±1 100 kV古泉换流站阀厅防火墙上电气设备抗震分析

2020-05-08朱东，陈寅，李志

电力勘测设计 2020年4期

朱东，陈寅，李志

(中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司，湖北武汉 430074)

0 引言

阀厅作为换流站的重要建筑之一，由混凝土防火墙和钢框架组成。防火墙一侧布置换流变，每台换流变之间通过防火墙隔开，换流变之间的防火墙上安装电容器、避雷器和绝缘子。受限于换流变设备的空间尺寸和带电距离要求，换流变之间的防火墙端部没有翼墙，平面外刚度较小，在地震作用时自身会产生较大变形[1]。同时防火墙上电气设备刚度较小，会产生鞭梢效应，进一步加大电气设备的地震作用和变形。电气设备一般采用脆性材料，在地震作用下容易发生破损、断裂等现象，从而造成较大的经济损失[2]。一般工程设计中采用考虑地震放大系数的静力分析方法，研究防火墙设备在地震作用下的动力响应。本工程中防火墙以及设置于防火墙上的电气设备均高度大且刚度小，结构非常“柔”，对于这样的结构，静力分析的结果有较大的误差。

本文基于古泉低端阀厅整体计算模型，对防火墙及墙上设备进行模态分析、反应谱分析和动力时程分析，得到防火墙及设备在地震作用下的动力响应。同时对比分析了三种不同的防火墙布置方案对设备的动力响应影响，方案包括一般防火墙(不采取加强措施)、防火墙在设备下部设置钢筋混凝土加强柱和防火墙端部增加T型柱。

1 防火墙及电气设备模型建立

本文利用集成化的通用结构分析与设计软件SAP2000对电气设备固定于地面和设备固定于防火墙上两种不同情况进行模拟分析，SAP2000具有强大的结构静动力分析性能，能够准确地反映结构在地震作用下的动力响应。

1.1 电气设备模型简化

电容器、避雷器、绝缘子设备外形复杂，材料特殊，在结构软件中很难精确模拟。本次研究旨在分析电气设备在地震作用下的整体受力性能，可以在准确模拟设备模型动力特性的基础上，对设备外形进行合理简化。本文分析中，将每种电气设备等效为等截面的竖杆，竖杆的动力特性(周期和频率)、质量和高度与实际设备参数保持一致，见表1。

表1 电气设备简化模型参数

1.2 结构整体模型建立

建立完整的阀厅模型，阀厅屋架和柱为钢结构，总长97.70 m，宽18.20 m，高25.25 m，防火墙为钢筋混凝土剪力墙结构，防火墙厚度为0.4 m，高度为9.5 m，长度为19.5 m，共7片，每片防火墙间距15 m，每片防火墙上设置电容器、避雷器和绝缘子各一个，每片防火墙上设备定位完全一致，阀厅和防火墙上设备模型见图1。同时建立固定于地面上的电气设备模型，见图2，设备高度尺寸及设备之间的定位关系与防火墙上设备保持一致。

2 防火墙上及地面上电气设备动力分析

2.1 反应谱及时程分析

根据相关设备参数，采用上述简化方案，建立SAP2000有限元分析模型，分别进行反应谱分析和时程分析。反应谱分析时，地震烈度为6度(0.05g)，地震影响系数最大值为0.125，场地特征周期为0.45g和II类场地类别，地震作用输入方向主要为X向，即垂直于防火墙方向。时程分析根据场地类别和特征周期选用两条天然波EL CENTRO波、TangShanEW波和一条合成人工波[3]，地震波加速度时程峰值均调整为 0.56 m/s2。

2.2 动力响应比较

2.2.1 设备底部剪力放大系数

反应谱分析和时程分析得到的设备底部的剪力和弯矩结果见表2～表4。

表2 电容器设备剪力放大系数

表3 避雷器设备剪力放大系数

表4 绝缘子设备剪力放大系数

从表2～表4可以看出，无论是反应谱分析还是时程分析结果，防火墙上电气设备底部剪力相对于地面上设备底部剪力均有一定程度的放大。而对于不同设备，由于设备自身与防火墙间动力特性的差异，放大情况不尽相同。为便于比较，定义防火墙上设备与地面上设备底部剪力之比为该设备的剪力放大系数：电容器的剪力放大系数在2.00～3.00之间，反应谱和人工波作用下的结构放大系数在2.00左右，天然波作用下的结果则偏大，最大系数为2.92；避雷器的剪力放大系数在1.50～2.00之间，反应谱作用下的结果在1.80左右，人工波作用下结果偏小，天然波下的结果则偏大；绝缘子的剪力放大系数相对较小，在1.00～1.30之间，反应谱分析结果与人工波和天然波作用下结果相差不大。GB 50260—2013《电力设施抗震设计规范》中规定对于预期安装在室外、室内底层、地下洞内、地下变电站底层地面上或低矮支架上的电气设施，其支架的动力反应放大系数的取值不宜小于1.2[4]。这里需要加一句话说明，规范中是动力反应堆放大系数，本文是剪力放大系数，同离之类的话。本文中各设备的剪力放大系数则较规范限值高，主要原因在于GB 50260—2013条文内容主要针对房屋底层或低矮支架上的电气设备，房屋或支架整体刚度大。而本文分析中，设备安装在防火墙上，当地震作用方向垂直于防火墙时，由于防火墙平面外刚度小，从而导致设备底部剪力放大系数超过规范限值[5]。因此，对于此类布置在防火墙上且自身刚度较小的电气设备，规范规定的放大系数偏保守，应根据实际设备的特性建模分析，以其剪力放大系数结果作为参考。

