特高壓直流輸電工程換流站閥廳抗震性能研究進展

林康立，楊大峰，張 亞，舒前進，曹 聰

（1.國網(wǎng)江蘇電力設計咨詢有限公司徐州勘測設計分公司，江蘇徐州 221000；2.中國礦業(yè)大學，江蘇徐州 221116）

特高壓直流輸電具有輸送距離遠、電能損耗低等顯著優(yōu)勢。而換流站作為大型輸電線路的重要組成部分，一旦受到強烈地震作用，避雷器、接地開關(guān)以及套管等電氣設備極容易發(fā)生損壞[1]，從而導致整個電力系統(tǒng)進入癱瘓。自20 世紀60 年代以來，換流站的地震災害幾乎貫穿于每一次地震中。近些年來，因我國及周邊地區(qū)強震震級更大，地震次數(shù)也較為頻繁。且換流站站址分布較散，有些還處于高地震烈度地區(qū)。因此，換流站電力基礎設施的地震易損性極高。閥廳結(jié)構(gòu)作為換流站內(nèi)的核心建筑物，其服役時間長，主要承擔著保護室內(nèi)換流閥塔及其他電氣設備的功能，除了需要保障規(guī)范要求的“小震不壞，中震可修，大震不倒”外，更應該滿足現(xiàn)代社會快速發(fā)展對換流站結(jié)構(gòu)的抗震性能所提出的更高要求。且閥廳本身還會對內(nèi)部電氣設備起到一個較大的地震放大作用。因此，本文針對閥廳體系的抗震性能，分別從閥廳主結(jié)構(gòu)、懸吊類設備、支撐類設備3 個方面分別闡述閥廳體系的抗震性能研究進展，并指出目前研究所存在的局限性及未來可能的研究方向，以期為電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定發(fā)展提供參考。

1 閥廳體系抗震分析方法

閥廳體系作為生命線工程，且大部分閥廳位于7度及以上地區(qū)，按照GB 50011—2010《建筑抗震設計規(guī)范》[2]，對于此類建筑，必須進行抗震設計。閥廳體系的抗震分析方法主要分為反應譜法和時程分析法。

反應譜法是將多自由度體系下的結(jié)構(gòu)振動微分方程進行單獨分解計算，從而得到單自由度體系的位移、速度、加速度等變量并進行組合，采用SRSS 法得到結(jié)構(gòu)的地震響應。這是一種將動力問題轉(zhuǎn)變?yōu)殪o力問題的計算方法，其具有計算簡便等優(yōu)點。其局限性主要體現(xiàn)在2 個方面。一是該方法只能計算結(jié)構(gòu)在彈性工作范圍內(nèi)的內(nèi)力變化。而閥廳在強震作用下，構(gòu)件可能會屈服進入塑性狀態(tài)，反應譜法無法直接使用；二是反應譜法無法體現(xiàn)閥廳在整個地震過程中的響應特點，只能得到閥廳體系在地震作用下的最大響應。因此，該方法用來評估閥廳體系的整體抗震性能，準確性欠佳。

另一種方法則是時程分析法，也是目前主流的閥廳抗震分析方法。這是一種基于數(shù)值積分的抗震分析方法，可以準確反映閥廳體系在地震作用下每一時刻的動力特性，并且可以反應結(jié)構(gòu)在塑性狀態(tài)下的抗震性能，具有顯著的優(yōu)越性。時程分析法主要需要考慮兩方面的因素：地震波的選取和地震波施加方向的確定。參考GB 50260—2013《電力設施抗震設計規(guī)范》[3]，采用時程分析法時：選取的地震動應滿足地震波的3 要素；且輸入的地震動時程曲線不應少于3 條，其中至少應有1 條為人工合成地震動。反應譜宜選用規(guī)范規(guī)定的標準反應譜作為場地需求譜，且選取的地震動反應譜應能基本包絡場地需求譜。在地震波施加方向的選擇上，依據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》[2]，對于質(zhì)量和剛度分布不規(guī)則的建筑，應考慮雙向地震作用；對于8 度、9度地區(qū)跨度大于18 m 的建筑，應考慮豎向地震作用。因此，閥廳的抗震分析往往是基于三向地震作用下的時程分析，三向加速度峰值比按規(guī)范[2]宜取為1∶0.85∶0.65。

