1000 kV特高压变电构架风荷载特性

1000 kV特高压变电构架风荷载特性

王雷雷

国网内蒙古东部电力有限公司检修分公司 内蒙古 通辽 028000

摘要：现如今，我国的经济在迅猛发展，社会在不断进步，人们的生活质量在不断提高，对于电力的需求在不断加大，利用1000kV特高压变电构架在均匀流、A类和B类地貌高频底部测力天平风洞试验同步测量的基底弯矩和反力的时程数据，对变电构架整体及节段模型的气动力系数功率谱以及均值、均方根、峰度和偏度等统计特性对比分析，详细考察风向、地貌等因素对风荷载特性的影响规律并探讨不同流场下输电构架整体与节段模型的气动力特性比例关系。研究结果表明：以A节段模型为例，0o风向均匀流场、A类和B类地貌下Cx均值和均方根值之比分别为1:1.58:1.57和1:1.60:1.59,与之对应，Cy均值和均方根值之比分别为1:7.0:7.57和1:1.53:1.30。整体和各节段模型对比分析发现，90o风向均匀流场下整体模型与四个节段模型Cx的均值和均方根值之比分别为1:0.02:0.26:0.22:0.38和1:0.06:0.37:0.32:0.41，Cy的均值和均方根值之比分别为1:0.46:0.57:0.43:0.69和1:0.47:0.58:0.44:0.70。基于时域和频域的综合对比分析明确1000kV特高压变电构架的最不利风向角以及设计风荷载的取值，为工程设计提供参考。

关键词：特高压变电构架；风洞试验；风荷载特性；气动力系数；风向角

引言

变电站全联合构架的安全可靠性直接影响着整个电网的安全可靠性。全联合变电构架在不同标高处设置构架横梁，因此，相对于单孔门型构架而言，其结构迎风面大幅增加，全联合结构更柔，导致构架的风致效应更加显著。强风作用引起的变电构架坍塌事故时有发生，造成了极大的经济损失。在大型变电构架抗风设计中，风振系数是非常重要的参数之一。然而，在变电构架的抗风设计中，对于荷载与构架风振响应设计尚没有统一的理论模型，因此精确获得全联合构架在强风作用下的风振响应特性，是目前全联合变电构架研究的重要方向之一。

1风荷载特性研究

风是由于太阳的不均匀热辐射而引起的空气流动，是一种自然现象。当风吹过地球表面时受到不同干扰因素的影响及阻碍作用使得不同高度处的风速并不相同，我们把这部分受到阻力作用的近地面大气层称之为“大气边界层”。在大气边界层内，风是具有一定规律的，它以不规则随机波动的湍流形式进行运动，平均风速随着高度的增加而不断增大直至增加到边界层最大风速，此时对应的风速我们称之为梯度风速Uzc，对应的高度称之为梯度风高度Zc，高度超过梯度风高度处的风速不再发生改变。大气边界层是人类生产生活的主要场所，地面结构及桥梁等建构筑物均处于大气边界层中，因此研究风荷载特性，主要应根据大气边界层内的风场特性来分析和研究结构所受到的相应作用。

21000 kV特高压变电构架风荷载特性

2.1全联合构架风振系数计算

１　０００ｋＶ构架根据电气工艺要求采用全联合布置方案，出线梁、主变进线梁和跨线梁纵横相联，导线挂线点高度降为４５、３８ｍ．构架的联合布置明显提高其整体受力性能，柱脚根开尺寸可以合理减小．经试算、优化，出线构架柱柱脚根开由１０ｍ×４ｍ优化至８ｍ×４ｍ，主变进线构架柱柱脚根开由８ｍ×４ｍ优化至６ｍ×４ｍ，有效减小了构架的挡风面积．采用ＳＴＡＡＤ／ＣＨＩＮＡ空间分析软件对构架进行建模，利用子空间迭代法获得了构架结构的前６阶频率，全联合构架在风荷载作用下，其结构的风致响应主要考虑前两阶模态的贡献．构架结构受９０°方向（Ｘ向）风荷载时以第一阶模态的贡献为主；构架结构受０°方向（Ｚ向）风荷载时以第二阶模态的贡献为主．按照《高耸结构设计规范》对风振系数的计算公式，分别得到构架在９０°风向角风振系数的加权平均值为１．６７２，０°风向角风振系数的加权平均值为１．６３０．2.2联合构架风振系数分布计算根据联合构架的风振响应计算结果，在各个风向的脉动风荷载作用下，全联合构架极值脉动位移响应的贡献值要大于均值位移响应，其中90°风向角的风荷载作用下的纵梁极值脉动位移响应最大，在30m/s平均风速时为1.467m。为了表征脉动风荷载对联合构架产生的激振效应，需要计算出代表性节点上的风振系数。

2.3风场模拟与试验工况

采用尖塔和粗糙元、地毯对A类和B类地貌进行风场模拟，为确保风洞流场品质，将风洞试验段中风剖面和湍流度曲线与荷载规范分别进行对比分析，结果显示风场模拟效果良好。为详细考察地貌和风向对气动力系数的影响，利用结构的对称性，在0o~90o范围内每间隔15o测量一次。由于篇幅限制，以A节段模型为例详细给出风洞测量气动力系数对比分析结果。

2.4特高压变电构架结构优化

现阶段格构式钢构架仍然被作为特高压变电构架的主要结构形式被广泛应用，1000kV特高压变电构架由格构式柱及梁组成，由于其是变电站的重要组成部分，且结构的抗风研究成果比较稀少，设计人员在进行构架设计时往往采取比较保守的设计方法，造成用钢量偏大，浪费建造成本。随着科学技术的不断发展，人们利用计算机的辅助设计功能达到了设计准确性和效率兼顾的效果，其中有限元分析和结构优化设计是最主要的基础方法。

结语

本文通过1000kV特高压变电构架的高频天平测力风洞试验详细考察了均匀流、A类地貌和B类地貌下，风向角对气动力系数功率谱以及均值、均方根等统计参数的影响规律，获得结论如下：1）地貌对气动力系数均值和均方根影响较大。0o风向A节段模型在均匀流场、A类和B类地貌Cx的均值之比为1:1.58:1.57，均方根之比为1:1.60:1.50。与之对应，三类流场条件下Cy的均值之比为1:7.0:7.57，均方根之比为1:1.53:1.30。2）不同风向下输电构架气动力系数Cx和Cy统计特性的变化明显，综合考虑均值、均方根等参数最大值出现的风向以及对应时程对比分析表明0o，75o，90o风向可能出现最不利风向，为工程设计提供参考。3）通过整体和各节段模型对比分析，明确各节段模型对整体风荷载的贡献大小。90o风向均匀流场下整体模型与A~D四个节段模型Cx的均值和均方根值之比分别为1:0.02:0.26:0.22:0.38和1:0.06:0.37:0.32:0.41，可以发现各节段模型中D节段占比最大。4）均匀流场整体模型与节段模型气动力系数Cx的kurtosis值变化范围为2.90~3.44，整体模型在75°风向kurtosis为3.44，D节段模型气动力系数Cy在45°风向kurtosis为3.23。

参考文献

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