基于地震响应谱分析的±500 kV混合式直流断路器改进设计

丁 璨， 陈天凡， 聂太平， 田小健， 方春华

(三峡大学电气与新能源学院， 宜昌 443002)

大规模可再生清洁能源的开发和利用，使得直流特高压输电技术成为新的发展趋势[1-3]。相比于交流电网，以柔性直流系统为基础的直流电网在大容量电力传输、分布式能源接入、交流系统无功支撑等方面显示出明显的优势，是未来电网的重要发展方向[4-8]。与交流系统相比，直流系统的故障发展更快，造成的损失更大。当直流电网发生故障时，采用高压直流断路器可快速限制并切除故障电流，从而保证直流电网的正常运行并保护相关设备[9-11]。

根据开断原理的不同，高压直流断路器可以分为机械式高压直流断路器、固态高压直流断路器和混合式高压直流断路器。机械式直流断路器开断速度慢，但损耗小、成本低[12-13]。固态直流断路器开断速度快，但损耗高、成本也高[12,14]。混合式直流断路器充分集中了机械式和固态式直流断路器的优点，在正常工作时由机械开关承载电流，通态损耗低，当发生短路故障时由电力电子开关开断故障电流，开断速度快，逐渐成为多端柔性直流输电的优选方案[15-16]。

混合式直流断路器包含快速机械开关、电力电子模块、耗能元件、控制保护系统、冷却系统和供能系统等[17]，其内部结构复杂，零部件种类和数量众多。故混合式直流断路器极易受到地震的影响，地震荷载容易造成混合式直流断路器较大的振动和变形，且地震荷载对其结构具有很强的破坏力[18]。当高压直流断路器受地震的影响在直流电网发生故障时不能限制并切除故障电流，从而不能保证直流电网的正常运行并保护相关设备，这将会造成人类生命财产的重大损失[19]。

基于此，现以±500 kV混合式直流断路器为研究对象，采用大型有限元分析软件ANSYS Workbench对混合式高压直流断路器阀塔的位移模态频率、位移振型以及地震响应谱等进行分析和研究[20-21]，以期为今后该类型混合式高压直流断路器阀塔的结构优化提供理论依据，为混合式高压直流断路器阀塔的抗震设计提供参考。

1 混合式直流断路器数值建模与抗震分析方法

1.1 数据条件

环境要求为9级地震烈度的地震，0.4倍重力加速度的基本地震加速度值，0.35 s的特征周期。

±500 kV混合式直流断路器阀塔由高电位平台、阀塔支柱绝缘子、斜拉绝缘子、层间绝缘子、避雷器、机械开关、转移支路、耦合负压装置等组成，混合式高压直流断路器阀塔使用的材料，其材料属性如表1所示，其中地震许用力是按照《特高压瓷绝缘电气设备抗震设计及减震装置安装与维护技术规程》(Q/GDW 1132—2013)的要求，以材料的破坏应力除以1.67求得。

1.2 模型建立

混合式直流断路器阀塔的阀基支撑高度为5 800 mm，阀塔总体外形尺寸为11 600 mm×5 610 mm×15 000 mm，混合式直流由于断路器阀塔单元类型及数量庞大，如果模型太过复杂，导入ANSYS 软件后的计算精度未必会提高，但计算时间却会成倍增加，故建模时将断路器阀塔进行了局部简化，并且将对于仿真计算没有影响或影响不大的部分直接去除以提高计算效率的目的，如删除零件倒角和孔特征，去掉斜拉绝缘子等。

断路器阀塔三维简化模型如图1所示。对于阀塔内部尺寸较大的结构，网格设定稍为粗糙(20 mm)，网格模型采用四面体单元剖分。

表1 ±500 kV 混合式高压直流断路器阀塔各种材料机械性能常数

图1 断路器阀塔三维简化模型

1.3 抗震分析方法

结构抗震动力分析采用振型反应谱分析法，振型反应谱法是将结构物简化为多自由度体系，多自由度体系的地震反应可以按照振型分解为多个单自由度体系反应的组合，每个单自由度体系的最大反应可以从反应谱中求得，然后再按照一定的振型组合法则，求出结构的地震总反应。目前广泛应用的是振型反应谱法，主要用于确定结构对时间变化载荷，如地震、风载、火箭发动机振动等的动力响应情况。

2 混合式直流断路器抗震分析

2.1 模态分析

模态分析是计算结构振动特性的数值技术，结构振动特性包括固有频率和振型。模态分析是最基本的动力学分析，也是其他动力学分析的基础，如响应谱分析、随机振动分析、谐响应分析等都需要在模态分析的基础上进行。采用ANSYS Workbench软件对混合式直流断路器阀塔进行模态分析求解出的8阶自振频率和振型如表2所示，各阶模态振型如图2所示，图2左边的刻度尺为阀塔振型位移值，只是作为阀塔位移相对值大小的度量，并不是阀塔位移的真实值。

图2 模态阵型

图2所示的混合式直流断路器阀塔发生的振型变化特点如表3所示。

2.2 响应谱分析

2.2.1 计算结构加速度频率响应谱

《电力设施抗震设计规范》(GB 50260—2013)[22]中给出了地震影响系数曲线，如图3所示。在仿真计算中需要加载的加速度响应谱数据根据地震影响系数曲线图确定。