上述的2 種方法是目前的常用的閥廳體系抗震分析方法，能夠較好地反應結(jié)構(gòu)的整體抗震性能。未來可在已有方法的基礎上結(jié)合BIM、大數(shù)據(jù)等對結(jié)構(gòu)進行進一步數(shù)值分析，以提高結(jié)構(gòu)的安全可靠度。

2 閥廳主結(jié)構(gòu)的抗震性能

2.1 閥廳主結(jié)構(gòu)的選型研究

閥廳結(jié)構(gòu)形式主要有全鋼結(jié)構(gòu)、鋼-混凝土結(jié)構(gòu)及全混凝土結(jié)構(gòu)。全混凝土結(jié)構(gòu)在水平地震作用下抗震性能較差，一般不予采用。另外2 種結(jié)構(gòu)各有其優(yōu)缺點，需要針對閥廳所在場地進行進一步地選型研究。

張立紅等[4]比選了±800 kV 混合結(jié)構(gòu)高端閥廳及全鋼結(jié)構(gòu)閥廳，發(fā)現(xiàn)混合結(jié)構(gòu)閥廳的基頻低于全鋼結(jié)構(gòu)。且在地震作用下，混合結(jié)構(gòu)閥廳本身及閥塔的加速度和位移響應均大于全鋼結(jié)構(gòu)。全鋼結(jié)構(gòu)相比于混合結(jié)構(gòu)擁有更均勻的剛度分布及更好的抗震性能，在高烈度地區(qū)，宜優(yōu)先選用全鋼結(jié)構(gòu)。張玉明等[5]對高端閥廳的結(jié)構(gòu)設計作了研究，研究發(fā)現(xiàn)：全鋼結(jié)構(gòu)具有受力明確、施工方便、抗震性能好等優(yōu)點，但其抗側(cè)移剛度較弱。而混合結(jié)構(gòu)可以發(fā)揮混凝土抗側(cè)移剛度大的優(yōu)勢，但存在扭轉(zhuǎn)效應明顯的問題。顧群等[6]則是對混合結(jié)構(gòu)閥廳的剪力墻形式作了比較研究。研究表明，與橫向防火墻脫開布置的縱向T 型截面抗震墻混合結(jié)構(gòu)，平面布置較為規(guī)則，質(zhì)心與剛心的偏差較小，較適合于高烈度區(qū)的結(jié)構(gòu)抗震。

綜上，常用的2 種結(jié)構(gòu)各有其優(yōu)缺點，但大部分閥廳仍以混合結(jié)構(gòu)為主，對于全鋼結(jié)構(gòu)的閥廳研究較少，全鋼結(jié)構(gòu)連同換流變側(cè)防火墻耦聯(lián)體系的結(jié)構(gòu)整體受力機理以及地震作用下結(jié)構(gòu)的抗震性能值得考察。

2.2 閥廳主結(jié)構(gòu)的地震時程分析研究

閥廳結(jié)構(gòu)是一種內(nèi)部帶有懸掛質(zhì)量的廠房結(jié)構(gòu)，其自身的安全性能對于保障閥廳內(nèi)電氣設備的安全運行至關(guān)重要。目前的研究主要采用有限元模擬及振動臺試驗等手段，來模擬閥廳在各種工況下的抗震性能。

在有限元地震時程分析上，韋文兵等[7]運用彈塑性時程分析研究了不同場地土條件和地震動作用對閥廳及懸吊設備地震響應的影響。他們發(fā)現(xiàn)閥廳結(jié)構(gòu)和懸吊設備地震響應隨著場地土特征周期的增大而增大。陸祝賢等[8]分析了閥廳在不同類型地震動作用下的易損性，建立了閥廳在不同類型地震動下的易損性曲線方程。吳嘉欣等[9]針對高端閥廳二階振型常發(fā)生扭轉(zhuǎn)的問題，提出了4 種結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案；他發(fā)現(xiàn)可通過采用輕質(zhì)混凝土砌塊或通過加大剪力墻、構(gòu)造柱和圈梁的截面尺寸以改善閥廳的扭轉(zhuǎn)陣型。魯翔等[10]開展了某高端閥廳及閥組的動力特性現(xiàn)場測試及在強震作用下的時程響應分析，發(fā)現(xiàn)閥廳鋼柱頂部、穿墻套管安裝位置的加速度動力放大系數(shù)較大，但全鋼結(jié)構(gòu)的最大構(gòu)件內(nèi)力遠小于材料屈服應力。鄧夕勝等[11]對隨機地震作用下的高端閥廳進行了非線性可靠度研究，他們發(fā)現(xiàn)閥塔對閥廳結(jié)構(gòu)的整體剛度影響不大，且在高烈度地區(qū)采用全鋼結(jié)構(gòu)閥廳更安全。

