孫珂珂， 姚燦江， 段曉輝, 魏建巍， 孫英杰， 熊萍萍

(平高集團(tuán)有限公司，河南 平頂山，467001)

0 引 言

直流輸電是目前作為解決高電壓、大容量、長(zhǎng)距離送電和不同額定頻率或相同額定頻率非同步運(yùn)行交流系統(tǒng)之間聯(lián)絡(luò)的首選方式，具有輸電距離遠(yuǎn)、調(diào)節(jié)性能好、過(guò)電壓水平低、線路損耗小等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于遠(yuǎn)距離大功率輸電、區(qū)間電網(wǎng)互聯(lián)調(diào)峰、海纜輸電等場(chǎng)合。采用特高壓直流輸電技術(shù)有利于提高輸電效率，降低輸電損耗，節(jié)約輸電走廊資源[1-2]。直流旁路開(kāi)關(guān)是超特高壓直流及柔性直流輸電工程的重要設(shè)備，當(dāng)換流橋出現(xiàn)故障并臨時(shí)退出運(yùn)行時(shí)，直流旁路開(kāi)關(guān)將換流橋短路，當(dāng)換流橋投入運(yùn)行時(shí)，將系統(tǒng)電流轉(zhuǎn)移到換流橋中，因此，提高系統(tǒng)可靠性和利用率。中國(guó)地震帶分布較為廣泛，地震現(xiàn)象相對(duì)活躍，尤其是建設(shè)在地震帶中的變電站，對(duì)高壓電器類(lèi)產(chǎn)品的抗震能力要求較高，而816 kV直流旁路開(kāi)關(guān)是典型的“頭重腳輕”柱式斷路器，其抗震能力將直接影響系統(tǒng)的安全運(yùn)行，因此，針對(duì)柱式斷路器抗震性能的研究一直都是專(zhuān)家學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)。

丁璨等人基于地震響應(yīng)譜分析對(duì)±500 kV混合式直流斷路器進(jìn)行抗震性能分析，得到混合式直流斷路器的等效應(yīng)力和方向位移云圖，并通過(guò)局部改進(jìn)設(shè)計(jì)，滿(mǎn)足9級(jí)地震烈度的抗震需求[3]。趙明帥等人對(duì)某型號(hào)開(kāi)關(guān)柜進(jìn)行地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，得到了開(kāi)關(guān)柜的結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，并提出相應(yīng)的優(yōu)化改進(jìn)措施[4]。范榮全等人針對(duì)不同地震輸入下SF6斷路器的加速度和應(yīng)變響應(yīng)，得出地震烈度在Ⅶ度以上地區(qū)的斷路器主要有4種典型的震害型式，并提出相對(duì)應(yīng)的抗震措施[5]。孟憲政等人對(duì)1 100 kV柱式斷路器進(jìn)行地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，得到復(fù)合套管的最大應(yīng)變發(fā)生在支柱套管根部，且為斷路器設(shè)備的易損部位[6]。武勝斌等人研究了252 kV瓷柱式斷路器在AG5條件下的抗震性能，并討論了底架對(duì)瓷柱斷路器固有頻率的影響。謝強(qiáng)等人針對(duì)號(hào)1 100 kV特高壓氣體絕緣開(kāi)關(guān)設(shè)備瓷套管進(jìn)行抗震試驗(yàn)研究，在峰值加速度為0.4 g的人工波作用下，瓷套管未出現(xiàn)損壞，且綜合評(píng)估安全系數(shù)為3.0[7]。以上專(zhuān)家學(xué)者僅對(duì)柱式斷路器進(jìn)行抗震性能仿真或試驗(yàn)研究，得到了關(guān)于提升抗震性能的研究成果，缺乏柱式斷路器機(jī)械、抗震和絕緣等性能的綜合分析研究，由于816 kV直流旁路開(kāi)關(guān)整體高度為17 m左右，其復(fù)合支柱套管高度約為14 m，是“頭重腳輕”的典型代表，因此，以816 kV直流旁路開(kāi)關(guān)支柱復(fù)合套管為研究對(duì)象，利用有限元仿真技術(shù)分析其受力及變形分布情況，并進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，然后開(kāi)展整機(jī)抗震試驗(yàn)，評(píng)估816 kV直流旁路開(kāi)關(guān)整機(jī)的抗震性能，并在抗震試驗(yàn)后，開(kāi)展整機(jī)絕緣、機(jī)械壽命和密封試驗(yàn)，綜合檢驗(yàn)816 kV直流旁路開(kāi)關(guān)支柱復(fù)合套管的各項(xiàng)性能指標(biāo)，為816 kV直流旁路開(kāi)關(guān)的優(yōu)化改進(jìn)及合理布置導(dǎo)電結(jié)構(gòu)奠定基礎(chǔ)。

