±800 kV换流站内防火墙-互连电气设备体系地震响应分析

邸悦伦,曹枚根,张若愚

(1.电网输变电设备防灾减灾国家重点实验室,长沙,410129; 2.北方工业大学,北京 100144;3.上海大学,上海 201900)

0 引言

近十年,由于直流输电在大容量、远距离输电方面具有显著的优点,技术经济性良好[1],特高压电网迅速发展。然而,我国是地震多发国家,地震带分布较广,众多电网设施将不可避免的建在地震高烈度区,在地震中极易破坏,对当地生产生活及之后的救援工作产生严重影响[2]。近几十年来,国内外发生的数次大地震均对电力设备造成较为严重的损毁[3-6],变电站高压电气设备遭到了严重破坏。而众多电气设备震害显示,支柱类电气设备最容易损伤。

特高压变电站、换流站的支柱类电气设备之间通常通过硬管母线或软导线相互连接,在地震作用下,由于不同设备之间响应不同,设备之间会产生相对位移,导致硬管母线或软导线相互牵引,从而放大电气设备的地震响应。国内外学者也对互连设备的抗震性能开展许多研究。胡彧婧等人[7]对管母线连接件开展系统研究,发现互连设备中的高频设备和低频设备的地震反应存在较大差异;谢强、程永锋等人[8-12]对软导线和硬管母线连接设备开展振动台试验,得到了互连设备的抗震性能;朱祝兵等人[13]对软导线连接设备力学模型及地震计算开展理论分析,得到了软导线互连设备的地震响应机理;姜斌等人[14]建立全硬管母连接和分段管母加六分裂导线连接两种有限元模型,分析了不同连接方式下直流场回路支柱绝缘子的抗震性能;秦亮等人[15]开展考虑金具滑移的特高压管母耦联复合支柱绝缘子回路的抗震性能。

特高压换流站中的支柱类设备一般安装在格构式或单柱式支架上,支架与地面固定。但是由于电气功能要求,部分高压支柱设备会安装在特定的建、构筑物上,如在特高压换流阀厅的换流变侧会设置防火墙,远离阀厅侧墙体高度为8 m ～10 m。其上部一般设置高压避雷器、高压绝缘子、电流互感器通过管母线连接形成的互连电气设备,设备抗震能力薄弱。此种安装形式普遍存在于为特高压换流站中,一般在低端阀厅两侧和高端阀厅单侧居多。目前大多数研究只针对重要建筑物本身及内部重要电气设备的抗震性能,如阀厅及内部换流阀、穿墙套管等,但是对于附属结构及电气设备的整体抗震性能关注较少。目前大多数研究都针对安装在支架上的互连设备,相应的研究成果也较为成熟[16],但是由于防火墙上设备的安装位置特殊,防火墙连同上部设备进行振动台试验也相对困难,所以对防火墙上互连设备抗震性能的研究相对匮乏。林森等[17]对±1 100 kV换流站内防火墙上500 kV瓷质避雷器开展地震响应分析,发现防火墙对瓷套的动力放大效应较大,设备的地震易损性较高。

复合材料套管具有较高的弯曲强度,可显著提升电气设备的抗震能力[18],复合材料电气设备在国内外超、特高压交直流工程中的使用越来越广泛。防火墙的墙厚远小于其长和高,平面外刚度较小,上部放置设备一般高度在5 m～10 m之间,且复合电气设备本身就较柔,同时防火墙与互连设备的前几阶均为面外的低频摆动,导致上部复合电气设备的地震易损伤更高。为此,为研究特高压换流站内普遍存在的防火墙-复合材料互连电气设备体系的抗震性能, 笔者以某±800 kV换流站内防火墙及上部互连电气设备体系为例,建立了500 kV复合避雷器和500 kV复合支柱绝缘子单体设备、互连设备及防火墙-互连设备体系有限元模型,并依次开展不同输入下的地震响应分析,分析了管母线对单体设备地震响应的影响和防火墙对上部设备的动力放大作用,研究可为防火墙上互连设备抗震设计提供借鉴。

