±800 kV換流站典型電氣回路抗震性能研究

李鳴蕭，胡 曉，馮千秀，張朋朋，毛 宇，萬增勇

（中國電力工程顧問集團西南電力設計院有限公司，四川 成都 610056）

0 引言

我國幅員遼闊、人口眾多，大多數人口集中在經濟發達的中部及東部沿海地區，經濟生活需要消耗大量能源，尤其需要充足的電力供應，而用于發電的煤炭及水能資源集中分布于華北、西北及西南地區，如煤炭儲量豐富的山西、陜西、寧夏、新疆部分地區，以及水能資源豐富的西南地區(雅礱江、金沙江、瀾滄江、雅魯藏布江等)，電力供給與需求間的地區不平衡問題突出。特高壓直流輸電是解決高電壓、大容量、遠距離送電和電網互聯的一個重要手段，能夠很好地解決我國能源分布不平衡的問題。換流站是特高壓直流輸電中的重要節點，是特高壓輸電線路上的重要轉換設施，對保障電能順利傳輸具有重要作用。因而，其安全性也應受到足夠的重視。

破壞性地震對電力設施造成的損壞往往是災難性的[1-2]，換流站中的電氣設備對整個電網的正常運行具有至關重要的作用。如何保障換流站內電氣設備在地震災害下的安全運行是當下亟待解決的問題。相比建筑物的抗震性能，國內外對電氣設備的抗震分析成果相對較少。萬帥[3]以500 kV GIS罐式避雷器為原型，采用有限元軟件ANSYS對其進行了結構力學分析。曹枚根[4]采用大型通用有限元分析軟件，首先對瓷套管與法蘭連接彎曲剛度計算系數開展了參數化建模及動力特性分析研究，建立了220 kV瓷柱式SF6斷路器的計算模型，然后對220 kV瓷柱式SF6斷路器進行了動力特性研究，采用反應譜法進行了地震響應分析和阻尼比影響研究。羅斌[5]采用反應譜分析法和時程分析理論對電容器進行了抗震分析。朱祝兵[6]為研究特高壓電氣設備元件與法蘭膠裝連接處的彎曲剛度分布規律，采用自主設計的加載裝置，針對具有代表性的9個瓷套元件進行了彎曲剛度試驗。本文依托白鶴灘—江蘇±800 kV特高壓直流輸電工程布拖換流站一期工程，對其中的部分電氣設備及其耦聯回路進行抗震分析，研究了設備在地震作用下的應力和位移，對其強度進行了安全性評價，為電氣金具設計提供了數據支撐。

1 支柱絕緣子單體抗震分析

電氣設備單體抗震分析是進行耦聯回路抗震分析的基礎，只有正確地建立了單體有限元模型才能進一步對耦聯回路進行抗震分析。本節將對支柱絕緣子單體設備建立有限元模型，并對其抗震性能進行分析。

1.1 支柱絕緣子有限元模型

800 kV支柱絕緣子是換流站中的重要電氣設備，它由下部鋼支架與上部設備本體組成。下部鋼支架為格構式角鋼結構，由地腳螺栓固定于地面混凝土基礎之上，頂部設鋼板用于固定設備。上部設備本體由絕緣子套筒及連接法蘭組成。本文采用Abaqus6.11有限元軟件對電氣設備進行抗震分析。

在有限元軟件中，為提高計算效率，采用梁單元建立支柱絕緣子的計算模型。支柱絕緣子下方存在土建鋼支架，它不僅會影響設備整體結構的自振特性，還會對作用于設備上的地震作用產生放大效應。因此在模型中增加該部分結構，從而將土建支架對設備地震響應的影響加以考慮。支柱絕緣子本體為復合材料，其參數由設備廠家提供，材料密度根據設備總質量進行等效換算得出。下部鋼支架采用鋼材，彈性模量E=2.06×105MPa，泊松比γ=0.3，密度ρ=7 850 kg/m3。頂部均壓環對設備地震響應影響較小，為方便后續耦聯回路模型的建立，此處將均壓環省略。

整體有限元模型中，下部地腳螺栓連接處采用固接進行模擬，鋼支架與頂板固定連接，其各方向自由度均被約束；頂板與上部設備本體采用耦合約束進行連接。

1.2 支柱絕緣子抗震分析

反應譜法是抗震計算中最為常用的方法，其計算速度快，并且能夠在較大程度上覆蓋場地地震波的頻譜特性，GB 50260—2013《電力設施抗震設計規范》第5.0.1條也將反應譜法列為了抗震分析的方法之一。