1 816 kV直流旁路開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)原理

1.1 816 kV直流旁路開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

816 kV直流旁路開(kāi)關(guān)主要是由均壓環(huán)、滅弧室裝配、均壓電容器、支柱裝配、絕緣拉桿、三聯(lián)箱裝配、支架和液壓碟簧機(jī)構(gòu)組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中滅弧室套管和支柱套管均采用復(fù)合套管，其是承受機(jī)械載荷和電氣絕緣的關(guān)鍵零部件。816 kV直流旁路開(kāi)關(guān)整體采用“T”字型布局方案，液壓碟簧機(jī)構(gòu)利用自身的儲(chǔ)能元件，將能量轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)，通過(guò)絕緣拉桿帶動(dòng)三聯(lián)箱內(nèi)部拐臂，達(dá)到90°運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)向，從而實(shí)現(xiàn)滅弧室的分合閘狀態(tài)。

圖1 816 kV直流旁路開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of 816 kV DC bypass switch

1.2 支柱復(fù)合套管結(jié)構(gòu)

復(fù)合套管主要由玻璃纖維纏繞管、硅橡膠傘裙、上下法蘭等組成，玻璃纖維纏繞管要承受抗彎、拉伸、抗內(nèi)壓等機(jī)械作用。816 kV直流旁路開(kāi)關(guān)支柱復(fù)合套管內(nèi)徑358 mm，外徑410 mm，壁厚21 mm，單節(jié)支柱套管總高度2 930 mm，采用大小傘結(jié)構(gòu)布置，大傘外徑為546 mm，小傘外徑為514 mm，其結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。

圖2 支柱復(fù)合套管結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structural diagram of pillar composite bushing

2 支柱復(fù)合套管力學(xué)性能分析

2.1 施加組合工況分析

816 kV直流旁路開(kāi)關(guān)是典型的“頭重腳輕”的“T”字形布置形式，分析816 kV直流旁路開(kāi)關(guān)在靜載荷、風(fēng)載荷及覆冰載荷作用下，支柱復(fù)合套管的力學(xué)性能。靜負(fù)載主要滅弧室套管兩端的拉力及自身重力，其中滅弧室套管的靜拉力3個(gè)方向分別為2 000 N、3 500 N和3 500 N，滅弧室總裝重力為9 000 N。風(fēng)載荷按照最大迎風(fēng)面積進(jìn)行核算，設(shè)計(jì)風(fēng)速為34 m/s，覆冰厚度為20 mm[8-10]。

2.2 力學(xué)性能分析

研究的816 kV直流旁路開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)整體尺寸為6 200 mm×1 500 mm×17 040 mm，重心高度為11 360 mm，總質(zhì)量為3 450 kg。材料以鋁合金5A02、玻璃鋼為主。仿真計(jì)算分析采用Solid188實(shí)體單元建模，與實(shí)際產(chǎn)品更加接近，將法蘭之間考慮為剛性連接無(wú)位移情況[11-13]。

經(jīng)有限元仿真分析可知，816 kV直流旁路開(kāi)關(guān)整體變形如圖3所示，其中支柱復(fù)合套管最大等效應(yīng)力及變形分布云圖如圖4和5所示。從圖5可知，支柱復(fù)合套管最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在玻璃鋼筒與下法蘭粘接處，最大等效應(yīng)力為15.96 MPa，最大等效應(yīng)力出現(xiàn)的位置與理論分析基本一致。由圖4可知，支柱套管上法蘭處變形量最大，其變形值為107.06 mm。

圖3 816 kV直流旁路開(kāi)關(guān)整體變形云圖Fig.3 Overall deformation cloud diagram of 816 kV DC bypass switch

圖4 支柱復(fù)合套管整體變形云圖Fig.4 Cloud diagram of overall deformation of pillar composite bushing

圖5 支柱復(fù)合套管整體應(yīng)力云圖Fig.5 Overall stress nephogram of strut composite casing

2.3 支柱復(fù)合套管拉力試驗(yàn)

