论文部分内容阅读
摘要：GIS设备布置在河床式水电站的尾水平台，可能会因尾水管的振动而引起电气设备共振而导致损坏。本文分别从尾水管振动与GIS自振两方面入手，分析振动产生的机理与实际情况，从而得出两者不太可能产生共振，但为了运行安全考虑提出了部分防振措施以供参考。
关键词：尾水管 GIS 振动 水电站
中国分类号：TM561.3 文献标识码：A
0 前言
“西电东送”工程的电源点大多处于西部的深山大河之中的水电站，这些水电站河床狭窄，左右两岸地形陡，开关站布置存在一定困难，若布置在岸边必进行大土石方和高边坡开挖，边坡稳定和对山体的扰动对开关站安全运行带来极大的挑战，且建设成本和工期都较难控制。河床式水电站尾水平台和厂房顶具备布置高压配电装置的条件，如目前进行的沙坪二级、枕头坝等水电站在设计文件中都提出了GIS布置在尾水平台的方案，但尾水平台的振动对GIS影响如何，尚未有针对性的研究和可靠的解决方案。
通过本文的研究，初步弄清楚尾水平台的振动对GIS的影响以及应采取的措施，提供GIS开关站布置在尾水平台的解决方案，为选择GIS开关站布置在尾水平台方案提供依据。通过对尾水平台布置GIS抗振措施研究，解决河床式水电站的开关站布置问题，避免GIS开关站布置在岸边必须进行大土石方和高边坡开挖，节省工程投资，具有一定的经济价值和推广意义。
1 尾水管振动
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。
从水轮机叶片进、出口速度三角形看，在设计工况时，进口为无撞击进口，出口为法向出口，即出口水流的绝对速度与牵连速度（切向速度） 垂直，不形成环量，尾水管出口水流基本上是均匀且左右对称的。当偏离设计工况时，破坏了无撞击进口与法向出口。当流量减少时， 出口绝对速度与牵连速度夹角变为锐角，绝对速度的切向分量形成与转向相同的正向环量； 当流量大于设计工况时，出口绝对速度与牵连速度夹角变为钝角， 绝对速度的切向分量形成与转向相反的反向环量，当此转轮出口的绝对速度切向分量达到一定值时， 便在转轮下方的尾水管内产生涡带，并使尾水管内压力脉动加大。
水轮发电机组在部分负荷运行时，在尾水管中有时出现一种不稳定流的涡带现象，在转轮出口形成涡流运动，它是水轮机功率摆动、机组转动部分及尾壁低频振动和噪音的主要根源，尤其在低负荷运行时，往往出现较大的振动声。
涡带引起的压力脉动频率与涡带的频率相同，涡带频率在尾水管中各处都是一样的。尾水管涡带所造成的压力脉动频率，与许多因素有关，通常采用雷岗斯经验公式：
（1-1）
式中 n——机组转速，r/min；
b——系数，b=2～6，通常b=3～4；
fn ——机组旋转频率，简称转频，Hz。
不同的运行工况点下，尾水管所受脉动压力的大小变化很大，脉动幅值变化也较大，压力脉动频率变化却不大，压力脉动的频率在不同工况下都为低频。
1.1 部分负荷
在部分负荷下，起源于泄水锥的涡带呈螺旋状，旋转方向和转轮转向相同，形成低频涡带脉动，涡带脉动压力传至各过流部件可导致机组振动、大轴周期性摆动、出力摆动及管道中水流压力脉动等较大脉动，并往往产生大的轴向推力和水轮机的出力波动。
在部分负荷下，f涡总小于f转，此二频率的实测比值在0.26～0.39之间。水头、吸出高度、自由水面对频率影响可忽略。[1]
尾水管压力振幅和很多因素有关，一般来说，振幅的绝对值是和水头成线性的，而振幅相对值则在一定范围内保持不变：空蚀系数对振幅也起很大作用，在空蚀时.会产生比一般状态大得多的振动。
1.2 满负荷和超负荷
1.2.1 涡带的表现
在满负荷和超负荷下，涡带以管状出现.而且频率大于转轮频率，甚至可达到6倍的转轮频率。这时的涡带不同于部分负荷下的涡带，明显比部分负荷下的细得多。所以，它就不可能像螺旋状涡带一样给尾水管造成很大的冲击。
1.3 尾水管振动实测