1 有限元模型

1.1 防火墙和电气设备的结构及材料参数

以某±800 kV换流站高端阀厅换流变侧防火墙为研究对象,其上部电气设备为一支500 kV复合避雷器和两支500 kV复合支柱绝缘子,并由管母线连接形成互连设备体系,电气设备下部通过预埋的单柱式支架与防火墙连接,避雷器与两侧绝缘子距离分别为3 900 mm和3 300 mm,上部管母长度为8 500 mm。图1为防火墙尺寸及电气设备安装示意图。其中,靠近防火墙边缘的为绝缘子B,远离防火墙边缘的为绝缘子A。

图1 防火墙尺寸及电气设备安装示意图(单位:mm)Fig.1 Size of Fire wall and installation diagram of electrical equipment (unit: mm)

防火墙墙厚380 mm,材料为C30混凝土,与电气设备预埋支架连接部位设置牛腿托来防止局部压力过大;避雷器与绝缘子均为3节套管,套管采用复合材料,各设备套管为等节高,外部包围橡胶伞裙,套管与法兰通过粘结剂连接;绝缘子法兰、避雷器法兰、均压环及管母材料为铝合金,预埋支架材料为Q345钢;其中混凝土的阻尼比取0.05,其他材料构件取0.02。表1为电气设备结构参数,表2为构件材料力学参数。

表1 电气设备结构参数Table 1 Structural parameters of electrical equipment mm

表2 材料力学参数Table 2 Mechanical parameters of materials

1.2 互连电气设备有限元模型

本研究采用大型有限元软件ANSYS建立互连体系有限元模型,以垂直于管母线方向为X向,沿管母线方向为Y向,竖直向为Z向。考虑避雷器复合套管的高径比小于6,采用壳单元Shell93模拟复合套管,并将伞裙通过质量单元Mass21均匀附加在套管上;金属法兰和单柱式支架均按实际形状用实体单元Solid95,均压环采用三维梁单元Beam188模拟,均压环连接板用壳模拟。图2为互连电气设备有限元模型。

图2 互连电气设备有限元模型Fig.2 Finite element model of connected electrical equipment

设备之间的互连是通过管母线直接插在金具中实现,管母可以在金具中沿Y向自由滑动,并存在滑动摩擦。为准确模拟管母的滑移行为,金具和管母线采用实体单元Solid95模拟,并在金具内表面和管母外表面之间插入界面单元,采用三维面-面接触方式,管母作为目标面,采用Conta174模拟;金具作为接触面,采用Targe170模拟。其中绝缘子A为接线端,上部管母与金具固定连接,避雷器与绝缘子B上部管母与金具滑动连接,图3为管母线与金具连接方式实物图及有限元模型。

图3 管母线与金具连接方式Fig.3 Connection mode of rigid bus and fittings

金具与管母创建接触对后,其界面单元的摩擦可采用库仑摩擦模型,在基本的库仑摩擦模型中,两个接触面在开始相互滑动之前,在它们的界面上会有达到某一大小的剪应力产生,这种状态被称作粘合状态[19]。库仑摩擦模型定义了一个等效剪应力τ,在某一法向压应力ρ作用下剪应力达到此值时,管母相对金具开始滑动。

τ=μmuρ+COHE

(1)

式中:μmu为界面摩擦系数,铝合金摩擦系数μmu取0.3[20];COHE为粘聚力,即初始接触状态为粘结接触。

1.3 防火墙-互连电气设备体系有限元模型

防火墙面积大,厚度小,为典型的薄板结构,可采用板壳单元模拟。但是考虑到设备与防火墙连接处设置牛腿托,为保证传力准确,防火墙、牛腿托采用混凝土专用实体单元Solid65;由于底部支架时预埋在牛腿中,可将两者视为一体,用MPC法将支架和牛腿建立连接。图4为防火墙-互连电气设备体系有限元模型。