與數(shù)值模擬相比，大型振動臺試驗更能直觀反應閥廳體系的整體抗震性能，揭示結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)。但由于閥廳電氣設備價格昂貴，且設備尺寸和質(zhì)量均較大，難以廣泛開展足尺振動臺試驗。因此，學者們通常通過白噪聲掃頻、地震動激勵、現(xiàn)場測試等手段進行縮尺振動臺試驗，分析結(jié)構(gòu)的抗震性能并與有限元模擬結(jié)果進行對比，進而評估閥廳體系的抗震能力。魏文暉等[12]進行了1/8 縮尺模型混合結(jié)構(gòu)閥廳模擬振動臺試驗，他們發(fā)現(xiàn)閥塔對閥廳結(jié)構(gòu)影響較小，但在高烈度區(qū)的閥廳抗震設計時需要考慮閥塔動拉力。此外，其還對水平-搖擺地震作用下的懸吊質(zhì)量結(jié)構(gòu)體系進行了振動臺試驗[13]，發(fā)現(xiàn)懸掛質(zhì)量體系對搖擺地震的響應大于單一水平地震動。

綜上所述，對于全鋼結(jié)構(gòu)形式的閥廳，在對閥廳進行地震時程分析時，現(xiàn)有的研究大都沒有考慮一側(cè)防火墻對其抗震性能的影響；且部分文獻未考慮豎向地震作用對結(jié)構(gòu)的響應[6，9-10]，具有一定的局限性。未來可針對高烈度地震區(qū)的閥廳進行包含內(nèi)部電氣設備及連接管母線的耦聯(lián)建模，進行基于不同地震主作用方向的地震彈塑性分析，為高烈度區(qū)閥廳的抗震設計提供設計參考。

2.3 閥廳與防火墻連接節(jié)點力學與抗震性能研究

在防火墻與閥廳的連接節(jié)點性能研究上，目前的研究主要集中于鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)的閥廳以及嵌入式防火墻的研究。

熊利劍[14]進行了鋼-混結(jié)構(gòu)閥廳的鋼屋架與框架防火墻連接節(jié)點的試驗與數(shù)值分析，得到了屋架與防火墻連接節(jié)點的全階段受力特征，提出了鋼屋架與防火墻連接節(jié)點的計算方法及構(gòu)造措施。魏文暉等[15]進行了閥廳鋼屋架與鋼筋混凝土剪力墻連接節(jié)點的縮尺模型的低周往復荷載試驗，提出了該類節(jié)點的水平承載力計算公式。陳凱[16]進行了鋼筋混凝土剪力墻-鋼結(jié)構(gòu)的閥廳的防火墻與鋼屋架連接節(jié)點的數(shù)值模擬，得到了不同摩擦系數(shù)下預埋螺栓抗剪連接內(nèi)力和位移的變化規(guī)律。周俊[17]提出了一種嵌入式裝配防火墻閥廳預留有墻板插槽的現(xiàn)澆混凝土異形柱的新型柱節(jié)點連接形式，并基于擬靜力試驗驗證了其耗能能力。

由此可見，在防火墻與閥廳鋼屋架的連接節(jié)點性能研究中，節(jié)點的連接形式及螺栓的力學與抗震性能研究較多。但研究的閥廳類型較為單一。日后的研究方向可側(cè)重于鋼屋架與混凝土梁連接處的隔震支座研究及全鋼結(jié)構(gòu)閥廳屋架與防火墻的連接節(jié)點研究。