為了驗(yàn)證816 kV直流旁路開(kāi)關(guān)整機(jī)機(jī)械性能和仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，在接線端子上分別施加縱向和橫向拉力，拉力示意如圖6所示，拉力值范圍為500～5 000 N，并支柱套管底部為基準(zhǔn)，利用全站儀測(cè)量支柱套管頂部偏移的距離。

FB為縱向合力；FB1為縱向拉力；FC為風(fēng)載荷；

通過(guò)816 kV直流旁路開(kāi)關(guān)整機(jī)拉力試驗(yàn)，得到支柱復(fù)合套管在不同拉力值時(shí)對(duì)應(yīng)的不同偏移量，偏移量數(shù)值如圖7所示，與仿真結(jié)果的誤差為5.5%，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖7 支柱復(fù)合套管偏移量Fig.7 Offset of pillar composite bushing

3 816 kV直流旁路開(kāi)關(guān)抗震性能仿真分析

為檢驗(yàn)816 kV直流旁路開(kāi)關(guān)整機(jī)抗震性能，借助有限元仿真軟件，對(duì)其進(jìn)行抗震性能的分析。

816 kV直流旁路開(kāi)關(guān)由支架、液壓碟簧機(jī)構(gòu)、復(fù)合支柱套管和復(fù)合滅弧室套管組成。地震工況載荷包含內(nèi)部壓力0.5 MPa，大風(fēng)載荷、端子拉力載荷、自身重力和地震載荷。參照特高壓電氣設(shè)備抗震設(shè)計(jì)及減震裝置安裝與維護(hù)技術(shù)規(guī)程中地震影響系數(shù)曲線，如圖8所示，選取阻尼比為2%，X、Y、Z3個(gè)方向的地面加速度分別為0.4 g、0.4 g、0.32 g，其共同組成地震輸入載荷[14-18]。

圖8 計(jì)算地震影響系數(shù)曲線Fig.8 Calculation of seismic influence coefficient curve

按照Q/GDW 11132-2013要求響應(yīng)譜(RRS)，水平方向地面加速度：AG4：ZPA=4 m/s2(0.4 g)，分別使用X+Z向和Y+Z向兩種情況進(jìn)行響應(yīng)譜分析。

支架、套管等簡(jiǎn)化為薄殼結(jié)構(gòu)，使用高精度的位移三次多項(xiàng)式插值的DKT六節(jié)點(diǎn)板殼單元。機(jī)構(gòu)、絕緣拉桿等簡(jiǎn)化為梁，使用6自由度的抗彎扭的兩節(jié)點(diǎn)梁?jiǎn)卧Ａ簡(jiǎn)卧陀嘘P(guān)殼單元的連接均為剛性固連。支架與基礎(chǔ)接觸的結(jié)點(diǎn)按固定處理。

當(dāng)使用X+Z向進(jìn)行響應(yīng)譜分析時(shí)，復(fù)合套管應(yīng)力分布如圖9所示。

圖9 X+Z向地震響應(yīng)譜+靜載荷作用下套管應(yīng)力云圖Fig.9 Cloud diagram of bushing stress under X+Zseismic response spectrum and static load

通過(guò)使用X+Z向和Y+Z向兩種情況進(jìn)行響應(yīng)譜分析，得到兩種工況下816 kV直流旁路開(kāi)關(guān)各零部件應(yīng)力值，如表1所示。

表1 地震下各種零部件的最小安全系數(shù)Table 1 Minimum safety factors of various parts under earthquake

使用X+Z向和Y+Z向地震響應(yīng)譜，地面水平方向加速度取0.4 g，豎直方向加速度取0.32 g，結(jié)構(gòu)阻尼按2%計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，無(wú)論使用哪種校核，疊加靜力載荷的應(yīng)力后，地震工況下的零部件破壞應(yīng)力安全系數(shù)都大于1.67。所以816 kV直流旁路開(kāi)關(guān)滿(mǎn)足Q/GDW 11132-2013標(biāo)準(zhǔn)AG4(0.4 g)的要求。Q/GDW 11132-2013標(biāo)準(zhǔn)要求高于GB/T 13540-2009(IEC 62271-2:2003)標(biāo)準(zhǔn)，所以該產(chǎn)品也滿(mǎn)足GB/T 13540-2009(IEC 62271-2:2003)標(biāo)準(zhǔn)ZPA=0.4 g的要求[19-22]。