图4 防火墙-互连电气设备体系有限元模型Fig.4 Finite element model of firewall and connected electrical equipment system

2 动力特性分析

采用ANSYS分别计算500 kV复合避雷器单体、500 kV复合支柱绝缘子单体、互连电气设备以及防火墙-互连电气设备体系的模态,分析时防火墙底部和阀厅侧(高墙侧)设置全约束。避雷器和绝缘子的结构相似,均为3节复合套管组成的单柱式支柱类电气设备,且高度、尺寸等相差不大,为此两设备的基本频率相近,且水平两个方向(X向、Y向)的频率值相等,且均为弯曲变形。避雷器的第1、2阶频率分别为2.78 Hz,第3、4阶频率分别为17.44 Hz;绝缘子的第1、2阶频率分别为2.55 Hz,第3、4阶频率分别为15.24 Hz。

互连设备的第1阶振型为垂直于管母方向的整体弯曲,自振频率为2.33 Hz;第2阶振型为沿管母方向的整体弯曲,自振频率为2.84 Hz;第3阶振型为整体扭转,自振频率为4.84 Hz;第4阶振型为端部绝缘子的二阶弯曲,自振频率为14.24 Hz。通过比较互连设备与单体设备模态参数可知,互连设备振型与单体设备振型相似,为单体设备的组合振型,且基本振型的管母的与金具运动同步,没有相对滑动;但是由于管母线使相邻设备之间产生相互约束,导致互连设备的整体自振频率下降,但是下降幅度不大,图5为互连设备振型图,为清晰显示主体结构振型,图中不显示均压环、金属垫等附属构件。

图5 互连电气设备振型Fig.5 Vibration mode of connected electrical equipment

防火墙-互连设备体系的第1阶振型为上部互连设备垂直于管母方向的整体弯曲,且越远离防火墙约束端的设备振幅越大,自振频率为1.99 Hz;第2阶振型为上部互连设备沿管母方向的整体弯曲,自振频率为2.51 Hz;第6阶振型为防火墙和上部互连设备整体扭转,体系整体自振频率为8.37 Hz;第9阶为上部互连设备垂直管母方向的整体二阶弯曲,自振频率为13.56 Hz。布置防火墙后互连设备的各阶频率均有下降,且在互连设备第2阶弯曲模态之前出现防火墙的摆动,频段为5 Hz～12 Hz之间,图6为防火墙-互连设备体系振型图。

图6 防火墙-互连电气设备体系振型图Fig.6 Vibration mode of firewall and connected electrical equipment system

3 地震响应分析

选取地震波时,应选择反应谱能覆盖所在场地需求谱的地震波,本研究中的需求谱采用《电力设施抗震设计规范》(GB 50260)中提供的设计反应谱[21],在进行地震波时程分析采用人工标准时程。人工标准时程波是在电气设备抗震研究的基础上,结合高压电气设备自身的机械强度特点,采用综合方案和区划图方案拟合成的建议波。人工波是经过对多种场地谱统计而得到概率意义上的包络值,有效频段较其他天然地震波更广。对于变电站的大多数电气设备来说,1阶固有频率都在需求谱平台的范围内(1.25 Hz ～10 Hz),而人工波反应谱能有效覆盖此区域,对电气设备起到良好的激励效果。为此,在进行地震波时程分析采用El-Centro波、Taft波以及1条人工波,依据现行电力设备抗震设计规范的要求[21],3个方向输入地震波的加速度峰值之比为1∶0.85∶0.65,并将地震波加速度峰值按设防烈度为9度调整到0.4 g,并考虑重力场作用。其中,垂直于防火墙墙面方向为X向,沿着管母方向为Y向,竖直为Z向。图7为3条波X向反应谱与需求谱,图8为人工波X方向加速度时程,单体设备的基本频率在2.5 Hz ～3 Hz之间,互连设备的基本频率为2.33 Hz,防火墙出现摆动的频段为5 Hz～12 Hz,即在2 Hz～12 Hz之间,人工波反应谱基本可以包络需求谱。

