±800 kV干式平波電抗器抗震性能分析

朱 旺,任阿陽2,薛志航3,謝 強

(1.同濟大學土木工程學院,上海 200092；2.國網(wǎng)四川省電力公司特高壓直流中心，四川 成都 610041；3.國網(wǎng)四川省電力公司電力科學研究院，四川 成都 610041)

0 引 言

變電站是電網(wǎng)系統(tǒng)的重要節(jié)點，承載著電能控制和轉換的作用。作為電力系統(tǒng)的重要組成部分，變電站抗震性能影響著電網(wǎng)在地震時和地震后的安全運行狀態(tài)[1]。在歷次大地震，如2008年汶川地震[2-3]、2010年海地地震[4]、2011年日本3·11地震[5]、2013年蘆山地震[6]等地震中，變電站設備都受到了不同形式的損壞，體現(xiàn)了變電站設備在地震下存在較高易損性[7]。變電站設備的損壞不僅影響著電能的傳輸和直接經(jīng)濟損失，更關系著人民的生產生活和社會的穩(wěn)定[8-10]。

為了提高變電站電氣設備的抗震能力，已有眾多學者對各類電氣設備進行了抗震研究，研究手段各異，包括數(shù)值模擬、理論分析和振動臺試驗[11-15]。干式平波電抗器是變電站直流輸電工程的重要塔式設備，其質量大、尺寸大、重心高，因此其在地震下的響應需要重點關注。其上部電抗器本體剛度較大，自身不易發(fā)生變形，在以往地震中并未發(fā)生過破壞；然而，其下部用于支撐本體的支柱絕緣子屬于脆性材料，結構細長，此類結構在以往地震中常常表現(xiàn)出瓷柱破壞或法蘭破壞[16]，破壞嚴重時可能間接導致上部本體傾斜或掉落。對于細長類絕緣子構件以及支柱類電力設備，當下許多學者進行了抗震性能研究[17-18]，這些研究主要集中于地震中結構力學性能評估，包括評價頂部位移和根部應力等。然而，對于平波電抗器的研究，目前主要聚焦于本體構造和非結構性能方面，如噪聲研究等。文獻[19]通過平波電抗器的電磁場特性提出了無磁金屬的噪聲罩的應用方案，相關噪聲和溫升試驗測試發(fā)現(xiàn)無磁金屬使噪聲水平降低，同時不引起過多熱損耗，進一步地，又在文獻[20]提出了新的隔聲罩設計方法，并采用仿真方法證明了所提出方案的有效性。文獻[21]結合現(xiàn)場測量和仿真技術分析了電抗器的聲場分布特性，并在國家標準基礎上提出了較為準確的測量方法。

對于平波電抗器在地震下的力學性能分析，有部分文獻也進行了深入研究。文獻[22]通過振動臺試驗對一復合絕緣子傾斜支撐干式空心電抗器進行了研究，確定了平波電抗器加速度放大系數(shù)最大的位置以及整個電抗器的抗震薄弱環(huán)節(jié)。文獻[23]提出了一種帶有4節(jié)絕緣子單元的新型平波電抗器，通過仿真模型驗證了絕緣子的抗震強度安全系數(shù)符合要求。文獻[24]研究了某特高壓直流平波電抗器的復合支柱絕緣子的抗震性能，通過理論分析計算了絕緣子芯棒的各項參數(shù)，并采用ANSYS模型驗證了支柱絕緣子的安全性。然而，在一些變電站或換流站中，平波電抗器以雙耦聯(lián)形式設計，現(xiàn)有抗震研究僅針對于單體設備，沒有考慮耦聯(lián)對電抗器響應的影響。

下面，采用Abaqus有限元軟件對某換流站的±800 kV干式平波電抗器進行了仿真模擬，并對該電抗器進行了模態(tài)分析；隨后，輸入典型地震動進行地震響應分析，其中包括電抗器本體頂部加速度、頂部位移以及支撐絕緣子根部應力。在此基礎上進一步建立電抗器耦聯(lián)模型，與單體模型進行基頻、振型和動力響應比較，確定耦聯(lián)效應對電抗器地震響應的影響。