布拖縣設計地震分組為第三組，場地類別為II類，其特征周期Tg=0.45 s，在罕遇地震下，其特征周期增加0.05 s為0.50 s。根據GB 50260—2013《電力設施抗震設計規范》第5.0.5條所規定的地震影響系數曲線，可繪制出本文所采用的反應譜曲線，如圖1所示。

圖1 反應譜法地震影響系數曲線

根據布拖換流站所處地理位置及其抗震設計的要求，抗震計算中的最大地震加速度取為0.40g，并分別沿左右方向(X向)、前后方向(Y向)、豎直方向(Z向)添加反應譜曲線，最大加速度分別為0.40g、0.34g、0.26g。阻尼比對電氣設備的抗震性能有非常明顯的影響，但由于阻尼機理的復雜性和不確定性，各設備的阻尼比差異較大，即便同一個設備，在不同輸入激勵下，其阻尼比也可能不同。電瓷類設備的阻尼比離散性較大，多介于1%～5%，更集中于2%～3%，GB 50260—2013《電力設施抗震設計規范》第6.3.7條指出：對于電瓷類設備，若實際阻尼比未知，建議取值不超過2%。因此本文對電氣設備采用的阻尼比取為2%。各振型的地震效應采用“平方和開平方根”的振型組合方法(square root of the sum of the squares,SRSS)進行組合。

如圖2所示為反應譜法分析后的應力云圖及位移云圖。支柱絕緣子屬于支柱類結構，設備結構細長，多節設備元件之間通過法蘭連接在一起。震害調研顯示，地震作用下支柱類設備多為套管根部法蘭連接處折斷或套管從法蘭膠裝部位拔出。這主要是由于地震作用下該部位承受的彎矩最大，設備多因承載力不足或法蘭膠裝部位各材料之間的變形不協調而發生破壞。根據計算結果，可見該支柱絕緣子最大應力為16.20 MPa，發生在根部法蘭處，其應力安全系數為7.41，GB 50260—2013《電力設施抗震設計規范》第6.3.8條規定的安全系數為1.67，滿足要求；支柱絕緣子最大位移為183.9 mm，發生在設備頂部，由電氣專業根據實際情況判斷是否滿足帶電距離等要求。在實際工程中，還需根據耦聯回路計算結果進行金具設計。

圖2 800 kV支柱絕緣子反應譜分析結果

2 支柱絕緣子回路抗震分析

2.1 電氣設備耦聯回路概述

第1節中分析了支柱絕緣子單體設備的抗震性能，在實際工程中，各電氣設備是連接在一起的。連接方式分為軟導線和硬管母兩種。當不同的電氣設備之間采用軟導線進行連接時，由于軟導線剛度較小，在地震作用下導線內力很小，對設備的影響基本可以忽略不計，因此設備與設備之間在地震作用下可視為無連接，這種狀態稱為解耦。當不同的電氣設備之間采用硬管母進行連接時，由于管母線不可彎曲，剛度很大，在地震下可產生并傳導內力，因此設備與設備之間會通過管母線產生相互作用，這種狀態稱為耦聯。

在耦聯狀態下，電氣設備在地震下的響應與單體設備不相同，相互之間會產生較大的作用力，單體狀態下較大地震響應的設備可通過管母傳遞出一部分地震能量，而較小地震響應的設備可受管母影響多消耗一部分地震能量。此外，耦聯狀態下，支柱絕緣子之間還存在避雷器、互感器等設備，這些設備的質量通過集中質點添加在了管母線上，增大了整個結構體系的質量，加劇了結構剛度分布的不均勻性，從而使耦聯回路產生了更大的地震作用，因此需要將耦聯回路作為整體進行分析。

2.2 800 kV支柱絕緣子回路抗震分析

2.2.1 反應譜法抗震分析

對于直流場極線區域的800 kV支柱絕緣子回路，抗震分析的關注點為支柱絕緣子根部應力及頂部位移。為方便描述，如圖3所示將支柱絕緣子從左到右依次編為1～5號。該組支柱絕緣子及管母高17.5 m，管母外徑450 mm。按照前述抗震計算方法對該回路進行抗震分析，其中風荷載作用于支柱絕緣子及管母。

圖3 直流場極線區域800 kV支柱絕緣子回路

采用反應譜法分析時，結構的前三階自振模態如圖4所示。其前三階自振頻率分別為0.593 4 Hz、0.856 0 Hz、1.240 5 Hz。部分支柱絕緣子與管母線脫開是由于這些地方為滑動管母連接，管母在絕緣子頂端是可以沿著管母方向(X方向)滑動的。在地震作用下，結構主要部件位移及應力見表1所列。