图7 需求谱及3条地震波X向反应谱Fig.7 Acceleration response spectrum of three earthquake waves in X direction and demand spectrum

图8 人工波X方向加速度时程Fig.8 Acceleration time history of artificial wave in X direction

为研究管母线互连设备之间相互作用关系以及防火墙对上部结构地震响应的动力放大作用,计算作用的顺序为:500 kV避雷器和500 kV绝缘子单体设备、互连设备、防火墙-互连设备体系。

3.1 管母线对单体设备地震响应的影响

3.1.1 管母线对单体设备加速度响应的影响

避雷器和绝缘子单体设备在人工波作用下的顶部加速度峰值最大,其中X向分别为0.94 g和1.05 g,Y向分别为0.71 g和0.85 g。互连设备中的避雷器、绝缘子A和绝缘子B顶部X向加速度峰值分别为0.90 g、0.93 g和0.92 g,单体避雷器和单体绝缘子A、B的X向加速度下降幅度分别为4.2%、11.5% 和12.3%,管母在与金具的约束作用对X加速度响应有较好的控制;Y向加速度峰值分别为0.65 g、0.74 g和0.77 g,单体避雷器和单体绝缘子A、B的Y向加速度下降幅度分别为8.4%、12.5% 和9.4%,管母在与金具产生相对滑动时摩擦耗能,对Y向加速度响应有较好的控制。

为了解不同烈度下管母与金具在对设备加速度响应的影响,将人工波Y向峰值调至0.1 g、0.2 g和0.3 g,并分别对两个单体设备和互连设备开展Y向(沿管母方向)单向输入下的地震响应分析,其加速度分析结果见表3,其中g为重力加速度。

表3 互连设备与单体设备Y向加速度峰值Table 3 Peak acceleration of Y direction between connected electrical equipment and single equipment

表4 互连设备与单体设备顶部位移峰值Table 4 Peak displacement of top of connected electrical equipment and single equipment

在0.1 g人工波输入下,互连设备顶部加速度与单体设备相差不大,设备顶部加速度放大系数较大;而当地震输入大于0.2 g时,互连设备顶部加速度开始降低,在0.3 g人工波输入下,设备顶部加速度变化幅度基本与初始地震(Y向0.34 g)的降幅相近。从表3数据上看,互连设备顶部金具与管母摩擦滑移耗能在0.2 g～0.34 g地震作用下较为明显,总体降幅在4%～12%之间。固定连接端绝缘子A的Y向约束效应最大,其加速度降幅最大,但是无耗能能力。

3.1.2 管母线对单体设备位移响应的影响

支柱类避雷器和绝缘子单体设备的位移响应相似,但是绝缘子结构更加细长,位移峰值比避雷器大,其中在人工波作用下绝缘子顶部位移峰值为58.45 mm,避雷器顶部位移峰值为48.77 mm,相差16.5%;互连设备体系的最大位移出现在避雷器顶部,而不是绝缘子顶部,这是由于避雷器顶部滑动金具没有直接固定在避雷器上部法兰,而是通过长度为450 mm的柔性梁连接,见图3(a)。由于柔性梁的过渡,使避雷器的顶部与金具连接刚度降低,导致水平向位移增大。互连设备中避雷器的X向位移峰值为45.69 mm,距离避雷器较远的绝缘子A的X向位移峰值为44.17 mm,距离较近的绝缘子B的X向位移峰值为43.55 mm,绝缘子B与避雷器的峰值位移值相差4.7%。

从互连设备位移响应来看,管母线连接会使不同设备的位移差减小,与单体设备相比,位移响应均有不同程度降低,X向位移降幅在5%～25%之间,Y向位移降幅在10%～30%之间,绝缘子位移降低幅度较大。两个单体设备及互连设备基频在2.3 Hz～2.9 Hz之间(周期为0.345 s ～0.435 s),对比3条波的反应谱可知,在此频段反应谱值从高到低排序也依次为人工波、EL Centro波、Taft波。所以,在3条地震波分别作用下,人工波的位移响应峰值最大,EL Centro波次之,Taft波最小。

