李鳴蕭，胡 曉，馮千秀，張朋朋，毛 宇，萬(wàn)增勇

（中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610056）

0 引言

我國(guó)幅員遼闊、人口眾多，大多數(shù)人口集中在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的中部及東部沿海地區(qū)，經(jīng)濟(jì)生活需要消耗大量能源，尤其需要充足的電力供應(yīng)，而用于發(fā)電的煤炭及水能資源集中分布于華北、西北及西南地區(qū)，如煤炭?jī)?chǔ)量豐富的山西、陜西、寧夏、新疆部分地區(qū)，以及水能資源豐富的西南地區(qū)(雅礱江、金沙江、瀾滄江、雅魯藏布江等)，電力供給與需求間的地區(qū)不平衡問(wèn)題突出。特高壓直流輸電是解決高電壓、大容量、遠(yuǎn)距離送電和電網(wǎng)互聯(lián)的一個(gè)重要手段，能夠很好地解決我國(guó)能源分布不平衡的問(wèn)題。換流站是特高壓直流輸電中的重要節(jié)點(diǎn)，是特高壓輸電線路上的重要轉(zhuǎn)換設(shè)施，對(duì)保障電能順利傳輸具有重要作用。因而，其安全性也應(yīng)受到足夠的重視。

破壞性地震對(duì)電力設(shè)施造成的損壞往往是災(zāi)難性的[1-2]，換流站中的電氣設(shè)備對(duì)整個(gè)電網(wǎng)的正常運(yùn)行具有至關(guān)重要的作用。如何保障換流站內(nèi)電氣設(shè)備在地震災(zāi)害下的安全運(yùn)行是當(dāng)下亟待解決的問(wèn)題。相比建筑物的抗震性能，國(guó)內(nèi)外對(duì)電氣設(shè)備的抗震分析成果相對(duì)較少。萬(wàn)帥[3]以500 kV GIS罐式避雷器為原型，采用有限元軟件ANSYS對(duì)其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)力學(xué)分析。曹枚根[4]采用大型通用有限元分析軟件，首先對(duì)瓷套管與法蘭連接彎曲剛度計(jì)算系數(shù)開(kāi)展了參數(shù)化建模及動(dòng)力特性分析研究，建立了220 kV瓷柱式SF6斷路器的計(jì)算模型，然后對(duì)220 kV瓷柱式SF6斷路器進(jìn)行了動(dòng)力特性研究，采用反應(yīng)譜法進(jìn)行了地震響應(yīng)分析和阻尼比影響研究。羅斌[5]采用反應(yīng)譜分析法和時(shí)程分析理論對(duì)電容器進(jìn)行了抗震分析。朱祝兵[6]為研究特高壓電氣設(shè)備元件與法蘭膠裝連接處的彎曲剛度分布規(guī)律，采用自主設(shè)計(jì)的加載裝置，針對(duì)具有代表性的9個(gè)瓷套元件進(jìn)行了彎曲剛度試驗(yàn)。本文依托白鶴灘—江蘇±800 kV特高壓直流輸電工程布拖換流站一期工程，對(duì)其中的部分電氣設(shè)備及其耦聯(lián)回路進(jìn)行抗震分析，研究了設(shè)備在地震作用下的應(yīng)力和位移，對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行了安全性評(píng)價(jià)，為電氣金具設(shè)計(jì)提供了數(shù)據(jù)支撐。

1 支柱絕緣子單體抗震分析

電氣設(shè)備單體抗震分析是進(jìn)行耦聯(lián)回路抗震分析的基礎(chǔ)，只有正確地建立了單體有限元模型才能進(jìn)一步對(duì)耦聯(lián)回路進(jìn)行抗震分析。本節(jié)將對(duì)支柱絕緣子單體設(shè)備建立有限元模型，并對(duì)其抗震性能進(jìn)行分析。

1.1 支柱絕緣子有限元模型

800 kV支柱絕緣子是換流站中的重要電氣設(shè)備，它由下部鋼支架與上部設(shè)備本體組成。下部鋼支架為格構(gòu)式角鋼結(jié)構(gòu)，由地腳螺栓固定于地面混凝土基礎(chǔ)之上，頂部設(shè)鋼板用于固定設(shè)備。上部設(shè)備本體由絕緣子套筒及連接法蘭組成。本文采用Abaqus6.11有限元軟件對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行抗震分析。

