王少華，孫紅燕

（1.中國(guó)南方電網(wǎng)超高壓輸電公司檢修試驗(yàn)中心，廣東 廣州510663；2.廣東匯安恒達(dá)管理顧問(wèn)有限公司，廣東 廣州 510507）

基于ANSYS模型的2000kV直流電壓發(fā)生器抗震性能評(píng)估

王少華1，孫紅燕2

（1.中國(guó)南方電網(wǎng)超高壓輸電公司檢修試驗(yàn)中心，廣東 廣州510663；2.廣東匯安恒達(dá)管理顧問(wèn)有限公司，廣東 廣州 510507）

通過(guò)建模仿真，對(duì)特高壓基地2000kV直流電壓發(fā)生器自振特性、考慮基礎(chǔ)滑移的發(fā)生器結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)進(jìn)行了分析，并對(duì)發(fā)生器結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行了驗(yàn)算，驗(yàn)證了抗震性能滿足設(shè)計(jì)要求，為設(shè)備設(shè)計(jì)、制造和使用提供技術(shù)支持。

直流電壓發(fā)生器；抗震性能；自振特性；構(gòu)件強(qiáng)度；瞬態(tài)抗傾覆

直流高壓發(fā)生器是重要的電力試驗(yàn)儀器，提供直流高壓源，專門(mén)用于檢測(cè)直流輸電工程換流變等電力設(shè)備的電氣絕緣強(qiáng)度和泄漏電流。該產(chǎn)品設(shè)計(jì)成功與否不僅在于功能是否達(dá)到初設(shè)，其抗震性能評(píng)估也是整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)必不可少的一環(huán)。

1 發(fā)生器結(jié)構(gòu)概況

特高壓基地2000kV直流電壓發(fā)生器為室內(nèi)可移動(dòng)高壓電氣試驗(yàn)設(shè)備，高21.3m。該設(shè)備立面圖如圖1所示。發(fā)生器結(jié)構(gòu)底座高0.35米，為鋼結(jié)構(gòu)，底座質(zhì)量0.75kg，質(zhì)量約為5.117t。另外兩個(gè)高約2m的變壓器也安裝在底座上，通過(guò)保護(hù)電阻與發(fā)生器本體結(jié)構(gòu)相連接。發(fā)生器結(jié)構(gòu)主要由7根絕緣立柱組成，按照四排布置。立柱之間的斜撐從第一級(jí)柱開(kāi)始呈Z字型布置，至發(fā)生器結(jié)構(gòu)的頂部。位于頂部的大屏蔽罩由槽鋼、鋼管、蒙皮組成。質(zhì)量為4.2t，由所有立柱共同支撐。發(fā)生器結(jié)構(gòu)明置于廠房?jī)?nèi)的地基基礎(chǔ)表面，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50011-2010)》[1], 該設(shè)備使用場(chǎng)地抗震設(shè)防基本烈度為7度（地震峰值加速度0.1g，第1組）,g=9.81m/s2為重力加速度。

根據(jù)《電力設(shè)施抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50260-2013）》[2]的要求，當(dāng)場(chǎng)地的地震設(shè)防烈度為7度時(shí)，應(yīng)分別在兩個(gè)水平方向輸入地震動(dòng)進(jìn)行發(fā)生器結(jié)構(gòu)地震反映分析。由于發(fā)生器結(jié)構(gòu)明置于場(chǎng)地表明,需進(jìn)行可滑移狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的過(guò)程分析，至少需輸入3條地震波（應(yīng)有1條為根據(jù)規(guī)范反應(yīng)譜人工生成的地震波）。

圖1 發(fā)生器結(jié)構(gòu)立面圖

2 發(fā)生器結(jié)構(gòu)的自振特性分析

2.1 分析模型與計(jì)算參數(shù)

根據(jù)發(fā)生器結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，計(jì)算所用的有限單元模型如圖3，其中絕緣管立柱和高壓硅堆均采用三維梁?jiǎn)卧M，各立柱間的水平連桿與斜撐桿均采用桿單元模擬。

