160 kV机械式直流断路器抗震特性分析

丁璨，丁奕灵，袁召，陈天凡

(1.三峡大学 电气与新能源学院，湖北 宜昌 443002；2.华中科技大学 电气与电子工程学院，强电磁工程与新技术国家重点实验室，湖北 武汉 430074)

化石能源的日益枯竭和环境压力的日益增加，致使可再生清洁能源得以大规模开发和利用，使得特高压直流输电技术成为新的发展趋势[1-3]。与交流电网相比较，直流电网在电力传输方面有巨大优势，在交流系统无功支撑方面也有明显的优势，是未来电网的发展方向[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。当直流电网因为各种突发原因不能正常运行时，可以利用高压直流断路器快速切除故障电流，从而保证直流输电的正常运行，保障人民的生命财产安全。对高压直流断路器开展研究，成为研究直流电网的关键性问题[9-12]。直流断路器主要有固态、机械式和混合式直流断路器3种，也可以根据关断电流设备类型分为电容式和IGBT式直流断路器，国内外许多学者对直流断路器的类别进行了一定研究[13-15]。与混合式直流断路器、固态式直流断路器相比，机械式直流断路器含大功率电力电子器件较少，能实现更低的造价，具有很强的市场竞争力。机械式直流断路器包含机械开关模块、隔离变压器、吸能设备、预充电设备、电容组模块、触发开关及其辅助设备等[16]，其内部结构复杂，零部件种类和数量众多；因此其极易受到地震的影响，地震荷载对其结构有很大的破坏力，会造成结构振动和变形[17]。当机械式直流断路器受地震的影响发生故障时，故障电流不能被限制并切除，造成直流电网不能正常运行，且损坏相关设备[18]。到目前为止，国内外对直流断路器的抗震性能研究甚少。文献[19]表明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，其避雷器绝缘子、层间支柱绝缘子、阀塔支柱绝缘子受地震影响严重；文献[20]研究了160 kV高压直流断路器阀塔在地震响应谱下的受力分析，表明该阀塔支柱绝缘子法兰的破坏应力最大，阀塔的抗震烈度大于8级。

对此，本文以160 kV机械式直流断路器为研究对象，采用有限元分析软件ANSYS Workbench对机械式直流断路器进行抗震分析和优化[21]，为其抗震设计提供理论依据。

1 机械式直流断路器建模与抗震分析方法

1.1 几何模型建立

机械式直流断路器的总体外形尺寸为6 200 mm×5 500 mm×8 250 mm，其模型体积大，结构复杂。为了提高软件的计算精度和减少计算时间，建模时将模型进行局部简化，去掉对仿真计算没有影响或影响不大的部分，例如删除固定线排用的绝缘子、箱体角落的阀门等。

机械式直流断路器的三维简化模型如图1所示，对于模型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。

图1 机械式直流断路器的三维简化模型

1.2 抗震分析方法

响应谱法和等效静力法是抗震分析的主要方法。如果不考虑随时间变化的载荷，忽略在地震过程中设备发生的形变，可以采用静力法。静力法将设备当成一个刚体，将地震作用于设备的力等效为惯性力，并将作为静力的惯性力加载在设备上，进行地震模拟计算。在计算瞬态载荷下的设备响应，以及想得到设备在瞬态地震载荷作用下的最大应力和形变时，可以采用反应谱法。

本文结构抗震动力分析采用振型反应谱分析法，反应谱理论既保持了原有的静力学理论，又结合了地震动特性和结构动力特性的动力关系，有很好的设计精度。

2 机械式直流断路器抗震分析

2.1 各组件材料属性

抗震的环境要求为：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以及0.35 s的特征周期。

160 kV机械式直流断路器的机械开关、电容器、机械开关支撑、均压电容外壳、均压电阻、控制电源柜、隔离变压器、避雷器、耦合电抗器、预充电变压器、接地开关、晶闸管及电压互感器使用的材料属性见表1。其中地震许用应力按照Q/GDW 11132—2013《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》的要求，用材料的破坏应力除以1.67求得。

表1 160 kV机械式直流断路器各种材料机械性能常数

2.2 模态分析

模态分析可以了解机械式直流断路器基本结构的动力学特性、固有频率和振型，其固有频率和振型是地震分析的基础。对机械式直流断路器进行模态分析还能够防止共振现象。

本文采用ANSYS Workbench软件对机械式直流断路器模型进行模态分析，求解出的8阶自振频率和振型见表2，1阶模态振型如图2所示，其振型变化特点见表3。

表2 8阶固有频率

图2 1阶模态振型

表3 机械式直流断路器的振型特点

2.3 响应谱分析

在仿真计算中需要加载加速度响应谱，该响应谱中的数据是根据《电力设施抗震设计规范》[22]中给出的地震影响系数曲线计算出来的，如图3所示。

图3 地震影响系数曲线

图3中：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)，其中ξ为阻尼比；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)。

