160 kV機(jī)械式直流斷路器抗震特性分析

丁璨，丁奕靈，袁召，陳天凡

(1.三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002；2.華中科技大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074)

化石能源的日益枯竭和環(huán)境壓力的日益增加，致使可再生清潔能源得以大規(guī)模開(kāi)發(fā)和利用，使得特高壓直流輸電技術(shù)成為新的發(fā)展趨勢(shì)[1-3]。與交流電網(wǎng)相比較，直流電網(wǎng)在電力傳輸方面有巨大優(yōu)勢(shì)，在交流系統(tǒng)無(wú)功支撐方面也有明顯的優(yōu)勢(shì)，是未來(lái)電網(wǎng)的發(fā)展方向[4-8]。與交流系統(tǒng)相比，直流系統(tǒng)的故障發(fā)展更快，造成的損失更大。當(dāng)直流電網(wǎng)因?yàn)楦鞣N突發(fā)原因不能正常運(yùn)行時(shí)，可以利用高壓直流斷路器快速切除故障電流，從而保證直流輸電的正常運(yùn)行，保障人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。對(duì)高壓直流斷路器開(kāi)展研究，成為研究直流電網(wǎng)的關(guān)鍵性問(wèn)題[9-12]。直流斷路器主要有固態(tài)、機(jī)械式和混合式直流斷路器3種，也可以根據(jù)關(guān)斷電流設(shè)備類(lèi)型分為電容式和IGBT式直流斷路器，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)直流斷路器的類(lèi)別進(jìn)行了一定研究[13-15]。與混合式直流斷路器、固態(tài)式直流斷路器相比，機(jī)械式直流斷路器含大功率電力電子器件較少，能實(shí)現(xiàn)更低的造價(jià)，具有很強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。機(jī)械式直流斷路器包含機(jī)械開(kāi)關(guān)模塊、隔離變壓器、吸能設(shè)備、預(yù)充電設(shè)備、電容組模塊、觸發(fā)開(kāi)關(guān)及其輔助設(shè)備等[16]，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零部件種類(lèi)和數(shù)量眾多；因此其極易受到地震的影響，地震荷載對(duì)其結(jié)構(gòu)有很大的破壞力，會(huì)造成結(jié)構(gòu)振動(dòng)和變形[17]。當(dāng)機(jī)械式直流斷路器受地震的影響發(fā)生故障時(shí)，故障電流不能被限制并切除，造成直流電網(wǎng)不能正常運(yùn)行，且損壞相關(guān)設(shè)備[18]。到目前為止，國(guó)內(nèi)外對(duì)直流斷路器的抗震性能研究甚少。文獻(xiàn)[19]表明500 kV混合式直流斷路器閥塔在9級(jí)地震烈度的地震作用下，其避雷器絕緣子、層間支柱絕緣子、閥塔支柱絕緣子受地震影響嚴(yán)重；文獻(xiàn)[20]研究了160 kV高壓直流斷路器閥塔在地震響應(yīng)譜下的受力分析，表明該閥塔支柱絕緣子法蘭的破壞應(yīng)力最大，閥塔的抗震烈度大于8級(jí)。

對(duì)此，本文以160 kV機(jī)械式直流斷路器為研究對(duì)象，采用有限元分析軟件ANSYS Workbench對(duì)機(jī)械式直流斷路器進(jìn)行抗震分析和優(yōu)化[21]，為其抗震設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 機(jī)械式直流斷路器建模與抗震分析方法

1.1 幾何模型建立

機(jī)械式直流斷路器的總體外形尺寸為6 200 mm×5 500 mm×8 250 mm，其模型體積大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。為了提高軟件的計(jì)算精度和減少計(jì)算時(shí)間，建模時(shí)將模型進(jìn)行局部簡(jiǎn)化，去掉對(duì)仿真計(jì)算沒(méi)有影響或影響不大的部分，例如刪除固定線排用的絕緣子、箱體角落的閥門(mén)等。

機(jī)械式直流斷路器的三維簡(jiǎn)化模型如圖1所示，對(duì)于模型內(nèi)部尺寸較大的結(jié)構(gòu)，網(wǎng)格設(shè)定稍為粗糙(20 mm)，網(wǎng)格模型采用四面體單元剖分。

圖1 機(jī)械式直流斷路器的三維簡(jiǎn)化模型

1.2 抗震分析方法

響應(yīng)譜法和等效靜力法是抗震分析的主要方法。如果不考慮隨時(shí)間變化的載荷，忽略在地震過(guò)程中設(shè)備發(fā)生的形變，可以采用靜力法。靜力法將設(shè)備當(dāng)成一個(gè)剛體，將地震作用于設(shè)備的力等效為慣性力，并將作為靜力的慣性力加載在設(shè)備上，進(jìn)行地震模擬計(jì)算。在計(jì)算瞬態(tài)載荷下的設(shè)備響應(yīng)，以及想得到設(shè)備在瞬態(tài)地震載荷作用下的最大應(yīng)力和形變時(shí)，可以采用反應(yīng)譜法。

