的減振效率，可為電抗器下部結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供指導。由上述分析過程，可得如下結(jié)論：

（1）采用大質(zhì)量法施加振動荷載時，由于在電抗器設(shè)備與樓板連接節(jié)點處施加大質(zhì)量，可以準確實現(xiàn)對支撐節(jié)點的加速度輸入。

（2）增加樓板厚度可在一定程度上降低由電抗器運行引起的樓板振動，但樓板厚度過大會增大結(jié)構(gòu)自重，增加結(jié)構(gòu)整體造價，故工程項目中應(yīng)根據(jù)實際設(shè)計方案與項目預(yù)算適當增大樓板厚度。

（3）加密次梁能有效降低由電抗器運行引起的樓板振動。

（4）增加隔墻或立柱對于控制樓板振動響應(yīng)都有很好的效果，但是這兩項措施會對結(jié)構(gòu)的使用空間造成很大的影響，因此在實際設(shè)計中需要根據(jù)設(shè)備下層結(jié)構(gòu)的實際作用綜合考慮。

（5）單獨采用鋼質(zhì)彈簧隔振裝置進行主動隔振或結(jié)合其他結(jié)構(gòu)性振動控制措施，均可獲得很高的減振效率。因此在類似新建項目或在已有項目的改造中均可采用主動隔振措施。