基于地震響應譜分析的±500 kV混合式直流斷路器改進設計

丁 璨， 陳天凡， 聶太平， 田小健， 方春華

(三峽大學電氣與新能源學院， 宜昌 443002)

大規(guī)模可再生清潔能源的開發(fā)和利用，使得直流特高壓輸電技術成為新的發(fā)展趨勢[1-3]。相比于交流電網，以柔性直流系統(tǒng)為基礎的直流電網在大容量電力傳輸、分布式能源接入、交流系統(tǒng)無功支撐等方面顯示出明顯的優(yōu)勢，是未來電網的重要發(fā)展方向[4-8]。與交流系統(tǒng)相比，直流系統(tǒng)的故障發(fā)展更快，造成的損失更大。當直流電網發(fā)生故障時，采用高壓直流斷路器可快速限制并切除故障電流，從而保證直流電網的正常運行并保護相關設備[9-11]。

根據(jù)開斷原理的不同，高壓直流斷路器可以分為機械式高壓直流斷路器、固態(tài)高壓直流斷路器和混合式高壓直流斷路器。機械式直流斷路器開斷速度慢，但損耗小、成本低[12-13]。固態(tài)直流斷路器開斷速度快，但損耗高、成本也高[12,14]。混合式直流斷路器充分集中了機械式和固態(tài)式直流斷路器的優(yōu)點，在正常工作時由機械開關承載電流，通態(tài)損耗低，當發(fā)生短路故障時由電力電子開關開斷故障電流，開斷速度快，逐漸成為多端柔性直流輸電的優(yōu)選方案[15-16]。

混合式直流斷路器包含快速機械開關、電力電子模塊、耗能元件、控制保護系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和供能系統(tǒng)等[17]，其內部結構復雜，零部件種類和數(shù)量眾多。故混合式直流斷路器極易受到地震的影響，地震荷載容易造成混合式直流斷路器較大的振動和變形，且地震荷載對其結構具有很強的破壞力[18]。當高壓直流斷路器受地震的影響在直流電網發(fā)生故障時不能限制并切除故障電流，從而不能保證直流電網的正常運行并保護相關設備，這將會造成人類生命財產的重大損失[19]。

基于此，現(xiàn)以±500 kV混合式直流斷路器為研究對象，采用大型有限元分析軟件ANSYS Workbench對混合式高壓直流斷路器閥塔的位移模態(tài)頻率、位移振型以及地震響應譜等進行分析和研究[20-21]，以期為今后該類型混合式高壓直流斷路器閥塔的結構優(yōu)化提供理論依據(jù)，為混合式高壓直流斷路器閥塔的抗震設計提供參考。

1 混合式直流斷路器數(shù)值建模與抗震分析方法

1.1 數(shù)據(jù)條件

環(huán)境要求為9級地震烈度的地震，0.4倍重力加速度的基本地震加速度值，0.35 s的特征周期。

±500 kV混合式直流斷路器閥塔由高電位平臺、閥塔支柱絕緣子、斜拉絕緣子、層間絕緣子、避雷器、機械開關、轉移支路、耦合負壓裝置等組成，混合式高壓直流斷路器閥塔使用的材料，其材料屬性如表1所示，其中地震許用力是按照《特高壓瓷絕緣電氣設備抗震設計及減震裝置安裝與維護技術規(guī)程》(Q/GDW 1132—2013)的要求，以材料的破壞應力除以1.67求得。

1.2 模型建立

混合式直流斷路器閥塔的閥基支撐高度為5 800 mm，閥塔總體外形尺寸為11 600 mm×5 610 mm×15 000 mm，混合式直流由于斷路器閥塔單元類型及數(shù)量龐大，如果模型太過復雜，導入ANSYS 軟件后的計算精度未必會提高，但計算時間卻會成倍增加，故建模時將斷路器閥塔進行了局部簡化，并且將對于仿真計算沒有影響或影響不大的部分直接去除以提高計算效率的目的，如刪除零件倒角和孔特征，去掉斜拉絕緣子等。

