高地震烈度地区悬吊式换流阀抗震性能及限位措施研究

张立红，胡 晓，曾 迪，邸庆霜，吕 玮

（中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100048）

1 研究背景

我国地域辽阔，各地区能源供求分布不均，西南地区水电能源丰富，用电负荷中心则主要为东部沿海和南部地区。随着国家经济的发展和城市化水平的不断提高，为解决资源和需求不匹配的矛盾，涌现出一大批特高压直流输电工程［1］。

近几年全球正处于地震活跃时期，受太平洋板块、印度板块和菲律宾海板块的挤压，西南地区是我国最大的一个地震区，也是地震活动最强烈、海拔最高的地区。国内外大量的实际案例表明，地震是最有可能造成电力系统严重破坏的原因之一，因为地震不仅会直接造成电气设备的故障和破坏，甚至会引起整个电力系统的瘫痪，从而导致数百万千瓦的电力缺口，影响范围大［2-4］。因此，电力系统的抗震研究已经成为国内外地震工程研究的重要课题之一［5-10］。作为电力系统中的重要组成部分——换流阀的抗震性能研究，尤其是其在强震作用下的抗震安全性研究已成为研究热点［11-14］。

国外学者对于换流阀的抗震安全研究起步较早［15-16］。Larder等［16］人对支撑式换流阀和悬吊式换流阀的对比研究结果表明：悬吊式换流阀具有更好的抗震特性，其基频约为0.15Hz，避开了地震主频，小于支撑式换流阀的基频；在相同地震波的激励下，悬吊式换流阀的应力响应远小于支撑式，但是其位移响应更大。为应对高烈度地区悬吊换流阀可能产生的大位移，Enblom等［17］人在新西兰的北岛换流站工程中对悬吊换流阀的底部和顶部均施加了弹簧阻尼装置作为限位措施。但是出于技术保护的考虑，对于限位措施的效果及具体技术细节并未公开。

随着国内特高压输电工程的飞速发展，悬吊换流阀的抗震特性研究也引起了国内学者的关注和研究［13，18］。文献［19-20］主要利用反应谱法对悬吊换流阀开展了抗震分析。因悬吊式换流阀设备具有“高、大、柔、重”等特点，其整体结构呈现明显的几何非线性；因此基于线性叠加原理的反应谱法不适用，需要采用时程分析方法进行抗震分析。文献［21-22］采用有限元数值计算和振动台试验等方法开展了换流阀厅的动力特性研究；焦勇等［23］以包括换流阀与阀厅的二维有限元平面模型为研究对象，开展了阀厅的模态分析和动力时程分析。但他们的研究重点关注悬吊换流阀对阀厅主体结构动力特性的影响，而对悬吊换流阀本身的动力特性研究较少。刘爱国等［13］以换流阀三维有限元模型为研究对象，利用放大系数的方法考虑了阀厅对地震动的放大效应，进行了动力时程分析，其结果显示：采用提高铰接处旋转刚度的限位措施，换流阀水平位移响应峰值有所改善，限位效果仍有待进一步提高。

因此，对于高烈度地区换流站而言，抗震性能更优的悬吊式换流阀显然是更好的选择。但是，目前国内对其抗震性能的研究以及工程经验尚显不足，若限位措施不当，较大的水平位移可能会带来阀厅内设备布置上的困难，甚至可能引起与换流阀相连的其他设备以及连接金具的破坏。因此建立换流阀-阀厅整体结构三维模型，研究悬吊式换流阀的抗震性能以及有效的限制位移措施，对于相关学科和实际工程具有重要的参考价值和指导意义。

2 悬吊式换流阀的抗震性能

2.1计算模型本文研究依托滇西北至广东特高压直流输变电工程项目，送端新松±800kV换流站位于云南省剑川县，海拔高度2 400 m。根据《中国地震动参数区划图》（GB 18306－2016）［24］，站址地震基本烈度为8度，按GB 500260－2013《电力设施抗震设计规范》的规定［25］，工程中电气设备抗震设计提高一度，按照9度进行设防，水平地震加速度峰值取为0.4 g。

