基于有限元的特高压阀厅-阀塔抗震分析

张伟为，于海波，高 彪，解鹏程，张子敬

(南京南瑞继保工程技术有限公司，江苏 南京 211102)

基于电压源换流器的柔性直流输电技术可控性强，适合于电力远距离输送，因此在解决电网兼容、跨区域输电中具有广泛应用[1-3]。直流换流阀是换流站中的核心设备，其质量一般较大，工作电压通常高达数百千伏，因此其在阀厅内的抗震性能直接关系到直流输电系统的运行安全[4]。针对换流阀阀厅及阀塔结构，开展整体抗震研究，对确保直流工程安全运行，具有十分重要的意义。

目前常用的换流阀结构设计方案均采用柔性悬吊结构，阀塔顶端悬吊于阀厅的吊装框架上以满足抗震要求。由于系统复杂且重要性较高，换流阀及换流站的抗震研究及设计日渐成为特高压工程研究的热点[5-7]。对于换流阀厅，马勇杰、余萍等[8-9]基于有限元技术建模，分析了换流站的地震响应；黄利军[10]在仿真分析基础上，引入实验检测技术，分析了阀厅的动态特性。但他们侧重于研究阀厅结构，所建阀塔模型十分简单，并未重点分析阀塔的力学性能。对于阀塔的仿真，Larder、Wu等[11-12]通过优化阀塔结构,提高了抗震性能。Maison等[13]基于反应谱分析法对ABB换流阀结构进行了数值仿真，并提出设置阻尼器进而减小地震响应的设计思路；吴小峰等[14]通过建立较为精细的阀塔有限元模型，进行了有限元仿真分析；Wu等[15]通过对比研究一维和三维地震波输入下的响应，发现了阀塔的扭转效应，进而提出应使用三向地震波开展阀塔分析。但此类分析忽略了阀厅与阀塔的相互作用，仅仅针对阀塔本身展开仿真计算。

随着有限元分析技术的发展及人们对地震研究的深入，采用更加完整的建模思路，考虑阀厅与阀塔的振动耦合因素，建立阀厅-阀塔联合仿真模型，在设计初期开展整站抗震分析，保证工程安全，具有非常重要的意义。

1 抗震分析方法

目前，关于抗震的仿真分析方法主要有以下3种：1)模态分析；2)响应谱分析；3)时程分析。

从理论上讲，时程分析是较准确的模拟动态分析方法，但其计算量大，且分析较为复杂，目前对于换流阀的分析多采用响应谱法[5,16-18]。

本文在建立的阀厅-阀塔整体仿真分析模型的基础上，使用时程分析法，以期对钢结构阀厅与悬吊阀塔结构在地震作用下的实际响应情况开展尽可能准确的分析。

2 换流阀阀厅-阀塔抗震分析

2.1 结构描述

图1所示为悬吊直流换流阀结构，采用模块化及柔性化设计。阀厅内悬吊6个阀塔，每个阀塔高约15m，由4层模块组件及上下屏蔽罩组成，每层模块组件由若干可控硅堆及电抗器等元件组成，质量约2.2t。阀塔顶部用4根复合绝缘子悬吊于阀厅屋架上，层间用12根悬吊绝缘子相连，以保证足够的旋转自由度。

图1 换流阀塔几何结构

目前换流站阀厅常采用混合结构体系，主体钢结构以焊接为主。阀厅的结构形式决定其所受悬挂负载作用在屋架梁上，再由屋架传递给地面支柱。在地震工况下，换流阀抗震性能及阀厅对阀塔的影响，是本文研究的重点。

2.2 计算模型建立

换流站的阀厅及阀塔结构均较为复杂，在开展整体仿真分析之初，需针对具体实物模型建立有限元分析模型。综合考虑计算规模及结果的准确性，对阀厅-阀塔整体仿真模型做如下假设：

对于阀厅，考虑钢柱和横梁的拉、压及弯曲应力，需采用Beam188梁单元；剪力墙为薄壁结构，采用Shell181薄壳单元；地面支撑钢柱的约束采用固定支座方式；换流变剪力墙的约束采用有限个边界点完全约束的形式。计算模型如图2所示。

图2 阀厅有限元模型

对于阀塔，为便于进行时程分析，对原始几何模型进行了一定的简化，具体简化原则如下：

1)悬吊绝缘子上下连接为铰接，绝缘子仅受拉或压应力，因此简化为二力杆力学模型。将顶部4根绝缘子及所有层间绝缘子用Link180杆单元进行模拟。

2)阀组件的铝框架、绝缘横梁、层内支撑绝缘子为主要的承重结构，需要考虑其拉、压、弯等受力，因此简化为梁结构，采用Beam188梁单元进行模拟，并分别设定截面属性。

