朱 東，高 湛，程 亮

(中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院有限公司，武漢 430071)

0 引言

近年來(lái)，柔性直流輸電技術(shù)因其具有可控性高、輸電距離長(zhǎng)、傳輸電壓高等優(yōu)點(diǎn)[1]，促進(jìn)了可再生能源利用和智能電網(wǎng)的發(fā)展。柔性直流換流站是柔性直流輸電工程的樞紐工程，換流站內(nèi)的核心電氣設(shè)備有如換流變壓器、聯(lián)結(jié)變壓器等落地式的設(shè)備以及直流換流閥、橋臂電抗器等支柱式設(shè)備，相比于落地式設(shè)備，支柱類設(shè)備由于其結(jié)構(gòu)體型高、設(shè)備重心高以及支柱剛度弱的特點(diǎn)導(dǎo)致其抗震性能較差，其中以柔性直流換流閥設(shè)備最為顯著。柔性直流換流閥作為柔性直流輸電工程中最核心的電氣設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)交流電與直流電的轉(zhuǎn)換，并可靈活控制電壓、電流、無(wú)功功率和有功功率的輸出與輸入，其穩(wěn)定的運(yùn)行是柔直輸電系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。柔性直換流閥是典型的高聳結(jié)構(gòu)，多采用瓷質(zhì)支柱，地震易損性高，在強(qiáng)震下易發(fā)生支柱開(kāi)裂和功率塊損壞，威脅輸電系統(tǒng)的安全[2]。近年來(lái)，已有多次地震對(duì)國(guó)內(nèi)的電力設(shè)施造成了重大損失[3]。因此，此類設(shè)備的抗震性能需重點(diǎn)關(guān)注[4]。

地震作為陸上破壞力最大的自然災(zāi)害，震中地面多發(fā)生劇烈震動(dòng)，對(duì)建筑物造成破壞。按照震中距大小，地震可分為近場(chǎng)地震與遠(yuǎn)場(chǎng)地震。與遠(yuǎn)場(chǎng)地震相比，近場(chǎng)地震具有瞬時(shí)能量大、脈沖周期長(zhǎng)的特點(diǎn)，在地震初期就給結(jié)構(gòu)輸入較高的能量[5]。近場(chǎng)地震動(dòng)先上下顛簸，后左右或前后搖晃；遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)無(wú)上下顛簸，為長(zhǎng)周期的左右或前后搖晃。因此，近場(chǎng)地震更易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生更大的基底剪力和層間位移[6]，對(duì)“頭重腳輕”的瓷支柱柔性直流換流閥造成嚴(yán)重的破壞[7]。

相關(guān)研究學(xué)者開(kāi)展了大量針對(duì)電氣設(shè)備的抗震研究工作[8-10]，但較少研究近場(chǎng)脈沖型地震動(dòng)下柔性直流換流閥的響應(yīng)。本文以一柔性直流換流閥為分析對(duì)象，建立閥體結(jié)構(gòu)有限元模型并將多條近場(chǎng)脈沖型地震動(dòng)與遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)作為輸入，進(jìn)行地震響應(yīng)計(jì)算，分析近場(chǎng)脈沖型地震動(dòng)對(duì)換流閥塔的加速度放大系數(shù)、支柱絕緣子根部和框架等效應(yīng)力的影響。

1 換流閥結(jié)構(gòu)與有限元模型

1.1 換流閥結(jié)構(gòu)

柔性直流換流閥分為支撐式與懸掛式兩種類型，支撐式換流閥塔因其建造成本低和安裝方便的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于換流站中。本文以一6層閥段的支撐式換流閥塔為研究對(duì)象進(jìn)行分析，整個(gè)閥塔尺寸11.4 m（長(zhǎng)）×5.2 m（寬）×15 m（高），重約110 t。

主要由支柱絕緣子、拉桿、框架、功率模塊等部件組成。換流閥關(guān)鍵部件材料參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 材料參數(shù)Table 1 Configuration parameters

1.2 有限元模型

根據(jù)換流閥的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和仿真分析需求，選用ANSYS 進(jìn)行有限元模擬，在滿足仿真精度的前提下對(duì)原有模型做出如下簡(jiǎn)化：去除光纜槽、水管以及屏蔽罩等附加的不受力部件，保留換流閥主體框架結(jié)構(gòu)；模塊單元是集成化的塊結(jié)構(gòu)，不屬于承重受力結(jié)構(gòu)，但其質(zhì)量較大，在建模時(shí)通過(guò)質(zhì)量點(diǎn)模擬，1～2層均布質(zhì)量各15 t，3～5層均布質(zhì)量各11 t，6層均布質(zhì)量6 t。結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)固接，約束底部端點(diǎn)的所有自由度。

柔性直換流閥的有限元模型及單元選取見(jiàn)圖1。支柱絕緣子和框架采用Beam188 模擬，拉桿采用Link180 模擬，質(zhì)量點(diǎn)采用Mass21 單元模擬[11]，部件之間均通過(guò)節(jié)點(diǎn)耦合連接。

