特高压直流输电工程换流站阀厅抗震性能研究进展

2023-03-02林康立杨大峰舒前进

科技创新与应用 2023年35期

林康立，杨大峰，张亚，舒前进，曹聪

（1.国网江苏电力设计咨询有限公司徐州勘测设计分公司，江苏徐州 221000；2.中国矿业大学，江苏徐州 221116）

特高压直流输电具有输送距离远、电能损耗低等显著优势。而换流站作为大型输电线路的重要组成部分，一旦受到强烈地震作用，避雷器、接地开关以及套管等电气设备极容易发生损坏[1]，从而导致整个电力系统进入瘫痪。自20 世纪60 年代以来，换流站的地震灾害几乎贯穿于每一次地震中。近些年来，因我国及周边地区强震震级更大，地震次数也较为频繁。且换流站站址分布较散，有些还处于高地震烈度地区。因此，换流站电力基础设施的地震易损性极高。阀厅结构作为换流站内的核心建筑物，其服役时间长，主要承担着保护室内换流阀塔及其他电气设备的功能，除了需要保障规范要求的“小震不坏，中震可修，大震不倒”外，更应该满足现代社会快速发展对换流站结构的抗震性能所提出的更高要求。且阀厅本身还会对内部电气设备起到一个较大的地震放大作用。因此，本文针对阀厅体系的抗震性能，分别从阀厅主结构、悬吊类设备、支撑类设备3 个方面分别阐述阀厅体系的抗震性能研究进展，并指出目前研究所存在的局限性及未来可能的研究方向，以期为电力系统安全稳定发展提供参考。

1 阀厅体系抗震分析方法

阀厅体系作为生命线工程，且大部分阀厅位于7度及以上地区，按照GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》[2]，对于此类建筑，必须进行抗震设计。阀厅体系的抗震分析方法主要分为反应谱法和时程分析法。

反应谱法是将多自由度体系下的结构振动微分方程进行单独分解计算，从而得到单自由度体系的位移、速度、加速度等变量并进行组合，采用SRSS 法得到结构的地震响应。这是一种将动力问题转变为静力问题的计算方法，其具有计算简便等优点。其局限性主要体现在2 个方面。一是该方法只能计算结构在弹性工作范围内的内力变化。而阀厅在强震作用下，构件可能会屈服进入塑性状态，反应谱法无法直接使用；二是反应谱法无法体现阀厅在整个地震过程中的响应特点，只能得到阀厅体系在地震作用下的最大响应。因此，该方法用来评估阀厅体系的整体抗震性能，准确性欠佳。

另一种方法则是时程分析法，也是目前主流的阀厅抗震分析方法。这是一种基于数值积分的抗震分析方法，可以准确反映阀厅体系在地震作用下每一时刻的动力特性，并且可以反应结构在塑性状态下的抗震性能，具有显著的优越性。时程分析法主要需要考虑两方面的因素：地震波的选取和地震波施加方向的确定。参考GB 50260—2013《电力设施抗震设计规范》[3]，采用时程分析法时：选取的地震动应满足地震波的3 要素；且输入的地震动时程曲线不应少于3 条，其中至少应有1 条为人工合成地震动。反应谱宜选用规范规定的标准反应谱作为场地需求谱，且选取的地震动反应谱应能基本包络场地需求谱。在地震波施加方向的选择上，依据《建筑抗震设计规范》[2]，对于质量和刚度分布不规则的建筑，应考虑双向地震作用；对于8 度、9度地区跨度大于18 m 的建筑，应考虑竖向地震作用。因此，阀厅的抗震分析往往是基于三向地震作用下的时程分析，三向加速度峰值比按规范[2]宜取为1∶0.85∶0.65。

上述的2 种方法是目前的常用的阀厅体系抗震分析方法，能够较好地反应结构的整体抗震性能。未来可在已有方法的基础上结合BIM、大数据等对结构进行进一步数值分析，以提高结构的安全可靠度。