斷路器閥塔三維簡化模型如圖1所示。對于閥塔內部尺寸較大的結構，網格設定稍為粗糙(20 mm)，網格模型采用四面體單元剖分。

表1 ±500 kV 混合式高壓直流斷路器閥塔各種材料機械性能常數(shù)

圖1 斷路器閥塔三維簡化模型

1.3 抗震分析方法

結構抗震動力分析采用振型反應譜分析法，振型反應譜法是將結構物簡化為多自由度體系，多自由度體系的地震反應可以按照振型分解為多個單自由度體系反應的組合，每個單自由度體系的最大反應可以從反應譜中求得，然后再按照一定的振型組合法則，求出結構的地震總反應。目前廣泛應用的是振型反應譜法，主要用于確定結構對時間變化載荷，如地震、風載、火箭發(fā)動機振動等的動力響應情況。

2 混合式直流斷路器抗震分析

2.1 模態(tài)分析

模態(tài)分析是計算結構振動特性的數(shù)值技術，結構振動特性包括固有頻率和振型。模態(tài)分析是最基本的動力學分析，也是其他動力學分析的基礎，如響應譜分析、隨機振動分析、諧響應分析等都需要在模態(tài)分析的基礎上進行。采用ANSYS Workbench軟件對混合式直流斷路器閥塔進行模態(tài)分析求解出的8階自振頻率和振型如表2所示，各階模態(tài)振型如圖2所示，圖2左邊的刻度尺為閥塔振型位移值，只是作為閥塔位移相對值大小的度量，并不是閥塔位移的真實值。

圖2 模態(tài)陣型

圖2所示的混合式直流斷路器閥塔發(fā)生的振型變化特點如表3所示。

2.2 響應譜分析

2.2.1 計算結構加速度頻率響應譜

《電力設施抗震設計規(guī)范》(GB 50260—2013)[22]中給出了地震影響系數(shù)曲線，如圖3所示。在仿真計算中需要加載的加速度響應譜數(shù)據(jù)根據(jù)地震影響系數(shù)曲線圖確定。

根據(jù)抗震要求：9級地震烈度，0.4倍重力加速度的基本地震加速度值，0.35 s的特征周期，采用結構標準阻尼比5%，則地震影響系數(shù)最大值αmax為1。因此，通過地震影響系數(shù)曲線計算10個頻率點的結構加速度頻率響應譜，如表4所示。模擬±500 kV混合式直流斷路器閥塔在9級地震烈度條件下的響應，使用x+y+z向地震響應譜。

表2 8階固有頻率

表3 混合式直流斷路器閥塔振型特點

α為地震影響系數(shù)；αmax為地震影響系數(shù)最大值；Tg為特征周期；T為結構自振周期；γ為衰減指數(shù)，γ=0.9+(0.05-ξ)/(0.5+5ξ)；η1為直線下降段的下降斜率調整系數(shù)，η1=0.02+(0.05-ξ)/8；η2為阻尼調整系數(shù)，η2=1+(0.05-ξ)/(0.06-1.7ξ)

表4 加速度頻率響應譜

2.2.2 仿真計算結果

通過ANSYS Workbench響應譜仿真分析得出±500 kV混合式直流斷路器閥塔在地震強度下的等效應力及x、y和z方向變形圖如圖4所示。

圖4 閥塔等效應力和變形

計算結果表明，±500 kV 混合式直流斷路器閥塔在9級地震烈度條件下的最大位移，層間支柱絕緣子處有x方向的最大位移，為4.48 mm；閥塔支柱絕緣子處有y和z方向的最大位移，分別為114.27 mm和122.27 mm。地震工況下的地震許用力采用材料的破壞應力除以1.67，地震許用應力除以計算應力為安全系數(shù)，結構各部件許用應力安全系數(shù)都大于1，分析計算的各種材料的最小安全系數(shù)如表5所示，即抗震烈度大于9級，符合設計要求。