据国内外一些试验结果表明， 尾水管涡带压力脉动相对振幅在2%～20% 范围内， 其中实心涡带相对振幅小于10% ， 空腔涡带相对振幅可达20% ， 在此范围内， 低水头机组相对振幅偏高，高水头机组偏低。尾水管中， 测点不同， 所测得的压力脉动幅值不同。
对于沙坪二级水电站A方案[3]，n=88.2r/min，根据（1-1）式：
因此信号统计分析可得尾水涡带频率带在0.245Hz～0.735 Hz之间。
需要指出的是抽水蓄能电站尾水管低频涡带与常规水电站类似。根据国内研究机构对宜兴抽水蓄能电站实测，发现尾水管低频涡带值为1.25～2.08Hz。
2 GIS設备固有频率
机械故障是GIS故障的主要原因。运行中的GIS壳体因组合方式多样且设备较多总存在多个固有的振动频率。
由机械振动的基本原理，可得：
（2-1）
（2-2）
式中 x——箱体表面振幅；
A——箱体表面位移幅值；
a——箱体振动加速度。
由上述公式可以看出在f=100Hz时，a的量值比x大的多，相位领先180°。所以在GIS设备振动检测中采用了加速度传感器。 通过对不同相的同一位置GIS振动测量，分析振动信号波形、频谱和功率谱可以看出，正常的GIS设备在100Hz附近振动时，检测出的固有频率出现最大幅值，但幅值绝对值仍较小。
对尾水管振动的分析发现，其振动频率一般在3Hz以下，对GIS设备的固有频率最大幅值点（100Hz）基本上没有影响，但是GIS设备往往具有多个固有频率的特性需要研究进一步深化，找出GIS固有频率的大致范围。
根据文献[5]通过对ZF-145气体绝缘金属封闭开关设备结构的有限元计算分析，计算出其前10阶的固有频率（计算精度为1.0E-10），得出最小固有频率为9.76Hz，详见表3（Hz）。
根据文献[6]通过对H-GIS M1/WSB型气体绝缘金属封闭式组合电器有限元计算分析，计算出其前10阶的固有频率（计算精度为1.0E-102），得出最小固有频率为6.26Hz，详见表4（Hz）。
可见，GIS设备最小固有频率点与尾水管振动频率处于同一数量级内，存在接近的可能，需要针对不同的电站作单独分析。如沙坪二级水电站A方案尾水涡带频率带在0.245Hz～0.735 Hz之间，若设备厂家根据要求，所产GIS设备最小固有频率点在数个Hz以上，应不会发生由尾水平台振动引起的GIS设备共振现象。
3 结 语
为了防止GIS设备在尾水平台上因受振动而损伤，应尽力避免尾水管振动频率与GIS自振频率重合而产生共振。根据上文论述可知，水电站尾水管振动主要表现为低频涡带振动，且频率一般低于3Hz；而GIS自振频率又相对较高；一般情况下两者不太可能产生共振。但是GIS本身可能存在多個固有频率，为了保证设备的安全运行可以采取以下措施进行防振处理：
（1） 厂家根据要求生产固有频率与尾水平台振动频率相差较大的GIS设备，避开共振区间。
（2） 振动传播过程阻隔，采取挖沟、筑墙等措施，阻隔振动的传播途径。
（3） 振动能量吸收，在振动源周围设置由具有一定质量的隔振材料形成的阻波区，或在GIS设备支撑部位安装防振垫隔绝振动波。
本文未对尾水管振动中亦有的中频部分（20Hz左右）和厂房振动传导到尾水平台上的影响进行分析，在接下来的研究中需结合电站现场实测，得出尾水平台振动可靠的频率范围，以供设计单位、设备厂家参考。
参考文献：
[1] R·格里希，J·拉贝.高比速混流式模型水轮机不稳定空腔流的测定[A].水轮机水力振动译文集[C].北京：水利水电出版社，1979.
[2] 张大本等.混流式水轮机尾水管涡带引起的水力振动.广西：广西电力技术，1996.
[3] 方晓红等.四川省大渡河沙坪二级水电站可行性研究报告第七篇——机电及金属结构.杭州： 华东勘测设计研究院，2009.
[4] 程林.特高压GIS/HGIS设备振动诊断方法研究.武汉：电力建设，2009.
