±1 100 kV古泉換流站閥廳防火墻上電氣設備抗震分析

朱 東，陳 寅，李 志

(中國電力工程顧問集團中南電力設計院有限公司，湖北 武漢 430074)

0 引言

閥廳作為換流站的重要建筑之一，由混凝土防火墻和鋼框架組成。防火墻一側布置換流變，每臺換流變之間通過防火墻隔開，換流變之間的防火墻上安裝電容器、避雷器和絕緣子。受限于換流變設備的空間尺寸和帶電距離要求，換流變之間的防火墻端部沒有翼墻，平面外剛度較小，在地震作用時自身會產生較大變形[1]。同時防火墻上電氣設備剛度較小，會產生鞭梢效應，進一步加大電氣設備的地震作用和變形。電氣設備一般采用脆性材料，在地震作用下容易發生破損、斷裂等現象，從而造成較大的經濟損失[2]。一般工程設計中采用考慮地震放大系數的靜力分析方法，研究防火墻設備在地震作用下的動力響應。本工程中防火墻以及設置于防火墻上的電氣設備均高度大且剛度小，結構非常“柔”，對于這樣的結構，靜力分析的結果有較大的誤差。

本文基于古泉低端閥廳整體計算模型，對防火墻及墻上設備進行模態分析、反應譜分析和動力時程分析，得到防火墻及設備在地震作用下的動力響應。同時對比分析了三種不同的防火墻布置方案對設備的動力響應影響，方案包括一般防火墻(不采取加強措施)、防火墻在設備下部設置鋼筋混凝土加強柱和防火墻端部增加T型柱。

1 防火墻及電氣設備模型建立

本文利用集成化的通用結構分析與設計軟件SAP2000對電氣設備固定于地面和設備固定于防火墻上兩種不同情況進行模擬分析，SAP2000具有強大的結構靜動力分析性能，能夠準確地反映結構在地震作用下的動力響應。

1.1 電氣設備模型簡化

電容器、避雷器、絕緣子設備外形復雜，材料特殊，在結構軟件中很難精確模擬。本次研究旨在分析電氣設備在地震作用下的整體受力性能，可以在準確模擬設備模型動力特性的基礎上，對設備外形進行合理簡化。本文分析中，將每種電氣設備等效為等截面的豎桿，豎桿的動力特性(周期和頻率)、質量和高度與實際設備參數保持一致，見表1。

表1 電氣設備簡化模型參數

1.2 結構整體模型建立

建立完整的閥廳模型，閥廳屋架和柱為鋼結構，總長97.70 m，寬18.20 m，高25.25 m，防火墻為鋼筋混凝土剪力墻結構，防火墻厚度為0.4 m，高度為9.5 m，長度為19.5 m，共7片，每片防火墻間距15 m，每片防火墻上設置電容器、避雷器和絕緣子各一個，每片防火墻上設備定位完全一致，閥廳和防火墻上設備模型見圖1。同時建立固定于地面上的電氣設備模型，見圖2，設備高度尺寸及設備之間的定位關系與防火墻上設備保持一致。

2 防火墻上及地面上電氣設備動力分析

2.1 反應譜及時程分析

根據相關設備參數，采用上述簡化方案，建立SAP2000有限元分析模型，分別進行反應譜分析和時程分析。反應譜分析時，地震烈度為6度(0.05g)，地震影響系數最大值為0.125，場地特征周期為0.45g和II類場地類別，地震作用輸入方向主要為X向，即垂直于防火墻方向。時程分析根據場地類別和特征周期選用兩條天然波EL CENTRO波、TangShanEW波和一條合成人工波[3]，地震波加速度時程峰值均調整為 0.56 m/s2。

2.2 動力響應比較

2.2.1 設備底部剪力放大系數

反應譜分析和時程分析得到的設備底部的剪力和彎矩結果見表2～表4。

表2 電容器設備剪力放大系數

表3 避雷器設備剪力放大系數

表4 絕緣子設備剪力放大系數

從表2～表4可以看出，無論是反應譜分析還是時程分析結果，防火墻上電氣設備底部剪力相對于地面上設備底部剪力均有一定程度的放大。而對于不同設備，由于設備自身與防火墻間動力特性的差異，放大情況不盡相同。為便于比較，定義防火墻上設備與地面上設備底部剪力之比為該設備的剪力放大系數：電容器的剪力放大系數在2.00～3.00之間，反應譜和人工波作用下的結構放大系數在2.00左右，天然波作用下的結果則偏大，最大系數為2.92；避雷器的剪力放大系數在1.50～2.00之間，反應譜作用下的結果在1.80左右，人工波作用下結果偏小，天然波下的結果則偏大；絕緣子的剪力放大系數相對較小，在1.00～1.30之間，反應譜分析結果與人工波和天然波作用下結果相差不大。GB 50260—2013《電力設施抗震設計規范》中規定對于預期安裝在室外、室內底層、地下洞內、地下變電站底層地面上或低矮支架上的電氣設施，其支架的動力反應放大系數的取值不宜小于1.2[4]。這里需要加一句話說明，規范中是動力反應堆放大系數，本文是剪力放大系數，同離之類的話。本文中各設備的剪力放大系數則較規范限值高，主要原因在于GB 50260—2013條文內容主要針對房屋底層或低矮支架上的電氣設備，房屋或支架整體剛度大。而本文分析中，設備安裝在防火墻上，當地震作用方向垂直于防火墻時，由于防火墻平面外剛度小，從而導致設備底部剪力放大系數超過規范限值[5]。因此，對于此類布置在防火墻上且自身剛度較小的電氣設備，規范規定的放大系數偏保守，應根據實際設備的特性建模分析，以其剪力放大系數結果作為參考。