在有限元軟件中，為提高計(jì)算效率，采用梁?jiǎn)卧⒅е^緣子的計(jì)算模型。支柱絕緣子下方存在土建鋼支架，它不僅會(huì)影響設(shè)備整體結(jié)構(gòu)的自振特性，還會(huì)對(duì)作用于設(shè)備上的地震作用產(chǎn)生放大效應(yīng)。因此在模型中增加該部分結(jié)構(gòu)，從而將土建支架對(duì)設(shè)備地震響應(yīng)的影響加以考慮。支柱絕緣子本體為復(fù)合材料，其參數(shù)由設(shè)備廠家提供，材料密度根據(jù)設(shè)備總質(zhì)量進(jìn)行等效換算得出。下部鋼支架采用鋼材，彈性模量E=2.06×105MPa，泊松比γ=0.3，密度ρ=7 850 kg/m3。頂部均壓環(huán)對(duì)設(shè)備地震響應(yīng)影響較小，為方便后續(xù)耦聯(lián)回路模型的建立，此處將均壓環(huán)省略。

整體有限元模型中，下部地腳螺栓連接處采用固接進(jìn)行模擬，鋼支架與頂板固定連接，其各方向自由度均被約束；頂板與上部設(shè)備本體采用耦合約束進(jìn)行連接。

1.2 支柱絕緣子抗震分析

反應(yīng)譜法是抗震計(jì)算中最為常用的方法，其計(jì)算速度快，并且能夠在較大程度上覆蓋場(chǎng)地地震波的頻譜特性，GB 50260—2013《電力設(shè)施抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》第5.0.1條也將反應(yīng)譜法列為了抗震分析的方法之一。

布拖縣設(shè)計(jì)地震分組為第三組，場(chǎng)地類(lèi)別為II類(lèi)，其特征周期Tg=0.45 s，在罕遇地震下，其特征周期增加0.05 s為0.50 s。根據(jù)GB 50260—2013《電力設(shè)施抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》第5.0.5條所規(guī)定的地震影響系數(shù)曲線，可繪制出本文所采用的反應(yīng)譜曲線，如圖1所示。

圖1 反應(yīng)譜法地震影響系數(shù)曲線

根據(jù)布拖換流站所處地理位置及其抗震設(shè)計(jì)的要求，抗震計(jì)算中的最大地震加速度取為0.40g，并分別沿左右方向(X向)、前后方向(Y向)、豎直方向(Z向)添加反應(yīng)譜曲線，最大加速度分別為0.40g、0.34g、0.26g。阻尼比對(duì)電氣設(shè)備的抗震性能有非常明顯的影響，但由于阻尼機(jī)理的復(fù)雜性和不確定性，各設(shè)備的阻尼比差異較大，即便同一個(gè)設(shè)備，在不同輸入激勵(lì)下，其阻尼比也可能不同。電瓷類(lèi)設(shè)備的阻尼比離散性較大，多介于1%～5%，更集中于2%～3%，GB 50260—2013《電力設(shè)施抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》第6.3.7條指出：對(duì)于電瓷類(lèi)設(shè)備，若實(shí)際阻尼比未知，建議取值不超過(guò)2%。因此本文對(duì)電氣設(shè)備采用的阻尼比取為2%。各振型的地震效應(yīng)采用“平方和開(kāi)平方根”的振型組合方法(square root of the sum of the squares,SRSS)進(jìn)行組合。

如圖2所示為反應(yīng)譜法分析后的應(yīng)力云圖及位移云圖。支柱絕緣子屬于支柱類(lèi)結(jié)構(gòu)，設(shè)備結(jié)構(gòu)細(xì)長(zhǎng)，多節(jié)設(shè)備元件之間通過(guò)法蘭連接在一起。震害調(diào)研顯示，地震作用下支柱類(lèi)設(shè)備多為套管根部法蘭連接處折斷或套管從法蘭膠裝部位拔出。這主要是由于地震作用下該部位承受的彎矩最大，設(shè)備多因承載力不足或法蘭膠裝部位各材料之間的變形不協(xié)調(diào)而發(fā)生破壞。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，可見(jiàn)該支柱絕緣子最大應(yīng)力為16.20 MPa，發(fā)生在根部法蘭處，其應(yīng)力安全系數(shù)為7.41，GB 50260—2013《電力設(shè)施抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》第6.3.8條規(guī)定的安全系數(shù)為1.67，滿足要求；支柱絕緣子最大位移為183.9 mm，發(fā)生在設(shè)備頂部，由電氣專(zhuān)業(yè)根據(jù)實(shí)際情況判斷是否滿足帶電距離等要求。在實(shí)際工程中，還需根據(jù)耦聯(lián)回路計(jì)算結(jié)果進(jìn)行金具設(shè)計(jì)。

