特高壓直流輸電用三塔聯(lián)體式直流電容器裝置結(jié)構(gòu)抗震性能分析

姚　堃　錢　江　李　健　陸居志 　陸杰頻 　劉愛民

(1.同濟大學土木工程防災國家重點實驗室,上海 200092; 2.上海思源電力電容器有限公司,上海 201108)

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特高壓直流輸電用三塔聯(lián)體式直流電容器裝置結(jié)構(gòu)抗震性能分析

姚堃1,*錢江1李健2陸居志2陸杰頻2劉愛民2

(1.同濟大學土木工程防災國家重點實驗室,上海 200092; 2.上海思源電力電容器有限公司,上海 201108)

摘要應用通用有限元程序ANSYS建立了某特高壓多塔聯(lián)體電容器結(jié)構(gòu)體系的有限元計算模型,分別采用振型分解反應譜法及動力時程分析法計算結(jié)構(gòu)地震響應,時程分析采用美國Hector Mine地震(NGA1828)、土耳其Kocaeli地震(NGA1175)和臺灣集集地震(NGA2711)作為地震動輸入,對比討論了不同計算方法結(jié)果的差異。重點分析了塔頂連接構(gòu)件的受力特點及設(shè)計關(guān)鍵。

關(guān)鍵詞超高壓電容器, 抗震性能, 多塔聯(lián)體結(jié)構(gòu), 地震響應

Seismic Performance Analysis of 3-tower Ultra-high Voltage Capacitor Structures for DC Transmission

YAO Kun1,*QIAN Jiang1LI Jian2LU Juzhi2LU Jiepin2LIU Aimin2

(1.State Key Laboratory of Disaster Reduction in Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092,China;

2. Sieyuan Electric Co., Ltd, Shanghai 201108,China)

AbstractA FEM model for the multi-tower ultra-high voltage capacitor structures was established by using ANSYS and its seismic behaviors were calculated by response spectrum method and dynamic time history analysis as well. Hector Mine earthquake wave, Kocaeli earthquake wave and Chichi earthquake wave were served as the input for time history analysis. Differences between results obtained by varied numerical implementation were compared and discussed and emphases were focused on stress distribution patterns and the design keys of the connecting members at the top of the towers.

Keywordsultra-high voltage capacitor, seismic performance, multi-tower conjoined structure, seismic response

1引言

作為生命線工程的重要組成部分,電力系統(tǒng)一旦失效或遭到破壞,往往會造成嚴重的災害和難以估量的經(jīng)濟損失。國內(nèi)外歷次大地震的統(tǒng)計表明:電力系統(tǒng)的地震易損性是極高的。盡管其修復費用只占全部震后重建費用的一小部分,但是電力系統(tǒng)失效造成的間接損失卻是巨大的:不僅嚴重影響正常的生產(chǎn)生活和抗震救災工作,隨之而來的次生災害還可能給社會帶來難以預料的后果。例如1989年Oakland地震后發(fā)生的大面積火災,正是由于停電導致供水系統(tǒng)的癱瘓而無法及時救火造成的[1]。

文獻調(diào)研表明,較早期的電氣設(shè)施抗震研究工作基本是針對110~220 kV的電力系統(tǒng)進行的,這與當時我國電網(wǎng)標準有關(guān)[2]。近年來隨著電力工業(yè)的迅猛發(fā)展,超高壓500 kV已經(jīng)成為我國大部分地區(qū)的主干電網(wǎng),根據(jù)國家電網(wǎng)規(guī)劃,預計到2020年,將建成±800 kV特高壓直流輸電線路17條以上,±1 000 kV特高壓直流輸電線路7條。超/特高壓電力設(shè)施體量、結(jié)構(gòu)高度均遠大于以往設(shè)備規(guī)格,結(jié)構(gòu)抗震性能更為嚴峻,因此對超高壓和特高壓電氣設(shè)施的抗震研究勢在必行[3]。

在電力系統(tǒng),特別是超/特高壓直流輸電系統(tǒng)中,為了濾除系統(tǒng)直流側(cè)的交流諧波分量,需要大量的電容器組。在特高壓直流輸電線路兩端換流站的電氣設(shè)備中,電容器塔架結(jié)構(gòu)是大型、多層、高聳的戶外設(shè)備[4]。這種設(shè)備形式特殊,具有重量大、重心高、頂部質(zhì)量大、阻尼比較小等特點,不利于結(jié)構(gòu)抗震,其結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計具有特殊性[5-6]。

