特高压直流隔离开关复合隔震技术研究

柴 笑 天

(北方工业大学土木工程学院，北京 100144)

0 引言

特高压直流隔离开关是换流站中常见的、比较重要的一类开关类设备，也是地震时很容易发生破坏的一类电气设备，特高压直流隔离开关的结构特点是尺寸比较高大、高度达22 m，水平柔度比较大、自振频率范围在1 Hz～10 Hz[1,2]，与地震波的卓越频率很接近，在地震作用下，很容易发生类共振，对设备造成破坏[3]。 韩军科等[4]利用有限元软件，将本体高度2.7 m的多柱式高压隔离开关的基底做成连梁基础，并设置传统隔震支座进行基底隔震。卢智成等[5]利用有限元软件，在220 kV的三极隔离开关GWV23B-252的底部增设连梁，并加设传统隔震支座进行基底隔震。黄峰等[6]用ANSYS软件，模拟在220 kV的GW7-252隔离开关的瓷柱和支架顶端钢板之间设置4个SGDP-JQ-A型的减震器。

现有的隔离开关的隔震减震研究，多是针对于结构尺寸相对较小、绝缘子支柱使用瓷套的低、高电压等级的隔离开关，并且隔减震目标多是以降低绝缘子根部应力为主，而对于结构尺寸更大、绝缘子使用柔度更大的复合材料的特高压直流隔离开关的研究较少。本文主要针对三柱型特高压隔离开关，考虑将摩擦滑板、普通叠层橡胶支座、粘滞流体阻尼器并联复合，对特高压直流隔离开关进行复合隔震设计，通过9度罕遇地震(0.62g)、9度多遇地震(0.14g)作用下的时程计算，分析其在地震作用下的响应。

1 工程概况

本文研究的特高压直流隔离开关为三柱型隔离开关，位于云南省新松换流站，其地处云南省剑川县新松村，海拔2 350 m，是目前世界上海拔最高、抗震设防要求最高的特高压换流站。

特高压直流隔离开关长跨方向19.7 m，短轴方向约3 m，高度约17 m，中间支柱简称动柱，两侧支柱简称静柱。钢支架高度约4.8 m，钢支架顶部安装有支柱绝缘子，材料主要采用弹性模量较小的玻璃钢。按照相关规范，特高压直流隔离开关属于重要的电气设备，抗震烈度为9度，基本地震加速度为0.40g。

2 复合隔震设计

该三柱型特高压直流隔离开关重心很高，动柱与静柱之间仅在钢支架顶端有钢梁连接，短轴向、竖向的整体性很差，因此在隔震设计时，首先在结构底部增设连接混凝土基础，降低重心，提高隔震层协同工作的能力等，然后在混凝土基础底部进行隔震设计。本文假定所有支座均匀承担上部的重力荷载，滑板的承压比为滑板数量占总支座数量的比例，不考虑支座布置个数、位置等因素对结果的影响。

隔震体系总重量184.4 t，其中特高压直流隔离开关重量25.8 t，混凝土基础重量158.6 t，不考虑隔震支座的重量。普通叠层橡胶支座8个，摩擦滑板10个，粘滞流体阻尼器均匀地布置在隔震层周围，如图1，图2所示。方案1为隔震层阻尼比0.025，采用普通叠层橡胶支座水平向的阻尼比为0.025；方案2为隔震层阻尼比0.125，采用普通叠层橡胶支座增设有粘滞流体阻尼器的隔震方案，超出0.025的部分是粘滞流体阻尼器所提供的；方案3和方案4对隔震层阻尼比0.025,0.125的隔震方案并联增设摩擦系数0.04的滑板。

3 各隔震方案罕、多遇地震响应

各隔震体系新松罕遇地震(0.62g)作用下的地震响应如表1，表2所示。

表1 新松罕遇地震(0.62g)作用下隔震效率

表2 新松罕遇地震(0.62g)作用下隔震层Y向位移最大值

从表1，表2可以得出，隔震层周期1.6 s和2.8 s工况下阻尼比0.025的隔震方案并联增设摩擦系数0.04的滑板，会小幅度提高大震隔震效率，有效地降低大震时隔震层位移最大值；当隔震层周期1.6 s,2.8 s时，隔震层位移最大值分别降低8.6 cm(降幅23%)、7.7 cm(降幅13%)，说明对于普通叠层橡胶支座隔震，可以尝试直接并联增设摩擦滑板以优化地震响应。该现象也是后续第四章设计滑板+普通叠层橡胶支座隔震，分析摩擦系数、隔震层周期对地震响应的影响的一个依据。隔震层周期1.6 s和2.8 s工况下阻尼比0.125的隔震方案，并联增设摩擦系数0.04的滑板，隔震效率增幅比较明显，隔震层位移最大值有所降低：当隔震层的周期取值1.6 s,2.8 s，隔震层位移最大值分别降低4.2 cm(降幅20%)、7.7 cm(降幅16%)。对于摩擦系数0.04的隔震方案，当阻尼比从0.025增至0.125时，隔震层周期1.6 s方案的隔震效率几乎不变，隔震层位移最大值显著降低，达13.2 cm(降幅45%)；隔震层周期2.8 s方案的隔震效率有所增长，隔震层位移最大值降低10.5 cm(降幅21%)。说明对于摩擦系数0.04的隔震方案，增大阻尼比可以有效地降低隔震层位移最大值，但同时也需关注隔震效率的增幅情况。

各隔震体系在新松罕遇地震(0.14g)作用下的地震响应如表3,表4所示。

从表3,表4可以得出，阻尼比0.025，0.125的隔震方案并联增设摩擦系数0.04的摩擦滑板，会显著提高小震时的隔震效率，保持在0.5以下，同时可以显著地降低小震时隔震层位移最大值。

表3 新松多遇地震(0.14g)作用下隔震效率

表4 新松多遇地震(0.14g)作用下隔震层Y向位移最大值

4 结语

通过对特高压直流隔离开关多种复合隔震方案，在新松罕多遇地震作用下对比隔震效率及隔震层Y向位移最大值，得出并联增设摩擦系数较小的滑板可以小幅度提高或者在一定程度上提高大震隔震效率时，有效地降低大震时的隔震层位移最大值，显著地降低小震时隔震层位移最大值，同时使小震隔震效率保持良好。