圖1 換流閥有限元模型Fig.1 Finite element model of the converter valve

1.3 模態(tài)分析

模態(tài)分析前需考慮結(jié)構(gòu)的靜態(tài)自重預(yù)應(yīng)力，計(jì)算結(jié)構(gòu)在重力作用下的應(yīng)力與變形，經(jīng)計(jì)算換流閥的最大等效應(yīng)力為19.8 Mpa，發(fā)生在第一層的框架型材處，最大變形為3.06 mm，發(fā)生在第二層的框架鋼梁上。后進(jìn)行模態(tài)分析[12]，模態(tài)分析時(shí)需打開(kāi)大變形開(kāi)關(guān)與預(yù)應(yīng)力開(kāi)關(guān)，計(jì)算提取的結(jié)構(gòu)前6階自振頻率如表2所示，前4階振型圖2所示。

圖2 換流閥前4階振型Fig.2 The first 4 order vibration mode of the converter valve

表2 換流閥前6階自振頻率及模態(tài)Table 2 The first 6 order natural frequencies and mode shapes of the converter valve

系統(tǒng)的響應(yīng)主要是由前幾階振型貢獻(xiàn)，如表2所示，該換流閥模型的前3 階自振頻率均低于3 Hz，是典型的柔性結(jié)構(gòu)。原因之一是支撐式換流閥的重量主要由上部的功率模塊貢獻(xiàn)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體重心較高及結(jié)構(gòu)自振頻率較低。

2 地震波選取

采用動(dòng)力時(shí)程分析法進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)，可采用實(shí)際強(qiáng)震時(shí)程作為地震動(dòng)輸入時(shí)程[13-14]。所選地震波反應(yīng)譜需與目標(biāo)反應(yīng)譜在結(jié)構(gòu)主要周期點(diǎn)相差不超過(guò)20%，選取與設(shè)計(jì)反應(yīng)譜接近的地震動(dòng)。近場(chǎng)地震動(dòng)具有明顯區(qū)別于遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)的特征，近場(chǎng)地震動(dòng)選取的一般原則[15-16]：斷層距≤20 km；震級(jí)＞6級(jí)；PGV/PGA＞0.2、PGV≥30 cm/s，PGA≥100 cm/s2。

本文在PEER 地震動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)中選取了表3 所示的12 條符合要求的地震動(dòng)記錄，如圖3 為所選地震動(dòng)記錄的加速度反應(yīng)譜與傅里葉譜圖，RSN1505的加速度時(shí)程圖、速度時(shí)程圖如圖4所示。與普通地震動(dòng)相比，近場(chǎng)脈沖型地震動(dòng)在頻域上功率譜能量多集中在低頻[17],加速度時(shí)程中存在短時(shí)間內(nèi)的突出。

圖3 地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜與傅里葉圖Fig.3 Acceleration response spectrum and Fourier spectral diagram of ground motions

圖4 RSN1505的加速度與速度時(shí)程圖Fig.4 Acceleration and velocity time histories charts of RSN1505

表3 地震動(dòng)信息Table 3 Information of ground motions

3 地震作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析

為對(duì)比換流閥在上述地震動(dòng)作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，將上述地震動(dòng)調(diào)幅為抗震設(shè)防烈度8 度（0.2 g）與8 度半（0.3 g），并進(jìn)行三向地震激勵(lì)下柔性直流換流閥動(dòng)力時(shí)程分析。由于Y向?yàn)閾Q流閥的弱軸向，為評(píng)估結(jié)構(gòu)的最不利情況，將三個(gè)方向的地震波按Y:X:Z=1:0.85:0.65 輸入。結(jié)構(gòu)阻尼采用Rayleigh 正交阻尼，通過(guò)質(zhì)量系數(shù)α與剛度系數(shù)β計(jì)算[18]：

上式中：ωi和ξi為i階自振圓頻率和阻尼比，ωj和ξj為j階自振圓頻率和阻尼比。本文阻尼比取2%[2]，地震波時(shí)間步長(zhǎng)為0.02 s。

通過(guò)大質(zhì)量法[19]模擬結(jié)構(gòu)在地震動(dòng)中的響應(yīng)，更好地研究柔性直流換流閥的抗震性能。對(duì)比輸入加速度、支柱絕緣子上部加速度和六層框架加速度，研究不同工況下?lián)Q流閥的加速度放大效應(yīng)[20-21]，本文將絕緣子上部位置簡(jiǎn)稱為一層框架，以上依次為二～六層；對(duì)比近場(chǎng)脈沖型地震動(dòng)與遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)工況的下部支柱絕緣子根部應(yīng)力與上部框架應(yīng)力，研究近場(chǎng)脈沖型地震對(duì)換流閥結(jié)構(gòu)的內(nèi)力影響。

