朱 旺,任阿陽2,薛志航3,謝 強(qiáng)

(1.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院,上海 200092；2.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司特高壓直流中心，四川 成都 610041；3.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610041)

0 引 言

變電站是電網(wǎng)系統(tǒng)的重要節(jié)點(diǎn)，承載著電能控制和轉(zhuǎn)換的作用。作為電力系統(tǒng)的重要組成部分，變電站抗震性能影響著電網(wǎng)在地震時(shí)和地震后的安全運(yùn)行狀態(tài)[1]。在歷次大地震，如2008年汶川地震[2-3]、2010年海地地震[4]、2011年日本3·11地震[5]、2013年蘆山地震[6]等地震中，變電站設(shè)備都受到了不同形式的損壞，體現(xiàn)了變電站設(shè)備在地震下存在較高易損性[7]。變電站設(shè)備的損壞不僅影響著電能的傳輸和直接經(jīng)濟(jì)損失，更關(guān)系著人民的生產(chǎn)生活和社會(huì)的穩(wěn)定[8-10]。

為了提高變電站電氣設(shè)備的抗震能力，已有眾多學(xué)者對(duì)各類電氣設(shè)備進(jìn)行了抗震研究，研究手段各異，包括數(shù)值模擬、理論分析和振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)[11-15]。干式平波電抗器是變電站直流輸電工程的重要塔式設(shè)備，其質(zhì)量大、尺寸大、重心高，因此其在地震下的響應(yīng)需要重點(diǎn)關(guān)注。其上部電抗器本體剛度較大，自身不易發(fā)生變形，在以往地震中并未發(fā)生過破壞；然而，其下部用于支撐本體的支柱絕緣子屬于脆性材料，結(jié)構(gòu)細(xì)長(zhǎng)，此類結(jié)構(gòu)在以往地震中常常表現(xiàn)出瓷柱破壞或法蘭破壞[16]，破壞嚴(yán)重時(shí)可能間接導(dǎo)致上部本體傾斜或掉落。對(duì)于細(xì)長(zhǎng)類絕緣子構(gòu)件以及支柱類電力設(shè)備，當(dāng)下許多學(xué)者進(jìn)行了抗震性能研究[17-18]，這些研究主要集中于地震中結(jié)構(gòu)力學(xué)性能評(píng)估，包括評(píng)價(jià)頂部位移和根部應(yīng)力等。然而，對(duì)于平波電抗器的研究，目前主要聚焦于本體構(gòu)造和非結(jié)構(gòu)性能方面，如噪聲研究等。文獻(xiàn)[19]通過平波電抗器的電磁場(chǎng)特性提出了無磁金屬的噪聲罩的應(yīng)用方案，相關(guān)噪聲和溫升試驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)無磁金屬使噪聲水平降低，同時(shí)不引起過多熱損耗，進(jìn)一步地，又在文獻(xiàn)[20]提出了新的隔聲罩設(shè)計(jì)方法，并采用仿真方法證明了所提出方案的有效性。文獻(xiàn)[21]結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和仿真技術(shù)分析了電抗器的聲場(chǎng)分布特性，并在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上提出了較為準(zhǔn)確的測(cè)量方法。

對(duì)于平波電抗器在地震下的力學(xué)性能分析，有部分文獻(xiàn)也進(jìn)行了深入研究。文獻(xiàn)[22]通過振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)對(duì)一復(fù)合絕緣子傾斜支撐干式空心電抗器進(jìn)行了研究，確定了平波電抗器加速度放大系數(shù)最大的位置以及整個(gè)電抗器的抗震薄弱環(huán)節(jié)。文獻(xiàn)[23]提出了一種帶有4節(jié)絕緣子單元的新型平波電抗器，通過仿真模型驗(yàn)證了絕緣子的抗震強(qiáng)度安全系數(shù)符合要求。文獻(xiàn)[24]研究了某特高壓直流平波電抗器的復(fù)合支柱絕緣子的抗震性能，通過理論分析計(jì)算了絕緣子芯棒的各項(xiàng)參數(shù)，并采用ANSYS模型驗(yàn)證了支柱絕緣子的安全性。然而，在一些變電站或換流站中，平波電抗器以雙耦聯(lián)形式設(shè)計(jì)，現(xiàn)有抗震研究?jī)H針對(duì)于單體設(shè)備，沒有考慮耦聯(lián)對(duì)電抗器響應(yīng)的影響。