2 阀厅主结构的抗震性能

2.1 阀厅主结构的选型研究

阀厅结构形式主要有全钢结构、钢-混凝土结构及全混凝土结构。全混凝土结构在水平地震作用下抗震性能较差，一般不予采用。另外2 种结构各有其优缺点，需要针对阀厅所在场地进行进一步地选型研究。

张立红等[4]比选了±800 kV 混合结构高端阀厅及全钢结构阀厅，发现混合结构阀厅的基频低于全钢结构。且在地震作用下，混合结构阀厅本身及阀塔的加速度和位移响应均大于全钢结构。全钢结构相比于混合结构拥有更均匀的刚度分布及更好的抗震性能，在高烈度地区，宜优先选用全钢结构。张玉明等[5]对高端阀厅的结构设计作了研究，研究发现：全钢结构具有受力明确、施工方便、抗震性能好等优点，但其抗侧移刚度较弱。而混合结构可以发挥混凝土抗侧移刚度大的优势，但存在扭转效应明显的问题。顾群等[6]则是对混合结构阀厅的剪力墙形式作了比较研究。研究表明，与横向防火墙脱开布置的纵向T 型截面抗震墙混合结构，平面布置较为规则，质心与刚心的偏差较小，较适合于高烈度区的结构抗震。

综上，常用的2 种结构各有其优缺点，但大部分阀厅仍以混合结构为主，对于全钢结构的阀厅研究较少，全钢结构连同换流变侧防火墙耦联体系的结构整体受力机理以及地震作用下结构的抗震性能值得考察。

2.2 阀厅主结构的地震时程分析研究

阀厅结构是一种内部带有悬挂质量的厂房结构，其自身的安全性能对于保障阀厅内电气设备的安全运行至关重要。目前的研究主要采用有限元模拟及振动台试验等手段，来模拟阀厅在各种工况下的抗震性能。

在有限元地震时程分析上，韦文兵等[7]运用弹塑性时程分析研究了不同场地土条件和地震动作用对阀厅及悬吊设备地震响应的影响。他们发现阀厅结构和悬吊设备地震响应随着场地土特征周期的增大而增大。陆祝贤等[8]分析了阀厅在不同类型地震动作用下的易损性，建立了阀厅在不同类型地震动下的易损性曲线方程。吴嘉欣等[9]针对高端阀厅二阶振型常发生扭转的问题，提出了4 种结构优化方案；他发现可通过采用轻质混凝土砌块或通过加大剪力墙、构造柱和圈梁的截面尺寸以改善阀厅的扭转阵型。鲁翔等[10]开展了某高端阀厅及阀组的动力特性现场测试及在强震作用下的时程响应分析，发现阀厅钢柱顶部、穿墙套管安装位置的加速度动力放大系数较大，但全钢结构的最大构件内力远小于材料屈服应力。邓夕胜等[11]对随机地震作用下的高端阀厅进行了非线性可靠度研究，他们发现阀塔对阀厅结构的整体刚度影响不大，且在高烈度地区采用全钢结构阀厅更安全。

与数值模拟相比，大型振动台试验更能直观反应阀厅体系的整体抗震性能，揭示结构薄弱环节。但由于阀厅电气设备价格昂贵，且设备尺寸和质量均较大，难以广泛开展足尺振动台试验。因此，学者们通常通过白噪声扫频、地震动激励、现场测试等手段进行缩尺振动台试验，分析结构的抗震性能并与有限元模拟结果进行对比，进而评估阀厅体系的抗震能力。魏文晖等[12]进行了1/8 缩尺模型混合结构阀厅模拟振动台试验，他们发现阀塔对阀厅结构影响较小，但在高烈度区的阀厅抗震设计时需要考虑阀塔动拉力。此外，其还对水平-摇摆地震作用下的悬吊质量结构体系进行了振动台试验[13]，发现悬挂质量体系对摇摆地震的响应大于单一水平地震动。