直流换流阀塔主要由阀模块、顶屏蔽罩、底屏蔽罩、阀避雷器、母排等部件构成，不同层的阀模块之间由层间绝缘子连接，顶部由悬吊绝缘子串连接到阀厅横梁上。需要说明的是，悬吊绝缘子两端与模块等的连接均为销钉连接，即连接处可沿一个方向转动。由此可见，悬吊绝缘子的连接特性，将使得整个换流阀装置系统在地震作用下呈现大位移、大转动的几何非线性。

本文所研究的换流阀塔有限元模型如图1所示，阀塔总重约14.5 t，阀塔设计总高13.5 m，其中顶部悬吊绝缘子长度为6.5 m。换流阀及阀厅结构主要材料属性如表1所示。

在实际工程中，阀塔是通过挂阀梁悬挂在阀厅中，阀厅结构对阀塔的地震响应具有一定的放大效应，为了更准确地研究阀塔的动力特性，阀厅的影响不可忽略。本文将建立包括阀塔和阀厅的三维整体模型进行动力分析以获取其真实地震响应。整体结构有限元模型及坐标系的设置如图2所示，沿阀厅短轴方向为x向，长轴方向为y向，竖直方向为z向。悬吊处销钉的特殊连接方式，模型中采用ANSYS软件中耦合自由度（CP）的方法放松其相应转动自由度来模拟。

表1 主要材料参数表

图1 换流阀有限元模型及位移考查点位置

2.2模态分析求解结构体系的自振频率和振型模态称为结构的模态分析，通过模态分析可以快速反映结构体系的主要振动特性，从而为后续结构动力分析提供参考。与一般支撑类设备的模态求解思路不同，悬吊式换流阀的模态求解，还应当考虑由其自重所引起的悬吊绝缘子内拉应力的影响。因此在进行模态分析之前，首先需要完成重力荷载作用下的静力分析，随后利用ANSYS软件的“PSTRES，ON”命令考虑预应力的效应进行模态求解［20］。

图2 悬吊式换流阀塔及阀厅整体模型

由图3所示的模态分析结果表明：换流阀塔一阶频率为0.17 Hz，振型主要为沿水平y向的平动，二阶频率0.20 Hz，振型主要为沿水平x向的平动，三阶频率为0.23 Hz，振型为换流阀绕竖直z向的转动；而阀厅厂房结构的基频为1.58 Hz，振型为沿阀厅长轴方向即y向的平动。可此可见：系统的低阶振型较好地避开了地震和厂房的峰值频率（1.1～8.0 Hz）［13］，因此在地震中换流阀的晃动幅度将会得到控制，从而可以保障整体结构的抗震安全。

图3 阀塔阀厅结构的主要振型图

2.3时程分析如前所述，由于悬吊式换流阀塔结构体系存在几何非线性，为获得其真实地震响应，本文选用逐步积分法对整体结构模型进行时程分析。

图4 人工合成地震波时程图

2.3.1 地震波荷载 本项目所在工程场地的类别为II类，特征周期0.55 s。根据《电力设施抗震设计规范GB502620-2013》的相关规定［25］：当采用动力时程分析法进行抗震设计时，输入地震动时程不应少于3条，其中至少应有1条人工合成地震动时程。因此本文选取EL-Centro波、Taft波和1条人工合成地震波分别进行时程分析。每条地震波在x、y、z三个方向的加速度峰值分别为0.34 g、0.4 g和0.26 g，其中人工合成地震波的加速度时程如图4所示。数值计算中采用瑞利阻尼，结构阻尼比取0.02，质量阵系数和刚度阵系数分别取值0.04和0.007。