表1 支柱絕緣子回路位移及應力(反應譜法)

圖4 支柱絕緣子耦聯回路自振模態

地震作用下，800 kV支柱絕緣子的最大應力為47.88 MPa，安全系數為2.51，大于1.67，滿足抗震要求。支柱絕緣子頂部最大位移為255.70 mm，相關金具設計應滿足該位移要求。

2.2.2 時程分析法抗震分析

對800 kV支柱絕緣子回路采用時程分析，地震波選用El-Centro波，通過在結構底部固定端施加地面加速度的方法，可將地震波作用于結構上。El-Centro地震波數據來源于太平洋地震工程研究中心網站，相關數據經過基線校正等處理，再按照所需最大峰值加速度進行相應的放大處理后(將其峰值加速度調整為0.40g)，可用于時程分析的抗震計算。結構主要部件位移及應力見表2所列。提取支架頂部的最大加速度為-6 959 mm/s2，相應的放大系數為1.739。

表2 支柱絕緣子回路位移及應力(時程分析法)

從表2的計算結果可見，支柱絕緣子的最大應力為61.72 MPa，對應的安全系數為1.94；滿足GB 50260—2013《電力設施抗震設計規范》第6.3.8條規定的安全系數1.67，滿足抗震設計要求。在設計相關連接金具時，應校核金具所能承受的最大位移能否滿足設備最大位移，以保證地震作用下整個耦聯回路的安全運行。

3 直流濾波器回路抗震分析

對于直流場極線區域的直流濾波器回路，采用反應譜法及時程分析法進行抗震分析。該回路抗震分析的關注點為支柱絕緣子根部應力及直流濾波器頂部位移。為方便描述，如圖5所示將支柱絕緣子從左到右依次編為1～5號。1～3號支柱絕緣子高23.5 m，4～5號支柱絕緣子高17.5 m，管母外徑均為450 mm。對該回路進行抗震分析，風荷載作用于直流濾波器、支柱絕緣子及管母。

圖5 直流場直流濾波器回路

采用反應譜法分析時，結構的一階自振模態如圖6所示。其前三階自振頻率分別為0.803 7 Hz、0.812 9 Hz、0.976 4 Hz。在地震作用下，結構主要部件位移及應力見表3所列。

表3 直流濾波器回路位移及應力(反應譜法)

圖6 直流濾波器耦聯回路自振模態

地震作用下，支柱絕緣子的最大應力為30.32 MPa，發生在設備根部，對應的安全系數為3.15；直流濾波器的最大應力為55.29 MPa，對應的安全系數為2.17；各設備應力安全系數均大于1.67，滿足抗震要求。支柱絕緣子頂部最大位移為301.20 mm，直流濾波器頂部最大位移為280.91 mm，相關金具設計應滿足該位移要求。

對該直流濾波器回路進行時程分析，地震波選用人工生成的地震波，該地震波通過前述分析的目標反應譜進行生成，使其自身的反應譜曲線與目標反應譜基本吻合，從而在最大程度上實現對其地震響應的模擬。人工波最大加速度取0.40g。

通過在結構底部固定端施加地面加速度的方法，可將地震波作用于結構上。結構主要部件位移及應力見表4所列。

表4 直流濾波器回路位移及應力(時程分析法)

從表4的計算結果可見，支柱絕緣子的最大應力為44.14 MPa，對應的安全系數為2.17；直流濾波器最大應力為64.48 MPa，對應的安全系數為1.86。以上結果均滿足GB 50260—2013《電力設施抗震設計規范》第6.3.8條規定的安全系數1.67，滿足抗震設計要求。在設計相關連接金具時，應根據有限元計算結果對金具所能承受的應力和位移進行校核，以保證地震作用下整個耦聯回路的安全運行。

4 結語

電氣設備的抗震性能對特高壓電網正常運行有著至關重要的影響。本文對±800 kV布拖換流站中的支柱絕緣子及直流濾波器耦聯回路進行了抗震分析，通過Abaqus軟件采用反應譜法及時程分析法計算了電氣設備在地震作用下的響應，校核了應力安全性，為電氣專業提供了位移參數，供其對金具設計及帶電距離進行校驗。研究成果對特高壓換流站電氣設備抗震設計具有參考和借鑒意義，對降低電氣設備的地震易損性具有顯著的經濟效益。