GIS分支母線防風性能研究

吳 軻，郭約法，劉國兵，潘 維，樊健斌

（廣東電網有限責任公司東莞供電局，廣東 東莞 523000）

廣東電網目標網架建設工程中的柔直背靠背換流站是核心工程，站內設備的安全穩定可靠運行是保證換流站異步聯網的重要保障。在中、南通道土地資源緊張的客觀條件下，為了保證設備間的安全電氣連接，換流站交流側線路需要采用氣體絕緣封閉輸電線路。

目前來看，GIL、GIS分支母線都適用于緊湊型換流站布置。而GIL在近年來的國產化使用中出現了不同程度的運行問題，“中國南方電網公司反事故措施（2019年版）”針對GIL設備提出了“謹慎使用”的建議。而GIS分支母線能夠滿足運行需求且在國網多個換流站中都有采用，目前來看運行情況良好，因此在中南通道工程擬采用GIS分支母線方案。

為了分析論證大風和微風振動等氣候地理的復雜性對中、南通道換流站GIS分支母線的影響，需要對防風性能進行仿真計算[1-2]。同時，本文得到的規律性結論同樣適用于相同電壓等級的新建GIS分支母線的工程設計，也為后續工程中GIS分支母線的結構設計給出參考性方案。

岳希明等[3]對一種四通管在工作壓力下的工作壓力進行了數值仿真。研究發現，在箱形箱梁與箱梁的交叉點處，軸向受力最大。模擬計算與實際測量的殼內應力基本吻合，驗證了采用有限元模擬技術進行母線筒的模擬是可行的。張相庭[4-5]對橫向和順向風向的振動反應進行了細致的分析和探討。樓文娟等[6]利用風洞實驗及計算方法，對高層建筑的橫向風振反應進行了深入的研究。

綜上，現有的GIS抗風性能分析不能充分了解母線的靜、動態響應特性，不能達到防災的水平，理論研究也不成熟。此外，上述研究大多使用理論數據來確定GIS的工作狀態，沒有實際的環境記錄，分析結果與實際情況存在偏差。本文調研站址所在水文地質、氣象氣候等變量，并按最嚴苛情況仿真分析GIS分支母線在大風等外力作用下的穩定性能，以及微風振動、溫度應力等影響因素對力學性能的影響，并得出規律性結論。結合地基沉降相關專題研究成果，通過有限元仿真分析判斷機械應力是否滿足技術指標，提出對GIS分支母線防沉降的針對性策略。

1 風荷載的計算與氣象調研

根據工程初步設計方案，單通道GIS分支母線總長度約為1.2 km，采用戶外布置。影響GIS分支母線運行可靠性的因素包括大風和微風振動等外力影響。對于中通道換流站，由于GIS在戶外距離長，表面積大造成風荷載大，多相間易形成氣流渦流互相影響，且在跨越聯接變地段需要通過門型構架將GIS分支母線架至約12 m高，伸縮節等柔性部件成為了抗外力的薄弱環節，氣候地理的復雜性和布置方案都對GIS的運行環境提出了更高的要求。

計算主要受力結構時，應根據以下公式計算

式中：wk是風荷載標準值；βz是高度z處的風振系數；μs是風荷載體形系數；μz是風壓高度變化系數；w0是基本風壓。高度的增加與周圍環境的變化會導致風速不一樣，故必須對不同地形地貌、不同地域高度等有所規定，為了區別不同地域風速或風壓的大小，可根據地面粗糙度的類型確定風壓高度的變化系數，分為A類指近海；B類指田野；C類指建筑群密集；D類指建筑物密集而且房屋高大。例如，同樣是高度為5 m，地面粗糙度A類的風壓為1.17，地面粗糙度B類的風壓為1.00，地面粗糙度C類的風壓為0.74，地面粗糙度D類的風壓為0.62。

對于未給出基本風壓的區域，在建筑時，應根據當地風速數據計算基本風速，然后根據以下公式轉換為基本風壓

式中：w為基本風壓；ρ為空氣密度；g為重力加速度；v為風速；y為空氣容量。

在標準大氣壓下，設空氣容量，γ=0.012 018 kN/m3，g=9.81 m/s2，則在一般情況下，常取

站址位于廣東省東莞市沙田鎮西太隆村，直線距離西太隆村中心約0.5 km，東北側距離東莞市中心約20 km。站址東側緊鄰500 kV崇煥變電站，西北側緊鄰厚鏵橡膠廠，北側距離番莞高速（高架橋）約100 m，西面為東莞運河，南面和東面為流經的東引運河支流包圍。變電站位于位于東莞市沙田鎮，地處珠江三角洲河網區，臨近南海，屬亞熱帶季風氣候。光熱充足，氣候溫和，雨量充沛，但降雨量的年內分配很不均勻，其中汛期的4—9月約占全年降雨量的82.3%，降雨多屬鋒面雨和熱帶氣旋雨。受季風的影響，全年盛行偏東風，年內風向隨季節轉換明顯，每年4—8月盛行東南風，9月—次年3月盛行東北風。夏、秋季節常受強烈熱帶風暴的影響，是當地主要的災害性天氣之一；而冬季則受北方強冷空氣的侵襲，會出現短暫的低溫霜凍現象。

根據東莞氣象站歷年觀測氣象資料進行統計，得各氣象要素的特征值如下：多年平均氣壓為1 010.6 hPa；多年平均相對濕度為78%；多年平均大風日數為2 d；多年平均風速為2.0 m/s。10 m高度10 min平均最大風速26.8 m/s，相應風向ESE，發生日期為1971年8月17日。

