柔性直流换流阀LRB隔震性能分析★

朱 东，高 湛，程 亮，赵李源

(中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司,湖北 武汉 430071)

近年来,柔性直流输电技术因其具有可控性高、输电距离长和传输电压高等优点[1],促进了可再生能源利用和智能电网的发展。柔性直流换流阀作为柔性直流输电工程中最核心的电气设备,可实现交流电与直流电的转换,灵活控制电压、电流、无功功率和有功功率的输出与输入,其稳定的运行是柔直输电系统安全可靠运行的关键。但柔性直换流阀是典型的高耸结构,多采用瓷质支柱,地震易损性高,在强震下易发生支柱开裂和功率块损坏,威胁输电系统的安全[2]。近年来,已有多次地震对国内的电力设施造成了重大损失[3]。因此,此类设备的抗震性能需重点关注[4]。

相关研究学者开展了大量电气设备抗震研究工作[5-8],但鲜有学者开展柔性直流换流阀减隔震设计,本文以一柔性直流换流阀为研究对象进行LRB隔震设计[9],建立了阀体结构有限元模型,计算分析了LRB隔震方案对结构加速度响应、支柱绝缘子和框架应力的减震效果。

1 换流阀结构与有限元模型

1.1 换流阀结构

典型柔性直换流阀多采用底部支撑式结构,主要由绝缘子、拉杆、工字梁、功率模块等部件组成。本文以一上部共6层阀段的换流阀为研究对象,每个阀段由多组功率模块和阀框架构成。换流阀关键部件材料参数如表1所示。

表1 材料参数

1.2 换流阀有限元模型

根据换流阀的结构特点和仿真分析需求,选用ANSYS[10-11]进行有限元模拟,在满足仿真精度的前提下对原有模型做出如下简化:去除光缆槽、水管以及屏蔽罩等附加的不受力部件,保留换流阀主体框架结构;模块单元是集成化的块结构,不属于承重受力结构,但其质量较大,在建模时通过质量点模拟。

柔性直换流阀的有限元模型及单元选取见图1。支柱绝缘子和框架采用Beam188模拟,拉杆绝缘子采用Link180模拟,质量点采用Mass21单元模拟[12],部件之间均通过节点耦合连接。

1.3 模态分析

模态分析前需考虑结构的静态自重预应力,计算结构在重力作用下的应力与变形,经计算换流阀的最大等效应力为16.25 MPa,发生在第一层的框架型材处,最大变形为1.51 mm,发生在阀体顶部。静力分析后进行模态分析[13],需打开大变形开关与预应力开关,计算提取的结构前4阶自振频率见表2,前3阶振型见图2。

表2 换流阀前4阶自振频率

系统的响应主要是由前几阶振型贡献,如表2所示,该换流阀模型的前3阶自振频率均低于3 Hz,原因之一是支撑式换流阀的重量主要由上部功率模块贡献,导致结构整体重心较高,结构自振频率较低,是典型的柔性结构,震中易发生支柱绝缘子根部应力与顶部加速度响应过大。因此,柔性直流换流阀进行结构设计时需考虑地震作用。

2 LRB布置方案与有限元仿真

2.1 LRB布置方案

LRB的布置见图3,换流阀下部共设置6件隔震支座,上部结构与LRB通过工字钢螺栓连接。

2.2 LRB有限元仿真

LRB橡胶隔震支座采用同一规格:D=100 mm,高度82 mm,铅芯直径18 mm,橡胶层总厚度21.6 mm,橡胶剪切模量G=0.392 MPa,屈服力Fy=2.036 kN,屈服位移uy=2 mm,屈服后刚度Kd=0.118 kN/m;等效刚度100%=0.212 kN/mm。

双线性模型[14]可以较好地模拟地震作用下LRB支座的滞回曲线,恢复力模型的表达式为:

(1)

在ANSYS中,图4所示的非线性弹簧单元Combin40可模拟隔震支座的恢复力特性,图4中K1=Ku-Kd为屈服前刚度,K2=Kd为屈服后刚度。有限元模拟的LRB滞回曲线如图5所示。