本文結(jié)合某換流站特高壓三塔聯(lián)體電容器結(jié)構(gòu)的設(shè)計,對這類超大型高壓電氣設(shè)施的地震響應進行計算分析,以便更準確地了解特高壓電氣設(shè)備的響應特點、抗震性能,為結(jié)構(gòu)合理設(shè)計提供參考。

2分析模型

2.1　結(jié)構(gòu)特點

某換流站特高壓電容器設(shè)計為三塔結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)平面圖與側(cè)立面圖如圖1和圖2所示。整個結(jié)構(gòu)體系由構(gòu)造完全相同的A,B,C三座單塔呈“品”字形排列組成,單塔主尺寸約為3.0 m×2.6 m×23.6 m,三塔結(jié)構(gòu)總重量超過130 t。

圖1　結(jié)構(gòu)平面圖Fig.1　Plan of the structure

塔體結(jié)構(gòu)主要由支柱絕緣子與承載臺架組成,共29層。每個塔體除底層采用4組,每組2支,高度為3.400 m的絕緣子外,其余設(shè)備層均采用4支710 mm高支柱絕緣子支撐電容臺架。臺架梁采用10#槽鋼焊制,三個塔體下部完全獨立僅在塔頂通過4根φ300×10鋁制母線管T形布置形成聯(lián)體。

圖2　結(jié)構(gòu)側(cè)立面圖Fig.2　Side elevation drawing of the structure

圖3　有限元模型Fig.3　Finite element model

支柱絕緣子材料為高強瓷,絕緣子法蘭采用QT450鋼,臺架梁采用Q345鋼。各種材料機械力學性能參數(shù)見表1。工程結(jié)構(gòu)在各種激勵作用下的破壞機理有較大差別,因為結(jié)構(gòu)動力安全度的確定問題也有多種評定標準,目前常用的破壞準則主要有強度破壞準則、變形破壞準則和疲勞破壞準則等[7]。由于高強瓷為脆性材料,使用中一旦達到材料強度限制,即可能發(fā)生斷裂破壞,因此應保證其在地震作用下不得超過材料的應力許用限制。

表1材料機械性能

Table 1　Mechanical properties of meterial

2.2　結(jié)構(gòu)有限元模型

采用通用有限元程序ANSYS建立計算模型,根據(jù)結(jié)構(gòu)體系的特點,對臺架梁、支架底座及連接板等均采用板殼單元模擬,對絕緣子采用實體單元模擬,按其芯柱尺寸計算構(gòu)件剛度,傘狀部分按附加質(zhì)量計入對應單元。絕緣子連接法蘭采用板殼單元模擬。特高壓三塔聯(lián)體電容器結(jié)構(gòu)有限元模型如圖3所示。

2.3　結(jié)構(gòu)自振特性

特高壓電容器裝置結(jié)構(gòu)自振頻率及振型特征見表2。結(jié)構(gòu)典型振型示意圖如圖4所示,可見多塔聯(lián)體結(jié)構(gòu)振型中有三塔運動方向不一致的情況出現(xiàn),這些振型會造成單塔頂部間較大的相對位移,造成塔頂連接構(gòu)件較大的內(nèi)力。

表2自振頻率及振型特征

Table 2　Natural frequency and vibration modes

3振型分解反應譜法

在目前大多數(shù)國家的抗震設(shè)計規(guī)范廣泛應用反應譜理論來確定地震響應,該方法提供了用較少計算量求取結(jié)構(gòu)最大反應的途徑[7]。本文取系統(tǒng)前40階模態(tài)進行計算,其X向及Y向質(zhì)量參與均超過93%,滿足規(guī)范要求。

圖4　結(jié)構(gòu)振型示意圖Fig.4　Diagrammatic sketch of the mode shapes

3.1　新舊《電力設(shè)施抗震規(guī)范》反應譜對比

《電力設(shè)施抗震規(guī)范》(GB 50260—2013)規(guī)定的地震影響系數(shù)曲線按下式表達[8]:

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中,αmax為地震影響系數(shù)最大值;T為結(jié)構(gòu)的自振周期;Tg為特征周期,根據(jù)場地類別設(shè)計地震分組和場地類別來確定;γ為曲線下降段的衰減指數(shù);η1為直線段的下降斜率調(diào)整系數(shù);η2為阻尼調(diào)整系數(shù);η3為地震影響系數(shù)最大值場地調(diào)整系數(shù);α1為Ⅱ類場地的地震影響系數(shù);αS為地震影響系數(shù)。

作為對比,本文同時也給出了該規(guī)范修訂前的地震影響系數(shù)曲線表達式[9]:

(6)

(7)

當T=0.02時 ,η=1.0

(8)

當T為0.02~0.1 S時,η按(7)(8)線性插值

αS=ηα

(9)

