柴 笑 天

(北方工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，北京 100144)

0 引言

特高壓直流隔離開(kāi)關(guān)是換流站中常見(jiàn)的、比較重要的一類開(kāi)關(guān)類設(shè)備，也是地震時(shí)很容易發(fā)生破壞的一類電氣設(shè)備，特高壓直流隔離開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是尺寸比較高大、高度達(dá)22 m，水平柔度比較大、自振頻率范圍在1 Hz～10 Hz[1,2]，與地震波的卓越頻率很接近，在地震作用下，很容易發(fā)生類共振，對(duì)設(shè)備造成破壞[3]。 韓軍科等[4]利用有限元軟件，將本體高度2.7 m的多柱式高壓隔離開(kāi)關(guān)的基底做成連梁基礎(chǔ)，并設(shè)置傳統(tǒng)隔震支座進(jìn)行基底隔震。盧智成等[5]利用有限元軟件，在220 kV的三極隔離開(kāi)關(guān)GWV23B-252的底部增設(shè)連梁，并加設(shè)傳統(tǒng)隔震支座進(jìn)行基底隔震。黃峰等[6]用ANSYS軟件，模擬在220 kV的GW7-252隔離開(kāi)關(guān)的瓷柱和支架頂端鋼板之間設(shè)置4個(gè)SGDP-JQ-A型的減震器。

現(xiàn)有的隔離開(kāi)關(guān)的隔震減震研究，多是針對(duì)于結(jié)構(gòu)尺寸相對(duì)較小、絕緣子支柱使用瓷套的低、高電壓等級(jí)的隔離開(kāi)關(guān)，并且隔減震目標(biāo)多是以降低絕緣子根部應(yīng)力為主，而對(duì)于結(jié)構(gòu)尺寸更大、絕緣子使用柔度更大的復(fù)合材料的特高壓直流隔離開(kāi)關(guān)的研究較少。本文主要針對(duì)三柱型特高壓隔離開(kāi)關(guān)，考慮將摩擦滑板、普通疊層橡膠支座、粘滯流體阻尼器并聯(lián)復(fù)合，對(duì)特高壓直流隔離開(kāi)關(guān)進(jìn)行復(fù)合隔震設(shè)計(jì)，通過(guò)9度罕遇地震(0.62g)、9度多遇地震(0.14g)作用下的時(shí)程計(jì)算，分析其在地震作用下的響應(yīng)。

1 工程概況

本文研究的特高壓直流隔離開(kāi)關(guān)為三柱型隔離開(kāi)關(guān)，位于云南省新松換流站，其地處云南省劍川縣新松村，海拔2 350 m，是目前世界上海拔最高、抗震設(shè)防要求最高的特高壓換流站。

特高壓直流隔離開(kāi)關(guān)長(zhǎng)跨方向19.7 m，短軸方向約3 m，高度約17 m，中間支柱簡(jiǎn)稱動(dòng)柱，兩側(cè)支柱簡(jiǎn)稱靜柱。鋼支架高度約4.8 m，鋼支架頂部安裝有支柱絕緣子，材料主要采用彈性模量較小的玻璃鋼。按照相關(guān)規(guī)范，特高壓直流隔離開(kāi)關(guān)屬于重要的電氣設(shè)備，抗震烈度為9度，基本地震加速度為0.40g。

2 復(fù)合隔震設(shè)計(jì)

該三柱型特高壓直流隔離開(kāi)關(guān)重心很高，動(dòng)柱與靜柱之間僅在鋼支架頂端有鋼梁連接，短軸向、豎向的整體性很差，因此在隔震設(shè)計(jì)時(shí)，首先在結(jié)構(gòu)底部增設(shè)連接混凝土基礎(chǔ)，降低重心，提高隔震層協(xié)同工作的能力等，然后在混凝土基礎(chǔ)底部進(jìn)行隔震設(shè)計(jì)。本文假定所有支座均勻承擔(dān)上部的重力荷載，滑板的承壓比為滑板數(shù)量占總支座數(shù)量的比例，不考慮支座布置個(gè)數(shù)、位置等因素對(duì)結(jié)果的影響。