1 ±800 kV干式平波電抗器模型

所研究的±800 kV干式平波電抗器結構如圖1所示。該電抗器單體由電抗器本體、復合支柱絕緣子支撐(以下稱支撐絕緣子)以及其他構造構件如罩傘、支撐平臺、絕緣子上下支架等組成，其中支撐絕緣子采用傾斜形式布置。

圖1 干式平波電抗器單體(單位：mm)

如圖1所示，電抗器單體結構整體高度為19.62 m，支撐絕緣子共12根，在本體下部均勻分布，支撐絕緣子單根總長為14.4 m，傾斜角度為10°。上部電抗器本體與下部升高座固定連接，由于其質量和剛度較大，因此可視為剛體。電抗器上的防噪聲罩等非結構構件對結構剛度影響較小，僅將其質量轉化到了電抗器本體上。采用Abaqus軟件對該電抗器進行仿真，電抗器本體采用實體單元，下部支撐絕緣子等采用梁單元模擬，電抗器本體與支撐絕緣子通過不銹鋼平臺固定連接，其中：電抗器本體截面直徑為4.734 m，彈性模量為206 GPa，泊松比為0.3；下部支撐絕緣子直徑為280 mm，單根質量為1772 kg，彈性模量為20 GPa，泊松比為0.24；不銹鋼支撐為十字形截面，彈性模量為72 GPa，泊松比為0.31。支撐絕緣子底部為六自由度約束，模擬剛性地面。電抗器豎直方向設定為Z軸，水平兩方向分別為X、Y軸。

2 模態(tài)分析

對干式平波電抗器模型進行模態(tài)分析，可以得到該電抗器各階自振頻率及模態(tài)。該模型的前10階頻率和對應的模態(tài)振型如表1所示。根據(jù)GB 50260—2013 《電力設施抗震設計規(guī)范》[25]推薦的場地需求譜，其平臺段為2.22～10 Hz，可見電抗器第3～10階頻率分布在平臺段，與地震動的卓越頻率接近，地震下易產生類共振現(xiàn)象。同時，第3～10階振型均是由支撐部分引起，說明下部支撐相對于上部的本體更易受到地震影響。該電抗器的前4階振型如圖2所示，其中：1階、2階均為電抗器整體的彎曲模態(tài)，兩向相同；3階、4階分別為整體和下部支撐絕緣子的扭轉振型。

表1 平波電抗器單體前10階模態(tài)頻率和振型

3 抗震性能分析

3.1 地震波選取

所研究分析的平波電抗器位于8度設防地區(qū)。根據(jù)GB 50260—2013[25]，設計基本地震加速度為0.2g，場地類別為Ⅱ類，場地特征周期0.45 s。選取El Centro波、Landers波和新松波在模型基底進行輸入，其中El Centro波和Landers波均為天然波，新松波為人工波。Landers波歸一化三向加速度時程如圖3所示，3條地震波的加速度反應譜與規(guī)范給定的場地需求譜如圖4所示，3條地震波均能很好地覆蓋住需求譜，滿足規(guī)范要求。輸入3組地震波時，三向加速度比值為1∶0.85∶0.65[26]，這里以Y向為主震方向，加速度峰值為0.2g。

圖2 平波電抗器單體振動模態(tài)

圖3 Landers波歸一化加速度時程(Y,X,Z)

圖4 所選地震波的反應譜與需求譜

3.2 加速度響應分析

平波電抗器放置于支撐絕緣子上部，支撐絕緣子相對于本體具有較低的剛度，在地震下表現(xiàn)出一定的柔度，因此絕緣子會將地震加速度進行一定放大。為了更好地了解電抗器抗震性能，統(tǒng)計了3組地震動下電抗器頂部的加速度峰值，并對3組地震動結果取平均，同時并計算加速度放大系數(shù)如表2所示。

