張立紅，胡 曉，曾 迪，邸慶霜，呂 瑋

（中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100048）

1 研究背景

我國(guó)地域遼闊，各地區(qū)能源供求分布不均，西南地區(qū)水電能源豐富，用電負(fù)荷中心則主要為東部沿海和南部地區(qū)。隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化水平的不斷提高，為解決資源和需求不匹配的矛盾，涌現(xiàn)出一大批特高壓直流輸電工程［1］。

近幾年全球正處于地震活躍時(shí)期，受太平洋板塊、印度板塊和菲律賓海板塊的擠壓，西南地區(qū)是我國(guó)最大的一個(gè)地震區(qū)，也是地震活動(dòng)最強(qiáng)烈、海拔最高的地區(qū)。國(guó)內(nèi)外大量的實(shí)際案例表明，地震是最有可能造成電力系統(tǒng)嚴(yán)重破壞的原因之一，因?yàn)榈卣鸩粌H會(huì)直接造成電氣設(shè)備的故障和破壞，甚至?xí)鹫麄€(gè)電力系統(tǒng)的癱瘓，從而導(dǎo)致數(shù)百萬(wàn)千瓦的電力缺口，影響范圍大［2-4］。因此，電力系統(tǒng)的抗震研究已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外地震工程研究的重要課題之一［5-10］。作為電力系統(tǒng)中的重要組成部分——換流閥的抗震性能研究，尤其是其在強(qiáng)震作用下的抗震安全性研究已成為研究熱點(diǎn)［11-14］。

國(guó)外學(xué)者對(duì)于換流閥的抗震安全研究起步較早［15-16］。Larder等［16］人對(duì)支撐式換流閥和懸吊式換流閥的對(duì)比研究結(jié)果表明：懸吊式換流閥具有更好的抗震特性，其基頻約為0.15Hz，避開(kāi)了地震主頻，小于支撐式換流閥的基頻；在相同地震波的激勵(lì)下，懸吊式換流閥的應(yīng)力響應(yīng)遠(yuǎn)小于支撐式，但是其位移響應(yīng)更大。為應(yīng)對(duì)高烈度地區(qū)懸吊換流閥可能產(chǎn)生的大位移，Enblom等［17］人在新西蘭的北島換流站工程中對(duì)懸吊換流閥的底部和頂部均施加了彈簧阻尼裝置作為限位措施。但是出于技術(shù)保護(hù)的考慮，對(duì)于限位措施的效果及具體技術(shù)細(xì)節(jié)并未公開(kāi)。

隨著國(guó)內(nèi)特高壓輸電工程的飛速發(fā)展，懸吊換流閥的抗震特性研究也引起了國(guó)內(nèi)學(xué)者的關(guān)注和研究［13，18］。文獻(xiàn)［19-20］主要利用反應(yīng)譜法對(duì)懸吊換流閥開(kāi)展了抗震分析。因懸吊式換流閥設(shè)備具有“高、大、柔、重”等特點(diǎn)，其整體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)明顯的幾何非線性；因此基于線性疊加原理的反應(yīng)譜法不適用，需要采用時(shí)程分析方法進(jìn)行抗震分析。文獻(xiàn)［21-22］采用有限元數(shù)值計(jì)算和振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)等方法開(kāi)展了換流閥廳的動(dòng)力特性研究；焦勇等［23］以包括換流閥與閥廳的二維有限元平面模型為研究對(duì)象，開(kāi)展了閥廳的模態(tài)分析和動(dòng)力時(shí)程分析。但他們的研究重點(diǎn)關(guān)注懸吊換流閥對(duì)閥廳主體結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的影響，而對(duì)懸吊換流閥本身的動(dòng)力特性研究較少。劉愛(ài)國(guó)等［13］以換流閥三維有限元模型為研究對(duì)象，利用放大系數(shù)的方法考慮了閥廳對(duì)地震動(dòng)的放大效應(yīng)，進(jìn)行了動(dòng)力時(shí)程分析，其結(jié)果顯示：采用提高鉸接處旋轉(zhuǎn)剛度的限位措施，換流閥水平位移響應(yīng)峰值有所改善，限位效果仍有待進(jìn)一步提高。