圖2 發(fā)生器結(jié)構(gòu)平面圖

圖3 發(fā)生器結(jié)構(gòu)的有限元模型

圖4 個(gè)柱底截面編號(hào)圖

根據(jù)發(fā)生器結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，計(jì)算所用的有限單元模型如圖3所示，其中絕緣管立柱和高壓硅堆均采用三維梁?jiǎn)卧M，各立柱間的水平連桿與斜撐桿均采用桿單元模擬，分布在各節(jié)點(diǎn)上的頂部屏蔽罩、腰型均壓罩和各種非結(jié)構(gòu)組件的質(zhì)量用質(zhì)量單元來(lái)模擬，各個(gè)集中質(zhì)量單元施加于各自所在的節(jié)點(diǎn)處，大屏蔽罩內(nèi)的梁和桿采用三維梁?jiǎn)卧M，底板使用殼單元和梁?jiǎn)卧?。這樣，在分析模型中共有52個(gè)桿單元、40個(gè)殼單元、627個(gè)三維梁?jiǎn)卧?24個(gè)質(zhì)量單元，共有378節(jié)點(diǎn)和970個(gè)自由度。圖4為各立柱底部截面位置及編號(hào)，其中編號(hào)1和2為變壓器，為非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，不驗(yàn)算其抗震性能。

根據(jù)材料性能資料，絕緣立柱和高壓硅堆均為環(huán)氧玻璃絲纏繞管，其物理力學(xué)性質(zhì)如下：抗彎強(qiáng)度為470MPa，軸向抗壓強(qiáng)度為297 MPa，橫向抗剪強(qiáng)度為32 MPa。材料的密度、彈性模量分別為1890kg/m3、2.1x1010N/m2,泊松比取為0.35,底板的工字梁和殼均為Q235鋼，該材料的物理力學(xué)性質(zhì)如下：彈性模量為2.06x1011N/m2,泊松比為0.3，質(zhì)量密度為7850kg/m3,抗拉壓強(qiáng)度為215MPa。根據(jù)有關(guān)試驗(yàn)資料[3]，發(fā)生器結(jié)構(gòu)的阻尼比取為0.0124，滿足規(guī)范不大于0.02的規(guī)定。

2.2 結(jié)構(gòu)自振特性

應(yīng)用通用有限元程序ANSYS中的Block Lanczos方法，計(jì)算了發(fā)生器結(jié)構(gòu)的前20階振型，對(duì)應(yīng)各階自振頻率及振型參與系數(shù)分別列于表1中。從振型參與系數(shù)的比較中可以看出，發(fā)生器結(jié)構(gòu)的第1階振型是以y方向（沿底板短軸方向）水平振動(dòng)為主的振型，第4階振型是以x方向（沿底板長(zhǎng)軸方向）水平振動(dòng)為主的振型。

表1 發(fā)生器結(jié)構(gòu)的自振頻率及振型參與系數(shù)

3 考慮基礎(chǔ)滑移的發(fā)生器結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析

3.1 動(dòng)力方程

考慮基礎(chǔ)滑移的影響，對(duì)彈性發(fā)生器結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震反應(yīng)計(jì)算，是符合明置式結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的實(shí)際情況。為此，本節(jié)考慮基礎(chǔ)滑移的影響，用實(shí)體單元模擬底座及基礎(chǔ)，并在兩者之間生成基礎(chǔ)單元，采用通用有限元程序ANSYS軟件建模來(lái)計(jì)算結(jié)構(gòu)的滑移地震反應(yīng)。

時(shí)程分析采用直接積分法，在計(jì)算中假定阻尼矩陣為Rayleigh比例阻尼[4]：

式中，[M][K]為質(zhì)量矩陣和剛度矩陣，系數(shù)αβ由第m、n階振型阻尼比當(dāng)有：

結(jié)構(gòu)x方向前兩階頻率為f1=1.748Hz，f2=8.509Hz；y方向前兩階頻率為f1=1.057Hz，f2=4.040Hz。輸入地震波分別為EI Centro波，Taft波和人工波，三條波反應(yīng)譜的卓越頻率分別為2.13Hz，2.85Hz，1.92Hz。由于發(fā)生器結(jié)構(gòu)在兩個(gè)水平方向的第2振型頻率都高于輸入地震波反應(yīng)譜的卓越頻率，考慮到地震波頻譜特性對(duì)阻尼矩陣形成的影響，為此選擇與地震波輸入方向一致的結(jié)構(gòu)基頻和第2階自振頻率作為形成Rayleigh阻尼矩陣的兩個(gè)頻率參數(shù)，即