式中,η為阻尼調(diào)整系數(shù),α2為阻尼比為5%時的地震影響系數(shù)。

新舊規(guī)范在輸入地震動方面主要有以下4方面的差別:①地震設(shè)防標準提高,增加了半度設(shè)防標準,新規(guī)范在舊規(guī)范八度設(shè)防標準0.2 g與九度設(shè)防標準0.4 g之間增加了中間設(shè)防標準0.3 g,這樣在輸入加速度峰值上新規(guī)范是舊規(guī)范的1.5倍;②動力放大系數(shù)β從2.25提高到2.5,新規(guī)范是舊規(guī)范的1.11倍;這樣同樣是八度設(shè)防,最大地震影響系數(shù)從0.45提高到了0.75,即使都是0.2 g設(shè)防,最大地震影響系數(shù)也從0.45提高到0.5;③阻尼修正系數(shù)的調(diào)整公式,新舊規(guī)范有很大差別。新規(guī)范通過η1,η2和γ三個不同的系數(shù),來考慮結(jié)構(gòu)阻尼對反應譜的影響。而舊規(guī)范采用單一的阻尼修正系數(shù)η;④新規(guī)范增加了場地類別對于反應譜的影響的考慮。

阻尼比對電氣設(shè)施的抗震性能有非常明顯的影響,但由于阻尼機制的復雜性和不確定,各設(shè)施的阻尼比差異較大,即便同一設(shè)施,在不同輸入激勵下,其阻尼比也可能不同。電瓷類設(shè)備的阻尼比離散性比較大,試驗結(jié)果表明,多介于1%~5%,且更集中于2%~3%,因此為保守起見,在缺乏實際阻尼試驗參數(shù)時,參照GB 50260—2013的建議取值2%[8]。

圖5　地震影響系數(shù)曲線Fig.5　Seismic influence coefficient curve

設(shè)備設(shè)計抗震烈度為Ⅷ度,場地特征周期0.45 s,特高壓電容器裝置的水平向設(shè)計基本地震加速度為0.30 g。根據(jù)GB 50260—2013,水平地震影響系數(shù)最大值取為αmax=0.75;而GB 50260-96,αmax=0.45。結(jié)構(gòu)阻尼比取為0.02。地震影響曲線對比如圖5所示。

由圖5可以看出,按GB 50260—2013確定的地震影響系數(shù)曲線的最大值約為GB 50260—96的1.57倍。

3.2　結(jié)構(gòu)地震響應計算結(jié)果

歷史震害中,因絕緣子瓷柱根部受彎折斷導致設(shè)備破壞較多。陶瓷是脆性材料,抗彎性能很差,變形能力差,同時設(shè)備結(jié)構(gòu)形狀特殊,不僅又細又長,而且上部質(zhì)量較大,地震時瓷柱根部承受很大的彎矩,尤其是在絕緣子瓷柱與其他材料的連接處,變形不協(xié)調(diào)加大了絕緣子瓷柱的斷裂和損壞[10]。

另一方面,電氣設(shè)備內(nèi)的母線分硬母線和軟母線兩種,硬母線由鋁管和鋁線制成,軟母線是由鋁線制成。本文設(shè)備采用硬母線。震害資料顯示,硬母線的破壞主要是支撐母線的棒式支柱絕緣子在地震作用下折斷造成的[11]。由于多塔聯(lián)體結(jié)構(gòu)的特殊性,在地震作用下三塔的振動不一定協(xié)調(diào),塔頂間會產(chǎn)生較大的相對位移,進而在管形母線中產(chǎn)生較大的內(nèi)力。本文計算了絕緣子的變形、彎曲應力以及塔頂母線管的受力狀態(tài),對比了新舊規(guī)范計算結(jié)果的差別,分析了不同方向地震動輸入對響應結(jié)果的影響。

絕緣子位移隨高度分布情況如圖6,最大位移值見表3。在水平荷載作用下,結(jié)構(gòu)位移最大值出現(xiàn)在頂部,但層間位移角最大值出現(xiàn)在塔體中下部第12層絕緣子(標高約為10.2 m)處。

X向、Y向地震動輸入下絕緣子和母線管最大彎曲應力列于表4,新/舊規(guī)范的計算結(jié)果的比值約為1.56。分析原因:結(jié)構(gòu)的基頻為0.626 Hz,在該頻率點新規(guī)范反應譜值約為舊規(guī)范的1.51倍;體系第40階頻率約為8.090 Hz,在該頻率點新規(guī)范的反應譜值約為舊規(guī)范的1.58倍。水平地震作用效應是各階振型水平地震作用效應的組合值,據(jù)此推斷:新/舊規(guī)范計算結(jié)果應介于1.51與1.58之間。