4 816 kV直流旁路開(kāi)關(guān)地震模擬試驗(yàn)研究

4.1 試驗(yàn)對(duì)象

本次試驗(yàn)試品為816 kV直流旁路開(kāi)關(guān)。該產(chǎn)品由帶支架四支柱復(fù)合套管、三聯(lián)箱、雙滅弧室復(fù)合套管和雙均壓電容器組成，含支架總高17 040 mm，重量為3 450 kg。本次試驗(yàn)在重慶大學(xué)振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)室6.1 m×6.1 m地震模擬振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行，系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)如下：工作頻率0.1～50 Hz，標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷60 t，最大傾覆力矩1 800 kN·m，最大偏心力矩600 kN·m，臺(tái)面最大加速度：X方向±1.5 g(標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷)，Y方向±1.5 g(標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷)，Z方向±1.0 g(標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷)。

采用NI公司的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集，數(shù)據(jù)傳輸通道為128個(gè)，采樣頻率為100 Hz～100 kHz。采用Lance型號(hào)的加速度計(jì)，量程±5 g；應(yīng)變采用1/4測(cè)試。

根據(jù)816 kV直流旁路開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，共布置10處加速度測(cè)量點(diǎn)，每個(gè)測(cè)量點(diǎn)均分為3個(gè)方向布置，共計(jì)30個(gè)加速度計(jì)；應(yīng)變片同樣設(shè)置10處，共設(shè)置40個(gè)應(yīng)變片，816 kV直流旁路開(kāi)關(guān)布置各測(cè)量點(diǎn)簡(jiǎn)化圖如圖10所示。

圖10 816 kV直流旁路開(kāi)關(guān)測(cè)量點(diǎn)簡(jiǎn)化圖Fig.10 Simplified diagram of measuring points of 816 kV DC bypass switch

4.2 加載工況

在進(jìn)行地震試驗(yàn)時(shí)，先輸入頻率范圍為0.25～50.00 Hz、加速度峰值0.075 g的白噪聲進(jìn)行掃描產(chǎn)品，判別產(chǎn)品安裝是否牢固，然后參考輸入特高壓電氣設(shè)備抗震設(shè)計(jì)及減震裝置安裝與維護(hù)技術(shù)規(guī)程和電力設(shè)施抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中地震影響系數(shù)曲線，如圖8所示，組成人工地震波作為輸入載荷，其標(biāo)準(zhǔn)人工加速度時(shí)程波形如圖11所示，考慮實(shí)際工況需求，對(duì)時(shí)程峰值進(jìn)行調(diào)幅，且水平向與豎向時(shí)程峰值比1:0.8。具體加載工況如表2所示[23-27]。

圖11 標(biāo)準(zhǔn)人工加速度時(shí)程波形圖Fig.11 Time history waveform of standard artificial acceleration

4.3 抗震性能試驗(yàn)

4.3.1 應(yīng)變響應(yīng)分析

通過(guò)理論分析可知，816 kV直流旁路開(kāi)關(guān)支柱套管承受的應(yīng)力值最大，容易發(fā)生損壞[28-30]。利用局部粘貼應(yīng)變片的測(cè)量方法，測(cè)得在組合地震工況下，各測(cè)量點(diǎn)的應(yīng)變波形，如圖12、13所示。

圖12 不同工況下測(cè)量點(diǎn)應(yīng)變值Fig.12 Strain values of measuring points under different working conditions

圖13 不同工況下測(cè)量點(diǎn)應(yīng)變值Fig. 13 Strain values of measuring points under different working conditions

根據(jù)各測(cè)量點(diǎn)應(yīng)變測(cè)試結(jié)果，通過(guò)公式(1)進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算：

(1)

式中：Ec為彈性模量；εav為測(cè)量點(diǎn)實(shí)測(cè)應(yīng)變值；γ為譜修正系數(shù)；

按照0.25倍大風(fēng)載荷、端子拉力載荷、自身重力、地震載荷和內(nèi)壓載荷共同確定816 kV直流旁路開(kāi)關(guān)應(yīng)力，其中復(fù)合套管最大應(yīng)力值測(cè)點(diǎn)位于支柱套管底部。在輸入工況14條件下，組合應(yīng)力值為97.56 MPa，在輸入工況16條件下，組合應(yīng)力值為98.83 MPa，最小安全系數(shù)為1.72，滿(mǎn)足電力設(shè)施抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中最小安全系數(shù)大于1.67的要求。