將從東莞氣象站收集到的歷年實測年最大風速原始資料進行代表性、可靠性和一致性審查，風速高度訂正，觀測次數和風速時距換算，統一訂正和換算為離地10 m高10 min平均最大風速。采用極值Ⅰ型和P-III型分布進行頻率計算，得到離地10m高50年一遇10min平均最大風速27.2 m/s，風壓系數取值1/1 600，由基本風壓公式計算基本風壓為0.46 kN/m2。

查GB 50009—2012《建筑結構荷載規范》的全國基本風壓圖和廣東省標準DBJ 15—101—2014《建筑結構荷載規范》，得站址區域50年一遇基本風壓為0.65 kN/m2。根據《南方電網沿海地區100年一遇設計基本風速分布圖（2018版）》，本工程位于10 m高50年一遇設計風速為33 m/s的風區，因此風速按33 m/s計算。根據東莞氣象站累年全年風向玫瑰圖可以看出，東莞站的全年主導風向為E，風向頻率為14%；次主導風向為NE，風向頻率為10%；靜風頻率為17%。

由東莞氣象站實測年最大風速計算得到的風壓結果略小于從GB 50009—2012《建筑結構荷載規范》查得的離地10 m高50年一遇風壓，主要原因是該氣象站自20世紀90年代以來觀測環境發生較大變化，周圍建筑物較多，屏蔽大風狀況下的氣流，很難觀測到真實野外空曠環境下的最大風速。為工程安全起見，站址處離地10 m高50年一遇風壓取0.65 kN/m2，相應離地10 m高50年一遇10 min平均最大風速為32.2 m/s，地面粗糙度類別為B類。

綜合分析，對為工程安全起見，站址處離地10 m高50年一遇風壓取0.68 kN/m2，相應離地10 m高50年一遇10 min平均最大風速為33 m/s，地面粗糙度類別為B類。

2 GIS套管和母線風載響應

以500 kV的GIS的戶外設備的其中一小部分進行等效靜態風載分析，以套管和母線為研究對象，運用有限元分析方法，針對該地域離地高度為10 m處的情況，對500 kV的GIS的部分結構進行靜力分析，以重點關注套管在強風下的風載應力響應。

本次計算的模型主要有套管和母線GIS戶外部分結構圖。通過對結構的靜力分析，得到了結構在強風作用下相應的應力和位移，全面了解了結構的靜力力學特性，找出了結構的最大應力和最大位移。通過計算分析可知，套管頂部是形狀變量中最嚴重的部分。圖1為瞬時最大風速98 m/s對應的應力云圖和位移響應云圖，可以看出，套管的最大應力主要集中在套管與支架連接的儲罐根部，這主要是由于支架對套管的固定作用。由于儲罐的固定作用、套管本身的自重和大風壓的共同作用，套管根部的應力最大。而本次分析的套管在風速為33 m/s下的風載響應應力值為4.72 MPa；此次計算由于所取的研究對象范圍較小，強風下的穩定性較弱，支架和套管的相互作用增大了套管的受力響應。因此此次分析的套管應力響應相對較大。可以看出，套管的最大應力出現在瞬時極大風速為98 m/s時，其值為30.4 MPa，此時對應的最大位移為17.259 mm。硅橡膠的強度為38 MPa，由于硅橡膠材料的應力分散性較大，計算時以其60%的值作為校核數據，因此該復合套管在98 m/s風速下的安全裕度不能滿足安全設計要求。母線最大位移偏移量為2.897 mm、最大應力為12.8 MPa，母線的應力的最大值遠小于為鋁合金的屈服強度為125 MPa，安全裕量為89%，遠遠低于其屈服強度，安全系數較大。

圖1 套管的應力云圖和位移云圖

3 GIS支架風載響應

對結構進行實體建模，采用該地區50年一遇10 min平均最大風速為33 m/s，進行等效靜力風載分析。

通過對結構的靜力分析，得到了結構2個方向上實際支撐的最大應力和位移，全面了解了結構的靜力特性，找出了結構的最大應力和位移。圖2是x方向的支架的應力云圖及位移云圖。應力最大值為26.9 MPa，位移值為0.597 mm，但因為支架材料剛度大，所以支架在x方向上等效靜態風載響應值仍滿足國家安全標準要求。通過對實際支架的x方向上的等效靜態風載響應分析可知，在33 m/s的風速下，支架都處于較為安全的狀態，安全系數較大，不會在強風下遭受損壞。y方向等效靜態風載下各支架的最大應力和最大位移值為72.7 MPa和0.453 mm。應力值較大是因為在y方向下的風壓不僅作用支架的套管上，還作用在與其相連的母線筒上，因此支架在y風向下受力較大。不管哪個方向的風載，支架的最大應力都遠小于Q235的屈服強度235 MPa。所以雖然支架受到較大應力，但仍有較為可觀的安全裕度。

圖2 支架的x方向應力云圖和位移云圖

4 結束語

本文以廣東電網目標網架建設中、南通道換流站GIS為研究對象，研究了套管、母線及支架基于ANSYS Workbench的有限元分析方法，對結構在平均最大風速和瞬時極大風速下中靜力學響應特征進行有限元分析。基于仿真結果得知，各結構在50年一遇10 min平均最大風速33 m/s的情況下，最大應力和位移值均有較大安全裕量。在1 000年一遇瞬時極大風速98 m/s工況下，套管頂端應力值為30.4 MPa，超出材料所能承受范圍，應重點關注。本文研究不僅對于提高GIS設備運行的安全性，而且對GIS分支母線系統的設計、安裝等，都具有重要的理論和工程實踐意義。后續可針對區域強風多發地區GIS分支母線，開發基于精細化氣象預報數據的預警平臺，實現GIS分支母線強風災害的前期優化防治、即時在線評估和預警、災后的防風和防震數據迭代更新，有效提高GIS分支母線的防風能力。