综上所述，对于全钢结构形式的阀厅，在对阀厅进行地震时程分析时，现有的研究大都没有考虑一侧防火墙对其抗震性能的影响；且部分文献未考虑竖向地震作用对结构的响应[6，9-10]，具有一定的局限性。未来可针对高烈度地震区的阀厅进行包含内部电气设备及连接管母线的耦联建模，进行基于不同地震主作用方向的地震弹塑性分析，为高烈度区阀厅的抗震设计提供设计参考。

2.3 阀厅与防火墙连接节点力学与抗震性能研究

在防火墙与阀厅的连接节点性能研究上，目前的研究主要集中于钢-混凝土混合结构的阀厅以及嵌入式防火墙的研究。

熊利剑[14]进行了钢-混结构阀厅的钢屋架与框架防火墙连接节点的试验与数值分析，得到了屋架与防火墙连接节点的全阶段受力特征，提出了钢屋架与防火墙连接节点的计算方法及构造措施。魏文晖等[15]进行了阀厅钢屋架与钢筋混凝土剪力墙连接节点的缩尺模型的低周往复荷载试验，提出了该类节点的水平承载力计算公式。陈凯[16]进行了钢筋混凝土剪力墙-钢结构的阀厅的防火墙与钢屋架连接节点的数值模拟，得到了不同摩擦系数下预埋螺栓抗剪连接内力和位移的变化规律。周俊[17]提出了一种嵌入式装配防火墙阀厅预留有墙板插槽的现浇混凝土异形柱的新型柱节点连接形式，并基于拟静力试验验证了其耗能能力。

由此可见，在防火墙与阀厅钢屋架的连接节点性能研究中，节点的连接形式及螺栓的力学与抗震性能研究较多。但研究的阀厅类型较为单一。日后的研究方向可侧重于钢屋架与混凝土梁连接处的隔震支座研究及全钢结构阀厅屋架与防火墙的连接节点研究。

3 悬吊类设备的抗震性能

阀厅内的悬吊类设备主要为阀塔、穿墙套管和避雷器。阀塔通过竖向悬吊绝缘子悬挂于阀厅的挂阀梁上，其质量较大，具有高和柔的特点。而穿墙套管则是通过安装板加装于阀厅山墙上，属于典型的长悬臂结构，且材料呈现脆性，导致其在地震作用下都极易发生损坏且无法第一时间进行修复或更换。因此，研究人员对这些设备的抗震性能作了分析。

3.1 悬吊阀塔的抗震性能

悬吊阀塔作为一个质量摆体系，从抗震角度来讲，它对阀厅的抗震是有利的。但因其自身的动力特性及受阀厅内管母线牵拉的影响，在地震作用下会存在一定的耦联效应。目前的研究主要是从悬吊体系理论计算方法、有限元时程分析以及阀塔的现场动力测试及振动台试验3 个方面展开。

在悬吊体系理论计算方法研究中，魏文晖等[18]推导了考虑阀塔晃动离心力的阀厅结构动力时程计算方程，得到了塔索动拉力的变化规律。Yang 等[19]将阀厅和阀塔视为一种具有水平和垂直自由度的集中质量，提出了一种阀塔四自由度简化模型，提出了相应计算方法。

在有限元时程分析方面，目前研究主要集中于不同地震烈度地震动作用下阀塔绝缘子的动拉力，阀塔各部位的应力、加速度及位移响应等。焦勇等[20]研究发现悬挂阀塔在水平地震作用下对阀厅作用力较小，而在竖向地震作用下对阀厅地震作用力较大。吴小峰等[21]和于海波等[22]基于反应谱法的地震响应分析，得出了影响阀塔地震响应的主要振型及阀塔在8 度设防地震作用下的位移响应。刘宗辉等[23]等研究发现阀塔重量的变化对阀厅结构影响不大，但在竖向地震作用下悬吊阀与阀厅存在显著的相互作用。在阀塔层与层的连接方式上，陆军等[24]对层间铰接及层间刚接的换流阀塔进行了地震响应分析，发现层间铰接可以有效减少悬吊绝缘子的轴向拉力，但会增强阀塔顶部的水平加速度响应；在地震作用下，可能导致绝缘子受压不同步，建议抗震设计时应对悬吊绝缘子进行受压失稳验算。