對(duì)于不同的地震輸入工況，采用表2中的頻率來(lái)形成Rayleigh阻尼矩陣。

表2 確定Rayleigh阻尼矩陣的兩個(gè)頻率參數(shù)

3.2 輸入地震波

所選取EI Centro波，Taft波和人工波的時(shí)程及反應(yīng)譜如圖5所示，三條地震波的峰值加速度都調(diào)整為0.1g。

圖5 輸入水平地震波時(shí)程及其反應(yīng)譜

3.3 計(jì)算結(jié)果

由于發(fā)生器結(jié)構(gòu)直接明置于地表之上，因此在發(fā)生器結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的計(jì)算中假定場(chǎng)地地基是剛性的，并同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)自重的影響進(jìn)行滑移地震反應(yīng)計(jì)算。若滑移面為水磨石地表時(shí)，則取發(fā)生器結(jié)構(gòu)與水磨石地表之間的摩擦系數(shù)為0.2?？紤]到水平地震輸入峰值為0.1g，在這樣強(qiáng)度的地震激勵(lì)下，結(jié)構(gòu)并不會(huì)發(fā)生滑移，因此在驗(yàn)算發(fā)生器結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度是否滿足抗震安全性要求時(shí)，結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)計(jì)算以不會(huì)發(fā)生基礎(chǔ)滑移為前提條件，同時(shí)計(jì)入重力荷載的影響。由于圖4中的柱3、4、5、6的橫截面和連接狀態(tài)相同，柱789的橫截面和連接狀態(tài)相同，因此將發(fā)生器結(jié)構(gòu)中的7跟立柱分為兩類，以每一類立柱中水平連桿為兩類：連接柱56的水平連桿（以下簡(jiǎn)稱水平連桿1）和連接柱789的水平連桿（以下簡(jiǎn)稱水平連桿2）。

表3、4中列出了3條地震波不同水平方向激勵(lì)下這兩類柱底地震反應(yīng)的峰值。斜連桿的最大軸力為26028.13N，水平連桿1的最大軸力為403.4N，水平連桿2的最大軸力為392.26N。

表3 x水平地震激勵(lì)下發(fā)生器結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)值

表4 y水平地震激勵(lì)下發(fā)生器結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)值

從表中屏蔽罩頂部位移的比較可以看出，y向（沿底座短軸方向）的地震作用效應(yīng)明顯大于x向（沿底座長(zhǎng)軸方向）的地震作用效應(yīng)。

4 發(fā)生器結(jié)構(gòu)的抗震性能驗(yàn)算

4.1 構(gòu)件強(qiáng)度驗(yàn)算

由于各立柱都是圓形截面，按照表3、4中同一截面的最大地震內(nèi)力組合（即表3和表4中粗體表示的內(nèi)力值）進(jìn)行抗震性能驗(yàn)算，不區(qū)分輸入地震波，也不按照x、y方向的內(nèi)力值分別驗(yàn)算，這樣做偏于安全，表5中列出了水平地震輸入下結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件強(qiáng)度安全系數(shù)的計(jì)算結(jié)果。數(shù)據(jù)表明，這些結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)度安全性達(dá)到了要求。由于發(fā)生器結(jié)構(gòu)中各柱的柱底截面內(nèi)力最大，因此當(dāng)這些柱底截面處的各項(xiàng)強(qiáng)度安全性指標(biāo)達(dá)到要求時(shí)，其他各截面也必然滿足要求，不再一一復(fù)核。

表5 結(jié)構(gòu)構(gòu)件強(qiáng)度驗(yàn)算（單位：MPa）

4.2 法蘭連接抗震性能驗(yàn)算

根據(jù)在三種地震波激勵(lì)下的發(fā)生器結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)峰值，進(jìn)行法蘭連接的抗震性能驗(yàn)算，包括連接螺栓強(qiáng)度驗(yàn)算和法蘭盤(pán)厚度驗(yàn)算。