隔震體系總重量184.4 t，其中特高壓直流隔離開(kāi)關(guān)重量25.8 t，混凝土基礎(chǔ)重量158.6 t，不考慮隔震支座的重量。普通疊層橡膠支座8個(gè)，摩擦滑板10個(gè)，粘滯流體阻尼器均勻地布置在隔震層周圍，如圖1，圖2所示。方案1為隔震層阻尼比0.025，采用普通疊層橡膠支座水平向的阻尼比為0.025；方案2為隔震層阻尼比0.125，采用普通疊層橡膠支座增設(shè)有粘滯流體阻尼器的隔震方案，超出0.025的部分是粘滯流體阻尼器所提供的；方案3和方案4對(duì)隔震層阻尼比0.025,0.125的隔震方案并聯(lián)增設(shè)摩擦系數(shù)0.04的滑板。

3 各隔震方案罕、多遇地震響應(yīng)

各隔震體系新松罕遇地震(0.62g)作用下的地震響應(yīng)如表1，表2所示。

表1 新松罕遇地震(0.62g)作用下隔震效率

表2 新松罕遇地震(0.62g)作用下隔震層Y向位移最大值

從表1，表2可以得出，隔震層周期1.6 s和2.8 s工況下阻尼比0.025的隔震方案并聯(lián)增設(shè)摩擦系數(shù)0.04的滑板，會(huì)小幅度提高大震隔震效率，有效地降低大震時(shí)隔震層位移最大值；當(dāng)隔震層周期1.6 s,2.8 s時(shí)，隔震層位移最大值分別降低8.6 cm(降幅23%)、7.7 cm(降幅13%)，說(shuō)明對(duì)于普通疊層橡膠支座隔震，可以嘗試直接并聯(lián)增設(shè)摩擦滑板以優(yōu)化地震響應(yīng)。該現(xiàn)象也是后續(xù)第四章設(shè)計(jì)滑板+普通疊層橡膠支座隔震，分析摩擦系數(shù)、隔震層周期對(duì)地震響應(yīng)的影響的一個(gè)依據(jù)。隔震層周期1.6 s和2.8 s工況下阻尼比0.125的隔震方案，并聯(lián)增設(shè)摩擦系數(shù)0.04的滑板，隔震效率增幅比較明顯，隔震層位移最大值有所降低：當(dāng)隔震層的周期取值1.6 s,2.8 s，隔震層位移最大值分別降低4.2 cm(降幅20%)、7.7 cm(降幅16%)。對(duì)于摩擦系數(shù)0.04的隔震方案，當(dāng)阻尼比從0.025增至0.125時(shí)，隔震層周期1.6 s方案的隔震效率幾乎不變，隔震層位移最大值顯著降低，達(dá)13.2 cm(降幅45%)；隔震層周期2.8 s方案的隔震效率有所增長(zhǎng)，隔震層位移最大值降低10.5 cm(降幅21%)。說(shuō)明對(duì)于摩擦系數(shù)0.04的隔震方案，增大阻尼比可以有效地降低隔震層位移最大值，但同時(shí)也需關(guān)注隔震效率的增幅情況。

各隔震體系在新松罕遇地震(0.14g)作用下的地震響應(yīng)如表3,表4所示。

從表3,表4可以得出，阻尼比0.025，0.125的隔震方案并聯(lián)增設(shè)摩擦系數(shù)0.04的摩擦滑板，會(huì)顯著提高小震時(shí)的隔震效率，保持在0.5以下，同時(shí)可以顯著地降低小震時(shí)隔震層位移最大值。

表3 新松多遇地震(0.14g)作用下隔震效率

表4 新松多遇地震(0.14g)作用下隔震層Y向位移最大值

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)特高壓直流隔離開(kāi)關(guān)多種復(fù)合隔震方案，在新松罕多遇地震作用下對(duì)比隔震效率及隔震層Y向位移最大值，得出并聯(lián)增設(shè)摩擦系數(shù)較小的滑板可以小幅度提高或者在一定程度上提高大震隔震效率時(shí)，有效地降低大震時(shí)的隔震層位移最大值，顯著地降低小震時(shí)隔震層位移最大值，同時(shí)使小震隔震效率保持良好。