2.2.2 設備頂部加速度峰值的放大系數

地震作用下結構頂部的時程加速度峰值也是反映設備動力響應的主要特征參數，圖3～圖5為三種設備加速度峰值的放大系數，即頂部加速度峰值與地震輸入加速度峰值的比值，每種設備包括設置在防火墻上和地面上兩種工況。

圖3～圖5可以看出，加速度峰值的放大系數與剪力放大系數相似的分布規律。防火墻上電容器的放大系數最大，其次是避雷器，絕緣子相對較小。地面上電容器的放大系數為3.14，這是電容器自身作為柔性結構在地震作用下的加速度放大；而防火墻上電容器的放大系數高達7.16，這是防火墻與設備自身放大作用的疊加。地面上避雷器和防火墻上的避雷器放大系數均小于電容器，分別為2.68和5.49。而絕緣子的放大現象則不明顯，地面上及防火墻上的結果均低于1.25。

3 防火墻在設備下部設置鋼筋混凝土加強柱和防火墻端部增加T型柱方案比較

從地面上設備和防火墻上設備的動力響應比較結果可以看出，防火墻對設備的放大作用較為明顯，以往工程中有采用在設備下設置鋼筋混凝土加強柱或在防火墻端部設置T型柱對防火墻進行局部加強的方案。本節對比分析三種不同的防火墻布置方案對設備的動力響應影響：方案一為純剪力墻結構，不采取加強措施，墻厚度為0.4 m；方案二為剪力墻+柱結構，在較大設備底部增設兩個800 mm×800 mm的鋼筋混凝土柱；方案三為剪力墻端部增加T形柱。圖6為不同方案的防火墻有限元模型，不同方案均以閥廳整體為對象，圖中為清楚顯示只截取了單片防火墻模型。對三種方案均采用反應譜分析和時程分析，時程分析選用和第2節相同的3條地震波。不同加強方案下設備動力響應比較見表5。

表5 不同加強方案下設備動力響應比較

表5中，剪力放大系數為防火墻上設備底部剪力與地面上設備底部剪力之比，加速度比例系數為防火墻設備頂部加速度峰值與地面上設備頂部加速度峰值之比。從表5可以看出，不同的局部加強方案并不能減小墻上設備的動力響應。加強方案(方案二和方案三)布置下，電容器和避雷器的動力響應結果均高于無任何加強措施的方案(方案一)，絕緣子設備則無明顯區別。方案二中設備底部加強柱對防火墻局部剛度增大效果最為明顯，墻上設備的自振周期明顯減小，電容器和避雷器的剪力放大系數最大，分別為2.99和2.49，加速度比例系數也較大，分別為2.31和2.57。方案三中防火墻端部的T型柱也可局部增大防火墻剛度，此方案下電容器和避雷器動力效應結果要低于方案二但高于方案一。

不同的防火墻加強方案改變了防火墻上設備的自振周期從而影響設備的動力響應[6]，當輸入地震波的卓越周期與防火墻上設備自振周期重合時，對設備的放大作用最為明顯。表5中各設備的自振周期為設備設置在防火墻上的整體自振周期，圖7為天然地震波EL CENTRO的頻譜曲線，從頻譜曲線可以看出在周期接近0.5 s時加速度達到峰值，隨后曲線立即進入下降階段，當周期達到1.5 s時曲線逐漸進入平緩段。表5中方案一下的電容器自振周期為0.584 s，位于地震波頻譜曲線的下降段，加強方案(方案二和方案三)增大了墻上設備剛度使得周期減小，從而增大了設備的動力響應，其中方案二中電容器設備自振周期為0.483 s，接近地震波卓越周期，因此剪力放大系數最大。不同方案下避雷器的自振周期為0.826～1.041 s，位于反應譜曲線的下降段，剪力放大系數小于電容器。絕緣子的自振周期保持在4.167 s，遠遠高于頻譜的峰值周期，位于頻譜下降后的平穩段，剪力放大系數變化不大。從分析結果可知，防火墻局部加強方案雖可減小防火墻及安裝在防火墻上的電氣設備自振周期，但對防火墻上電氣設備的地震響應減小不明顯，部分電氣設備地震響應甚至有增大的趨勢。

4 結論

本文對古泉換流站防火墻上設備進行模態分析、反應譜分析和動力時程分析，得到防火墻上設備在地震作用下的動力響應，同時對比分析了不同防火墻布置方案下設備動力響應的不同情況，得出以下結論：

1)通過地面上設備和防火墻上電氣設備地震響應比較，可以得出，防火墻對設備的放大作用較為明顯，且對不同設備的影響不同，防火墻上電容器的放大作用最大，其次是避雷器，絕緣子最??；

2)本文分析得出電容器以及避雷器等部分剪力和加速度放大系數結果要大大超過規范限值，對于防火墻上的電氣設備按規范放大系數取值會偏于不安全，設計時應特別注意；

3)對于布置在防火墻上且自身剛度較小的電氣設備，應根據實際設備的特性建模分析，以其放大系數結果作為參考；

4)防火墻上設備放大系數變化規律符合地震波的頻譜曲線隨周期變化趨勢，電容器的自振周期接近地震波EL CENTRO的卓越周期，放大作用明顯；避雷器的局部振動周期位于反應譜的下降曲線中段，放大作用小于電容器；絕緣子的局部振動周期遠離地震波卓越周期，位于反應譜曲線下降后的平穩段，剪力放大系數變化不大；

5)局部加強方案可減小防火墻及安裝在防火墻上電氣設備的自振周期，但對防火墻上電氣設備的地震響應減小不明顯，部分電氣設備地震響應甚至有增大的趨勢。