基于有限元的特高壓閥廳-閥塔抗震分析

張偉為，于海波，高 彪，解鵬程，張子敬

(南京南瑞繼保工程技術有限公司，江蘇 南京 211102)

基于電壓源換流器的柔性直流輸電技術可控性強，適合于電力遠距離輸送，因此在解決電網兼容、跨區域輸電中具有廣泛應用[1-3]。直流換流閥是換流站中的核心設備，其質量一般較大，工作電壓通常高達數百千伏，因此其在閥廳內的抗震性能直接關系到直流輸電系統的運行安全[4]。針對換流閥閥廳及閥塔結構，開展整體抗震研究，對確保直流工程安全運行，具有十分重要的意義。

目前常用的換流閥結構設計方案均采用柔性懸吊結構，閥塔頂端懸吊于閥廳的吊裝框架上以滿足抗震要求。由于系統復雜且重要性較高，換流閥及換流站的抗震研究及設計日漸成為特高壓工程研究的熱點[5-7]。對于換流閥廳，馬勇杰、余萍等[8-9]基于有限元技術建模，分析了換流站的地震響應；黃利軍[10]在仿真分析基礎上，引入實驗檢測技術，分析了閥廳的動態特性。但他們側重于研究閥廳結構，所建閥塔模型十分簡單，并未重點分析閥塔的力學性能。對于閥塔的仿真，Larder、Wu等[11-12]通過優化閥塔結構,提高了抗震性能。Maison等[13]基于反應譜分析法對ABB換流閥結構進行了數值仿真，并提出設置阻尼器進而減小地震響應的設計思路；吳小峰等[14]通過建立較為精細的閥塔有限元模型，進行了有限元仿真分析；Wu等[15]通過對比研究一維和三維地震波輸入下的響應，發現了閥塔的扭轉效應，進而提出應使用三向地震波開展閥塔分析。但此類分析忽略了閥廳與閥塔的相互作用，僅僅針對閥塔本身展開仿真計算。

隨著有限元分析技術的發展及人們對地震研究的深入，采用更加完整的建模思路，考慮閥廳與閥塔的振動耦合因素，建立閥廳-閥塔聯合仿真模型，在設計初期開展整站抗震分析，保證工程安全，具有非常重要的意義。

1 抗震分析方法

目前，關于抗震的仿真分析方法主要有以下3種：1)模態分析；2)響應譜分析；3)時程分析。

從理論上講，時程分析是較準確的模擬動態分析方法，但其計算量大，且分析較為復雜，目前對于換流閥的分析多采用響應譜法[5,16-18]。

本文在建立的閥廳-閥塔整體仿真分析模型的基礎上，使用時程分析法，以期對鋼結構閥廳與懸吊閥塔結構在地震作用下的實際響應情況開展盡可能準確的分析。

2 換流閥閥廳-閥塔抗震分析

2.1 結構描述

圖1所示為懸吊直流換流閥結構，采用模塊化及柔性化設計。閥廳內懸吊6個閥塔，每個閥塔高約15m，由4層模塊組件及上下屏蔽罩組成，每層模塊組件由若干可控硅堆及電抗器等元件組成，質量約2.2t。閥塔頂部用4根復合絕緣子懸吊于閥廳屋架上，層間用12根懸吊絕緣子相連，以保證足夠的旋轉自由度。

圖1 換流閥塔幾何結構

目前換流站閥廳常采用混合結構體系，主體鋼結構以焊接為主。閥廳的結構形式決定其所受懸掛負載作用在屋架梁上，再由屋架傳遞給地面支柱。在地震工況下，換流閥抗震性能及閥廳對閥塔的影響，是本文研究的重點。

2.2 計算模型建立

換流站的閥廳及閥塔結構均較為復雜，在開展整體仿真分析之初，需針對具體實物模型建立有限元分析模型。綜合考慮計算規模及結果的準確性，對閥廳-閥塔整體仿真模型做如下假設：

對于閥廳，考慮鋼柱和橫梁的拉、壓及彎曲應力，需采用Beam188梁單元；剪力墻為薄壁結構，采用Shell181薄殼單元；地面支撐鋼柱的約束采用固定支座方式；換流變剪力墻的約束采用有限個邊界點完全約束的形式。計算模型如圖2所示。

圖2 閥廳有限元模型

對于閥塔，為便于進行時程分析，對原始幾何模型進行了一定的簡化，具體簡化原則如下：

1)懸吊絕緣子上下連接為鉸接，絕緣子僅受拉或壓應力，因此簡化為二力桿力學模型。將頂部4根絕緣子及所有層間絕緣子用Link180桿單元進行模擬。

2)閥組件的鋁框架、絕緣橫梁、層內支撐絕緣子為主要的承重結構，需要考慮其拉、壓、彎等受力，因此簡化為梁結構，采用Beam188梁單元進行模擬，并分別設定截面屬性。