本文結(jié)構(gòu)抗震動(dòng)力分析采用振型反應(yīng)譜分析法，反應(yīng)譜理論既保持了原有的靜力學(xué)理論，又結(jié)合了地震動(dòng)特性和結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的動(dòng)力關(guān)系，有很好的設(shè)計(jì)精度。

2 機(jī)械式直流斷路器抗震分析

2.1 各組件材料屬性

抗震的環(huán)境要求為：9級(jí)地震烈度的地震、0.4倍重力加速度的基本地震加速度值以及0.35 s的特征周期。

160 kV機(jī)械式直流斷路器的機(jī)械開(kāi)關(guān)、電容器、機(jī)械開(kāi)關(guān)支撐、均壓電容外殼、均壓電阻、控制電源柜、隔離變壓器、避雷器、耦合電抗器、預(yù)充電變壓器、接地開(kāi)關(guān)、晶閘管及電壓互感器使用的材料屬性見(jiàn)表1。其中地震許用應(yīng)力按照Q/GDW 11132—2013《特高壓瓷絕緣電氣設(shè)備抗震設(shè)計(jì)及減震裝置安裝與維護(hù)技術(shù)規(guī)程》的要求，用材料的破壞應(yīng)力除以1.67求得。

表1 160 kV機(jī)械式直流斷路器各種材料機(jī)械性能常數(shù)

2.2 模態(tài)分析

模態(tài)分析可以了解機(jī)械式直流斷路器基本結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性、固有頻率和振型，其固有頻率和振型是地震分析的基礎(chǔ)。對(duì)機(jī)械式直流斷路器進(jìn)行模態(tài)分析還能夠防止共振現(xiàn)象。

本文采用ANSYS Workbench軟件對(duì)機(jī)械式直流斷路器模型進(jìn)行模態(tài)分析，求解出的8階自振頻率和振型見(jiàn)表2，1階模態(tài)振型如圖2所示，其振型變化特點(diǎn)見(jiàn)表3。

表2 8階固有頻率

圖2 1階模態(tài)振型

表3 機(jī)械式直流斷路器的振型特點(diǎn)

2.3 響應(yīng)譜分析

在仿真計(jì)算中需要加載加速度響應(yīng)譜，該響應(yīng)譜中的數(shù)據(jù)是根據(jù)《電力設(shè)施抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[22]中給出的地震影響系數(shù)曲線計(jì)算出來(lái)的，如圖3所示。

圖3 地震影響系數(shù)曲線

圖3中：α為地震影響系數(shù)，αmax為地震影響系數(shù)最大值；Tg為特征周期；T為結(jié)構(gòu)自振周期；γ為衰減指數(shù)，γ=0.9+(0.05-ξ)/(0.5+5ξ)，其中ξ為阻尼比；η1為直線下降段的下降斜率調(diào)整系數(shù)，η1=0.02+(0.05-ξ)/8；η2為阻尼調(diào)整系數(shù)，η2=1+(0.05-ξ)/(0.06-1.7ξ)。

根據(jù)抗震要求，采用結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)阻尼比5%，η2=1，則地震影響系數(shù)α=αmax=1。因此，10個(gè)頻率點(diǎn)的結(jié)構(gòu)加速度頻率響應(yīng)譜可以通過(guò)地震影響系數(shù)曲線計(jì)算出來(lái)，結(jié)果見(jiàn)表4。模擬160 kV機(jī)械式直流斷路器在9級(jí)地震烈度條件下的響應(yīng)，使用X、Y、Z向地震響應(yīng)譜。

表4 加速度頻率響應(yīng)譜

通過(guò)Workbench仿真分析得出160 kV機(jī)械式直流斷路器在地震強(qiáng)度下的等效應(yīng)力，如圖4所示；X、Y和Z方向變形圖如圖5—圖7所示。

圖4 等效應(yīng)力云圖

圖5 X方向位移云圖

圖6 Y方向位移云圖

圖7 Z方向位移云圖

計(jì)算結(jié)果顯示：160 kV機(jī)械式直流斷路器在9級(jí)地震烈度條件下的最大位移(包括層間支柱絕緣子處在X方向的最大位移)為42.652 mm，閥塔支柱絕緣子處在Y和Z方向的最大位移分別為41.112 mm和3.297 mm。

