支撑式换流阀塔的抗地震设计

高 彪，张伟为，于海波，刘国伟

(南京南瑞继保电气有限公司，江苏 南京 211100)

柔性直流输电在解决远距离、大容量输电，新能源分布式电源接入以及特大型交直流混合电网面临的诸多问题时，具有其独特的优势[1]。我国幅员辽阔，同时新能源发展较快，因此近几年我国的柔性直流输电发展进入高速期。同时，柔性直流输电的核心器件绝缘栅双极型晶体管、电容以及系统中的直流断路器也取得了较大进展，柔性直流输电正在往高电压、大容量发展，这就带来了阀塔的高度及质量的增加，同时对阀塔结构的抗震要求也越来越严格。一般柔性直流输电换流阀塔的抗震性能是通过理论粗略估算或者仿真分析进行评估[2-3]，但这样的计算模型可能会存在一定的偏差并且忽略一些阀塔结构细节。

本文以南京南瑞继保电气有限公司(以下简称本公司)的一款支撑式换流阀塔为研究对象，用仿真结合试验的方法分析阀塔的抗震特性，以便为换流阀塔结构的优化设计提供参考。

1 换流阀塔结构及仿真试验模型

该款支撑式换流阀塔中，几个子模块组成1个阀段，每层通过几个阀段组合后逐层叠加而成单塔，然后2个单塔背靠背通过斜拉绝缘子及连接件组成环抱式阀塔。该阀塔结构为单塔2段4层、两塔背靠背环抱而成，考虑到试验的可行性以及试验对象的考察价值，选择单塔1段4层、两塔背靠背环抱而成的结构作为计算和试验对象。在抗震性能方面，单塔2段4层的结构形式优于单塔1段4层的结构形式，因此如果单塔1段4层、两塔背靠背环抱而成的计算和试验对象通过抗震校核，则单塔2段4层、背靠背2塔环抱而成的结构也必然能满足抗震要求。

在考察阀塔承载能力时，考虑到阀塔内部实际子模块的生产成本较高，子模块以等质量、等质心的配重块代替。图1为本次仿真和试验的阀塔模型图，图中阀塔长约2.6m，宽约4.6m，高约10.0m，质量约16.5t。

图1 仿真试验模型示意图

2 换流阀塔抗震仿真分析

2.1 有限元模型

研究所用模型确定后，需要建立阀塔的有限元计算模型。本次抗震仿真分析基于有限元计算软件ANSYS，选取梁、杆、壳及质量单元[4-5]建立有限元模型并划分网格，得到如图2所示的有限元模型。

图2 换流阀塔有限元模型

2.2 静力及模态分析

首先进行静力校核，载荷为阀塔的自重。经过计算，阀塔的最大应力为13.5MPa，发生在第1层的框架型材处，如图3所示；最大变形为3.9mm，发生在第4层的绝缘横梁上，如图4所示。

图3 阀塔的静力分布图

图4 阀塔变形云图

通过阀塔的模态分析计算可以得到阀塔结构自身的动态特性，主要包括自振频率和模态振型。计算时考虑结构的静态自重预应力，然后提取结构的模态解并导入下一步地震波时程分析。结构的前10阶固有频率见表1。

表1 换流阀塔的前10阶固有频率

由表1可知，阀塔的前10阶固有频率均小于4Hz。

2.3 地震波时程分析

对结构的抗震仿真分析一般可通过响应谱分析或者时程分析进行，其中时程分析能更准确地获得结构在地震载荷作用下的动力特性。本文将进行时程分析，同时将时程分析的结果与抗震试验的结果进行对比。

输入国家电网公司规定的标准人工加速度时程波，将加速度时程波峰值调整为所要求的值，其中3个方向输入以X向为主方向，3个方向加速度峰值之比为X∶Y∶Z=1.00∶0.85∶0.65。根据GB 50260—2013[6]将最大加速度方向上(X向)时间历程加速度峰值调整为0.2g(对应于8级地震烈度，该阀塔结构设计目标即为满足8级烈度设防要求)，3个方向按上述加速度峰值比加载地震波开展仿真，下文的抗震试验也采用与本节相同的载荷，加载的激励波形如图5所示。

图5 仿真及试验加载的波形图

经过计算，发现阀塔的最大应力发生在第1层阀段框架的型材处，最大应力为46.3MPa，如图6所示。

图6 框架型材的应力分布图

阀塔阀基绝缘子作为关键零部件，其最大应力为16.6MPa，应力分布如图7所示。

阀塔底部斜拉绝缘子的最大应力为67.5MPa，斜拉绝缘子应力分布如图8所示。

阀塔整体的最大位移为41.05mm，发生在阀塔顶部，如图9所示。

所选用型材的屈服应力为170MPa，则框架型材的安全系数为3.67；所选用绝缘子的破坏应力为200MPa[7]，则绝缘子的安全系数为12.05；斜拉绝缘子破坏应力为400MPa，则斜拉绝缘子的安全系数为5.93。