圖2 800 kV支柱絕緣子反應(yīng)譜分析結(jié)果

2 支柱絕緣子回路抗震分析

2.1 電氣設(shè)備耦聯(lián)回路概述

第1節(jié)中分析了支柱絕緣子單體設(shè)備的抗震性能，在實(shí)際工程中，各電氣設(shè)備是連接在一起的。連接方式分為軟導(dǎo)線和硬管母兩種。當(dāng)不同的電氣設(shè)備之間采用軟導(dǎo)線進(jìn)行連接時(shí)，由于軟導(dǎo)線剛度較小，在地震作用下導(dǎo)線內(nèi)力很小，對(duì)設(shè)備的影響基本可以忽略不計(jì)，因此設(shè)備與設(shè)備之間在地震作用下可視為無(wú)連接，這種狀態(tài)稱為解耦。當(dāng)不同的電氣設(shè)備之間采用硬管母進(jìn)行連接時(shí)，由于管母線不可彎曲，剛度很大，在地震下可產(chǎn)生并傳導(dǎo)內(nèi)力，因此設(shè)備與設(shè)備之間會(huì)通過(guò)管母線產(chǎn)生相互作用，這種狀態(tài)稱為耦聯(lián)。

在耦聯(lián)狀態(tài)下，電氣設(shè)備在地震下的響應(yīng)與單體設(shè)備不相同，相互之間會(huì)產(chǎn)生較大的作用力，單體狀態(tài)下較大地震響應(yīng)的設(shè)備可通過(guò)管母?jìng)鬟f出一部分地震能量，而較小地震響應(yīng)的設(shè)備可受管母影響多消耗一部分地震能量。此外，耦聯(lián)狀態(tài)下，支柱絕緣子之間還存在避雷器、互感器等設(shè)備，這些設(shè)備的質(zhì)量通過(guò)集中質(zhì)點(diǎn)添加在了管母線上，增大了整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的質(zhì)量，加劇了結(jié)構(gòu)剛度分布的不均勻性，從而使耦聯(lián)回路產(chǎn)生了更大的地震作用，因此需要將耦聯(lián)回路作為整體進(jìn)行分析。

2.2 800 kV支柱絕緣子回路抗震分析

2.2.1 反應(yīng)譜法抗震分析

對(duì)于直流場(chǎng)極線區(qū)域的800 kV支柱絕緣子回路，抗震分析的關(guān)注點(diǎn)為支柱絕緣子根部應(yīng)力及頂部位移。為方便描述，如圖3所示將支柱絕緣子從左到右依次編為1～5號(hào)。該組支柱絕緣子及管母高17.5 m，管母外徑450 mm。按照前述抗震計(jì)算方法對(duì)該回路進(jìn)行抗震分析，其中風(fēng)荷載作用于支柱絕緣子及管母。

圖3 直流場(chǎng)極線區(qū)域800 kV支柱絕緣子回路

采用反應(yīng)譜法分析時(shí)，結(jié)構(gòu)的前三階自振模態(tài)如圖4所示。其前三階自振頻率分別為0.593 4 Hz、0.856 0 Hz、1.240 5 Hz。部分支柱絕緣子與管母線脫開(kāi)是由于這些地方為滑動(dòng)管母連接，管母在絕緣子頂端是可以沿著管母方向(X方向)滑動(dòng)的。在地震作用下，結(jié)構(gòu)主要部件位移及應(yīng)力見(jiàn)表1所列。

表1 支柱絕緣子回路位移及應(yīng)力(反應(yīng)譜法)

圖4 支柱絕緣子耦聯(lián)回路自振模態(tài)

地震作用下，800 kV支柱絕緣子的最大應(yīng)力為47.88 MPa，安全系數(shù)為2.51，大于1.67，滿足抗震要求。支柱絕緣子頂部最大位移為255.70 mm，相關(guān)金具設(shè)計(jì)應(yīng)滿足該位移要求。

2.2.2 時(shí)程分析法抗震分析

對(duì)800 kV支柱絕緣子回路采用時(shí)程分析，地震波選用El-Centro波，通過(guò)在結(jié)構(gòu)底部固定端施加地面加速度的方法，可將地震波作用于結(jié)構(gòu)上。El-Centro地震波數(shù)據(jù)來(lái)源于太平洋地震工程研究中心網(wǎng)站，相關(guān)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)基線校正等處理，再按照所需最大峰值加速度進(jìn)行相應(yīng)的放大處理后(將其峰值加速度調(diào)整為0.40g)，可用于時(shí)程分析的抗震計(jì)算。結(jié)構(gòu)主要部件位移及應(yīng)力見(jiàn)表2所列。提取支架頂部的最大加速度為-6 959 mm/s2，相應(yīng)的放大系數(shù)為1.739。