在阀塔的现场动力测试及振动台试验研究方面，鲁翔等[10]开展了某高端阀厅及阀组的动力特性现场测试及分析，发现阀塔表现为低频柔性摆动，提出在建模时可忽略阀塔刚度对阀厅的耦合效应。张伟为等[25]对某型缩尺换流阀进行了振动台试验，发现阀厅对阀塔存在动力放大效应，但阀塔各层之间加速度变化幅度不大，悬吊绝缘子中间截面存在弯曲及扭转效应。

目前，针对阀塔的研究虽已有较多成果，但仍存在一些局限性。一方面，是没有考虑阀塔与阀厅内柔性管母线的耦合作用，其在地震作用下，可能发生变形不协调导致牵拉破坏[10]。另一方面，部分文献忽略了竖向地震对阀塔的影响[18]。针对目前的研究现状及存在的局限性，未来的研究可关注不同地震主方向的三向地震作用下阀塔的地震响应分析以及在竖向地震作用下悬吊绝缘子的破坏条件及相应的位移限值等，进而在目前进行强度校核的基础上提出阀塔的位移限值校核标准，保证换流阀塔在强震作用下的安全运行。

3.2 穿墙套管的抗震性能

穿墙套管是连接内部阀厅和外部直流场的重要电气设备，是直流输电系统中的关键。穿墙套管自身的抗震性能及套管的地震易损性，是当前研究的侧重点所在。

在套管的抗震性能研究上，王晓游等[26]对±800 kV穿墙套管进行了地震时程分析，提出了在穿墙套管根部布置金属摩擦阻尼器的减震方案，发现减震器可以显著减少套管的根部应力及顶部加速度响应。Roberto等[27]通过对安装在变压器上的套管进行研究，得到了套管基座处的运动放大系数。唐云等[28]对穿墙套管进行了动力特性分析。发现套管顶部加速度存在明显的放大效应，而法兰加劲肋可有效降低套管的轴向加速度峰值。He 等[29]研究了不同振动分量对套管地震响应的影响，发现山墙的振动对穿墙套管地震响应具有显著影响。Xie 等[30]对直流穿墙套管进行了抗震性能分析，发现其在地震作用下的最大应力超出我国规范限值，其提出了在安装板与山墙连接处布置摩擦弹簧阻尼器的的耗能措施。Xie 等[31]还针对穿墙套管在地震响应下套管壁安全裕度不足的问题，提出了提高连接套筒刚度以减少相对位移的建议。

在地震易损性研究中，Fabrizio 等[32]提出了基于EFA 的评估方法来评价电气设备的地震易损性。Seyed等[33-34]建立了变压器套管轻度和中度2 种损伤状态下的地震易损性曲线。梁黄彬等[35]采用多样条的易损性分析方法，分析了套管的抗震薄弱位置，得到了穿墙套管的地震易损性曲线。

根据目前的研究来看，穿墙套管的振型表现为沿某个方向的同向或异向弯曲。在地震作用下，最大应力往往出现在套管根部。外套管的脆性使其在地震作用下容易产生较大弯矩，导致瓷套管强度不足而断裂。在穿墙套管的模拟中，有些未考虑套管与墙体存在的转角[29]，认为法兰与地面具有相同的运动方式并且也未考虑与套管相连的管母线对其的影响，存在一定的不足。