下面，采用Abaqus有限元軟件對(duì)某換流站的±800 kV干式平波電抗器進(jìn)行了仿真模擬，并對(duì)該電抗器進(jìn)行了模態(tài)分析；隨后，輸入典型地震動(dòng)進(jìn)行地震響應(yīng)分析，其中包括電抗器本體頂部加速度、頂部位移以及支撐絕緣子根部應(yīng)力。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步建立電抗器耦聯(lián)模型，與單體模型進(jìn)行基頻、振型和動(dòng)力響應(yīng)比較，確定耦聯(lián)效應(yīng)對(duì)電抗器地震響應(yīng)的影響。

1 ±800 kV干式平波電抗器模型

所研究的±800 kV干式平波電抗器結(jié)構(gòu)如圖1所示。該電抗器單體由電抗器本體、復(fù)合支柱絕緣子支撐(以下稱支撐絕緣子)以及其他構(gòu)造構(gòu)件如罩傘、支撐平臺(tái)、絕緣子上下支架等組成，其中支撐絕緣子采用傾斜形式布置。

圖1 干式平波電抗器單體(單位：mm)

如圖1所示，電抗器單體結(jié)構(gòu)整體高度為19.62 m，支撐絕緣子共12根，在本體下部均勻分布，支撐絕緣子單根總長(zhǎng)為14.4 m，傾斜角度為10°。上部電抗器本體與下部升高座固定連接，由于其質(zhì)量和剛度較大，因此可視為剛體。電抗器上的防噪聲罩等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件對(duì)結(jié)構(gòu)剛度影響較小，僅將其質(zhì)量轉(zhuǎn)化到了電抗器本體上。采用Abaqus軟件對(duì)該電抗器進(jìn)行仿真，電抗器本體采用實(shí)體單元，下部支撐絕緣子等采用梁?jiǎn)卧M，電抗器本體與支撐絕緣子通過不銹鋼平臺(tái)固定連接，其中：電抗器本體截面直徑為4.734 m，彈性模量為206 GPa，泊松比為0.3；下部支撐絕緣子直徑為280 mm，單根質(zhì)量為1772 kg，彈性模量為20 GPa，泊松比為0.24；不銹鋼支撐為十字形截面，彈性模量為72 GPa，泊松比為0.31。支撐絕緣子底部為六自由度約束，模擬剛性地面。電抗器豎直方向設(shè)定為Z軸，水平兩方向分別為X、Y軸。

2 模態(tài)分析

對(duì)干式平波電抗器模型進(jìn)行模態(tài)分析，可以得到該電抗器各階自振頻率及模態(tài)。該模型的前10階頻率和對(duì)應(yīng)的模態(tài)振型如表1所示。根據(jù)GB 50260—2013 《電力設(shè)施抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[25]推薦的場(chǎng)地需求譜，其平臺(tái)段為2.22～10 Hz，可見電抗器第3～10階頻率分布在平臺(tái)段，與地震動(dòng)的卓越頻率接近，地震下易產(chǎn)生類共振現(xiàn)象。同時(shí)，第3～10階振型均是由支撐部分引起，說明下部支撐相對(duì)于上部的本體更易受到地震影響。該電抗器的前4階振型如圖2所示，其中：1階、2階均為電抗器整體的彎曲模態(tài)，兩向相同；3階、4階分別為整體和下部支撐絕緣子的扭轉(zhuǎn)振型。