3 懸吊類設備的抗震性能

閥廳內(nèi)的懸吊類設備主要為閥塔、穿墻套管和避雷器。閥塔通過豎向懸吊絕緣子懸掛于閥廳的掛閥梁上，其質(zhì)量較大，具有高和柔的特點。而穿墻套管則是通過安裝板加裝于閥廳山墻上，屬于典型的長懸臂結(jié)構(gòu)，且材料呈現(xiàn)脆性，導致其在地震作用下都極易發(fā)生損壞且無法第一時間進行修復或更換。因此，研究人員對這些設備的抗震性能作了分析。

3.1 懸吊閥塔的抗震性能

懸吊閥塔作為一個質(zhì)量擺體系，從抗震角度來講，它對閥廳的抗震是有利的。但因其自身的動力特性及受閥廳內(nèi)管母線牽拉的影響，在地震作用下會存在一定的耦聯(lián)效應。目前的研究主要是從懸吊體系理論計算方法、有限元時程分析以及閥塔的現(xiàn)場動力測試及振動臺試驗3 個方面展開。

在懸吊體系理論計算方法研究中，魏文暉等[18]推導了考慮閥塔晃動離心力的閥廳結(jié)構(gòu)動力時程計算方程，得到了塔索動拉力的變化規(guī)律。Yang 等[19]將閥廳和閥塔視為一種具有水平和垂直自由度的集中質(zhì)量，提出了一種閥塔四自由度簡化模型，提出了相應計算方法。

在有限元時程分析方面，目前研究主要集中于不同地震烈度地震動作用下閥塔絕緣子的動拉力，閥塔各部位的應力、加速度及位移響應等。焦勇等[20]研究發(fā)現(xiàn)懸掛閥塔在水平地震作用下對閥廳作用力較小，而在豎向地震作用下對閥廳地震作用力較大。吳小峰等[21]和于海波等[22]基于反應譜法的地震響應分析，得出了影響閥塔地震響應的主要振型及閥塔在8 度設防地震作用下的位移響應。劉宗輝等[23]等研究發(fā)現(xiàn)閥塔重量的變化對閥廳結(jié)構(gòu)影響不大，但在豎向地震作用下懸吊閥與閥廳存在顯著的相互作用。在閥塔層與層的連接方式上，陸軍等[24]對層間鉸接及層間剛接的換流閥塔進行了地震響應分析，發(fā)現(xiàn)層間鉸接可以有效減少懸吊絕緣子的軸向拉力，但會增強閥塔頂部的水平加速度響應；在地震作用下，可能導致絕緣子受壓不同步，建議抗震設計時應對懸吊絕緣子進行受壓失穩(wěn)驗算。

在閥塔的現(xiàn)場動力測試及振動臺試驗研究方面，魯翔等[10]開展了某高端閥廳及閥組的動力特性現(xiàn)場測試及分析，發(fā)現(xiàn)閥塔表現(xiàn)為低頻柔性擺動，提出在建模時可忽略閥塔剛度對閥廳的耦合效應。張偉為等[25]對某型縮尺換流閥進行了振動臺試驗，發(fā)現(xiàn)閥廳對閥塔存在動力放大效應，但閥塔各層之間加速度變化幅度不大，懸吊絕緣子中間截面存在彎曲及扭轉(zhuǎn)效應。

目前，針對閥塔的研究雖已有較多成果，但仍存在一些局限性。一方面，是沒有考慮閥塔與閥廳內(nèi)柔性管母線的耦合作用，其在地震作用下，可能發(fā)生變形不協(xié)調(diào)導致牽拉破壞[10]。另一方面，部分文獻忽略了豎向地震對閥塔的影響[18]。針對目前的研究現(xiàn)狀及存在的局限性，未來的研究可關(guān)注不同地震主方向的三向地震作用下閥塔的地震響應分析以及在豎向地震作用下懸吊絕緣子的破壞條件及相應的位移限值等，進而在目前進行強度校核的基礎上提出閥塔的位移限值校核標準，保證換流閥塔在強震作用下的安全運行。