表2 單體模型加速度峰值及放大系數(shù)均值

由于電抗器各個方向輸入的地震動加速度峰值不同，表2中加速度放大系數(shù)取各個方向加速度峰值與該方向地震動加速度峰值之比。由表2可知，電抗器頂部加速度主震方向最大值為3.03 m/s2，出現(xiàn)在Landers波作用下，對應加速度放大系數(shù)1.55，同時在Landers地震波下X向最大加速度為2.6 m/s2，對應放大系數(shù)1.56。而頂部加速度在Z向放大系數(shù)均為1，說明Z向幾乎不存在放大效果。從平均值來看，水平兩向加速度均有所提高，而豎直方向沒有明顯放大效應。另外，主震方向(Y向)的放大效果整體上強于X向，然而模型的水平兩向原則為對稱兩向，說明放大系數(shù)的大小與地震動時程有關，證明了所提采用3條地震動進行研究的必要性。

3.3 相對位移響應分析

位移響應可以反映結構在地震下的變形情況，且電抗器上部一般存在導線耦聯(lián)，若相對位移過大引起母線拉扯，容易引起設備的牽拉破壞，因此電抗器的位移響應也較為重要。與加速度響應分析類似，取電抗器本體頂部對于地面的相對位移進行分析，所得相對位移數(shù)據(jù)如表3所示。

由表3可知，在峰值地面加速度為0.2g的地震下，頂部相對位移峰值最大達到210.44 mm，相對電抗器本體高度19.62 m具有相對轉角1.07%。其中，主震方向(Y向)最大相對位移出現(xiàn)在Landers地震波下，X向最大值也出現(xiàn)在此地震波下，為192.02 mm。從3組地震波結果及其均值看，水平兩向中，Y向相對位移明顯高于X向，仍然說明地震波對于地震響應峰值有明顯影響。另外，豎向相對位移僅為0.01 mm，究其原理，電抗器整體在豎直方向上的剛度由各個支撐絕緣子的軸向剛度提供，因此具有較大的剛度抑制了豎向相對位移。

表3 單體模型相對峰值及均值

3.4 根部應力響應分析

提取3組地震動下支撐絕緣子的根部的應力峰值，其中，El Centro波、Landers波和新松波下的應力峰值分別為16.08 MPa、30.47 MPa和22.09 MPa，均值為22.88 MPa。復合絕緣子材料的破壞應力由廠商提供，為75 MPa，支撐絕緣子的安全系數(shù)根據(jù)規(guī)范取1.67[25]，因此臨界應力為75 MPa/1.67=44.9 MPa。此時3組地震波下材料并未達到破壞強度，不會發(fā)生絕緣子的強度破壞。

4 耦聯(lián)效應對抗震性能的影響分析

4.1 平波電抗器耦聯(lián)模型

在一些典型換流站中，平波電抗器以耦聯(lián)形式設計，一般為雙電抗器“T”型連接，如圖5所示。在Abaqus模型中，“T”型結構采用線性梁單元建立，水平管母長度為11.6 m，外徑為300 mm，壁厚為25 mm，豎向支柱長為15.58 m，連接處均壓環(huán)采用Tie形式模擬，管母和電抗器本體連接處軟母線采用Axial模型模擬，該連接處距離電抗器底面0.2 m。其中，兩個電抗器沿著X向排列，地震輸入時Y、X、Z三向加速度峰值按照1∶0.85∶0.65的比例進行輸入，Y向仍為主震方向。

圖5 平波電抗器耦聯(lián)模型

4.2 模態(tài)對比

耦聯(lián)后的平波電抗器體系前三階模態(tài)如圖6所示，前兩階模態(tài)振型分別為兩電抗器水平方向同向彎曲，第3階模態(tài)為兩電抗器水平方向異向彎曲。本質上，耦聯(lián)帶來的影響僅為兩個電抗器在不同方向上的振型模態(tài)，前兩階彎曲振型與單體振型基本相同。從頻率角度分析，首先提取了耦聯(lián)體系的前10階頻率，分別為0.569 0～3.260 9 Hz。1階模態(tài)頻率為0.569 0 Hz，與單體相同，說明耦聯(lián)后對基頻影響不大；而前10階模態(tài)的范圍明顯小于單體情況，說明在前10階模態(tài)中，由于耦聯(lián)因素出現(xiàn)了一些低頻振型，其中包括了兩個電抗器的同向和異向模態(tài)以及T型連接結構的局部振動模態(tài)。