[5] 刘新等.ZF-145气体绝缘金属封闭开关设备九度烈度地震区耐地震性能分析计算.2009
[6] 中电新源集团.抗震型组合电器设备.2010.
关键词：尾水管 GIS 振动 水电站
中国分类号：TM561.3 文献标识码：A
0 前言
“西电东送”工程的电源点大多处于西部的深山大河之中的水电站，这些水电站河床狭窄，左右两岸地形陡，开关站布置存在一定困难，若布置在岸边必进行大土石方和高边坡开挖，边坡稳定和对山体的扰动对开关站安全运行带来极大的挑战，且建设成本和工期都较难控制。河床式水电站尾水平台和厂房顶具备布置高压配电装置的条件，如目前进行的沙坪二级、枕头坝等水电站在设计文件中都提出了GIS布置在尾水平台的方案，但尾水平台的振动对GIS影响如何，尚未有针对性的研究和可靠的解决方案。
通过本文的研究，初步弄清楚尾水平台的振动对GIS的影响以及应采取的措施，提供GIS开关站布置在尾水平台的解决方案，为选择GIS开关站布置在尾水平台方案提供依据。通过对尾水平台布置GIS抗振措施研究，解决河床式水电站的开关站布置问题，避免GIS开关站布置在岸边必须进行大土石方和高边坡开挖，节省工程投资，具有一定的经济价值和推广意义。
1 尾水管振动
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。
从水轮机叶片进、出口速度三角形看，在设计工况时，进口为无撞击进口，出口为法向出口，即出口水流的绝对速度与牵连速度（切向速度） 垂直，不形成环量，尾水管出口水流基本上是均匀且左右对称的。当偏离设计工况时，破坏了无撞击进口与法向出口。当流量减少时， 出口绝对速度与牵连速度夹角变为锐角，绝对速度的切向分量形成与转向相同的正向环量； 当流量大于设计工况时，出口绝对速度与牵连速度夹角变为钝角， 绝对速度的切向分量形成与转向相反的反向环量，当此转轮出口的绝对速度切向分量达到一定值时， 便在转轮下方的尾水管内产生涡带，并使尾水管内压力脉动加大。
水轮发电机组在部分负荷运行时，在尾水管中有时出现一种不稳定流的涡带现象，在转轮出口形成涡流运动，它是水轮机功率摆动、机组转动部分及尾壁低频振动和噪音的主要根源，尤其在低负荷运行时，往往出现较大的振动声。
涡带引起的压力脉动频率与涡带的频率相同，涡带频率在尾水管中各处都是一样的。尾水管涡带所造成的压力脉动频率，与许多因素有关，通常采用雷岗斯经验公式：
式中 n——机组转速，r/min；
b——系数，b=2～6，通常b=3～4；
fn ——机组旋转频率，简称转频，Hz。
不同的运行工况点下，尾水管所受脉动压力的大小变化很大，脉动幅值变化也较大，压力脉动频率变化却不大，压力脉动的频率在不同工况下都为低频。
1.1 部分负荷
在部分负荷下，起源于泄水锥的涡带呈螺旋状，旋转方向和转轮转向相同，形成低频涡带脉动，涡带脉动压力传至各过流部件可导致机组振动、大轴周期性摆动、出力摆动及管道中水流压力脉动等较大脉动，并往往产生大的轴向推力和水轮机的出力波动。
在部分负荷下，f涡总小于f转，此二频率的实测比值在0.26～0.39之间。水头、吸出高度、自由水面对频率影响可忽略。[1]
尾水管压力振幅和很多因素有关，一般来说，振幅的绝对值是和水头成线性的，而振幅相对值则在一定范围内保持不变：空蚀系数对振幅也起很大作用，在空蚀时.会产生比一般状态大得多的振动。
1.2 满负荷和超负荷
1.2.1 涡带的表现
在满负荷和超负荷下，涡带以管状出现.而且频率大于转轮频率，甚至可达到6倍的转轮频率。这时的涡带不同于部分负荷下的涡带，明显比部分负荷下的细得多。所以，它就不可能像螺旋状涡带一样给尾水管造成很大的冲击。
1.3 尾水管振动实测
据国内外一些试验结果表明， 尾水管涡带压力脉动相对振幅在2%～20% 范围内， 其中实心涡带相对振幅小于10% ， 空腔涡带相对振幅可达20% ， 在此范围内， 低水头机组相对振幅偏高，高水头机组偏低。尾水管中， 测点不同， 所测得的压力脉动幅值不同。