3 地震波选取

采用动力时程分析法进行抗震设计时,可采用自然地震波作为地震动输入时程[15]。所选地震波反应谱需与目标反应谱在结构主要周期点相差不超过20%[16],选取与设计反应谱接近的地震动。

本文在PEER地震动数据库选取了表3所示的2条符合要求的地震动记录,所选地震动记录的加速度反应谱如图6所示。

表3 地震动信息

4 地震作用下结构响应分析

基于所选的地震波进行三向地震动激励下柔性直流换流阀动力时程分析时,由于Y向为换流阀的弱轴向,为评估最不利情况下结构的动力响应,本文将三个方向的地震波按Y∶X∶Z=1∶0.85∶0.65输入。结构阻尼采用Rayleigh正交阻尼,可通过式(2)、式(3)定义质量系数α与刚度系数β[17]:

[C]=α[M]+β[K]

(2)

(3)

(4)

其中,ωi,ωj和ξi,ξj分别为j阶自振圆频率和阻尼比。文中阻尼比取2%,地震波时间步长取0.02 s。本文通过对比隔震前后结构应力与加速度响应,评价隔震方案的减震性能。

4.1 最大应力分析

电气设备进行时程分析抗震计算时需验算电气设备根部和危险断面处的应力,对于换流阀需验算下部支柱绝缘子等效应力与上部框架结构的等效应力,图7为RSN8069地震动作用下未隔震换流阀下部支柱绝缘子的等效应力云图。各工况下部支柱绝缘子与上部框架的最大等效应力如表4所示。

表4 地震作用下结构应力

由表4可知,隔震后下部支柱与上部框架的最大等效应力值明显降低,RSN8069地震波作用阀体下部支柱的最大等效应力由18.98 MPa下降到3.22 MPa,减震率83.03%。上部框架的最大等效应力由171.82 MPa下降到32.82 MPa,减震率80.90%。RSN742地震波作用下LRB隔震后阀体的最大等效应力同样下降明显。因此,LRB隔震方案可以显著降低震中柔性直流换流阀体的应力。

4.2 加速度响应分析

加速度响应直接反映了换流阀在地震过程中振动情况,加速度响应越大表明换流阀的振动越剧烈。图8为RSN8069地震波作用下隔震前后阀体一层角点的X向加速度时程曲线。如图8所示,隔震后该点X向加速度相应明显降低,减震效果明显,表5为各工况下隔震前后阀体一层与六层角点的峰值加速度与减震率。

由表5可知,RSN8069地震工况下,采用LRB隔震后阀体一层角点的X向峰值加速度由2 780.4 mm/s2下降到482.18 mm/s2,减震率82.66%。一层角点Y向峰值加速度由2 371.1 mm/s2下降到410.58 mm/s2,减震率82.68%。六层角点X向峰值加速度由4 136 mm/s2下降到497.06 mm/s2,减震率87.98%,六层角点Y向峰值加速度由3 409.40 mm/s2下降到435.96 mm/s2,减震率87.21%。RSN742地震波作用下LRB隔震后阀体加速度响应同样下降明显。因此,LRB隔震设计可以显著降低震中阀体的加速度响应。

表5 地震作用下结构峰值加速度

5 结论

本文建立一换流阀有限元模型,并进行LRB基础隔震设计与两组地震工况下结构的应力与加速度响应分析,得到以下结论:1)柔性直流换流阀是典型的柔性结构,震中易发生支柱绝缘子根部应力与顶部加速度响应过大,过大的振动易影响阀段功率块的正常运行与威胁结构安全,因此在进行柔性直流换流阀设计时,需考虑地震作用,并采取相应减震措施,以确保设备震中的安全运行。2)LRB隔震方案通过隔震支座大变形,实现了上部柔性直流换流阀结构的减震,降低了震中阀体的应力与加速度响应,提高了结构的安全性。3)8度半地震工况下LRB隔震方案的减震率明显低于8度地震工况下的减震率,后续需研究提高柔性直流换流阀LRB隔震方案的鲁棒性。