表5 地震下各種材料的最小安全系數(shù)

3 混合式直流斷路器改進設計的仿真

3.1 改進設計方案

由表5可知，原設計方案符合抗震烈度大于9級的要求。最小安全系數(shù)小于2的結構分別為避雷器絕緣子、層間支柱絕緣子和閥塔支柱絕緣子，表明該3處結構受9度抗震設防烈度的地震影響相比混合式直流斷路器其他結構大。

在不改變混合式直流斷路器原結構尺寸大小的條件下，使避雷器絕緣子、層間支柱絕緣子和閥塔支柱絕緣子這3處結構受9度抗震設防烈度的地震影響變小，因此嘗試改進的方案為將避雷器絕緣子、層間支柱絕緣子和閥塔支柱絕緣子的材料更換為環(huán)氧玻璃鋼，表6為環(huán)氧玻璃鋼的機械性能常數(shù)。

表6 環(huán)氧玻璃鋼的機械性能常數(shù)

3.2 改進后的仿真結果

更換材料后，±500 kV混合式直流斷路器閥塔在9級地震強度下的等效應力及x、y和z方向變形圖如圖5所示。

圖5 閥塔等效應力和變形

計算結果表明，±500 kV混合式直流斷路器閥塔在9級地震烈度條件下的最大位移，層間支柱絕緣子處有x方向的最大位移，為4.14 mm，閥塔支柱絕緣子處有y和z方向的最大位移，分別為102.80 mm和111.07 mm。結構各部件許用應力安全系數(shù)都大于1，分析計算的各種材料的最小安全系數(shù)如表7所示。

表7 地震下各種材料的最小安全系數(shù)

3.3 兩種設計的比較分析

將改進后的混合式直流斷路器閥塔的仿真結果與原先的仿真結果對比可知，最大的等效應力都在避雷器支架上，且改進后的最大的等效應力比原先的大10.52 MPa。改進后的混合式直流斷路器閥塔在x、y和z方向變形與原先相比分別減少了0.34、11.46、1.19 mm，說明改進后的混合式直流斷路器比原先的變形少，更加穩(wěn)定。

雖然在改進后的混合式直流斷路器閥塔各個結構的計算應力都增加，避雷器絕緣子、層間支柱絕緣子和閥塔支柱絕緣子的最小安全系數(shù)都大于3，閥塔其他地方的結構的最小安全系數(shù)最小的為2.77，說明閥塔在9級地震烈度的地震作用下，地震對其影響變得更小。

4 結論

(1)±500 kV 混合式直流斷路器閥塔在9級地震烈度的地震作用下最危險的位置是避雷器絕緣子、層間支柱絕緣子、閥塔支柱絕緣子處。

(2)在9級地震烈度的地震作用下，±500 kV 混合式直流斷路器閥塔擁有良好的抗震性，其材料的地震許用應力小于其計算應力，安全系數(shù)滿足1.67倍的要求。

(3)將避雷器絕緣子、層間支柱絕緣子和閥塔支柱絕緣子的材料換成環(huán)氧玻璃鋼后，不僅這些絕緣子的絕緣性能符合要求，而且可以減少9級地震烈度的地震對其影響，閥塔更加穩(wěn)定。

(4)模態(tài)分析一般是用于確定結構的振動特性，它是承受動態(tài)荷載結構設計中的重要參數(shù)，也是譜分析的起點。±500 kV 混合式直流斷路器閥塔模態(tài)分析的結果顯示其自振頻率較低，地震波低頻對其影響較大。

(5)在工程實踐中運用ANSYS Workbench有限元分析軟件對±500 kV 混合式直流斷路器閥塔進行仿真分析作為混合式直流斷路器閥塔結構抗震設計的依據(jù)，并且在一定程度上減少了實驗分析所需投入的人力物力。