由于柱子的截面和連接分為兩類，下文分別對(duì)柱3-6和柱7-9進(jìn)行驗(yàn)算。

4.2.1 柱3-6法蘭連接驗(yàn)算

由計(jì)算結(jié)果可知，立柱4-6與底座連接處的彎矩及剪力最大，對(duì)應(yīng)的螺栓最不安全，由于各柱的螺栓布置相同，所以驗(yàn)算立柱3-6底截面處法蘭的連接抗震性能，若滿足安全性要求，則其他截面處法蘭的攔截抗震性能也滿足要求。不再一一列出。立柱3-6底截面的彎矩和剪力分別為：35239N.m和12951N，該截面處不始終受壓，最大軸拉力為127223N。柱下螺栓布置為12xM20，強(qiáng)度均為8.8級(jí)，有效直徑為17.65mm，有效面積為245mm2，為A級(jí)普通螺栓。根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50017-2001）》,螺栓的抗剪強(qiáng)度

①支座處螺栓抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算

螺栓在水平地震時(shí)的承剪面積為

②支座處螺栓抗拉性能驗(yàn)算

當(dāng)螺栓受壓彎共同作用時(shí)，一個(gè)螺栓所對(duì)應(yīng)的管壁段中的拉力為：

截面上的螺栓不完全受拉，按照規(guī)范繞旋轉(zhuǎn)軸②轉(zhuǎn)動(dòng)，則有：

根據(jù)《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GBJ50135-2006）》[7]和《架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范》（DL/T 5154-2002）[8]中相關(guān)規(guī)定，同時(shí)參考了《大型法蘭盤(pán)在輸電塔中的應(yīng)用研究》[9]，法蘭盤(pán)底板必須平整，其厚度t應(yīng)按下式計(jì)算，且對(duì)小型塔不小于16mm。

式中：t為法蘭底盤(pán)板厚度；Mmax為法蘭盤(pán)鋁材抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，取為35MPa。Mmax可以由式（4）計(jì)算確定。

其中可以查表得到， q可由式（5）計(jì)算得到。

式中Lx為相鄰兩螺栓間的圓弧長(zhǎng)度，Ly為兩螺栓間扇形面積的等效矩形的短邊長(zhǎng)度。

表6 彎矩系數(shù)

取底截面處法蘭進(jìn)行驗(yàn)算（此為最不利截面），此處軸力為127223N，經(jīng)計(jì)算法蘭板承受的均布?jí)簯?yīng)力為q=2.01N/mm2，Lx=151.8mm，Ly=90mm,則查表可得：

由上式求得t=22.23mm,實(shí)際設(shè)計(jì)厚度為120mm，滿足要求，同時(shí)參考建筑結(jié)構(gòu)中的《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GBJ50135-2006）》,也滿足不小于16mm的要求。

4.2.2 柱7-9法蘭連接驗(yàn)算

由計(jì)算結(jié)果可知，立柱7-9與底座連接處的彎矩及剪力最大，對(duì)應(yīng)的螺栓最不安全。由于各柱的螺栓布置相同，所以驗(yàn)算立柱7-9底截面處法蘭的連接抗震性能，若能滿足安全性要求，則其他截面處法蘭的鏈接抗震性能亦可。立柱4底截面的彎矩和剪力分別為：5390N.m、2218N，該截面處不始終受壓，最大軸拉力為14696N。柱下螺栓布置為8xM16，強(qiáng)度均為8.8級(jí)，有效直徑為14.12mm,有效面積s為156.7mm2，為A級(jí)普通螺栓。根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50017-2003）》[6]，螺栓的抗剪強(qiáng)度為，抗拉強(qiáng)度

（1）支座處螺栓抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算

（2）支座處螺栓抗拉性能驗(yàn)算

當(dāng)螺栓受壓彎共同作用時(shí)，一個(gè)螺栓所對(duì)應(yīng)的管壁段中的拉力為：

截面上的螺栓不完全受拉，按照規(guī)范繞旋轉(zhuǎn)軸②轉(zhuǎn)動(dòng)，則有：

滿足要求。

（3）法蘭連接板厚度的驗(yàn)算

同上取底截面處法蘭進(jìn)行驗(yàn)算（此為最不利截面），此處軸力為14696N,經(jīng)計(jì)算法蘭板承受的均布?jí)簯?yīng)力為,則查表得到

