特高壓干式平波電抗器地震反應(yīng)分析

呂 瑋，吳 浩，曾 迪

（中國水利水電科學(xué)研究院，北京）

引言

干式平波電抗器利用其電感特性而應(yīng)用于電力系統(tǒng)中的裝置或器件，是變電站直流輸電工程中常用且重要塔式設(shè)備，對整個(gè)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行有重要作用。干式平波電抗器具有質(zhì)量大、尺寸大、重心高，抗惡劣環(huán)境能力高的特點(diǎn)。干式平波電抗器采用支柱絕緣子裝置來提高抗震水平，但由于設(shè)備電壓等級高，對地絕緣水平高，線圈本體質(zhì)量大，導(dǎo)致設(shè)備重心很高，在地震作用下有復(fù)雜的動(dòng)力響應(yīng)。為了提高變電站及整個(gè)電網(wǎng)的安全性，避免干式平波電抗器在地震災(zāi)害中產(chǎn)生嚴(yán)重破壞，有必要對其抗震設(shè)計(jì)和評估進(jìn)行深入研究，保障設(shè)備在震中和震后的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 計(jì)算模型和方法

特高壓干式平波電抗器自上到下，由線圈本體、鋁支架、支柱絕緣子、法蘭、玻璃鋼支柱等部分構(gòu)成。參考已有的工程數(shù)據(jù)[1-3]，構(gòu)建典型特高壓干式平波電抗器的有限元模型。頂端的線圈本體外徑3.2 m，高度2.6 m，總重量13.2 t，12 柱的支柱絕緣子均勻承載，加強(qiáng)穩(wěn)定性和抗震能力。玻璃鋼支架高度2.5 m，外徑0.28 m，壁厚0.016 m。支柱絕緣子高度1.0 m，外徑0.15 mm，采用實(shí)心復(fù)合材料。設(shè)備模型如圖1 所示，模型的材料參數(shù)見表1。邊界條件為玻璃鋼支架底部與地面固定。電抗器的X 向和Y 向?yàn)樗椒较?，Z 向?yàn)樨Q直向上。

表1 材料參數(shù)

表2 地震作用的地震影響系數(shù)曲線形狀參數(shù)

圖1 電抗器有限元模型

本文以特高壓干式平波電抗器抗震分析為例，按照相關(guān)規(guī)范[4-5]，為了分析不同地震作用對設(shè)備抗震分析結(jié)論的影響，采用振型分解反應(yīng)譜法進(jìn)行計(jì)算分析。

2 地震作用的地震影響系數(shù)曲線

地震作用的地震影響系數(shù)曲線是標(biāo)準(zhǔn)加速度反應(yīng)譜除以重力加速度g 的系數(shù)曲線，考慮到多種因素的影響，如抗震設(shè)防烈度，設(shè)計(jì)基本地震加速度，場地類別，場地特種周期等。根據(jù)現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》GB 18306 中相關(guān)規(guī)定來確定電氣設(shè)備所在地的地震動(dòng)峰值加速度。根據(jù)設(shè)防烈度和設(shè)計(jì)基本地震加速度確定地震影響系數(shù)最大值。根據(jù)場地類別和設(shè)計(jì)地震分組確定特征周期值。根據(jù)設(shè)計(jì)基本地震加速度和場地類別確定地震影響系數(shù)最大值場地調(diào)整系數(shù)。

對于Ⅱ類場地，地震影響系數(shù)曲線 α(t)形狀按照下式確定[4]：地震影響系數(shù)曲線形狀參數(shù)。反應(yīng)譜參照文獻(xiàn)[9-10]的要求進(jìn)行構(gòu)造對應(yīng)的反應(yīng)譜，如圖2～圖4 所示，阻尼比2%。振型分解反應(yīng)譜法在地震輸入時(shí)，對地震動(dòng)三向按照X:Y:Z=1:0.85:0.65 的比例進(jìn)行調(diào)幅后輸入模型。

圖2 水平方向加速度0.2 g 反應(yīng)譜

圖3 水平方向加速度0.3 g 反應(yīng)譜

圖4 水平方向加速度0.4 g 反應(yīng)譜

3 動(dòng)力特性分析

通過對干式平波電抗器模型進(jìn)行模態(tài)分析，可以得到該模型的各階自振頻率及模態(tài)，分析結(jié)果見表3。模型頻率均介于2 Hz～10 Hz，與地震波的卓越頻率接近，易發(fā)生共振或類共振，產(chǎn)生嚴(yán)重的地震破壞。該設(shè)備符合特高壓電氣設(shè)備的高、大、柔、重的特征，具有極大的易損性。

表3 干式平波電抗器模型模態(tài)分析結(jié)果

4 地震反應(yīng)分析結(jié)果

采用振型分解反應(yīng)譜法對干式平波電抗器模型進(jìn)行地震反應(yīng)分析，提取各部件的最大應(yīng)力值和電抗器本體頂部相對地面的位移值。應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表4，位移計(jì)算結(jié)果見表5。

表4 設(shè)備主要部件應(yīng)力值/MPa

表5 電抗器本體頂部相對位移最大/mm

結(jié)果表明，設(shè)備模型不同地震作用下的應(yīng)力和位移結(jié)果差異較大。對應(yīng)力和位移結(jié)果影響最大的是設(shè)防烈度和設(shè)計(jì)基本地震加速度，特征周期和場地類別帶來的影響相對較小。在電氣設(shè)施所在地的場地類別和設(shè)計(jì)地震分組沒有明確的情況下，建議將特征周期選取在0.45 s 及以上。如遇到罕遇地震計(jì)算時(shí)，特征周期應(yīng)增加0.05 s。

干式平波電抗器在電力系統(tǒng)中，常以耦聯(lián)結(jié)構(gòu)體系布置，或是采用軟導(dǎo)線相互連接。在對單體干式平波電抗器進(jìn)行地震分析時(shí)，除部件應(yīng)力值滿足規(guī)范要求外，應(yīng)考慮到位移響應(yīng)的影響，是否能滿足電力系統(tǒng)布置中設(shè)備間相對位移限值的要求。

5 結(jié)論

本文對典型布置的干式平波電抗器進(jìn)行地震反應(yīng)分析，通過對比計(jì)算結(jié)果得到以下結(jié)論：

（1） 不同地震作用下得到的電抗器地震反應(yīng)差別較大，在電氣設(shè)施所在地的場地類別和設(shè)計(jì)地震分組沒有明確的情況下，建議將特征周期選取在0.45 s及以上。如遇到罕遇地震計(jì)算時(shí)，特征周期應(yīng)增加0.05 s。

（2） 支柱絕緣子根部和線圈與絕緣子連接支架是干式平波電抗器抗震薄弱部位，因頭重腳輕的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，支柱絕緣子材料的容許應(yīng)力較低且絕緣子根部容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，線圈與支柱絕緣子連接位置可能產(chǎn)生較大的應(yīng)力值，從而影響干式平波電抗器整體抗震性能的評價(jià)結(jié)果，應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)這些位置的設(shè)計(jì)。對布置在戶外的干式平波電抗器進(jìn)行抗震評價(jià)時(shí)應(yīng)同時(shí)考慮設(shè)備自重、風(fēng)荷載、雪荷載、端子力和地震作用等多種載荷的綜合作用。

（3） 干式平波電抗器在設(shè)計(jì)和布置時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮位移響應(yīng)的影響，在對單體電抗器進(jìn)行地震分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究電抗器的耦聯(lián)結(jié)構(gòu)。