因此，對(duì)于高烈度地區(qū)換流站而言，抗震性能更優(yōu)的懸吊式換流閥顯然是更好的選擇。但是，目前國(guó)內(nèi)對(duì)其抗震性能的研究以及工程經(jīng)驗(yàn)尚顯不足，若限位措施不當(dāng)，較大的水平位移可能會(huì)帶來(lái)閥廳內(nèi)設(shè)備布置上的困難，甚至可能引起與換流閥相連的其他設(shè)備以及連接金具的破壞。因此建立換流閥-閥廳整體結(jié)構(gòu)三維模型，研究懸吊式換流閥的抗震性能以及有效的限制位移措施，對(duì)于相關(guān)學(xué)科和實(shí)際工程具有重要的參考價(jià)值和指導(dǎo)意義。

2 懸吊式換流閥的抗震性能

2.1計(jì)算模型本文研究依托滇西北至廣東特高壓直流輸變電工程項(xiàng)目，送端新松±800kV換流站位于云南省劍川縣，海拔高度2 400 m。根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306－2016）［24］，站址地震基本烈度為8度，按GB 500260－2013《電力設(shè)施抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定［25］，工程中電氣設(shè)備抗震設(shè)計(jì)提高一度，按照9度進(jìn)行設(shè)防，水平地震加速度峰值取為0.4 g。

直流換流閥塔主要由閥模塊、頂屏蔽罩、底屏蔽罩、閥避雷器、母排等部件構(gòu)成，不同層的閥模塊之間由層間絕緣子連接，頂部由懸吊絕緣子串連接到閥廳橫梁上。需要說(shuō)明的是，懸吊絕緣子兩端與模塊等的連接均為銷釘連接，即連接處可沿一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)。由此可見(jiàn)，懸吊絕緣子的連接特性，將使得整個(gè)換流閥裝置系統(tǒng)在地震作用下呈現(xiàn)大位移、大轉(zhuǎn)動(dòng)的幾何非線性。

本文所研究的換流閥塔有限元模型如圖1所示，閥塔總重約14.5 t，閥塔設(shè)計(jì)總高13.5 m，其中頂部懸吊絕緣子長(zhǎng)度為6.5 m。換流閥及閥廳結(jié)構(gòu)主要材料屬性如表1所示。

在實(shí)際工程中，閥塔是通過(guò)掛閥梁懸掛在閥廳中，閥廳結(jié)構(gòu)對(duì)閥塔的地震響應(yīng)具有一定的放大效應(yīng)，為了更準(zhǔn)確地研究閥塔的動(dòng)力特性，閥廳的影響不可忽略。本文將建立包括閥塔和閥廳的三維整體模型進(jìn)行動(dòng)力分析以獲取其真實(shí)地震響應(yīng)。整體結(jié)構(gòu)有限元模型及坐標(biāo)系的設(shè)置如圖2所示，沿閥廳短軸方向?yàn)閤向，長(zhǎng)軸方向?yàn)閥向，豎直方向?yàn)閦向。懸吊處銷釘?shù)奶厥膺B接方式，模型中采用ANSYS軟件中耦合自由度（CP）的方法放松其相應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度來(lái)模擬。

表1 主要材料參數(shù)表

圖1 換流閥有限元模型及位移考查點(diǎn)位置

2.2模態(tài)分析求解結(jié)構(gòu)體系的自振頻率和振型模態(tài)稱為結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析，通過(guò)模態(tài)分析可以快速反映結(jié)構(gòu)體系的主要振動(dòng)特性，從而為后續(xù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析提供參考。與一般支撐類設(shè)備的模態(tài)求解思路不同，懸吊式換流閥的模態(tài)求解，還應(yīng)當(dāng)考慮由其自重所引起的懸吊絕緣子內(nèi)拉應(yīng)力的影響。因此在進(jìn)行模態(tài)分析之前，首先需要完成重力荷載作用下的靜力分析，隨后利用ANSYS軟件的“PSTRES，ON”命令考慮預(yù)應(yīng)力的效應(yīng)進(jìn)行模態(tài)求解［20］。