图5 考查点位移响应曲线

表2 考查点位移峰值（单位：m）

表3 关键部位最大应力 （单位：MPa）

2.3.2 时程分析结果 在人工合成地震波作用下，阀塔上4个考查点（如图1中所示）的位移响应如图5所示。可见挂阀点的位移明显小于悬吊阀塔的位移响应，对于阀塔而言，距离挂阀梁越远的考查点，其位移响应越大，且水平位移大于竖向位移。在3条地震波的作用下，阀塔的位移响应峰值见表2所示。可知在人工合成波作用下，阀塔位移响应峰值为1.45 m。阀塔关键部位的应力峰值具体结果见表3。可以看出，关键部位的应力峰值均远小于材料允许应力值，因此悬吊式阀塔确实具有优越的抗震性能，但是其水平位移响应峰值确实较大，这也与相关文献研究结论一致［13，16］。

3 限位措施

图6 限位措施示意图

图7 限位措施下阀塔上3个考查点的y向位移时程

3.1限位措施概述由前述时程分析结果可知，悬吊式换流阀在地震作用下产生的水平位移较大；虽然能够保证其自身结构的安全，但过大的位移可能会引起与之相连设备的破坏，因此需要采取一定的限制位移措施。国外实际工程中也有限位措施的应用先例［17］，但是出于技术保护的考虑，并未公开具体措施的细节及限位效果。根据美国IEEE Std 693-2005规范［26］中对悬吊设备安装方法的指导意见，本文所采用的限位措施如图6所示，即在设备底部设置刚度为1000 kN/m的弹簧拉索装置以限制阀塔的水平位移。3.2限位措施对比分析结果对施加限位措施后的阀塔阀厅整体模型，在人工合成地震波作用下的动力响应进行时程分析。图7为采取限位措施后阀塔上同样的3个考查点沿y向的位移时程响应结果，最大y向位移仅为0.53 m，比无限位措施的位移响应削减60%；由图7中各个考查点位移时程曲线同时可以看出施加限位措施后阀塔的最大位移发生在阀塔的中部位置（塔2），而不是阀塔底部（塔1）。表4和表5展示了施加限位措施前后阀塔位移和应力的对比情况，可以看出：采取限位措施后，阀塔顶部和层间绝缘子的应力有所增大，但是仍远小于其允许破坏应力，不影响其自身结构安全；但施加限位措施后，换流阀塔的位移响应明显减小，可极大地改善相连其他设备的安全性。图8为限位措施方案中，底部弹簧拉索装置的拉力时程图，最大拉力约20.6 kN，远小于拉索的额定拉力500 kN。

表4 限位措施对阀塔最大位移值的影响

表5 限位措施对阀塔关键部位应力峰值的影响

图8 底部拉索拉力时程图

4 结论

本文以滇西北至广东特高压直流输变电工程中送端新松换流站为背景，采用数值模拟的研究方法对高地震烈度地区悬吊式换流阀抗震性能及限位措施开展了研究工作，主要结论如下：（1）建立了考虑阀厅结构在内的换流阀—阀厅三维整体有限元模型，并利用耦合自由度（CP）的方法准确模拟了换流阀与阀塔之间的连接方式。（2）模态分析的结果显示悬吊阀塔的基频为0.17 Hz，明显低于阀厅结构的基频1.58 Hz，这说明悬吊式阀塔的低阶频率很好地避开了地震波和阀厅的峰值频率。（3）因悬吊换流阀具有大转动的几何非线性，因此采用逐步积分法进行动力时程求解，时程分析结果表明悬吊阀塔的水平位移大于竖向位移，且阀塔上距离挂阀梁越远的部位，其位移响应值越大。（4）为了减小悬吊换流阀在地震作用下发生的水平位移，在换流阀底部施加弹簧约束装置，分析结果表明这一限位措施具有明显的限制位移的效果，但是在工程中具体实施时需要注意解决好杂散电容的影响。

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