3)絕緣柵雙極型晶體管、電抗器等元器件在建模時，考慮到設備外殼結構，需簡化為能分析一定厚度殼體的殼單元，采用Shell181殼單元進行模擬。

4)對于各處的鉸接結構，通過釋放單元自由度，實現鉸接處理。單個換流閥塔的節點總數為18 372，網格總數為17 789。

5)坐標系采用右手笛卡爾坐標系，X向為換流閥塔水平長邊方向，Y向為換流閥塔水平短邊方向，Z向為換流閥塔豎直方向。

建立的閥塔有限元模型如圖3所示。

圖3 換流閥閥塔有限元模型

將6個閥塔懸掛在閥廳模型中，閥塔吊索頂點和對應懸掛點通過CP(節點)耦合實現連接。6個閥塔共24個懸掛點，均通過CP耦合實現連接。最終的有限元模型如圖4所示。整體結構節點總數為118 314，網格總數為114 912。整體分析模型如圖4所示。

圖4 閥廳-閥塔整體結構有限元模型

仿真分析需考慮材料特性，閥廳-閥塔模型中各主結構材料參數見表1。

表1 材料參數

根據閥廳內設備安裝方式可知，此時閥塔的長邊方向(X向)對應閥廳的短邊方向，閥塔的短邊方向(Y向)對應閥廳的長邊方向。

2.3 計算載荷作用

換流閥分析模型規模龐大，且難以收斂，因此其他研究更多地采用反應譜法開展分析，但此方法不能反映結構動力學特性隨時間變化的規律。本文的研究以EI Ccentro、Taft兩種地震波作為輸入，采用更復雜的時程分析，研究整體結構動力學響應情況。

2.4 閥廳-閥塔模態分析

依據GB50260—2013，直流換流閥的結構阻尼比取2%[19]。通過模態分析，得到結構主振型及自振頻率(考慮到閥廳懸掛6個閥塔時類似的主振型會重復出現6次，不利于分析，此處模態分析針對閥廳-單閥塔進行)，結果見表2。

表2 懸掛單個換流閥塔模態計算結果

根據模態分析的振型圖可知，其第一階振型為基本的扭轉形式，第二階振型為沿縱向短邊Y方向的振動，第三階為沿橫向長邊X方向的振動。因為沿縱向短邊Y方向更易受地震波影響，所以將地震波最大的方向加載在縱向短邊Y方向，展開仿真計算。

2.5 閥廳-閥塔時程分析

對閥廳-閥塔整體有限元模型施加實際地震波(EI Centro與Taft)開展動力時程分析，結果如下。

2.5.1閥廳-閥塔模型計算結果

以Taft波為例，整體計算結果如下：懸掛6個閥塔的閥廳-閥塔整體模型中換流閥懸掛點處X方向的位移響應要大于Y方向的位移，其X方向位移最大值為0.05m(整體擺幅如圖5所示)；換流閥的位移響應主要為水平方向的擺動，且越往底層擺幅越大，底層位置Y方向的位移響應要大于X方向的位移，其Y方向位移最大值為0.53m(圖6)。

圖5 整體擺動情況

圖7所示為拉桿絕緣子的軸向力云圖，最大軸向力為30 049.1N，發生在最上端懸掛用的4根拉桿絕緣子上。此時拉桿絕緣子的最大軸向拉應力為33.2MPa，拉桿絕緣子的屈服極限為450MPa，安全系數為13.6，材料滿足強度要求。

圖7 拉桿絕緣子的軸向力云圖

2.5.2閥廳對閥塔的影響研究

分別加載EI Centro與Taft波，對單閥塔、閥廳-閥塔整體模型分別展開分析。對比整體計算模型與僅考慮閥塔的計算模型間的差異，探究閥廳對閥塔的影響。

由于底層位移響應最大，提取閥塔底部水平向位移峰值進行對比，結果見表3。

表3 整體模型及單塔模型位移峰值對比 m

分析可知，地震波經閥廳的放大作用之后，會導致閥塔的位移響應增大。以往分析閥塔的最大擺幅時，往往是對單塔模型直接使用峰值放大系數進行預估，但此方案會造成擺幅結果的偏差。

由于懸掛在閥廳內的換流閥與其他設備(如換流變)等均通過套管相連，閥塔的最大擺幅直接決定相連接設備及整個換流站的運行安全。因此，采用閥廳-閥塔聯合分析模型，定量考慮閥廳對閥塔放大作用的分析方法，對特高壓換流閥的設計及分析具有一定的應用價值及工程意義。

3 結論

1)X向、Y向的水平擺動及Z軸的扭轉是影響換流閥地震響應的主要振型，在分析中應重點考慮；

2)三向加載地震波，分析閥廳懸掛點位移、換流閥最大擺幅、懸吊絕緣子最大應力等，結果均滿足設計要求。

3)建立閥廳-閥塔整體有限元模型，能更加準確地模擬實際工況，定量分析閥廳對閥塔最大擺幅的影響，為換流閥直流工程建設提供了新的設計及分析方法。