丁璨，丁奕靈，袁召，陳天凡

(1.三峽大學 電氣與新能源學院，湖北 宜昌 443002；2.華中科技大學 電氣與電子工程學院，強電磁工程與新技術國家重點實驗室，湖北 武漢 430074)

化石能源的日益枯竭和環(huán)境壓力的日益增加，致使可再生清潔能源得以大規(guī)模開發(fā)和利用，使得特高壓直流輸電技術成為新的發(fā)展趨勢[1-3]。與交流電網(wǎng)相比較，直流電網(wǎng)在電力傳輸方面有巨大優(yōu)勢，在交流系統(tǒng)無功支撐方面也有明顯的優(yōu)勢，是未來電網(wǎng)的發(fā)展方向[4-8]。與交流系統(tǒng)相比，直流系統(tǒng)的故障發(fā)展更快，造成的損失更大。當直流電網(wǎng)因為各種突發(fā)原因不能正常運行時，可以利用高壓直流斷路器快速切除故障電流，從而保證直流輸電的正常運行，保障人民的生命財產(chǎn)安全。對高壓直流斷路器開展研究，成為研究直流電網(wǎng)的關鍵性問題[9-12]。直流斷路器主要有固態(tài)、機械式和混合式直流斷路器3種，也可以根據(jù)關斷電流設備類型分為電容式和IGBT式直流斷路器，國內外許多學者對直流斷路器的類別進行了一定研究[13-15]。與混合式直流斷路器、固態(tài)式直流斷路器相比，機械式直流斷路器含大功率電力電子器件較少，能實現(xiàn)更低的造價，具有很強的市場競爭力。機械式直流斷路器包含機械開關模塊、隔離變壓器、吸能設備、預充電設備、電容組模塊、觸發(fā)開關及其輔助設備等[16]，其內部結構復雜，零部件種類和數(shù)量眾多；因此其極易受到地震的影響，地震荷載對其結構有很大的破壞力，會造成結構振動和變形[17]。當機械式直流斷路器受地震的影響發(fā)生故障時，故障電流不能被限制并切除，造成直流電網(wǎng)不能正常運行，且損壞相關設備[18]。到目前為止，國內外對直流斷路器的抗震性能研究甚少。文獻[19]表明500 kV混合式直流斷路器閥塔在9級地震烈度的地震作用下，其避雷器絕緣子、層間支柱絕緣子、閥塔支柱絕緣子受地震影響嚴重；文獻[20]研究了160 kV高壓直流斷路器閥塔在地震響應譜下的受力分析，表明該閥塔支柱絕緣子法蘭的破壞應力最大，閥塔的抗震烈度大于8級。

對此，本文以160 kV機械式直流斷路器為研究對象，采用有限元分析軟件ANSYS Workbench對機械式直流斷路器進行抗震分析和優(yōu)化[21]，為其抗震設計提供理論依據(jù)。

1 機械式直流斷路器建模與抗震分析方法

1.1 幾何模型建立

機械式直流斷路器的總體外形尺寸為6 200 mm×5 500 mm×8 250 mm，其模型體積大，結構復雜。為了提高軟件的計算精度和減少計算時間，建模時將模型進行局部簡化，去掉對仿真計算沒有影響或影響不大的部分，例如刪除固定線排用的絕緣子、箱體角落的閥門等。

機械式直流斷路器的三維簡化模型如圖1所示，對于模型內部尺寸較大的結構，網(wǎng)格設定稍為粗糙(20 mm)，網(wǎng)格模型采用四面體單元剖分。

圖1 機械式直流斷路器的三維簡化模型

1.2 抗震分析方法

響應譜法和等效靜力法是抗震分析的主要方法。如果不考慮隨時間變化的載荷，忽略在地震過程中設備發(fā)生的形變，可以采用靜力法。靜力法將設備當成一個剛體，將地震作用于設備的力等效為慣性力，并將作為靜力的慣性力加載在設備上，進行地震模擬計算。在計算瞬態(tài)載荷下的設備響應，以及想得到設備在瞬態(tài)地震載荷作用下的最大應力和形變時，可以采用反應譜法。

本文結構抗震動力分析采用振型反應譜分析法，反應譜理論既保持了原有的靜力學理論，又結合了地震動特性和結構動力特性的動力關系，有很好的設計精度。

2 機械式直流斷路器抗震分析

2.1 各組件材料屬性

抗震的環(huán)境要求為：9級地震烈度的地震、0.4倍重力加速度的基本地震加速度值以及0.35 s的特征周期。

160 kV機械式直流斷路器的機械開關、電容器、機械開關支撐、均壓電容外殼、均壓電阻、控制電源柜、隔離變壓器、避雷器、耦合電抗器、預充電變壓器、接地開關、晶閘管及電壓互感器使用的材料屬性見表1。其中地震許用應力按照Q/GDW 11132—2013《特高壓瓷絕緣電氣設備抗震設計及減震裝置安裝與維護技術規(guī)程》的要求，用材料的破壞應力除以1.67求得。

表1 160 kV機械式直流斷路器各種材料機械性能常數(shù)

2.2 模態(tài)分析

模態(tài)分析可以了解機械式直流斷路器基本結構的動力學特性、固有頻率和振型，其固有頻率和振型是地震分析的基礎。對機械式直流斷路器進行模態(tài)分析還能夠防止共振現(xiàn)象。

本文采用ANSYS Workbench軟件對機械式直流斷路器模型進行模態(tài)分析，求解出的8階自振頻率和振型見表2，1階模態(tài)振型如圖2所示，其振型變化特點見表3。