表1 平波電抗器單體前10階模態(tài)頻率和振型

3 抗震性能分析

3.1 地震波選取

所研究分析的平波電抗器位于8度設(shè)防地區(qū)。根據(jù)GB 50260—2013[25]，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.2g，場(chǎng)地類別為Ⅱ類，場(chǎng)地特征周期0.45 s。選取El Centro波、Landers波和新松波在模型基底進(jìn)行輸入，其中El Centro波和Landers波均為天然波，新松波為人工波。Landers波歸一化三向加速度時(shí)程如圖3所示，3條地震波的加速度反應(yīng)譜與規(guī)范給定的場(chǎng)地需求譜如圖4所示，3條地震波均能很好地覆蓋住需求譜，滿足規(guī)范要求。輸入3組地震波時(shí)，三向加速度比值為1∶0.85∶0.65[26]，這里以Y向?yàn)橹髡鸱较?，加速度峰值?.2g。

圖2 平波電抗器單體振動(dòng)模態(tài)

圖3 Landers波歸一化加速度時(shí)程(Y,X,Z)

圖4 所選地震波的反應(yīng)譜與需求譜

3.2 加速度響應(yīng)分析

平波電抗器放置于支撐絕緣子上部，支撐絕緣子相對(duì)于本體具有較低的剛度，在地震下表現(xiàn)出一定的柔度，因此絕緣子會(huì)將地震加速度進(jìn)行一定放大。為了更好地了解電抗器抗震性能，統(tǒng)計(jì)了3組地震動(dòng)下電抗器頂部的加速度峰值，并對(duì)3組地震動(dòng)結(jié)果取平均，同時(shí)并計(jì)算加速度放大系數(shù)如表2所示。

表2 單體模型加速度峰值及放大系數(shù)均值

由于電抗器各個(gè)方向輸入的地震動(dòng)加速度峰值不同，表2中加速度放大系數(shù)取各個(gè)方向加速度峰值與該方向地震動(dòng)加速度峰值之比。由表2可知，電抗器頂部加速度主震方向最大值為3.03 m/s2，出現(xiàn)在Landers波作用下，對(duì)應(yīng)加速度放大系數(shù)1.55，同時(shí)在Landers地震波下X向最大加速度為2.6 m/s2，對(duì)應(yīng)放大系數(shù)1.56。而頂部加速度在Z向放大系數(shù)均為1，說明Z向幾乎不存在放大效果。從平均值來看，水平兩向加速度均有所提高，而豎直方向沒有明顯放大效應(yīng)。另外，主震方向(Y向)的放大效果整體上強(qiáng)于X向，然而模型的水平兩向原則為對(duì)稱兩向，說明放大系數(shù)的大小與地震動(dòng)時(shí)程有關(guān)，證明了所提采用3條地震動(dòng)進(jìn)行研究的必要性。

3.3 相對(duì)位移響應(yīng)分析

位移響應(yīng)可以反映結(jié)構(gòu)在地震下的變形情況，且電抗器上部一般存在導(dǎo)線耦聯(lián)，若相對(duì)位移過大引起母線拉扯，容易引起設(shè)備的牽拉破壞，因此電抗器的位移響應(yīng)也較為重要。與加速度響應(yīng)分析類似，取電抗器本體頂部對(duì)于地面的相對(duì)位移進(jìn)行分析，所得相對(duì)位移數(shù)據(jù)如表3所示。

由表3可知，在峰值地面加速度為0.2g的地震下，頂部相對(duì)位移峰值最大達(dá)到210.44 mm，相對(duì)電抗器本體高度19.62 m具有相對(duì)轉(zhuǎn)角1.07%。其中，主震方向(Y向)最大相對(duì)位移出現(xiàn)在Landers地震波下，X向最大值也出現(xiàn)在此地震波下，為192.02 mm。從3組地震波結(jié)果及其均值看，水平兩向中，Y向相對(duì)位移明顯高于X向，仍然說明地震波對(duì)于地震響應(yīng)峰值有明顯影響。另外，豎向相對(duì)位移僅為0.01 mm，究其原理，電抗器整體在豎直方向上的剛度由各個(gè)支撐絕緣子的軸向剛度提供，因此具有較大的剛度抑制了豎向相對(duì)位移。