地震工況下的地震許用應(yīng)力計(jì)算采用材料的破壞應(yīng)力除以1.67。各種材料的最小安全系數(shù)見(jiàn)表5，需要特別說(shuō)明的是表5中的材料均指外殼材料，并不是相應(yīng)部件的材料。

由表5可知，原設(shè)計(jì)方案符合抗震烈度小于9級(jí)的要求。最小安全系數(shù)小于1的結(jié)構(gòu)為均壓電容外殼、換流電容外殼和預(yù)充電電容外殼，表明此3處結(jié)構(gòu)承受不了9度抗震設(shè)防烈度的地震。

表5 9級(jí)地震烈度下各種材料的最小安全系數(shù)

3 機(jī)械式直流斷路器改進(jìn)設(shè)計(jì)的仿真

3.1 改進(jìn)設(shè)計(jì)方案

為了在不改變混合式直流斷路器原結(jié)構(gòu)尺寸大小的條件下，使換流電容外殼、預(yù)充電電容外殼和均壓電容外殼處的結(jié)構(gòu)可以承受9度抗震設(shè)防烈度的地震影響，本文改進(jìn)方案為將換流電容外殼、預(yù)充電電容外殼和均壓電容外殼的材料更換為鋁合金，其機(jī)械性能常數(shù)包括：彈性模量為0.71×1011N/m2，泊松比為0.3，質(zhì)量密度為2 780 kg/m3，地震許用應(yīng)力為269.5 MPa。

3.2 改進(jìn)后的仿真結(jié)果

更換材料后，160 kV機(jī)械式直流斷路器在9級(jí)地震強(qiáng)度下的等效應(yīng)力如圖8所示，X、Y和Z方向的變形如圖9—圖11所示。

圖8 改進(jìn)后等效應(yīng)力云圖

圖9 改進(jìn)后X方向位移云圖

圖10 改進(jìn)后Y方向位移云圖

圖11 改進(jìn)后Z方向位移云圖

計(jì)算結(jié)果表明，160 kV機(jī)械式直流斷路器在9級(jí)地震烈度條件下的最大位移(包括層間支柱絕緣子處在X方向的最大位移)為29.568 mm，閥塔支柱絕緣子處在Y和Z方向的最大位移分別為27.820 mm和2.558 mm。結(jié)構(gòu)各部件許用應(yīng)力安全系數(shù)都大于1，各種材料的最小安全系數(shù)見(jiàn)表6，同樣表6中的材料都指的是外殼材料，并不是相應(yīng)部件的材料。

表6 改進(jìn)后9級(jí)地震烈度下各種材料的最小安全系數(shù)

3.3 2種設(shè)計(jì)的比較分析

對(duì)改進(jìn)前后160 kV機(jī)械式直流斷路器的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比可知：最大等效應(yīng)力都在耦合電抗器上，且改進(jìn)后的最大等效應(yīng)力比改進(jìn)前大0.02 MPa。改進(jìn)后的機(jī)械式直流斷路器在X、Y和Z方向的變形與改進(jìn)前相比相差不大。在9級(jí)地震烈度的地震作用下，隔離變壓器、避雷器、預(yù)充電變壓器、接地開(kāi)關(guān)、晶閘管和電壓互感器基本不受9級(jí)地震烈度的地震作用的影響。

雖然改進(jìn)后的160 kV機(jī)械式直流斷路器的換流電容外殼和預(yù)充電電容外殼的計(jì)算應(yīng)力均增加明顯，但二者的最小安全系數(shù)都大于7，且160 kV機(jī)械式直流斷路器均壓電容外殼結(jié)構(gòu)的最小安全系數(shù)為2.144，說(shuō)明改進(jìn)后的160 kV機(jī)械式直流斷路器可以承受9級(jí)地震烈度的地震作用。

4 結(jié)論

本文對(duì)160 kV機(jī)械式直流斷路器進(jìn)行地震仿真分析，得出以下結(jié)論：

a) 160 kV機(jī)械式直流斷路器在9級(jí)地震烈度的地震作用下，受地震影響最大的位置是均壓電容外殼、換流電容外殼和預(yù)充電電容外殼。

b) 在9級(jí)地震烈度的地震作用下，原設(shè)計(jì)方案的160 kV機(jī)械式直流斷路器除了均壓電容外殼、換流電容外殼和預(yù)充電電容外殼，其他結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力安全系數(shù)都大于1，抗震烈度小于9級(jí)。

c) 將換流電容外殼、預(yù)充電電容外殼和均壓電容外殼的材料換成鋁合金后，這3種電容外殼結(jié)構(gòu)的最小安全系數(shù)都大于1，改進(jìn)后的160 kV機(jī)械式直流斷路器滿足9級(jí)地震烈度的地震抗震要求。