3.2 穿墻套管的抗震性能

穿墻套管是連接內(nèi)部閥廳和外部直流場的重要電氣設備，是直流輸電系統(tǒng)中的關(guān)鍵。穿墻套管自身的抗震性能及套管的地震易損性，是當前研究的側(cè)重點所在。

在套管的抗震性能研究上，王曉游等[26]對±800 kV穿墻套管進行了地震時程分析，提出了在穿墻套管根部布置金屬摩擦阻尼器的減震方案，發(fā)現(xiàn)減震器可以顯著減少套管的根部應力及頂部加速度響應。Roberto等[27]通過對安裝在變壓器上的套管進行研究，得到了套管基座處的運動放大系數(shù)。唐云等[28]對穿墻套管進行了動力特性分析。發(fā)現(xiàn)套管頂部加速度存在明顯的放大效應，而法蘭加勁肋可有效降低套管的軸向加速度峰值。He 等[29]研究了不同振動分量對套管地震響應的影響，發(fā)現(xiàn)山墻的振動對穿墻套管地震響應具有顯著影響。Xie 等[30]對直流穿墻套管進行了抗震性能分析，發(fā)現(xiàn)其在地震作用下的最大應力超出我國規(guī)范限值，其提出了在安裝板與山墻連接處布置摩擦彈簧阻尼器的的耗能措施。Xie 等[31]還針對穿墻套管在地震響應下套管壁安全裕度不足的問題，提出了提高連接套筒剛度以減少相對位移的建議。

在地震易損性研究中，F(xiàn)abrizio 等[32]提出了基于EFA 的評估方法來評價電氣設備的地震易損性。Seyed等[33-34]建立了變壓器套管輕度和中度2 種損傷狀態(tài)下的地震易損性曲線。梁黃彬等[35]采用多樣條的易損性分析方法，分析了套管的抗震薄弱位置，得到了穿墻套管的地震易損性曲線。

根據(jù)目前的研究來看，穿墻套管的振型表現(xiàn)為沿某個方向的同向或異向彎曲。在地震作用下，最大應力往往出現(xiàn)在套管根部。外套管的脆性使其在地震作用下容易產(chǎn)生較大彎矩，導致瓷套管強度不足而斷裂。在穿墻套管的模擬中，有些未考慮套管與墻體存在的轉(zhuǎn)角[29]，認為法蘭與地面具有相同的運動方式并且也未考慮與套管相連的管母線對其的影響，存在一定的不足。

3.3 避雷器的抗震性能

對于避雷器，余榮興等[36]建立了復合避雷器-支架體系的有限元模型，分析了復合避雷器套管與法蘭連接段的抗彎剛度特性。發(fā)現(xiàn)地震作用下，避雷器具有應力冗余度高但位移響應較大的特點，并提出了減小避雷器頂部位移的一些構(gòu)造措施。Sheng 等[37]進行了陶瓷避雷器-鋼支撐體系的時程分析及參數(shù)研究，其發(fā)現(xiàn)避雷器鋼支撐的抗彎剛度設計取決于設計反應譜的轉(zhuǎn)角周期。張咪等[38]分析了750 kV 避雷器頂部集中質(zhì)量、不同高度套管彎曲剛度、連接法蘭彎曲剛度、支架剛度等因素對避雷器地震響應的影響，提出了減少避雷器套管根部應力和頂部位移響應的具體措施。而對于避雷器，上述文獻關(guān)于復合套管法蘭連接段采用梁單元進行模擬，未考慮膠裝部位預應力和相對滑移[36]，存在一定的局限性。

4 支撐類設備的抗震性能

支柱絕緣子及柔性管母線屬于支撐類設備。通常其相互形成耦聯(lián)體系，具有高度大、結(jié)構(gòu)柔、重心高等特點，地震作用下容易造成根部斷裂以及移位。而以往的支柱絕緣子采用陶瓷類材料，該材料脆性大、強度低，具有較大的地震易損性。近年來，隨著新材料的發(fā)展，支柱絕緣子主體結(jié)構(gòu)采用高強度玻璃纖維復合材料，外部則采用硅膠傘裙進行包裹，具有良好的力學性能。國內(nèi)外學者對這種復合支柱絕緣子及管母的計算方法、抗震性能進行了大量研究。