表3 單體模型相對(duì)峰值及均值

3.4 根部應(yīng)力響應(yīng)分析

提取3組地震動(dòng)下支撐絕緣子的根部的應(yīng)力峰值，其中，El Centro波、Landers波和新松波下的應(yīng)力峰值分別為16.08 MPa、30.47 MPa和22.09 MPa，均值為22.88 MPa。復(fù)合絕緣子材料的破壞應(yīng)力由廠商提供，為75 MPa，支撐絕緣子的安全系數(shù)根據(jù)規(guī)范取1.67[25]，因此臨界應(yīng)力為75 MPa/1.67=44.9 MPa。此時(shí)3組地震波下材料并未達(dá)到破壞強(qiáng)度，不會(huì)發(fā)生絕緣子的強(qiáng)度破壞。

4 耦聯(lián)效應(yīng)對(duì)抗震性能的影響分析

4.1 平波電抗器耦聯(lián)模型

在一些典型換流站中，平波電抗器以耦聯(lián)形式設(shè)計(jì)，一般為雙電抗器“T”型連接，如圖5所示。在Abaqus模型中，“T”型結(jié)構(gòu)采用線性梁?jiǎn)卧?，水平管母長(zhǎng)度為11.6 m，外徑為300 mm，壁厚為25 mm，豎向支柱長(zhǎng)為15.58 m，連接處均壓環(huán)采用Tie形式模擬，管母和電抗器本體連接處軟母線采用Axial模型模擬，該連接處距離電抗器底面0.2 m。其中，兩個(gè)電抗器沿著X向排列，地震輸入時(shí)Y、X、Z三向加速度峰值按照1∶0.85∶0.65的比例進(jìn)行輸入，Y向仍為主震方向。

圖5 平波電抗器耦聯(lián)模型

4.2 模態(tài)對(duì)比

耦聯(lián)后的平波電抗器體系前三階模態(tài)如圖6所示，前兩階模態(tài)振型分別為兩電抗器水平方向同向彎曲，第3階模態(tài)為兩電抗器水平方向異向彎曲。本質(zhì)上，耦聯(lián)帶來的影響僅為兩個(gè)電抗器在不同方向上的振型模態(tài)，前兩階彎曲振型與單體振型基本相同。從頻率角度分析，首先提取了耦聯(lián)體系的前10階頻率，分別為0.569 0～3.260 9 Hz。1階模態(tài)頻率為0.569 0 Hz，與單體相同，說明耦聯(lián)后對(duì)基頻影響不大；而前10階模態(tài)的范圍明顯小于單體情況，說明在前10階模態(tài)中，由于耦聯(lián)因素出現(xiàn)了一些低頻振型，其中包括了兩個(gè)電抗器的同向和異向模態(tài)以及T型連接結(jié)構(gòu)的局部振動(dòng)模態(tài)。

圖6 平波電抗器耦聯(lián)模型振動(dòng)模態(tài)

4.3 加速度響應(yīng)對(duì)比

同樣，對(duì)耦聯(lián)模型進(jìn)行地震響應(yīng)分析，提取電抗器頂部的加速度并計(jì)算放大系數(shù)，如表4所示。

表4 耦聯(lián)模型加速度峰值及放大系數(shù)均值

根據(jù)表4和表2，繪制單體和耦聯(lián)模型中電抗器頂部加速度峰值均值比較圖形，如圖7所示。表4中，頂部最大加速度峰值為2.90 m/s2，出現(xiàn)在Landers地震波下，相對(duì)于單體情況的最大加速度峰值3.03 m/s2有所減小，降低比例為4.3%。同時(shí)在X向加速度峰值也有所減小，由2.6 m/s2降為2.4 m/s2，降低比例為7.7%，說明電抗器的耦聯(lián)可以降低地震下電抗器頂部的加速度峰值，同時(shí)其放大系數(shù)也有所降低。圖7中由加速度峰值均值情況可以看出，電抗器水平方向加速度峰值在設(shè)備耦聯(lián)后均有所降低，豎直方向上沒有變化。

