基于ANSYS模型的2000kV直流电压发生器抗震性能评估

王少华，孙红燕

（1.中国南方电网超高压输电公司检修试验中心，广东 广州510663；2.广东汇安恒达管理顾问有限公司，广东 广州 510507）

基于ANSYS模型的2000kV直流电压发生器抗震性能评估

王少华1，孙红燕2

（1.中国南方电网超高压输电公司检修试验中心，广东 广州510663；2.广东汇安恒达管理顾问有限公司，广东 广州 510507）

通过建模仿真，对特高压基地2000kV直流电压发生器自振特性、考虑基础滑移的发生器结构地震反应进行了分析，并对发生器结构的抗震性能进行了验算，验证了抗震性能满足设计要求，为设备设计、制造和使用提供技术支持。

直流电压发生器；抗震性能；自振特性；构件强度；瞬态抗倾覆

直流高压发生器是重要的电力试验仪器，提供直流高压源，专门用于检测直流输电工程换流变等电力设备的电气绝缘强度和泄漏电流。该产品设计成功与否不仅在于功能是否达到初设，其抗震性能评估也是整个产品设计必不可少的一环。

1 发生器结构概况

特高压基地2000kV直流电压发生器为室内可移动高压电气试验设备，高21.3m。该设备立面图如图1所示。发生器结构底座高0.35米，为钢结构，底座质量0.75kg，质量约为5.117t。另外两个高约2m的变压器也安装在底座上，通过保护电阻与发生器本体结构相连接。发生器结构主要由7根绝缘立柱组成，按照四排布置。立柱之间的斜撑从第一级柱开始呈Z字型布置，至发生器结构的顶部。位于顶部的大屏蔽罩由槽钢、钢管、蒙皮组成。质量为4.2t，由所有立柱共同支撑。发生器结构明置于厂房内的地基基础表面，根据《建筑抗震设计规范(GB50011-2010)》[1], 该设备使用场地抗震设防基本烈度为7度（地震峰值加速度0.1g，第1组）,g=9.81m/s2为重力加速度。

根据《电力设施抗震设计规范（GB50260-2013）》[2]的要求，当场地的地震设防烈度为7度时，应分别在两个水平方向输入地震动进行发生器结构地震反映分析。由于发生器结构明置于场地表明,需进行可滑移状态下的结构地震反应的过程分析，至少需输入3条地震波（应有1条为根据规范反应谱人工生成的地震波）。

图1 发生器结构立面图

2 发生器结构的自振特性分析

2.1 分析模型与计算参数

根据发生器结构的特点，计算所用的有限单元模型如图3，其中绝缘管立柱和高压硅堆均采用三维梁单元模拟，各立柱间的水平连杆与斜撑杆均采用杆单元模拟。

图2 发生器结构平面图

图3 发生器结构的有限元模型

图4 个柱底截面编号图

根据发生器结构的特点，计算所用的有限单元模型如图3所示，其中绝缘管立柱和高压硅堆均采用三维梁单元模拟，各立柱间的水平连杆与斜撑杆均采用杆单元模拟，分布在各节点上的顶部屏蔽罩、腰型均压罩和各种非结构组件的质量用质量单元来模拟，各个集中质量单元施加于各自所在的节点处，大屏蔽罩内的梁和杆采用三维梁单元模拟，底板使用壳单元和梁单元建模。这样，在分析模型中共有52个杆单元、40个壳单元、627个三维梁单元和424个质量单元，共有378节点和970个自由度。图4为各立柱底部截面位置及编号，其中编号1和2为变压器，为非结构构件，不验算其抗震性能。

根据材料性能资料，绝缘立柱和高压硅堆均为环氧玻璃丝缠绕管，其物理力学性质如下：抗弯强度为470MPa，轴向抗压强度为297 MPa，横向抗剪强度为32 MPa。材料的密度、弹性模量分别为1890kg/m3、2.1x1010N/m2,泊松比取为0.35,底板的工字梁和壳均为Q235钢，该材料的物理力学性质如下：弹性模量为2.06x1011N/m2,泊松比为0.3，质量密度为7850kg/m3,抗拉压强度为215MPa。根据有关试验资料[3]，发生器结构的阻尼比取为0.0124，满足规范不大于0.02的规定。