圖6 平波電抗器耦聯(lián)模型振動模態(tài)

4.3 加速度響應對比

同樣，對耦聯(lián)模型進行地震響應分析，提取電抗器頂部的加速度并計算放大系數(shù)，如表4所示。

表4 耦聯(lián)模型加速度峰值及放大系數(shù)均值

根據(jù)表4和表2，繪制單體和耦聯(lián)模型中電抗器頂部加速度峰值均值比較圖形，如圖7所示。表4中，頂部最大加速度峰值為2.90 m/s2，出現(xiàn)在Landers地震波下，相對于單體情況的最大加速度峰值3.03 m/s2有所減小，降低比例為4.3%。同時在X向加速度峰值也有所減小，由2.6 m/s2降為2.4 m/s2，降低比例為7.7%，說明電抗器的耦聯(lián)可以降低地震下電抗器頂部的加速度峰值，同時其放大系數(shù)也有所降低。圖7中由加速度峰值均值情況可以看出，電抗器水平方向加速度峰值在設備耦聯(lián)后均有所降低，豎直方向上沒有變化。

圖7 單體和耦聯(lián)加速度峰值對比

4.4 相對位移響應對比

提取電抗器頂部的相對地面位移峰值，如表5所示，同樣根據(jù)表5和表3，繪制單體和耦聯(lián)情況的對比圖形，如圖8所示。

表5中，頂部最大相對位移峰值為210.64 mm，出現(xiàn)在Landers地震波下，相對于單體情況的最大相對位移峰值210.44 mm幾乎無變化。在X向相對位移峰值有所減小，由192.02 mm降為184.13 mm，說明電抗器的耦聯(lián)對地震下電抗器頂部的相對位移峰值具有一定抑制作用。圖8中由相對位移峰值均值情況可以看出，電抗器水平X向相對位移峰值在設備耦聯(lián)后有所降低，Y向略有增加，豎直方向上相對位移極小，沒有變化。其中，X向為設備耦聯(lián)方向，說明耦聯(lián)對于兩個電抗器在排列方向上的相對位移有所抑制，而在垂直于耦聯(lián)方向上對相對位移有提高作用。

表5 耦聯(lián)模型相對峰值及均值

圖8 單體和耦聯(lián)相對位移峰值對比

4.5 根部應力響應對比

提取電抗器支撐絕緣子的根部應力峰值，如表6所示，同樣根據(jù)表6與前述單體結果，繪制單體和耦聯(lián)情況的對比圖形，如圖9所示。

表6 耦聯(lián)模型支撐絕緣子根部應力峰值

圖9 單體和耦聯(lián)根部應力峰值對比

表6中，根部應力峰值最大為30.49 MPa，出現(xiàn)在Landers地震波下，相對于單體情況的最大根部應力峰值30.47 MPa略有提高。由圖9中根部應力峰值對比情況可以看出，3組地震波和均值情況下單體和耦聯(lián)差別極小，幾乎沒有變化，說明在0.2g地震下，所研究的平波電抗器進行耦聯(lián)對于支撐絕緣子根部應力幾乎沒有影響。

5 結 論

上面針對某典型±800 kV干式平波電抗器進行了仿真模擬和模態(tài)分析，并通過迭代計算分析了設備在0.2g地震作用下的本體頂部加速度、位移和支撐絕緣子根部應力，進而通過電抗器耦聯(lián)模型研究了耦聯(lián)對各類地震響應的影響。研究發(fā)現(xiàn)耦聯(lián)對于0.2g地震作用下的本體頂部加速度峰值有所降低，對耦聯(lián)方向上的頂部相對地面位移峰值有所抑制，對于支撐絕緣子根部應力峰值則影響不大。工程中可采用各類減震隔震措施對電抗器特定方向的動力響應進行控制，以保證電抗器在地震下的結構安全。