2.2.2 设备顶部加速度峰值的放大系数

地震作用下结构顶部的时程加速度峰值也是反映设备动力响应的主要特征参数，图3～图5为三种设备加速度峰值的放大系数，即顶部加速度峰值与地震输入加速度峰值的比值，每种设备包括设置在防火墙上和地面上两种工况。

图3～图5可以看出，加速度峰值的放大系数与剪力放大系数相似的分布规律。防火墙上电容器的放大系数最大，其次是避雷器，绝缘子相对较小。地面上电容器的放大系数为3.14，这是电容器自身作为柔性结构在地震作用下的加速度放大；而防火墙上电容器的放大系数高达7.16，这是防火墙与设备自身放大作用的叠加。地面上避雷器和防火墙上的避雷器放大系数均小于电容器，分别为2.68和5.49。而绝缘子的放大现象则不明显，地面上及防火墙上的结果均低于1.25。

3 防火墙在设备下部设置钢筋混凝土加强柱和防火墙端部增加T型柱方案比较

从地面上设备和防火墙上设备的动力响应比较结果可以看出，防火墙对设备的放大作用较为明显，以往工程中有采用在设备下设置钢筋混凝土加强柱或在防火墙端部设置T型柱对防火墙进行局部加强的方案。本节对比分析三种不同的防火墙布置方案对设备的动力响应影响：方案一为纯剪力墙结构，不采取加强措施，墙厚度为0.4 m；方案二为剪力墙+柱结构，在较大设备底部增设两个800 mm×800 mm的钢筋混凝土柱；方案三为剪力墙端部增加T形柱。图6为不同方案的防火墙有限元模型，不同方案均以阀厅整体为对象，图中为清楚显示只截取了单片防火墙模型。对三种方案均采用反应谱分析和时程分析，时程分析选用和第2节相同的3条地震波。不同加强方案下设备动力响应比较见表5。

表5 不同加强方案下设备动力响应比较

表5中，剪力放大系数为防火墙上设备底部剪力与地面上设备底部剪力之比，加速度比例系数为防火墙设备顶部加速度峰值与地面上设备顶部加速度峰值之比。从表5可以看出，不同的局部加强方案并不能减小墙上设备的动力响应。加强方案(方案二和方案三)布置下，电容器和避雷器的动力响应结果均高于无任何加强措施的方案(方案一)，绝缘子设备则无明显区别。方案二中设备底部加强柱对防火墙局部刚度增大效果最为明显，墙上设备的自振周期明显减小，电容器和避雷器的剪力放大系数最大，分别为2.99和2.49，加速度比例系数也较大，分别为2.31和2.57。方案三中防火墙端部的T型柱也可局部增大防火墙刚度，此方案下电容器和避雷器动力效应结果要低于方案二但高于方案一。

不同的防火墙加强方案改变了防火墙上设备的自振周期从而影响设备的动力响应[6]，当输入地震波的卓越周期与防火墙上设备自振周期重合时，对设备的放大作用最为明显。表5中各设备的自振周期为设备设置在防火墙上的整体自振周期，图7为天然地震波EL CENTRO的频谱曲线，从频谱曲线可以看出在周期接近0.5 s时加速度达到峰值，随后曲线立即进入下降阶段，当周期达到1.5 s时曲线逐渐进入平缓段。表5中方案一下的电容器自振周期为0.584 s，位于地震波频谱曲线的下降段，加强方案(方案二和方案三)增大了墙上设备刚度使得周期减小，从而增大了设备的动力响应，其中方案二中电容器设备自振周期为0.483 s，接近地震波卓越周期，因此剪力放大系数最大。不同方案下避雷器的自振周期为0.826～1.041 s，位于反应谱曲线的下降段，剪力放大系数小于电容器。绝缘子的自振周期保持在4.167 s，远远高于频谱的峰值周期，位于频谱下降后的平稳段，剪力放大系数变化不大。从分析结果可知，防火墙局部加强方案虽可减小防火墙及安装在防火墙上的电气设备自振周期，但对防火墙上电气设备的地震响应减小不明显，部分电气设备地震响应甚至有增大的趋势。