圖2 懸吊式換流閥塔及閥廳整體模型

由圖3所示的模態(tài)分析結(jié)果表明：換流閥塔一階頻率為0.17 Hz，振型主要為沿水平y(tǒng)向的平動(dòng)，二階頻率0.20 Hz，振型主要為沿水平x向的平動(dòng)，三階頻率為0.23 Hz，振型為換流閥繞豎直z向的轉(zhuǎn)動(dòng)；而閥廳廠房結(jié)構(gòu)的基頻為1.58 Hz，振型為沿閥廳長(zhǎng)軸方向即y向的平動(dòng)。可此可見(jiàn)：系統(tǒng)的低階振型較好地避開(kāi)了地震和廠房的峰值頻率（1.1～8.0 Hz）［13］，因此在地震中換流閥的晃動(dòng)幅度將會(huì)得到控制，從而可以保障整體結(jié)構(gòu)的抗震安全。

圖3 閥塔閥廳結(jié)構(gòu)的主要振型圖

2.3時(shí)程分析如前所述，由于懸吊式換流閥塔結(jié)構(gòu)體系存在幾何非線性，為獲得其真實(shí)地震響應(yīng)，本文選用逐步積分法對(duì)整體結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行時(shí)程分析。

圖4 人工合成地震波時(shí)程圖

2.3.1 地震波荷載 本項(xiàng)目所在工程場(chǎng)地的類別為II類，特征周期0.55 s。根據(jù)《電力設(shè)施抗震設(shè)計(jì)規(guī)范GB502620-2013》的相關(guān)規(guī)定［25］：當(dāng)采用動(dòng)力時(shí)程分析法進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)，輸入地震動(dòng)時(shí)程不應(yīng)少于3條，其中至少應(yīng)有1條人工合成地震動(dòng)時(shí)程。因此本文選取EL-Centro波、Taft波和1條人工合成地震波分別進(jìn)行時(shí)程分析。每條地震波在x、y、z三個(gè)方向的加速度峰值分別為0.34 g、0.4 g和0.26 g，其中人工合成地震波的加速度時(shí)程如圖4所示。數(shù)值計(jì)算中采用瑞利阻尼，結(jié)構(gòu)阻尼比取0.02，質(zhì)量陣系數(shù)和剛度陣系數(shù)分別取值0.04和0.007。

圖5 考查點(diǎn)位移響應(yīng)曲線

表2 考查點(diǎn)位移峰值（單位：m）

表3 關(guān)鍵部位最大應(yīng)力 （單位：MPa）

2.3.2 時(shí)程分析結(jié)果 在人工合成地震波作用下，閥塔上4個(gè)考查點(diǎn)（如圖1中所示）的位移響應(yīng)如圖5所示?？梢?jiàn)掛閥點(diǎn)的位移明顯小于懸吊閥塔的位移響應(yīng)，對(duì)于閥塔而言，距離掛閥梁越遠(yuǎn)的考查點(diǎn)，其位移響應(yīng)越大，且水平位移大于豎向位移。在3條地震波的作用下，閥塔的位移響應(yīng)峰值見(jiàn)表2所示。可知在人工合成波作用下，閥塔位移響應(yīng)峰值為1.45 m。閥塔關(guān)鍵部位的應(yīng)力峰值具體結(jié)果見(jiàn)表3。可以看出，關(guān)鍵部位的應(yīng)力峰值均遠(yuǎn)小于材料允許應(yīng)力值，因此懸吊式閥塔確實(shí)具有優(yōu)越的抗震性能，但是其水平位移響應(yīng)峰值確實(shí)較大，這也與相關(guān)文獻(xiàn)研究結(jié)論一致［13，16］。