根据抗震要求：9级地震烈度，0.4倍重力加速度的基本地震加速度值，0.35 s的特征周期，采用结构标准阻尼比5%，则地震影响系数最大值αmax为1。因此，通过地震影响系数曲线计算10个频率点的结构加速度频率响应谱，如表4所示。模拟±500 kV混合式直流断路器阀塔在9级地震烈度条件下的响应，使用x+y+z向地震响应谱。

表2 8阶固有频率

表3 混合式直流断路器阀塔振型特点

α为地震影响系数；αmax为地震影响系数最大值；Tg为特征周期；T为结构自振周期；γ为衰减指数，γ=0.9+(0.05-ξ)/(0.5+5ξ)；η1为直线下降段的下降斜率调整系数，η1=0.02+(0.05-ξ)/8；η2为阻尼调整系数，η2=1+(0.05-ξ)/(0.06-1.7ξ)

表4 加速度频率响应谱

2.2.2 仿真计算结果

通过ANSYS Workbench响应谱仿真分析得出±500 kV混合式直流断路器阀塔在地震强度下的等效应力及x、y和z方向变形图如图4所示。

图4 阀塔等效应力和变形

计算结果表明，±500 kV 混合式直流断路器阀塔在9级地震烈度条件下的最大位移，层间支柱绝缘子处有x方向的最大位移，为4.48 mm；阀塔支柱绝缘子处有y和z方向的最大位移，分别为114.27 mm和122.27 mm。地震工况下的地震许用力采用材料的破坏应力除以1.67，地震许用应力除以计算应力为安全系数，结构各部件许用应力安全系数都大于1，分析计算的各种材料的最小安全系数如表5所示，即抗震烈度大于9级，符合设计要求。

表5 地震下各种材料的最小安全系数

3 混合式直流断路器改进设计的仿真

3.1 改进设计方案

由表5可知，原设计方案符合抗震烈度大于9级的要求。最小安全系数小于2的结构分别为避雷器绝缘子、层间支柱绝缘子和阀塔支柱绝缘子，表明该3处结构受9度抗震设防烈度的地震影响相比混合式直流断路器其他结构大。

在不改变混合式直流断路器原结构尺寸大小的条件下，使避雷器绝缘子、层间支柱绝缘子和阀塔支柱绝缘子这3处结构受9度抗震设防烈度的地震影响变小，因此尝试改进的方案为将避雷器绝缘子、层间支柱绝缘子和阀塔支柱绝缘子的材料更换为环氧玻璃钢，表6为环氧玻璃钢的机械性能常数。

表6 环氧玻璃钢的机械性能常数

3.2 改进后的仿真结果

更换材料后，±500 kV混合式直流断路器阀塔在9级地震强度下的等效应力及x、y和z方向变形图如图5所示。

图5 阀塔等效应力和变形

计算结果表明，±500 kV混合式直流断路器阀塔在9级地震烈度条件下的最大位移，层间支柱绝缘子处有x方向的最大位移，为4.14 mm，阀塔支柱绝缘子处有y和z方向的最大位移，分别为102.80 mm和111.07 mm。结构各部件许用应力安全系数都大于1，分析计算的各种材料的最小安全系数如表7所示。

表7 地震下各种材料的最小安全系数

3.3 两种设计的比较分析

将改进后的混合式直流断路器阀塔的仿真结果与原先的仿真结果对比可知，最大的等效应力都在避雷器支架上，且改进后的最大的等效应力比原先的大10.52 MPa。改进后的混合式直流断路器阀塔在x、y和z方向变形与原先相比分别减少了0.34、11.46、1.19 mm，说明改进后的混合式直流断路器比原先的变形少，更加稳定。

虽然在改进后的混合式直流断路器阀塔各个结构的计算应力都增加，避雷器绝缘子、层间支柱绝缘子和阀塔支柱绝缘子的最小安全系数都大于3，阀塔其他地方的结构的最小安全系数最小的为2.77，说明阀塔在9级地震烈度的地震作用下，地震对其影响变得更小。

4 结论

(1)±500 kV 混合式直流断路器阀塔在9级地震烈度的地震作用下最危险的位置是避雷器绝缘子、层间支柱绝缘子、阀塔支柱绝缘子处。

(2)在9级地震烈度的地震作用下，±500 kV 混合式直流断路器阀塔拥有良好的抗震性，其材料的地震许用应力小于其计算应力，安全系数满足1.67倍的要求。

(3)将避雷器绝缘子、层间支柱绝缘子和阀塔支柱绝缘子的材料换成环氧玻璃钢后，不仅这些绝缘子的绝缘性能符合要求，而且可以减少9级地震烈度的地震对其影响，阀塔更加稳定。

(4)模态分析一般是用于确定结构的振动特性，它是承受动态荷载结构设计中的重要参数，也是谱分析的起点。±500 kV 混合式直流断路器阀塔模态分析的结果显示其自振频率较低，地震波低频对其影响较大。

(5)在工程实践中运用ANSYS Workbench有限元分析软件对±500 kV 混合式直流断路器阀塔进行仿真分析作为混合式直流断路器阀塔结构抗震设计的依据，并且在一定程度上减少了实验分析所需投入的人力物力。