4.3.2 位移響應(yīng)分析

通過(guò)對(duì)816 kV直流旁路開(kāi)關(guān)進(jìn)行抗震試驗(yàn)，得到各測(cè)量點(diǎn)加速度時(shí)程曲線，并對(duì)加速度值進(jìn)行數(shù)值運(yùn)算，獲得各測(cè)量點(diǎn)的位移響應(yīng)，間接代表了各測(cè)量點(diǎn)的變形情況[29-32]，其中816 kV直流旁路開(kāi)關(guān)各測(cè)量點(diǎn)在輸入工況14和工況16的條件下，X軸、Y軸和Z軸的位移變化如圖14、15所示。

圖14 工況14條件下測(cè)量點(diǎn)位移值Fig.14 Displacement value of measuring point under working condition 14

圖15 工況16條件下測(cè)量點(diǎn)位移值Fig.15 Displacement value of measuring point under working condition 16

由圖14和圖15可知，滅弧室復(fù)合套管頂端相對(duì)于模擬振動(dòng)臺(tái)的位移最大，X軸向最大位移為146.18 mm，Y軸向最大位移為168.21 mm，為816 kV直流旁路開(kāi)關(guān)內(nèi)部電氣元件的變形和接線端子的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

抗震性能試驗(yàn)后，816 kV直流旁路開(kāi)關(guān)外觀良好。其通過(guò)了0.4 g工況下的抗震力學(xué)性能試驗(yàn)。

4.4 驗(yàn)證試驗(yàn)

在通過(guò)抗震試驗(yàn)后，為了進(jìn)一步驗(yàn)證產(chǎn)品的電氣及機(jī)械性能，開(kāi)展816 kV直流旁路開(kāi)關(guān)絕緣和密封試驗(yàn)。

4.4.1 絕緣試驗(yàn)

816 kV直流旁路開(kāi)關(guān)在國(guó)家高壓電器產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心(河南)順利通過(guò)了各項(xiàng)絕緣性能試驗(yàn)，具體試驗(yàn)參數(shù)包含額定短時(shí)工頻耐受電壓(斷口/對(duì)地)1 420 kV/960 kV，額定操作沖擊耐受電壓(斷口/對(duì)地)為2 075 kV/1 550 kV，額定雷電沖擊耐受電壓(斷口/對(duì)地)為2 555 kV/2 100 kV，直流耐受電壓為1 224 kV。試驗(yàn)狀態(tài)如圖16所示，未發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象。

圖16 816 kV直流旁路開(kāi)關(guān)絕緣試驗(yàn)狀態(tài)圖Fig.16 Dielectric test of 816 kV DC bypass switch

4.4.2 密封試驗(yàn)

對(duì)816 kV直流旁路開(kāi)關(guān)采用整體扣罩法檢測(cè)其密封性能，產(chǎn)品在密封罩內(nèi)靜止24 h后，用檢漏儀檢測(cè)密封罩內(nèi)SF6濃度，經(jīng)檢測(cè)，密封罩內(nèi)SF6氣體含量為0，由此說(shuō)明，816 kV直流旁路開(kāi)關(guān)整體密封性能良好。

5 結(jié)論

1)通過(guò)輸入組合工況條件下，816 kV直流旁路開(kāi)關(guān)支柱復(fù)合套管最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在玻璃鋼筒與下法蘭粘接處，最大等效負(fù)荷為15.96 MPa，滿(mǎn)足機(jī)械強(qiáng)度要求，支柱復(fù)合套管上法蘭處最大偏移量107.06 mm，與拉力試驗(yàn)中，支柱復(fù)合套管偏移量數(shù)值的誤差為5.5%，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2)通過(guò)開(kāi)展816 kV直流旁路開(kāi)關(guān)樣機(jī)模擬地震試驗(yàn)，測(cè)量得到支柱復(fù)合套管最大負(fù)荷為98.83 MPa，最小安全系數(shù)為1.72。并通過(guò)加速度計(jì)獲得測(cè)量點(diǎn)相對(duì)于試驗(yàn)臺(tái)面的位移，其中支柱復(fù)合套管頂部位移最大，最大值為168.21 mm，為816 kV直流旁路開(kāi)關(guān)內(nèi)部導(dǎo)電結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及外部接線空間布局奠定基礎(chǔ)。

3)816 kV直流旁路開(kāi)關(guān)在抗震試驗(yàn)后，順利通過(guò)絕緣和密封試驗(yàn)試驗(yàn)，驗(yàn)證了其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。