圖7 單體和耦聯(lián)加速度峰值對(duì)比

4.4 相對(duì)位移響應(yīng)對(duì)比

提取電抗器頂部的相對(duì)地面位移峰值，如表5所示，同樣根據(jù)表5和表3，繪制單體和耦聯(lián)情況的對(duì)比圖形，如圖8所示。

表5中，頂部最大相對(duì)位移峰值為210.64 mm，出現(xiàn)在Landers地震波下，相對(duì)于單體情況的最大相對(duì)位移峰值210.44 mm幾乎無變化。在X向相對(duì)位移峰值有所減小，由192.02 mm降為184.13 mm，說明電抗器的耦聯(lián)對(duì)地震下電抗器頂部的相對(duì)位移峰值具有一定抑制作用。圖8中由相對(duì)位移峰值均值情況可以看出，電抗器水平X向相對(duì)位移峰值在設(shè)備耦聯(lián)后有所降低，Y向略有增加，豎直方向上相對(duì)位移極小，沒有變化。其中，X向?yàn)樵O(shè)備耦聯(lián)方向，說明耦聯(lián)對(duì)于兩個(gè)電抗器在排列方向上的相對(duì)位移有所抑制，而在垂直于耦聯(lián)方向上對(duì)相對(duì)位移有提高作用。

表5 耦聯(lián)模型相對(duì)峰值及均值

圖8 單體和耦聯(lián)相對(duì)位移峰值對(duì)比

4.5 根部應(yīng)力響應(yīng)對(duì)比

提取電抗器支撐絕緣子的根部應(yīng)力峰值，如表6所示，同樣根據(jù)表6與前述單體結(jié)果，繪制單體和耦聯(lián)情況的對(duì)比圖形，如圖9所示。

表6 耦聯(lián)模型支撐絕緣子根部應(yīng)力峰值

圖9 單體和耦聯(lián)根部應(yīng)力峰值對(duì)比

表6中，根部應(yīng)力峰值最大為30.49 MPa，出現(xiàn)在Landers地震波下，相對(duì)于單體情況的最大根部應(yīng)力峰值30.47 MPa略有提高。由圖9中根部應(yīng)力峰值對(duì)比情況可以看出，3組地震波和均值情況下單體和耦聯(lián)差別極小，幾乎沒有變化，說明在0.2g地震下，所研究的平波電抗器進(jìn)行耦聯(lián)對(duì)于支撐絕緣子根部應(yīng)力幾乎沒有影響。

5 結(jié) 論

上面針對(duì)某典型±800 kV干式平波電抗器進(jìn)行了仿真模擬和模態(tài)分析，并通過迭代計(jì)算分析了設(shè)備在0.2g地震作用下的本體頂部加速度、位移和支撐絕緣子根部應(yīng)力，進(jìn)而通過電抗器耦聯(lián)模型研究了耦聯(lián)對(duì)各類地震響應(yīng)的影響。研究發(fā)現(xiàn)耦聯(lián)對(duì)于0.2g地震作用下的本體頂部加速度峰值有所降低，對(duì)耦聯(lián)方向上的頂部相對(duì)地面位移峰值有所抑制，對(duì)于支撐絕緣子根部應(yīng)力峰值則影響不大。工程中可采用各類減震隔震措施對(duì)電抗器特定方向的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行控制，以保證電抗器在地震下的結(jié)構(gòu)安全。