由此可见,管母线与金具的滑动相对滑动耗能会使互连设备位移响应下降。总体来讲,由于两种设备的总高较低,在6 m～7 m之间,单体设备和互连设备的顶部位移响应都不大,图9为人工波输入下互连状态避雷器水平位移响应。

图9 人工波输入下互连状态避雷器水平位移响应Fig.9 Horizontal displacement response of connected arrester under artificial wave input

3.1.3 管母线对单体设备应力响应的影响

支柱类电气设备的地震响应主要贡献来自第1振型,应力响应最大处一般位于结构根部。避雷器和绝缘子单体设备根部为单柱式钢支架,支架圆截面抵抗矩大,钢材的极限抗拉应力大,地震作用下应力富裕度高。为此,直接对各个设备的最底层复合套管根部应力进行校核。在国内规范中,校核电气设备应使用安全系数。安全系数为电气设备或材料的破坏应力与地震作用或其他荷载产生的总应力的比值,且应满足:

(2)

其中,σtot为地震作用或其他荷载产生的总应力,συ电气设备或材料的破坏应力。

在人工波作用下,避雷器和绝缘子单体设备的套管根部应力响应最大,分别为31.44 MPa和42.55 MPa,远小于复合材料的极限破坏强度;互连设备中避雷器的套管根部峰值应力为25.70 MPa ,绝缘子A和绝缘子B的根部应力峰值分别为30.67 MPa和29.06 MPa,三者的应力响应都较单体设备有所下降。由于管母对绝缘子的约束力更大,两支绝缘子的根部应力降幅更为明显,且单体设备和互连设备的根部峰值应力安全系数均小于国内规范推荐值1.67,互连状态下设备的安全系数更高,设计较为安全,应力分析结果见表5。

表5 互连设备与单体设备套管根部应力Table 5 Stress of bushing root of connected equipment and single equipment

3.2 防火墙对互连设备的动力放大作用

3.2.1 防火墙对互连设备加速度响应的放大作用

在0.4 g人工波作用下,增设防火墙后远离防火墙约束端的绝缘子B加速度响应最大,其顶部X、Y向加速度峰值分别为3.11 g和1.02 g,垂直于墙面的X向的加速度响应较大,增设防火墙前后互连设备顶部的X向加速度峰值响应之比为1∶3.46;而防火墙顶部X、Y向加速度峰值分别为1.45 g和0.51 g,垂直墙面的方向的加速度放大系数为3.63,大于国内现行规范规定的防火墙顶部动力反应放大系数2.0,导致上部互连体系的加速度偏大,防火墙对互连设备的加速度放大系数为2.15。选取地面(G)、防火墙底部距离地面1 m处(Wbottom)、防火墙顶部(Wtop)、互连绝缘子B(Itop)顶部为考察点,图10(a)为0.4 g地震作用下防火墙-互连设备体系各考察点三向加速度放大系数。

图10 防火墙对互连设备的加速度放大作用Fig.10 Acceleration amplification effect of firewall on connected equipment

为研究X向防火墙对上部互连设备的加速度放大机理,图10(b)为0.4 g地震作用下各关键点处X向加速度反应谱。防火墙反应谱极大值出现处包括防火墙本身和互连设备的自振频率,1.99 Hz对应互连设备基频,8.37 Hz对应防火墙和设备的扭转频率,说明防火墙对地震波有过滤作用;而互连设备进一步过滤,使能量都向基频出集中,绝缘子B顶部加速度反应谱仅在1.99 Hz处出现一次极大值,导致上部设备在基频处动力放大效应显著。