2.2 结构自振特性

应用通用有限元程序ANSYS中的Block Lanczos方法，计算了发生器结构的前20阶振型，对应各阶自振频率及振型参与系数分别列于表1中。从振型参与系数的比较中可以看出，发生器结构的第1阶振型是以y方向（沿底板短轴方向）水平振动为主的振型，第4阶振型是以x方向（沿底板长轴方向）水平振动为主的振型。

表1 发生器结构的自振频率及振型参与系数

3 考虑基础滑移的发生器结构地震反应分析

3.1 动力方程

考虑基础滑移的影响，对弹性发生器结构进行地震反应计算，是符合明置式结构地震反应的实际情况。为此，本节考虑基础滑移的影响，用实体单元模拟底座及基础，并在两者之间生成基础单元，采用通用有限元程序ANSYS软件建模来计算结构的滑移地震反应。

时程分析采用直接积分法，在计算中假定阻尼矩阵为Rayleigh比例阻尼[4]：

式中，[M][K]为质量矩阵和刚度矩阵，系数αβ由第m、n阶振型阻尼比当有：

结构x方向前两阶频率为f1=1.748Hz，f2=8.509Hz；y方向前两阶频率为f1=1.057Hz，f2=4.040Hz。输入地震波分别为EI Centro波，Taft波和人工波，三条波反应谱的卓越频率分别为2.13Hz，2.85Hz，1.92Hz。由于发生器结构在两个水平方向的第2振型频率都高于输入地震波反应谱的卓越频率，考虑到地震波频谱特性对阻尼矩阵形成的影响，为此选择与地震波输入方向一致的结构基频和第2阶自振频率作为形成Rayleigh阻尼矩阵的两个频率参数，即

对于不同的地震输入工况，采用表2中的频率来形成Rayleigh阻尼矩阵。

表2 确定Rayleigh阻尼矩阵的两个频率参数

3.2 输入地震波

所选取EI Centro波，Taft波和人工波的时程及反应谱如图5所示，三条地震波的峰值加速度都调整为0.1g。

图5 输入水平地震波时程及其反应谱

3.3 计算结果

由于发生器结构直接明置于地表之上，因此在发生器结构地震反应的计算中假定场地地基是刚性的，并同时考虑结构自重的影响进行滑移地震反应计算。若滑移面为水磨石地表时，则取发生器结构与水磨石地表之间的摩擦系数为0.2。考虑到水平地震输入峰值为0.1g，在这样强度的地震激励下，结构并不会发生滑移，因此在验算发生器结构的强度是否满足抗震安全性要求时，结构的地震反应计算以不会发生基础滑移为前提条件，同时计入重力荷载的影响。由于图4中的柱3、4、5、6的横截面和连接状态相同，柱789的横截面和连接状态相同，因此将发生器结构中的7跟立柱分为两类，以每一类立柱中水平连杆为两类：连接柱56的水平连杆（以下简称水平连杆1）和连接柱789的水平连杆（以下简称水平连杆2）。

表3、4中列出了3条地震波不同水平方向激励下这两类柱底地震反应的峰值。斜连杆的最大轴力为26028.13N，水平连杆1的最大轴力为403.4N，水平连杆2的最大轴力为392.26N。

表3 x水平地震激励下发生器结构地震反应值

表4 y水平地震激励下发生器结构地震反应值

从表中屏蔽罩顶部位移的比较可以看出，y向（沿底座短轴方向）的地震作用效应明显大于x向（沿底座长轴方向）的地震作用效应。

4 发生器结构的抗震性能验算

4.1 构件强度验算

由于各立柱都是圆形截面，按照表3、4中同一截面的最大地震内力组合（即表3和表4中粗体表示的内力值）进行抗震性能验算，不区分输入地震波，也不按照x、y方向的内力值分别验算，这样做偏于安全，表5中列出了水平地震输入下结构主要构件强度安全系数的计算结果。数据表明，这些结构构件的强度安全性达到了要求。由于发生器结构中各柱的柱底截面内力最大，因此当这些柱底截面处的各项强度安全性指标达到要求时，其他各截面也必然满足要求，不再一一复核。