由上式求得t=12.88mm，實(shí)際設(shè)計(jì)厚度為15mm，滿足要求，但設(shè)計(jì)厚度略小于《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GBJ50135-2006）》中不小于16mm的要求。由于《電力設(shè)施抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50260-2013）》中沒(méi)有對(duì)連接法蘭最小厚度提出具體要求，列出建筑結(jié)構(gòu)中《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GBJ50135-2006）》僅供參考。

在人工作用下，發(fā)生器結(jié)構(gòu)底座的滑移位移和殘留位移值最大，分別為4.69cm和4.1cm。建議發(fā)生器周邊建筑物及相關(guān)設(shè)備至少相距15cm以上，以防止地震時(shí)碰撞發(fā)生。

4.3 發(fā)生器結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算

通過(guò)仿真可以得出，在EI Centro波、Taft波、人工波沿短軸水平方向作用于結(jié)構(gòu)時(shí)，發(fā)生器結(jié)構(gòu)的最小抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)為分別為2.069、1.9886和1.6838；當(dāng)三條地震波沿長(zhǎng)軸水平方向作用與結(jié)構(gòu)時(shí)，發(fā)生器結(jié)構(gòu)的最小抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)為分別為2.2121、3.5801和2.7224。這再次表明y向（沿底座方向）的地震作用效應(yīng)明顯大于x向（沿底座長(zhǎng)軸方向）的地震作用效應(yīng)。當(dāng)把結(jié)構(gòu)的阻尼比提高到規(guī)范規(guī)定的上限制2%且地震波作用于y向時(shí)，發(fā)生器結(jié)構(gòu)的最小抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)為分別為2.1803、2.1855和1.7741，略高于阻尼比為1.24%的計(jì)算結(jié)果。

5 結(jié)論

根據(jù)直流電壓發(fā)生器安裝現(xiàn)場(chǎng)提供的數(shù)據(jù)建模，評(píng)估直流電壓發(fā)生器抗震性能，結(jié)果如下：直流電壓發(fā)生器結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度方面、抗傾覆穩(wěn)定性要求，常態(tài)下無(wú)滑移危險(xiǎn)，滿足抗拉強(qiáng)度要求，符合受力計(jì)算要求。

[1] 中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50011-2010）[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

[2] 中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).電力設(shè)施抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50260-2013）[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2013.

[3] 同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室.常州東芝2000kV/30mA直流電壓發(fā)生器結(jié)構(gòu)抗震性能分析研究報(bào)告[R].2010年5月.

[4] R.W.Clough and J.Penzien.Dynamics of Structure.New York:McGraw Hill,Int[M].1993.

[5] 董云,樓夢(mèng)麟.基于結(jié)構(gòu)基頻確定Raylwigh阻尼系數(shù)的優(yōu)化方法機(jī)器討論[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014,41(2)：8-13.

[6] 中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50017-2003）[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2003.

[7] 中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50135-2006）[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2006.

[8] 中華人民共和國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定（DL/T5154-2001）[S].北京.電力規(guī)劃出版社，2002.

[9] 馮德奎.大型法蘭盤(pán)在輸電塔中的應(yīng)用研究[D].同濟(jì)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007.

Seismic Performance Assessment of 2000kV DC Voltage Generator Based on ANSYS Model

WANG Shao-hua1, SUN Hong-yan2
(1 M&T Center of EHV Power Transmission Co., Ltd., of CSG, Guangzhou 510663, China;2 Guangdong Huianhengda Management Consulting Co., Ltd., Foshan 528200, China)

The seismic performance of 2000kV DC voltage generator is studied. Through modeling and simulation,the natural vibration characteristics of the 2000kV DC voltage generator and the structure of the generator with the base slip are analyzed, and the seismic performance of the generator structure is checked. It is proved that the seismic performance meets the design requirements, and provides technical support for the design, manufacture and use of the equipment.

DC voltage generator; seismic performance; natural vibration characteristics; component strength;transient anti overturning

TM933.2

A

1672-2841（2016）03-0022-06

2016-07-10

王少華，男，工程師，碩士，研究方向?yàn)殡娏こ碳拜斉潆娂夹g(shù)。