3.1 最大應(yīng)力分析

電氣設(shè)備進(jìn)行時(shí)程分析抗震計(jì)算時(shí)需驗(yàn)算電氣設(shè)備根部和危險(xiǎn)斷面處的應(yīng)力。因此，本文提取不同工況下?lián)Q流閥的下部支柱絕緣子等效應(yīng)力與上部框架結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力，比較近場(chǎng)脈沖型地震動(dòng)與遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)作用下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力值。圖5 為RSN1505 地震動(dòng)作用下?lián)Q流閥下部支柱絕緣子的等效應(yīng)力云圖。

圖5 下部支柱絕緣子的等效應(yīng)力云圖Fig.5 Equivalent stress cloud diagram of the lower support insulator

圖5中下部支柱絕緣子的最大應(yīng)力出現(xiàn)在根部，且受力復(fù)雜，是整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱點(diǎn)。不同工況下下部支柱絕緣子與上層框架的最大等效應(yīng)力見(jiàn)圖6。

圖6 最大等效應(yīng)力Fig.6 Maximum equivalent stress

如圖6所示，相同烈度下，近場(chǎng)脈沖型地震動(dòng)作用時(shí)下部支柱絕緣子和框架的最大等效應(yīng)力大于遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)下的相同部位的等效應(yīng)力[20]，且隨著烈度提高，最大等效應(yīng)力的差值增大，對(duì)結(jié)構(gòu)安全更不利。

3.2 加速度響應(yīng)分析

加速度響應(yīng)直接反映了換流閥在地震過(guò)程中振動(dòng)情況，加速度響應(yīng)越大表明換流閥的振動(dòng)越劇烈。圖7 為RSN 185 地震波作用下結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)的加速度時(shí)程曲線。表4為各工況下的底部輸入加速度、一層加速度響應(yīng)和六層加速度響應(yīng)。

圖7 加速度時(shí)程Fig.7 Acceleration time history

表4 加速度峰值Table 4 Peak acceleration

可以看出相較于底部輸入地震動(dòng)，換流閥結(jié)構(gòu)一層與六層的加速度均被放大。為對(duì)比輸入加速度、一層加速度與六層加速度，本文引入放大系數(shù)（關(guān)注點(diǎn)加速度與底部地震動(dòng)加速度的比值）。以底部地震輸入加速度為基準(zhǔn)，可計(jì)算出換流閥各部位的加速度放大系數(shù)[11]與分布情況。不同地震動(dòng)作用下不同部位的加速度放大系數(shù)如圖8 所示，為方便比較，已標(biāo)記出相同地震類型與烈度的地震波作用下結(jié)構(gòu)加速度放大系數(shù)的中位值。

從圖8 中可以看出，與遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)相比，近場(chǎng)脈沖型地震動(dòng)對(duì)柔性直流換流閥的加速度響應(yīng)影響更為顯著，與框架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力響應(yīng)規(guī)律相同[22]。近場(chǎng)脈沖型地震動(dòng)作用下，一層框架處的加速度放大系數(shù)顯著高于遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)的對(duì)應(yīng)值，但在六層框架處的加速度放大系數(shù)略高于遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)作用下的對(duì)應(yīng)值。相應(yīng)的，近場(chǎng)脈沖型地震動(dòng)作用下?lián)Q流閥上部結(jié)構(gòu)的振動(dòng)也更為劇烈，對(duì)結(jié)構(gòu)安全不利。

4 結(jié)論

本文建立某柔性直流換流站工程的換流閥有限元模型，并進(jìn)行近場(chǎng)脈沖型地震動(dòng)與遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)作用下?lián)Q流閥動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算與分析，得到以下結(jié)論。

（1）相同烈度下，近場(chǎng)脈沖型地震動(dòng)工況下柔性直流換流閥下部支柱絕緣子和框架的等效應(yīng)力高于遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)作用下的等效應(yīng)力，且隨著烈度提高，相同烈度下最大等效應(yīng)力的差值越大。

（2）近場(chǎng)脈沖型地震動(dòng)對(duì)一層框架處的加速度放大系數(shù)的影響高于六層框架處，但六層框架處的加速度放大系數(shù)仍高于遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)，即近場(chǎng)脈沖型地震動(dòng)下?lián)Q流閥上層結(jié)構(gòu)和電氣設(shè)備的振動(dòng)比遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)下更大。

（3）支撐式換流閥屬于高聳結(jié)構(gòu)，近場(chǎng)脈沖型地震動(dòng)作用下結(jié)構(gòu)的振動(dòng)更劇烈，過(guò)大的振動(dòng)易影響閥段功率塊的正常運(yùn)行與威脅結(jié)構(gòu)安全。因此，在設(shè)計(jì)柔性直流換流閥時(shí)，需考慮近場(chǎng)脈沖型地震作用，并采取相應(yīng)減震措施，以確保設(shè)備震中的安全運(yùn)行。