电压等级较高的支柱类电气设备回路通常安装在支架顶部,支架设计动力放大系数一般在1.2～1.4左右,且上部设备高度高,特高压电气设备-支架体系总高在1 5 m ～20 m左右,但复合套管自身加速度放大作用小于瓷质套管[22],所以支架类复合电气设备顶部的加速度放大系数相对较小;防火墙上电气设备高度在5 m ～8 m左右,远小于特高压电气设备,但是防火墙高度较大,且垂直于墙面的加速度放大作用明显,本研究计算垂直向加速度放大系数为3.63,比支架及其他建、构筑物的加速度放大系数限值大得多,导致上部设备的地震输入条件约为支架类设备的2～3倍,其抗震能力应重点关注。

3.2.2 防火墙上对互连设备位移及应力响应的放大作用

由于防火墙-互连体系对地震输入的滤波及垂直于墙体的动力放大作用,导致互连设备的第1振型处(X向一阶弯曲)对应应力和位移响应放大明显,具体表现为设备最底部套管的根部应力响应和X向顶部相对底部的位移响应急剧增大。绝缘子B的X向相对位移峰值为173.15 mm,为设置防火墙前位移峰值的4.18倍;套管根部应力峰值为103.96 MPa,为设置防火墙前应力峰值的3.47倍,应力安全系数仅为1.16,小于国内规范限值1.67。由于防火墙的动力放大作用明显,管母及金具的约束作用和耗能能力远小于地震脉冲,图11为人工波作用下互连状态下绝缘子B在设置防火墙前后X向相对位移与套管根部应力时程。

图11 设置防火墙前后绝缘子B地震响应Fig.11 Seismic response of insulator B with and without firewall

互连设备顶部相对位移过大会使导线拉扯幅度增大,会导致防火墙上设备与其他设备牵引,增大设备接线端荷载,所以实际情况下互连设备根部的弯矩作用会大于计算值。除此之外,防火墙垂直于墙体侧本身是抗震薄弱环节,且下方布置的大型换流变压器-套管体系是换流站最重要的设备之一,由于防火墙壁厚较小,在发生强震或罕遇地震时防火墙上设备掉落的几率极大,会对下方换流变带来二次损伤。为防止电气设备弯折甚至从防火墙上掉落,建议在设备底部采取减震措施或对结构体系进行整体的加固设计;或对防火墙进行结构改型设计,如采用梯形截面防火墙或加大墙厚等。

4 结论

本研究建立了500 kV复合避雷器和500 kV复合支柱绝缘子单体设备、互连设备及防火墙-互连设备体系有限元模型,并依次开展不同输入下的地震响应分析,分析了管母线对单体设备地震响应的影响和防火墙对上部设备的动力放大作用,得到以下结论:

1)500 kV复合避雷器和500 kV复合绝缘子单体设备与互连设备的动力特性相似,互连设备频率值略有下降,且出现整体扭转模态;设置防火墙使互连设备的基频进一步下降,并出现防火墙带动上部设备整体摆动现象;防火墙-互连设备体系前6阶自振频率在1 Hz～9 Hz之间,与地震动的卓越频率相近。

2)管母线与金具约束下的互连设备整体加速度、位移和应力响应相比单体设备均有不同程度下降。其中单体设备X向位移降幅在5%～25%之间,Y向位移降幅在10%～30%之间;管母金具摩擦滑移耗能在0.2 g～0.34 g效果较好,沿管母线方向加速度降幅在4%～12%之间;在0.4 g地震输入下,单体设备安全系数在2.82～3.81之间,互连设备的安全系数在3.95～4.67之间。互连设备整体抗震性能相比单体设备更加优越。

3)防火墙对上部互连设备的动力放大作用明显,在垂直墙体方向,墙体本身加速度放大系数为3.63,对上部互连设备的加速度放大系数为2.15;增设防火墙前后互连设备顶部的X向加速度峰值响应之比为1∶3.46,互连设备的加速度响应急剧增加。套管根部应力峰值为103.96 MPa,为设置防火墙前应力峰值的3.47倍,应力安全系数仅为1.16,小于国内规范限值1.67。防火墙上设备的抗震性能较差,应采取减震、加固措施或对防火墙体系进行结构改型设计。