3.3 避雷器的抗震性能

对于避雷器，余荣兴等[36]建立了复合避雷器-支架体系的有限元模型，分析了复合避雷器套管与法兰连接段的抗弯刚度特性。发现地震作用下，避雷器具有应力冗余度高但位移响应较大的特点，并提出了减小避雷器顶部位移的一些构造措施。Sheng 等[37]进行了陶瓷避雷器-钢支撑体系的时程分析及参数研究，其发现避雷器钢支撑的抗弯刚度设计取决于设计反应谱的转角周期。张咪等[38]分析了750 kV 避雷器顶部集中质量、不同高度套管弯曲刚度、连接法兰弯曲刚度、支架刚度等因素对避雷器地震响应的影响，提出了减少避雷器套管根部应力和顶部位移响应的具体措施。而对于避雷器，上述文献关于复合套管法兰连接段采用梁单元进行模拟，未考虑胶装部位预应力和相对滑移[36]，存在一定的局限性。

4 支撑类设备的抗震性能

支柱绝缘子及柔性管母线属于支撑类设备。通常其相互形成耦联体系，具有高度大、结构柔、重心高等特点，地震作用下容易造成根部断裂以及移位。而以往的支柱绝缘子采用陶瓷类材料，该材料脆性大、强度低，具有较大的地震易损性。近年来，随着新材料的发展，支柱绝缘子主体结构采用高强度玻璃纤维复合材料，外部则采用硅胶伞裙进行包裹，具有良好的力学性能。国内外学者对这种复合支柱绝缘子及管母的计算方法、抗震性能进行了大量研究。

在计算方法的研究上，Mohammadi 等[39]通过对变电站互感器的地震时程分析，提出了一种适用于适合支撑结构的四自由度系统，给出了计算不同支柱类设备基频的计算公式并验证了其可靠性。谢强等[40]对复合支柱绝缘子单体及耦联体系进行了振动台试验，提出了一种可将与管母耦联的设备约束等效为线性弹簧的简化计算方法。

在支柱绝缘子与管母线的互联体系抗震性能研究中，朱祝兵等[41]研究了地震作用下复合材料电气设备间的地震响应规律，得到了导线刚度和设备刚度变化对互连设备抗震性能的影响规律。Qi 等[42]分析了220 kV变电站支柱式管母线结构互连温度构件的结构性能及管母线绝缘子子结构在地震荷载作用下的动力相互作用，提出了绝缘子危险状态的临界加速度。Siamak 等[43]得到了复合支柱绝缘子不同损伤状态下的力学行为并建立了其计算模型。张玥等[44]建立了支柱类设备单体动力计算模型以及管母线连接设备耦联体系计算模型，其发现连接刚度对设备顶部的加速度影响较小，但是对两设备间的相对位移影响很大。张若愚等[45]分别建立了复合支柱绝缘子的实体有限元模型和等效梁单元法兰节点简化模型，得到了不同模型的应力与位移峰值，最终揭示了强震下法兰节点的受损机理。

在试验研究中，程永锋等[46]基于地震模拟振动台试验，研究了硬管母联接的500 kV 避雷器和互感器地震动输入峰值加速度、硬管母与设备间的联接方式、滑动金具滑动槽长度等因素对回路中设备地震响应规律的影响，提出了金具滑动槽长度的确定方法。刘振林等[47]将铅芯减震器安装于支柱绝缘子与支架连接处，对其进行了振动台试验，其发现减震器刚度对设备结构整体刚度影响较小，且减震效率随地震峰值加速度的增大而增大。Khalid 等[48]完成了支柱绝缘子与导线互联体系的振动台试验，得到了导线对支撑结构地震响应的影响。

总体来说，管母线与支柱绝缘子的连接形式、连接刚度及自身动力特性是影响支柱类设备抗震性能的主要因素。但完善的耦联体系计算方法、高烈度地区控制应力和位移的减震措施还需要进一步研究。