根据抗震要求，采用结构标准阻尼比5%，η2=1，则地震影响系数α=αmax=1。因此，10个频率点的结构加速度频率响应谱可以通过地震影响系数曲线计算出来，结果见表4。模拟160 kV机械式直流断路器在9级地震烈度条件下的响应，使用X、Y、Z向地震响应谱。

表4 加速度频率响应谱

通过Workbench仿真分析得出160 kV机械式直流断路器在地震强度下的等效应力，如图4所示；X、Y和Z方向变形图如图5—图7所示。

图4 等效应力云图

图5 X方向位移云图

图6 Y方向位移云图

图7 Z方向位移云图

计算结果显示：160 kV机械式直流断路器在9级地震烈度条件下的最大位移(包括层间支柱绝缘子处在X方向的最大位移)为42.652 mm，阀塔支柱绝缘子处在Y和Z方向的最大位移分别为41.112 mm和3.297 mm。

地震工况下的地震许用应力计算采用材料的破坏应力除以1.67。各种材料的最小安全系数见表5，需要特别说明的是表5中的材料均指外壳材料，并不是相应部件的材料。

由表5可知，原设计方案符合抗震烈度小于9级的要求。最小安全系数小于1的结构为均压电容外壳、换流电容外壳和预充电电容外壳，表明此3处结构承受不了9度抗震设防烈度的地震。

表5 9级地震烈度下各种材料的最小安全系数

3 机械式直流断路器改进设计的仿真

3.1 改进设计方案

为了在不改变混合式直流断路器原结构尺寸大小的条件下，使换流电容外壳、预充电电容外壳和均压电容外壳处的结构可以承受9度抗震设防烈度的地震影响，本文改进方案为将换流电容外壳、预充电电容外壳和均压电容外壳的材料更换为铝合金，其机械性能常数包括：弹性模量为0.71×1011N/m2，泊松比为0.3，质量密度为2 780 kg/m3，地震许用应力为269.5 MPa。

3.2 改进后的仿真结果

更换材料后，160 kV机械式直流断路器在9级地震强度下的等效应力如图8所示，X、Y和Z方向的变形如图9—图11所示。

图8 改进后等效应力云图

图9 改进后X方向位移云图

图10 改进后Y方向位移云图

图11 改进后Z方向位移云图

计算结果表明，160 kV机械式直流断路器在9级地震烈度条件下的最大位移(包括层间支柱绝缘子处在X方向的最大位移)为29.568 mm，阀塔支柱绝缘子处在Y和Z方向的最大位移分别为27.820 mm和2.558 mm。结构各部件许用应力安全系数都大于1，各种材料的最小安全系数见表6，同样表6中的材料都指的是外壳材料，并不是相应部件的材料。

表6 改进后9级地震烈度下各种材料的最小安全系数

3.3 2种设计的比较分析

对改进前后160 kV机械式直流断路器的仿真结果进行对比可知：最大等效应力都在耦合电抗器上，且改进后的最大等效应力比改进前大0.02 MPa。改进后的机械式直流断路器在X、Y和Z方向的变形与改进前相比相差不大。在9级地震烈度的地震作用下，隔离变压器、避雷器、预充电变压器、接地开关、晶闸管和电压互感器基本不受9级地震烈度的地震作用的影响。

虽然改进后的160 kV机械式直流断路器的换流电容外壳和预充电电容外壳的计算应力均增加明显，但二者的最小安全系数都大于7，且160 kV机械式直流断路器均压电容外壳结构的最小安全系数为2.144，说明改进后的160 kV机械式直流断路器可以承受9级地震烈度的地震作用。

4 结论

本文对160 kV机械式直流断路器进行地震仿真分析，得出以下结论：

a) 160 kV机械式直流断路器在9级地震烈度的地震作用下，受地震影响最大的位置是均压电容外壳、换流电容外壳和预充电电容外壳。

b) 在9级地震烈度的地震作用下，原设计方案的160 kV机械式直流断路器除了均压电容外壳、换流电容外壳和预充电电容外壳，其他结构的许用应力安全系数都大于1，抗震烈度小于9级。

c) 将换流电容外壳、预充电电容外壳和均压电容外壳的材料换成铝合金后，这3种电容外壳结构的最小安全系数都大于1，改进后的160 kV机械式直流断路器满足9级地震烈度的地震抗震要求。