3)绝缘栅双极型晶体管、电抗器等元器件在建模时，考虑到设备外壳结构，需简化为能分析一定厚度壳体的壳单元，采用Shell181壳单元进行模拟。

4)对于各处的铰接结构，通过释放单元自由度，实现铰接处理。单个换流阀塔的节点总数为18 372，网格总数为17 789。

5)坐标系采用右手笛卡尔坐标系，X向为换流阀塔水平长边方向，Y向为换流阀塔水平短边方向，Z向为换流阀塔竖直方向。

建立的阀塔有限元模型如图3所示。

图3 换流阀阀塔有限元模型

将6个阀塔悬挂在阀厅模型中，阀塔吊索顶点和对应悬挂点通过CP(节点)耦合实现连接。6个阀塔共24个悬挂点，均通过CP耦合实现连接。最终的有限元模型如图4所示。整体结构节点总数为118 314，网格总数为114 912。整体分析模型如图4所示。

图4 阀厅-阀塔整体结构有限元模型

仿真分析需考虑材料特性，阀厅-阀塔模型中各主结构材料参数见表1。

表1 材料参数

根据阀厅内设备安装方式可知，此时阀塔的长边方向(X向)对应阀厅的短边方向，阀塔的短边方向(Y向)对应阀厅的长边方向。

2.3 计算载荷作用

换流阀分析模型规模庞大，且难以收敛，因此其他研究更多地采用反应谱法开展分析，但此方法不能反映结构动力学特性随时间变化的规律。本文的研究以EI Ccentro、Taft两种地震波作为输入，采用更复杂的时程分析，研究整体结构动力学响应情况。

2.4 阀厅-阀塔模态分析

依据GB50260—2013，直流换流阀的结构阻尼比取2%[19]。通过模态分析，得到结构主振型及自振频率(考虑到阀厅悬挂6个阀塔时类似的主振型会重复出现6次，不利于分析，此处模态分析针对阀厅-单阀塔进行)，结果见表2。

表2 悬挂单个换流阀塔模态计算结果

根据模态分析的振型图可知，其第一阶振型为基本的扭转形式，第二阶振型为沿纵向短边Y方向的振动，第三阶为沿横向长边X方向的振动。因为沿纵向短边Y方向更易受地震波影响，所以将地震波最大的方向加载在纵向短边Y方向，展开仿真计算。

2.5 阀厅-阀塔时程分析

对阀厅-阀塔整体有限元模型施加实际地震波(EI Centro与Taft)开展动力时程分析，结果如下。

2.5.1阀厅-阀塔模型计算结果

以Taft波为例，整体计算结果如下：悬挂6个阀塔的阀厅-阀塔整体模型中换流阀悬挂点处X方向的位移响应要大于Y方向的位移，其X方向位移最大值为0.05m(整体摆幅如图5所示)；换流阀的位移响应主要为水平方向的摆动，且越往底层摆幅越大，底层位置Y方向的位移响应要大于X方向的位移，其Y方向位移最大值为0.53m(图6)。

图5 整体摆动情况

图7所示为拉杆绝缘子的轴向力云图，最大轴向力为30 049.1N，发生在最上端悬挂用的4根拉杆绝缘子上。此时拉杆绝缘子的最大轴向拉应力为33.2MPa，拉杆绝缘子的屈服极限为450MPa，安全系数为13.6，材料满足强度要求。

图7 拉杆绝缘子的轴向力云图

2.5.2阀厅对阀塔的影响研究

分别加载EI Centro与Taft波，对单阀塔、阀厅-阀塔整体模型分别展开分析。对比整体计算模型与仅考虑阀塔的计算模型间的差异，探究阀厅对阀塔的影响。

由于底层位移响应最大，提取阀塔底部水平向位移峰值进行对比，结果见表3。

表3 整体模型及单塔模型位移峰值对比 m

分析可知，地震波经阀厅的放大作用之后，会导致阀塔的位移响应增大。以往分析阀塔的最大摆幅时，往往是对单塔模型直接使用峰值放大系数进行预估，但此方案会造成摆幅结果的偏差。

由于悬挂在阀厅内的换流阀与其他设备(如换流变)等均通过套管相连，阀塔的最大摆幅直接决定相连接设备及整个换流站的运行安全。因此，采用阀厅-阀塔联合分析模型，定量考虑阀厅对阀塔放大作用的分析方法，对特高压换流阀的设计及分析具有一定的应用价值及工程意义。

3 结论

1)X向、Y向的水平摆动及Z轴的扭转是影响换流阀地震响应的主要振型，在分析中应重点考虑；

2)三向加载地震波，分析阀厅悬挂点位移、换流阀最大摆幅、悬吊绝缘子最大应力等，结果均满足设计要求。

3)建立阀厅-阀塔整体有限元模型，能更加准确地模拟实际工况，定量分析阀厅对阀塔最大摆幅的影响，为换流阀直流工程建设提供了新的设计及分析方法。