图7 阀基绝缘子的应力分布图

图8 斜拉绝缘子的应力分布图

图9 阀塔形变分布图

该支撑式换流阀塔的抗震仿真结果表明：阀塔能够耐受8级烈度地震载荷的作用，各关键零部件的安全系数均满足GB 50260—2013所规定的大于1.67的要求。

3 换流阀塔地震试验

3.1 试验对象及试验目的

地震试验的对象为上述换流阀塔模型的实物，采用振动台测定试件的动力特性(自振频率、阻尼比)和地震反应。试验目的：1)根据实验结果，为数值模拟分析提供论证数据，进行仿真、实验对比；2)根据实验结果，为阀塔的设计提供参考。

3.2 试验内容及试验要求

试验内容为安装阀塔模型，加载地震波，测量整体及指定位置最大摆幅，测量部分位置的最大应力。试验要求如下：

1)进行三向地震试验；

2)振动台产生的试验反应谱(TRS)应包络要求的特高压标准反应谱(RRS)，两者谱值之差应为0%～50%，若TRS有少部分单个点在容差带之外且与试验设备共振频率错开也可接受；

3)导线为软连接，不考虑附加质量影响；

4)试件的安全系数不小于1.67，试验后应进行外观检查及结构力学性能检查，考察是否满足要求；

5)其他试验要求，参照GB 50260—2013及GB/T 13540—2009[8]的相关规定。

3.3 测点布置及试验载荷、工况

此次试验需测试阀塔各部位的加速度响应、应变。加速度响应采用加速度计测试，在台面、阀基绝缘子顶部、层间配重块和子单元、阀段横梁、顶部框架、顶部光缆槽水管等位置处布置接线。

阀塔各部件的应力通过布置应变片采集数据并计算，在底部阀基绝缘子根部、阀基斜拉杆、层间阀段立柱和绝缘子、层间斜拉杆、顶层单元间斜拉杆、层间横梁和框架纵梁等处根据仿真结果选择性布置接线。

完成阀塔实物搭建及传感器布置接线后的场景如图10所示。

图10 阀塔地震试验图片

试验加载波形与仿真分析所输入的波形一致，均采用国家电网公司规定的标准时程波，试验峰值为0.2g，试验的过程如下：

1)进行加速度峰值为0.05～0.08g白噪声输入，持续时间不少于60s；

2)根据给定的标准时程波(人工波)，通过多次迭代以满足容差要求；

3)迭代满足后，输入目标峰值加速度的人工波。试件试验后进行白噪声试验以确定设备基频变化在容许的范围内，观测设备是否有损坏。

3.4 试验结果

首先对阀塔施加白噪声，得到阀塔三向的固有频率分别为：X向1.875Hz，Y向1.500Hz，Z向16.675Hz。加载三向加速度峰值比为X∶Y∶Z=1.00∶0.85∶0.65，其中X向峰值为0.2g的地震波载荷后，再次进行白噪声扫频，得到阀塔的三向固有频率分别为：X向1.875Hz，Y向1.500Hz，Z向16.500Hz，由此可知阀塔基频并未发生大的变化。

通过应变片以及加速度传感器采集数据，通过计算可得：框架型材的最大应力为43.89MPa，安全系数为3.87；阀塔支柱绝缘子的最大应力为18.95MPa，安全系数为10.60；斜拉绝缘子的最大应力为80.68MPa，安全系数为4.96；阀塔的最大位移为48mm。

该支撑式换流阀塔的抗震试验结果表明：阀塔能够耐受8级烈度地震载荷的作用，各关键零部件的安全系数均满足GB 50260—2013所规定的大于1.67的要求。

3.5 仿真与试验的结果对比

通过对该换流阀塔的抗震仿真及地震试验，得到了该阀塔在国网标准时程波8级烈度载荷作用下的动力时程响应、各关键零部件的最大应力及安全系数。各关键零部件的仿真与试验结果见表2、表3。

表2 换流阀塔抗震仿真与地震试验的结构应力结果对比

表3 换流阀塔抗震仿真与地震试验的结构变形结果对比

试验和仿真结果的误差可能是由以下几个方面的原因造成的：

1)仿真模型上的子单元全部以刚性的质量块代替，但是试验阀塔上的质量块并不是完全刚性的，有一定柔度，因此对阀塔基频以及变形量会有影响；

2)仿真模型的斜拉绝缘子全部施加一样的预紧力，但是实际阀塔的斜拉绝缘子施加的预紧力很难做到完全一致；

3)仿真模型中各连接件及关键零件的处理均为理想的状态，实际阀塔上的零部件可能因工艺的差别有所区别；

4)试验过程中所采集的数据也存在一定的偏差。

4 结束语

本文通过该支撑式换流阀塔的抗震仿真分析与抗震试验，表明该柔性直流换流阀支撑式结构具有良好的抗震性能，检验了抗震设计的合理性；同时仿真和试验的结果数据差异小于20%，具有较好的吻合度，验证了换流阀仿真模型及计算流程的正确性，为后续开展同类结构设计与仿真分析奠定了基础。