表5 结构构件强度验算（单位：MPa）

4.2 法兰连接抗震性能验算

根据在三种地震波激励下的发生器结构地震反应峰值，进行法兰连接的抗震性能验算，包括连接螺栓强度验算和法兰盘厚度验算。

由于柱子的截面和连接分为两类，下文分别对柱3-6和柱7-9进行验算。

4.2.1 柱3-6法兰连接验算

由计算结果可知，立柱4-6与底座连接处的弯矩及剪力最大，对应的螺栓最不安全，由于各柱的螺栓布置相同，所以验算立柱3-6底截面处法兰的连接抗震性能，若满足安全性要求，则其他截面处法兰的拦截抗震性能也满足要求。不再一一列出。立柱3-6底截面的弯矩和剪力分别为：35239N.m和12951N，该截面处不始终受压，最大轴拉力为127223N。柱下螺栓布置为12xM20，强度均为8.8级，有效直径为17.65mm，有效面积为245mm2，为A级普通螺栓。根据《钢结构设计规范（GB50017-2001）》,螺栓的抗剪强度

①支座处螺栓抗剪强度验算

螺栓在水平地震时的承剪面积为

②支座处螺栓抗拉性能验算

当螺栓受压弯共同作用时，一个螺栓所对应的管壁段中的拉力为：

截面上的螺栓不完全受拉，按照规范绕旋转轴②转动，则有：

根据《高耸结构设计规范（GBJ50135-2006）》[7]和《架空送电线路杆塔结构设计技术规范》（DL/T 5154-2002）[8]中相关规定，同时参考了《大型法兰盘在输电塔中的应用研究》[9]，法兰盘底板必须平整，其厚度t应按下式计算，且对小型塔不小于16mm。

式中：t为法兰底盘板厚度；Mmax为法兰盘铝材抗弯强度设计值，取为35MPa。Mmax可以由式（4）计算确定。

其中可以查表得到， q可由式（5）计算得到。

式中Lx为相邻两螺栓间的圆弧长度，Ly为两螺栓间扇形面积的等效矩形的短边长度。

表6 弯矩系数

取底截面处法兰进行验算（此为最不利截面），此处轴力为127223N，经计算法兰板承受的均布压应力为q=2.01N/mm2，Lx=151.8mm，Ly=90mm,则查表可得：

由上式求得t=22.23mm,实际设计厚度为120mm，满足要求，同时参考建筑结构中的《高耸结构设计规范（GBJ50135-2006）》,也满足不小于16mm的要求。

4.2.2 柱7-9法兰连接验算

由计算结果可知，立柱7-9与底座连接处的弯矩及剪力最大，对应的螺栓最不安全。由于各柱的螺栓布置相同，所以验算立柱7-9底截面处法兰的连接抗震性能，若能满足安全性要求，则其他截面处法兰的链接抗震性能亦可。立柱4底截面的弯矩和剪力分别为：5390N.m、2218N，该截面处不始终受压，最大轴拉力为14696N。柱下螺栓布置为8xM16，强度均为8.8级，有效直径为14.12mm,有效面积s为156.7mm2，为A级普通螺栓。根据《钢结构设计规范（GB50017-2003）》[6]，螺栓的抗剪强度为，抗拉强度