在計算方法的研究上，Mohammadi 等[39]通過對變電站互感器的地震時程分析，提出了一種適用于適合支撐結(jié)構(gòu)的四自由度系統(tǒng)，給出了計算不同支柱類設備基頻的計算公式并驗證了其可靠性。謝強等[40]對復合支柱絕緣子單體及耦聯(lián)體系進行了振動臺試驗，提出了一種可將與管母耦聯(lián)的設備約束等效為線性彈簧的簡化計算方法。

在支柱絕緣子與管母線的互聯(lián)體系抗震性能研究中，朱祝兵等[41]研究了地震作用下復合材料電氣設備間的地震響應規(guī)律，得到了導線剛度和設備剛度變化對互連設備抗震性能的影響規(guī)律。Qi 等[42]分析了220 kV變電站支柱式管母線結(jié)構(gòu)互連溫度構(gòu)件的結(jié)構(gòu)性能及管母線絕緣子子結(jié)構(gòu)在地震荷載作用下的動力相互作用，提出了絕緣子危險狀態(tài)的臨界加速度。Siamak 等[43]得到了復合支柱絕緣子不同損傷狀態(tài)下的力學行為并建立了其計算模型。張玥等[44]建立了支柱類設備單體動力計算模型以及管母線連接設備耦聯(lián)體系計算模型，其發(fā)現(xiàn)連接剛度對設備頂部的加速度影響較小，但是對兩設備間的相對位移影響很大。張若愚等[45]分別建立了復合支柱絕緣子的實體有限元模型和等效梁單元法蘭節(jié)點簡化模型，得到了不同模型的應力與位移峰值，最終揭示了強震下法蘭節(jié)點的受損機理。

在試驗研究中，程永鋒等[46]基于地震模擬振動臺試驗，研究了硬管母聯(lián)接的500 kV 避雷器和互感器地震動輸入峰值加速度、硬管母與設備間的聯(lián)接方式、滑動金具滑動槽長度等因素對回路中設備地震響應規(guī)律的影響，提出了金具滑動槽長度的確定方法。劉振林等[47]將鉛芯減震器安裝于支柱絕緣子與支架連接處，對其進行了振動臺試驗，其發(fā)現(xiàn)減震器剛度對設備結(jié)構(gòu)整體剛度影響較小，且減震效率隨地震峰值加速度的增大而增大。Khalid 等[48]完成了支柱絕緣子與導線互聯(lián)體系的振動臺試驗，得到了導線對支撐結(jié)構(gòu)地震響應的影響。

總體來說，管母線與支柱絕緣子的連接形式、連接剛度及自身動力特性是影響支柱類設備抗震性能的主要因素。但完善的耦聯(lián)體系計算方法、高烈度地區(qū)控制應力和位移的減震措施還需要進一步研究。

5 結(jié)論與展望

本文從閥廳主結(jié)構(gòu)，懸吊類設備及支撐類設備的抗震性能3 個方面闡述了閥廳體系的抗震性能研究進展?？偟膩碚f，已有的研究取得了較多成果，但也存在較多不足。未來閥廳體系抗震研究可從以下幾個方面展開。

閥廳結(jié)構(gòu)形式縱向剛度分布不一致，容易發(fā)生扭轉(zhuǎn)效應。有必要專門研究不同地震主加速度方向?qū)﹂y廳受力變形的影響規(guī)律。

實際閥廳結(jié)構(gòu)中，電氣設備均通過軟型管母線進行連接，在地震作用下設備之間易發(fā)生牽拉，因此考慮母線實際影響的閥廳耦聯(lián)體系的地震響應值得考察。

考慮防火墻的全鋼結(jié)構(gòu)閥廳整體抗震性能缺乏有限元分析和振動臺試驗，有必要開展全鋼結(jié)構(gòu)閥廳鋼柱與防火墻節(jié)點的力學與抗震性能研究。

在隔震減震研究上，目前主要集中在彈簧支座、減震器及防屈曲支撐的應用上，未來可繼續(xù)創(chuàng)新減震性能更好的措施以降低結(jié)構(gòu)的地震響應，提高設備的整體安全性，維護電網(wǎng)設備安全運行。