对于沙坪二级水电站A方案[3]，n=88.2r/min，根据（1-1）式：
因此信号统计分析可得尾水涡带频率带在0.245Hz～0.735 Hz之间。
需要指出的是抽水蓄能电站尾水管低频涡带与常规水电站类似。根据国内研究机构对宜兴抽水蓄能电站实测，发现尾水管低频涡带值为1.25～2.08Hz。
2 GIS設备固有频率
机械故障是GIS故障的主要原因。运行中的GIS壳体因组合方式多样且设备较多总存在多个固有的振动频率。
由机械振动的基本原理，可得：
式中 x——箱体表面振幅；
A——箱体表面位移幅值；
a——箱体振动加速度。
由上述公式可以看出在f=100Hz时，a的量值比x大的多，相位领先180°。所以在GIS设备振动检测中采用了加速度传感器。 通过对不同相的同一位置GIS振动测量，分析振动信号波形、频谱和功率谱可以看出，正常的GIS设备在100Hz附近振动时，检测出的固有频率出现最大幅值，但幅值绝对值仍较小。
对尾水管振动的分析发现，其振动频率一般在3Hz以下，对GIS设备的固有频率最大幅值点（100Hz）基本上没有影响，但是GIS设备往往具有多个固有频率的特性需要研究进一步深化，找出GIS固有频率的大致范围。
根据文献[5]通过对ZF-145气体绝缘金属封闭开关设备结构的有限元计算分析，计算出其前10阶的固有频率（计算精度为1.0E-10），得出最小固有频率为9.76Hz，详见表3（Hz）。
根据文献[6]通过对H-GIS M1/WSB型气体绝缘金属封闭式组合电器有限元计算分析，计算出其前10阶的固有频率（计算精度为1.0E-102），得出最小固有频率为6.26Hz，详见表4（Hz）。
可见，GIS设备最小固有频率点与尾水管振动频率处于同一数量级内，存在接近的可能，需要针对不同的电站作单独分析。如沙坪二级水电站A方案尾水涡带频率带在0.245Hz～0.735 Hz之间，若设备厂家根据要求，所产GIS设备最小固有频率点在数个Hz以上，应不会发生由尾水平台振动引起的GIS设备共振现象。
3 结 语
为了防止GIS设备在尾水平台上因受振动而损伤，应尽力避免尾水管振动频率与GIS自振频率重合而产生共振。根据上文论述可知，水电站尾水管振动主要表现为低频涡带振动，且频率一般低于3Hz；而GIS自振频率又相对较高；一般情况下两者不太可能产生共振。但是GIS本身可能存在多個固有频率，为了保证设备的安全运行可以采取以下措施进行防振处理：
（1） 厂家根据要求生产固有频率与尾水平台振动频率相差较大的GIS设备，避开共振区间。
（2） 振动传播过程阻隔，采取挖沟、筑墙等措施，阻隔振动的传播途径。
（3） 振动能量吸收，在振动源周围设置由具有一定质量的隔振材料形成的阻波区，或在GIS设备支撑部位安装防振垫隔绝振动波。
本文未对尾水管振动中亦有的中频部分（20Hz左右）和厂房振动传导到尾水平台上的影响进行分析，在接下来的研究中需结合电站现场实测，得出尾水平台振动可靠的频率范围，以供设计单位、设备厂家参考。
参考文献：
[1] R·格里希，J·拉贝.高比速混流式模型水轮机不稳定空腔流的测定[A].水轮机水力振动译文集[C].北京：水利水电出版社，1979.
[2] 张大本等.混流式水轮机尾水管涡带引起的水力振动.广西：广西电力技术，1996.
[3] 方晓红等.四川省大渡河沙坪二级水电站可行性研究报告第七篇——机电及金属结构.杭州： 华东勘测设计研究院，2009.
[4] 程林.特高压GIS/HGIS设备振动诊断方法研究.武汉：电力建设，2009.
[5] 刘新等.ZF-145气体绝缘金属封闭开关设备九度烈度地震区耐地震性能分析计算.2009
[6] 中电新源集团.抗震型组合电器设备.2010.