基于有限元的特高壓閥廳-閥塔抗震分析

張偉為，于海波，高 彪，解鵬程，張子敬

(南京南瑞繼保工程技術(shù)有限公司，江蘇 南京 211102)

基于電壓源換流器的柔性直流輸電技術(shù)可控性強，適合于電力遠距離輸送，因此在解決電網(wǎng)兼容、跨區(qū)域輸電中具有廣泛應(yīng)用[1-3]。直流換流閥是換流站中的核心設(shè)備，其質(zhì)量一般較大，工作電壓通常高達數(shù)百千伏，因此其在閥廳內(nèi)的抗震性能直接關(guān)系到直流輸電系統(tǒng)的運行安全[4]。針對換流閥閥廳及閥塔結(jié)構(gòu)，開展整體抗震研究，對確保直流工程安全運行，具有十分重要的意義。

目前常用的換流閥結(jié)構(gòu)設(shè)計方案均采用柔性懸吊結(jié)構(gòu)，閥塔頂端懸吊于閥廳的吊裝框架上以滿足抗震要求。由于系統(tǒng)復(fù)雜且重要性較高，換流閥及換流站的抗震研究及設(shè)計日漸成為特高壓工程研究的熱點[5-7]。對于換流閥廳，馬勇杰、余萍等[8-9]基于有限元技術(shù)建模，分析了換流站的地震響應(yīng)；黃利軍[10]在仿真分析基礎(chǔ)上，引入實驗檢測技術(shù)，分析了閥廳的動態(tài)特性。但他們側(cè)重于研究閥廳結(jié)構(gòu)，所建閥塔模型十分簡單，并未重點分析閥塔的力學(xué)性能。對于閥塔的仿真，Larder、Wu等[11-12]通過優(yōu)化閥塔結(jié)構(gòu),提高了抗震性能。Maison等[13]基于反應(yīng)譜分析法對ABB換流閥結(jié)構(gòu)進行了數(shù)值仿真，并提出設(shè)置阻尼器進而減小地震響應(yīng)的設(shè)計思路；吳小峰等[14]通過建立較為精細的閥塔有限元模型，進行了有限元仿真分析；Wu等[15]通過對比研究一維和三維地震波輸入下的響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)了閥塔的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，進而提出應(yīng)使用三向地震波開展閥塔分析。但此類分析忽略了閥廳與閥塔的相互作用，僅僅針對閥塔本身展開仿真計算。

隨著有限元分析技術(shù)的發(fā)展及人們對地震研究的深入，采用更加完整的建模思路，考慮閥廳與閥塔的振動耦合因素，建立閥廳-閥塔聯(lián)合仿真模型，在設(shè)計初期開展整站抗震分析，保證工程安全，具有非常重要的意義。

1 抗震分析方法

目前，關(guān)于抗震的仿真分析方法主要有以下3種：1)模態(tài)分析；2)響應(yīng)譜分析；3)時程分析。

從理論上講，時程分析是較準確的模擬動態(tài)分析方法，但其計算量大，且分析較為復(fù)雜，目前對于換流閥的分析多采用響應(yīng)譜法[5,16-18]。

本文在建立的閥廳-閥塔整體仿真分析模型的基礎(chǔ)上，使用時程分析法，以期對鋼結(jié)構(gòu)閥廳與懸吊閥塔結(jié)構(gòu)在地震作用下的實際響應(yīng)情況開展盡可能準確的分析。

2 換流閥閥廳-閥塔抗震分析

2.1 結(jié)構(gòu)描述

圖1所示為懸吊直流換流閥結(jié)構(gòu)，采用模塊化及柔性化設(shè)計。閥廳內(nèi)懸吊6個閥塔，每個閥塔高約15m，由4層模塊組件及上下屏蔽罩組成，每層模塊組件由若干可控硅堆及電抗器等元件組成，質(zhì)量約2.2t。閥塔頂部用4根復(fù)合絕緣子懸吊于閥廳屋架上，層間用12根懸吊絕緣子相連，以保證足夠的旋轉(zhuǎn)自由度。

圖1 換流閥塔幾何結(jié)構(gòu)

目前換流站閥廳常采用混合結(jié)構(gòu)體系，主體鋼結(jié)構(gòu)以焊接為主。閥廳的結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定其所受懸掛負載作用在屋架梁上，再由屋架傳遞給地面支柱。在地震工況下，換流閥抗震性能及閥廳對閥塔的影響，是本文研究的重點。

2.2 計算模型建立

換流站的閥廳及閥塔結(jié)構(gòu)均較為復(fù)雜，在開展整體仿真分析之初，需針對具體實物模型建立有限元分析模型。綜合考慮計算規(guī)模及結(jié)果的準確性，對閥廳-閥塔整體仿真模型做如下假設(shè)：