表2 支柱絕緣子回路位移及應(yīng)力(時(shí)程分析法)

從表2的計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，支柱絕緣子的最大應(yīng)力為61.72 MPa，對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)為1.94；滿足GB 50260—2013《電力設(shè)施抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》第6.3.8條規(guī)定的安全系數(shù)1.67，滿足抗震設(shè)計(jì)要求。在設(shè)計(jì)相關(guān)連接金具時(shí)，應(yīng)校核金具所能承受的最大位移能否滿足設(shè)備最大位移，以保證地震作用下整個(gè)耦聯(lián)回路的安全運(yùn)行。

3 直流濾波器回路抗震分析

對(duì)于直流場(chǎng)極線區(qū)域的直流濾波器回路，采用反應(yīng)譜法及時(shí)程分析法進(jìn)行抗震分析。該回路抗震分析的關(guān)注點(diǎn)為支柱絕緣子根部應(yīng)力及直流濾波器頂部位移。為方便描述，如圖5所示將支柱絕緣子從左到右依次編為1～5號(hào)。1～3號(hào)支柱絕緣子高23.5 m，4～5號(hào)支柱絕緣子高17.5 m，管母外徑均為450 mm。對(duì)該回路進(jìn)行抗震分析，風(fēng)荷載作用于直流濾波器、支柱絕緣子及管母。

圖5 直流場(chǎng)直流濾波器回路

采用反應(yīng)譜法分析時(shí)，結(jié)構(gòu)的一階自振模態(tài)如圖6所示。其前三階自振頻率分別為0.803 7 Hz、0.812 9 Hz、0.976 4 Hz。在地震作用下，結(jié)構(gòu)主要部件位移及應(yīng)力見(jiàn)表3所列。

表3 直流濾波器回路位移及應(yīng)力(反應(yīng)譜法)

圖6 直流濾波器耦聯(lián)回路自振模態(tài)

地震作用下，支柱絕緣子的最大應(yīng)力為30.32 MPa，發(fā)生在設(shè)備根部，對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)為3.15；直流濾波器的最大應(yīng)力為55.29 MPa，對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)為2.17；各設(shè)備應(yīng)力安全系數(shù)均大于1.67，滿足抗震要求。支柱絕緣子頂部最大位移為301.20 mm，直流濾波器頂部最大位移為280.91 mm，相關(guān)金具設(shè)計(jì)應(yīng)滿足該位移要求。

對(duì)該直流濾波器回路進(jìn)行時(shí)程分析，地震波選用人工生成的地震波，該地震波通過(guò)前述分析的目標(biāo)反應(yīng)譜進(jìn)行生成，使其自身的反應(yīng)譜曲線與目標(biāo)反應(yīng)譜基本吻合，從而在最大程度上實(shí)現(xiàn)對(duì)其地震響應(yīng)的模擬。人工波最大加速度取0.40g。

通過(guò)在結(jié)構(gòu)底部固定端施加地面加速度的方法，可將地震波作用于結(jié)構(gòu)上。結(jié)構(gòu)主要部件位移及應(yīng)力見(jiàn)表4所列。

表4 直流濾波器回路位移及應(yīng)力(時(shí)程分析法)

從表4的計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，支柱絕緣子的最大應(yīng)力為44.14 MPa，對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)為2.17；直流濾波器最大應(yīng)力為64.48 MPa，對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)為1.86。以上結(jié)果均滿足GB 50260—2013《電力設(shè)施抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》第6.3.8條規(guī)定的安全系數(shù)1.67，滿足抗震設(shè)計(jì)要求。在設(shè)計(jì)相關(guān)連接金具時(shí)，應(yīng)根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果對(duì)金具所能承受的應(yīng)力和位移進(jìn)行校核，以保證地震作用下整個(gè)耦聯(lián)回路的安全運(yùn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

電氣設(shè)備的抗震性能對(duì)特高壓電網(wǎng)正常運(yùn)行有著至關(guān)重要的影響。本文對(duì)±800 kV布拖換流站中的支柱絕緣子及直流濾波器耦聯(lián)回路進(jìn)行了抗震分析，通過(guò)Abaqus軟件采用反應(yīng)譜法及時(shí)程分析法計(jì)算了電氣設(shè)備在地震作用下的響應(yīng)，校核了應(yīng)力安全性，為電氣專(zhuān)業(yè)提供了位移參數(shù)，供其對(duì)金具設(shè)計(jì)及帶電距離進(jìn)行校驗(yàn)。研究成果對(duì)特高壓換流站電氣設(shè)備抗震設(shè)計(jì)具有參考和借鑒意義，對(duì)降低電氣設(shè)備的地震易損性具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。