（1）支座处螺栓抗剪强度验算

（2）支座处螺栓抗拉性能验算

当螺栓受压弯共同作用时，一个螺栓所对应的管壁段中的拉力为：

截面上的螺栓不完全受拉，按照规范绕旋转轴②转动，则有：

满足要求。

（3）法兰连接板厚度的验算

同上取底截面处法兰进行验算（此为最不利截面），此处轴力为14696N,经计算法兰板承受的均布压应力为,则查表得到

由上式求得t=12.88mm，实际设计厚度为15mm，满足要求，但设计厚度略小于《高耸结构设计规范（GBJ50135-2006）》中不小于16mm的要求。由于《电力设施抗震设计规范（GB50260-2013）》中没有对连接法兰最小厚度提出具体要求，列出建筑结构中《高耸结构设计规范（GBJ50135-2006）》仅供参考。

在人工作用下，发生器结构底座的滑移位移和残留位移值最大，分别为4.69cm和4.1cm。建议发生器周边建筑物及相关设备至少相距15cm以上，以防止地震时碰撞发生。

4.3 发生器结构的瞬态抗倾覆稳定性验算

通过仿真可以得出，在EI Centro波、Taft波、人工波沿短轴水平方向作用于结构时，发生器结构的最小抗倾覆稳定系数为分别为2.069、1.9886和1.6838；当三条地震波沿长轴水平方向作用与结构时，发生器结构的最小抗倾覆稳定系数为分别为2.2121、3.5801和2.7224。这再次表明y向（沿底座方向）的地震作用效应明显大于x向（沿底座长轴方向）的地震作用效应。当把结构的阻尼比提高到规范规定的上限制2%且地震波作用于y向时，发生器结构的最小抗倾覆稳定系数为分别为2.1803、2.1855和1.7741，略高于阻尼比为1.24%的计算结果。

5 结论

根据直流电压发生器安装现场提供的数据建模，评估直流电压发生器抗震性能，结果如下：直流电压发生器结构满足强度方面、抗倾覆稳定性要求，常态下无滑移危险，满足抗拉强度要求，符合受力计算要求。

[1] 中华人民共和国国家标准.建筑抗震设计规范（GB 50011-2010）[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[2] 中华人民共和国国家标准.电力设施抗震设计规范（GB 50260-2013）[S].北京：中国计划出版社，2013.

[3] 同济大学土木工程防灾国家重点实验室.常州东芝2000kV/30mA直流电压发生器结构抗震性能分析研究报告[R].2010年5月.

[4] R.W.Clough and J.Penzien.Dynamics of Structure.New York:McGraw Hill,Int[M].1993.

[5] 董云,楼梦麟.基于结构基频确定Raylwigh阻尼系数的优化方法机器讨论[J].湖南大学学报（自然科学版），2014,41(2)：8-13.

[6] 中华人民共和国国家标准.钢结构设计规范（GB 50017-2003）[S].北京：中国计划出版社，2003.

[7] 中华人民共和国国家标准.高耸结构设计规范（GB 50135-2006）[S].北京：中国计划出版社，2006.

[8] 中华人民共和国电力行业标准.架空送电线路杆塔结构设计技术规定（DL/T5154-2001）[S].北京.电力规划出版社，2002.

[9] 冯德奎.大型法兰盘在输电塔中的应用研究[D].同济大学硕士学位论文，2007.

Seismic Performance Assessment of 2000kV DC Voltage Generator Based on ANSYS Model

WANG Shao-hua1, SUN Hong-yan2
(1 M&T Center of EHV Power Transmission Co., Ltd., of CSG, Guangzhou 510663, China;2 Guangdong Huianhengda Management Consulting Co., Ltd., Foshan 528200, China)

The seismic performance of 2000kV DC voltage generator is studied. Through modeling and simulation,the natural vibration characteristics of the 2000kV DC voltage generator and the structure of the generator with the base slip are analyzed, and the seismic performance of the generator structure is checked. It is proved that the seismic performance meets the design requirements, and provides technical support for the design, manufacture and use of the equipment.

DC voltage generator; seismic performance; natural vibration characteristics; component strength;transient anti overturning

TM933.2

A

1672-2841（2016）03-0022-06

2016-07-10

王少华，男，工程师，硕士，研究方向为电力工程及输配电技术。