表2 8階固有頻率

圖2 1階模態(tài)振型

表3 機械式直流斷路器的振型特點

2.3 響應譜分析

在仿真計算中需要加載加速度響應譜，該響應譜中的數(shù)據(jù)是根據(jù)《電力設施抗震設計規(guī)范》[22]中給出的地震影響系數(shù)曲線計算出來的，如圖3所示。

圖3 地震影響系數(shù)曲線

圖3中：α為地震影響系數(shù)，αmax為地震影響系數(shù)最大值；Tg為特征周期；T為結構自振周期；γ為衰減指數(shù)，γ=0.9+(0.05-ξ)/(0.5+5ξ)，其中ξ為阻尼比；η1為直線下降段的下降斜率調整系數(shù)，η1=0.02+(0.05-ξ)/8；η2為阻尼調整系數(shù)，η2=1+(0.05-ξ)/(0.06-1.7ξ)。

根據(jù)抗震要求，采用結構標準阻尼比5%，η2=1，則地震影響系數(shù)α=αmax=1。因此，10個頻率點的結構加速度頻率響應譜可以通過地震影響系數(shù)曲線計算出來，結果見表4。模擬160 kV機械式直流斷路器在9級地震烈度條件下的響應，使用X、Y、Z向地震響應譜。

表4 加速度頻率響應譜

通過Workbench仿真分析得出160 kV機械式直流斷路器在地震強度下的等效應力，如圖4所示；X、Y和Z方向變形圖如圖5—圖7所示。

圖4 等效應力云圖

圖5 X方向位移云圖

圖6 Y方向位移云圖

圖7 Z方向位移云圖

計算結果顯示：160 kV機械式直流斷路器在9級地震烈度條件下的最大位移(包括層間支柱絕緣子處在X方向的最大位移)為42.652 mm，閥塔支柱絕緣子處在Y和Z方向的最大位移分別為41.112 mm和3.297 mm。

地震工況下的地震許用應力計算采用材料的破壞應力除以1.67。各種材料的最小安全系數(shù)見表5，需要特別說明的是表5中的材料均指外殼材料，并不是相應部件的材料。

由表5可知，原設計方案符合抗震烈度小于9級的要求。最小安全系數(shù)小于1的結構為均壓電容外殼、換流電容外殼和預充電電容外殼，表明此3處結構承受不了9度抗震設防烈度的地震。

表5 9級地震烈度下各種材料的最小安全系數(shù)

3 機械式直流斷路器改進設計的仿真

3.1 改進設計方案

為了在不改變混合式直流斷路器原結構尺寸大小的條件下，使換流電容外殼、預充電電容外殼和均壓電容外殼處的結構可以承受9度抗震設防烈度的地震影響，本文改進方案為將換流電容外殼、預充電電容外殼和均壓電容外殼的材料更換為鋁合金，其機械性能常數(shù)包括：彈性模量為0.71×1011N/m2，泊松比為0.3，質量密度為2 780 kg/m3，地震許用應力為269.5 MPa。

3.2 改進后的仿真結果

更換材料后，160 kV機械式直流斷路器在9級地震強度下的等效應力如圖8所示，X、Y和Z方向的變形如圖9—圖11所示。

圖8 改進后等效應力云圖

圖9 改進后X方向位移云圖

圖10 改進后Y方向位移云圖

圖11 改進后Z方向位移云圖

計算結果表明，160 kV機械式直流斷路器在9級地震烈度條件下的最大位移(包括層間支柱絕緣子處在X方向的最大位移)為29.568 mm，閥塔支柱絕緣子處在Y和Z方向的最大位移分別為27.820 mm和2.558 mm。結構各部件許用應力安全系數(shù)都大于1，各種材料的最小安全系數(shù)見表6，同樣表6中的材料都指的是外殼材料，并不是相應部件的材料。

表6 改進后9級地震烈度下各種材料的最小安全系數(shù)

3.3 2種設計的比較分析

對改進前后160 kV機械式直流斷路器的仿真結果進行對比可知：最大等效應力都在耦合電抗器上，且改進后的最大等效應力比改進前大0.02 MPa。改進后的機械式直流斷路器在X、Y和Z方向的變形與改進前相比相差不大。在9級地震烈度的地震作用下，隔離變壓器、避雷器、預充電變壓器、接地開關、晶閘管和電壓互感器基本不受9級地震烈度的地震作用的影響。

雖然改進后的160 kV機械式直流斷路器的換流電容外殼和預充電電容外殼的計算應力均增加明顯，但二者的最小安全系數(shù)都大于7，且160 kV機械式直流斷路器均壓電容外殼結構的最小安全系數(shù)為2.144，說明改進后的160 kV機械式直流斷路器可以承受9級地震烈度的地震作用。

4 結論

本文對160 kV機械式直流斷路器進行地震仿真分析，得出以下結論：

a) 160 kV機械式直流斷路器在9級地震烈度的地震作用下，受地震影響最大的位置是均壓電容外殼、換流電容外殼和預充電電容外殼。

b) 在9級地震烈度的地震作用下，原設計方案的160 kV機械式直流斷路器除了均壓電容外殼、換流電容外殼和預充電電容外殼，其他結構的許用應力安全系數(shù)都大于1，抗震烈度小于9級。

c) 將換流電容外殼、預充電電容外殼和均壓電容外殼的材料換成鋁合金后，這3種電容外殼結構的最小安全系數(shù)都大于1，改進后的160 kV機械式直流斷路器滿足9級地震烈度的地震抗震要求。