近場地震作用下柔性直流換流閥抗震性能分析

朱 東，高 湛，程 亮

(中國電力工程顧問集團中南電力設(shè)計院有限公司，武漢 430071)

0 引言

近年來，柔性直流輸電技術(shù)因其具有可控性高、輸電距離長、傳輸電壓高等優(yōu)點[1]，促進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，可實現(xiàn)交流電與直流電的轉(zhuǎn)換，并可靈活控制電壓、電流、無功功率和有功功率的輸出與輸入，其穩(wěn)定的運行是柔直輸電系統(tǒng)安全可靠運行的關(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，在強震下易發(fā)生支柱開裂和功率塊損壞，威脅輸電系統(tǒng)的安全[2]。近年來，已有多次地震對國內(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，對建筑物造成破壞。按照震中距大小，地震可分為近場地震與遠場地震。與遠場地震相比，近場地震具有瞬時能量大、脈沖周期長的特點，在地震初期就給結(jié)構(gòu)輸入較高的能量[5]。近場地震動先上下顛簸，后左右或前后搖晃；遠場地震動無上下顛簸，為長周期的左右或前后搖晃。因此，近場地震更易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生更大的基底剪力和層間位移[6]，對“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)者開展了大量針對電氣設(shè)備的抗震研究工作[8-10]，但較少研究近場脈沖型地震動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象，建立閥體結(jié)構(gòu)有限元模型并將多條近場脈沖型地震動與遠場地震動作為輸入，進行地震響應(yīng)計算，分析近場脈沖型地震動對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，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象進行分析，整個閥塔尺寸11.4 m（長）×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)特點和仿真分析需求，選用ANSYS 進行有限元模擬，在滿足仿真精度的前提下對原有模型做出如下簡化：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，在建模時通過質(zhì)量點模擬，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，約束底部端點的所有自由度。

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

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，計算結(jié)構(gòu)在重力作用下的應(yīng)力與變形，經(jīng)計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。后進行模態(tài)分析[12]，模態(tài)分析時需打開大變形開關(guān)與預(yù)應(yīng)力開關(guān)，計算提取的結(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，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，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

采用動力時程分析法進行抗震設(shè)計時，可采用實際強震時程作為地震動輸入時程[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)主要周期點相差不超過20%，選取與設(shè)計反應(yīng)譜接近的地震動。近場地震動具有明顯區(qū)別于遠場地震動的特征，近場地震動選取的一般原則[15-16]：斷層距≤20 km；震級＞6級；PGV/PGA＞0.2、PGV≥30 cm/s，PGA≥100 cm/s2。

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

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

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

表3 地震動信息Table 3 Information of ground motions

3 地震作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析

為對比換流閥在上述地震動作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，將上述地震動調(diào)幅為抗震設(shè)防烈度8 度（0.2 g）與8 度半（0.3 g），并進行三向地震激勵下柔性直流換流閥動力時程分析。由于Y向為換流閥的弱軸向，為評估結(jié)構(gòu)的最不利情況，將三個方向的地震波按Y:X:Z=1:0.85:0.65 輸入。結(jié)構(gòu)阻尼采用Rayleigh 正交阻尼，通過質(zhì)量系數(shù)α與剛度系數(shù)β計算[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]，地震波時間步長為0.02 s。

通過大質(zhì)量法[19]模擬結(jié)構(gòu)在地震動中的響應(yīng)，更好地研究柔性直流換流閥的抗震性能。對比輸入加速度、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稱為一層框架，以上依次為二～六層；對比近場脈沖型地震動與遠場地震動工況的下部支柱絕緣子根部應(yīng)力與上部框架應(yīng)力，研究近場脈沖型地震對換流閥結(jié)構(gòu)的內(nèi)力影響。

3.1 最大應(yīng)力分析

電氣設(shè)備進行時程分析抗震計算時需驗算電氣設(shè)備根部和危險斷面處的應(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，比較近場脈沖型地震動與遠場地震動作用下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力值。圖5 為RSN1505 地震動作用下?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，是整個結(jié)構(gòu)的薄弱點。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，近場脈沖型地震動作用時下部支柱絕緣子和框架的最大等效應(yīng)力大于遠場地震動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程中振動情況，加速度響應(yīng)越大表明換流閥的振動越劇烈。圖7 為RSN 185 地震波作用下結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點的加速度時程曲線。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，換流閥結(jié)構(gòu)一層與六層的加速度均被放大。為對比輸入加速度、一層加速度與六層加速度，本文引入放大系數(shù)（關(guān)注點加速度與底部地震動加速度的比值）。以底部地震輸入加速度為基準(zhǔn)，可計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，與遠場地震動相比，近場脈沖型地震動對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]。近場脈沖型地震動作用下，一層框架處的加速度放大系數(shù)顯著高于遠場地震動的對應(yīng)值，但在六層框架處的加速度放大系數(shù)略高于遠場地震動作用下的對應(yīng)值。相應(yīng)的，近場脈沖型地震動作用下?lián)Q流閥上部結(jié)構(gòu)的振動也更為劇烈，對結(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，并進行近場脈沖型地震動與遠場地震動作用下?lián)Q流閥動力響應(yīng)計算與分析，得到以下結(jié)論。

（1）相同烈度下，近場脈沖型地震動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)力高于遠場地震動作用下的等效應(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）近場脈沖型地震動對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)仍高于遠場地震動，即近場脈沖型地震動下?lián)Q流閥上層結(jié)構(gòu)和電氣設(shè)備的振動比遠場地震動下更大。

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