3 限位措施

圖6 限位措施示意圖

圖7 限位措施下閥塔上3個(gè)考查點(diǎn)的y向位移時(shí)程

3.1限位措施概述由前述時(shí)程分析結(jié)果可知，懸吊式換流閥在地震作用下產(chǎn)生的水平位移較大；雖然能夠保證其自身結(jié)構(gòu)的安全，但過(guò)大的位移可能會(huì)引起與之相連設(shè)備的破壞，因此需要采取一定的限制位移措施。國(guó)外實(shí)際工程中也有限位措施的應(yīng)用先例［17］，但是出于技術(shù)保護(hù)的考慮，并未公開(kāi)具體措施的細(xì)節(jié)及限位效果。根據(jù)美國(guó)IEEE Std 693-2005規(guī)范［26］中對(duì)懸吊設(shè)備安裝方法的指導(dǎo)意見(jiàn)，本文所采用的限位措施如圖6所示，即在設(shè)備底部設(shè)置剛度為1000 kN/m的彈簧拉索裝置以限制閥塔的水平位移。3.2限位措施對(duì)比分析結(jié)果對(duì)施加限位措施后的閥塔閥廳整體模型，在人工合成地震波作用下的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行時(shí)程分析。圖7為采取限位措施后閥塔上同樣的3個(gè)考查點(diǎn)沿y向的位移時(shí)程響應(yīng)結(jié)果，最大y向位移僅為0.53 m，比無(wú)限位措施的位移響應(yīng)削減60%；由圖7中各個(gè)考查點(diǎn)位移時(shí)程曲線同時(shí)可以看出施加限位措施后閥塔的最大位移發(fā)生在閥塔的中部位置（塔2），而不是閥塔底部（塔1）。表4和表5展示了施加限位措施前后閥塔位移和應(yīng)力的對(duì)比情況，可以看出：采取限位措施后，閥塔頂部和層間絕緣子的應(yīng)力有所增大，但是仍遠(yuǎn)小于其允許破壞應(yīng)力，不影響其自身結(jié)構(gòu)安全；但施加限位措施后，換流閥塔的位移響應(yīng)明顯減小，可極大地改善相連其他設(shè)備的安全性。圖8為限位措施方案中，底部彈簧拉索裝置的拉力時(shí)程圖，最大拉力約20.6 kN，遠(yuǎn)小于拉索的額定拉力500 kN。

表4 限位措施對(duì)閥塔最大位移值的影響

表5 限位措施對(duì)閥塔關(guān)鍵部位應(yīng)力峰值的影響

圖8 底部拉索拉力時(shí)程圖

4 結(jié)論

本文以滇西北至廣東特高壓直流輸變電工程中送端新松換流站為背景，采用數(shù)值模擬的研究方法對(duì)高地震烈度地區(qū)懸吊式換流閥抗震性能及限位措施開(kāi)展了研究工作，主要結(jié)論如下：（1）建立了考慮閥廳結(jié)構(gòu)在內(nèi)的換流閥—閥廳三維整體有限元模型，并利用耦合自由度（CP）的方法準(zhǔn)確模擬了換流閥與閥塔之間的連接方式。（2）模態(tài)分析的結(jié)果顯示懸吊閥塔的基頻為0.17 Hz，明顯低于閥廳結(jié)構(gòu)的基頻1.58 Hz，這說(shuō)明懸吊式閥塔的低階頻率很好地避開(kāi)了地震波和閥廳的峰值頻率。（3）因懸吊換流閥具有大轉(zhuǎn)動(dòng)的幾何非線性，因此采用逐步積分法進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程求解，時(shí)程分析結(jié)果表明懸吊閥塔的水平位移大于豎向位移，且閥塔上距離掛閥梁越遠(yuǎn)的部位，其位移響應(yīng)值越大。（4）為了減小懸吊換流閥在地震作用下發(fā)生的水平位移，在換流閥底部施加彈簧約束裝置，分析結(jié)果表明這一限位措施具有明顯的限制位移的效果，但是在工程中具體實(shí)施時(shí)需要注意解決好雜散電容的影響。

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