圖6　絕緣子位移隨高度分布情況Fig.6　Distribution of the displacement ofinsulators in height

表3絕緣子最大位移

Table 3　Maximum displacement of insulators

表4絕緣子和母線管最大彎曲應力

Table 4　Maximum bending stress of insulatorsand tubular bus bars　MPa

結(jié)構(gòu)動力特性分析結(jié)果顯示,X向、Y向基頻頻率分別為0.626 Hz和0.659 Hz,非常接近,X向剛度略弱;但從計算結(jié)果看,雖然結(jié)構(gòu)最大位移響應X向地震動輸入時較大,但結(jié)構(gòu)最大應力響應Y向地震動輸入時較大。這是因為呈“品”字形布置的三塔聯(lián)體結(jié)構(gòu),在受水平地震動時,產(chǎn)生了扭轉(zhuǎn),故結(jié)構(gòu)的應力結(jié)果與位移結(jié)果不再成比例。參考GB50260—2013的強度破壞準則,本文認為Y向水平地震輸入起控制作用。在Y向地震動輸入下絕緣子和頂部管形母線的彎曲應力分布情況如圖7,圖8。在地震作用下絕緣子彎曲應力最大值出現(xiàn)在下部過渡層,母線管彎曲正應力最大值在B、C塔頂部跨中。

圖7　絕緣子彎曲應力分布圖Fig.7　Distribution of bending stress of insulators

圖8　管形母線截面彎曲正應力分布圖Fig.8　Distribution of bending stress of tubular bus bar

4動力時程分析

動力時程分析采用模態(tài)疊加法,取模態(tài)阻尼比為2%的常阻尼比,計算Y向水平地震輸入作用下的結(jié)構(gòu)反應。

4.1　地震動輸入

由于特高壓輸電線路跨越地區(qū)廣闊,變電設(shè)備可能安裝于多地,各地場地條件不同,綜合考慮各種因素,分別選用美國Hector Mine地震(NGA1828)、土耳其Kocaeli地震(NGA1175)和臺灣集集地震(NGA2711)作為地震動輸入。加速度峰值參照GB 50260—2013規(guī)定的8度設(shè)防的設(shè)計基本加速度,取為0.3g,加速度時程曲線如圖9所示。

圖9　輸入地震動時程曲線Fig.9　Time history of input seismic waves

4.2　結(jié)構(gòu)地震響應分析結(jié)果

動力時程方法計算的結(jié)構(gòu)最大地震響應見表5,與反應譜分析法的計算結(jié)果對比,時程分析結(jié)果偏大。主要原因是自然波在頻域上的能量分布不均勻,由圖10輸入地震動加速度傅里葉振幅譜可以看出,這三條自然波的能量均主要集中在0~3Hz范圍內(nèi),而結(jié)構(gòu)的基頻約為1.5Hz,恰好處于其中。

時程分析結(jié)果較反應譜分析結(jié)果偏大,因此GB 50260—2013提高了動力放大系數(shù),將β從GB 50260—96中的2.25提高到2.5是十分必要的。從本文的計算結(jié)果來看,提高后的取值依然偏低。但是因為反應譜的確定需要基于大量實測地震動的計算,本文僅計算了3條地震波,具有一定的偶然性。

圖10　輸入地震動加速度傅里葉振幅譜Fig.10　Fourier acceleration amplitudespectrum of input seismic waves

表5最大地震響應

Table 5　Maximum seismic response

5結(jié)論

本文計算分析了某特高壓直流輸電用三塔聯(lián)體式直流電容器裝置結(jié)構(gòu)的地震響應,結(jié)果表明:

(1) 由于裝置結(jié)構(gòu)布置特殊,支撐構(gòu)件響應應力最不利位置出現(xiàn)在底座與塔體結(jié)構(gòu)的過渡層部位。

(2)三塔頂部通過硬管母線連成一體,其主要是為了實現(xiàn)電氣功能。因三塔運動不同步,會在硬管母線的連接構(gòu)件中產(chǎn)生較大應力,仿真計算結(jié)果表明硬管母線強度足夠,但為緩解局部應力集中,建議可考慮連接點采用柔性連接。

(3) 經(jīng)仿真計算,并對響應應力最集中的塔底平面過渡層以及三塔頂部的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計后的三塔聯(lián)體直流濾波電容器裝置抗震性能滿足了電力設(shè)施抗震設(shè)計規(guī)范的要求。

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基金項目：上海市教委產(chǎn)學研“四新”服務項目

收稿日期：2015-08-13

*聯(lián)系作者， Email:773675068@qq.com