對于閥廳，考慮鋼柱和橫梁的拉、壓及彎曲應(yīng)力，需采用Beam188梁單元；剪力墻為薄壁結(jié)構(gòu)，采用Shell181薄殼單元；地面支撐鋼柱的約束采用固定支座方式；換流變剪力墻的約束采用有限個邊界點完全約束的形式。計算模型如圖2所示。

圖2 閥廳有限元模型

對于閥塔，為便于進行時程分析，對原始幾何模型進行了一定的簡化，具體簡化原則如下：

1)懸吊絕緣子上下連接為鉸接，絕緣子僅受拉或壓應(yīng)力，因此簡化為二力桿力學(xué)模型。將頂部4根絕緣子及所有層間絕緣子用Link180桿單元進行模擬。

2)閥組件的鋁框架、絕緣橫梁、層內(nèi)支撐絕緣子為主要的承重結(jié)構(gòu)，需要考慮其拉、壓、彎等受力，因此簡化為梁結(jié)構(gòu)，采用Beam188梁單元進行模擬，并分別設(shè)定截面屬性。

3)絕緣柵雙極型晶體管、電抗器等元器件在建模時，考慮到設(shè)備外殼結(jié)構(gòu)，需簡化為能分析一定厚度殼體的殼單元，采用Shell181殼單元進行模擬。

4)對于各處的鉸接結(jié)構(gòu)，通過釋放單元自由度，實現(xiàn)鉸接處理。單個換流閥塔的節(jié)點總數(shù)為18 372，網(wǎng)格總數(shù)為17 789。

5)坐標系采用右手笛卡爾坐標系，X向為換流閥塔水平長邊方向，Y向為換流閥塔水平短邊方向，Z向為換流閥塔豎直方向。

建立的閥塔有限元模型如圖3所示。

圖3 換流閥閥塔有限元模型

將6個閥塔懸掛在閥廳模型中，閥塔吊索頂點和對應(yīng)懸掛點通過CP(節(jié)點)耦合實現(xiàn)連接。6個閥塔共24個懸掛點，均通過CP耦合實現(xiàn)連接。最終的有限元模型如圖4所示。整體結(jié)構(gòu)節(jié)點總數(shù)為118 314，網(wǎng)格總數(shù)為114 912。整體分析模型如圖4所示。

圖4 閥廳-閥塔整體結(jié)構(gòu)有限元模型

仿真分析需考慮材料特性，閥廳-閥塔模型中各主結(jié)構(gòu)材料參數(shù)見表1。

表1 材料參數(shù)

根據(jù)閥廳內(nèi)設(shè)備安裝方式可知，此時閥塔的長邊方向(X向)對應(yīng)閥廳的短邊方向，閥塔的短邊方向(Y向)對應(yīng)閥廳的長邊方向。

2.3 計算載荷作用

換流閥分析模型規(guī)模龐大，且難以收斂，因此其他研究更多地采用反應(yīng)譜法開展分析，但此方法不能反映結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性隨時間變化的規(guī)律。本文的研究以EI Ccentro、Taft兩種地震波作為輸入，采用更復(fù)雜的時程分析，研究整體結(jié)構(gòu)動力學(xué)響應(yīng)情況。

2.4 閥廳-閥塔模態(tài)分析

依據(jù)GB50260—2013，直流換流閥的結(jié)構(gòu)阻尼比取2%[19]。通過模態(tài)分析，得到結(jié)構(gòu)主振型及自振頻率(考慮到閥廳懸掛6個閥塔時類似的主振型會重復(fù)出現(xiàn)6次，不利于分析，此處模態(tài)分析針對閥廳-單閥塔進行)，結(jié)果見表2。

表2 懸掛單個換流閥塔模態(tài)計算結(jié)果

根據(jù)模態(tài)分析的振型圖可知，其第一階振型為基本的扭轉(zhuǎn)形式，第二階振型為沿縱向短邊Y方向的振動，第三階為沿橫向長邊X方向的振動。因為沿縱向短邊Y方向更易受地震波影響，所以將地震波最大的方向加載在縱向短邊Y方向，展開仿真計算。

2.5 閥廳-閥塔時程分析

對閥廳-閥塔整體有限元模型施加實際地震波(EI Centro與Taft)開展動力時程分析，結(jié)果如下。

2.5.1閥廳-閥塔模型計算結(jié)果

以Taft波為例，整體計算結(jié)果如下：懸掛6個閥塔的閥廳-閥塔整體模型中換流閥懸掛點處X方向的位移響應(yīng)要大于Y方向的位移，其X方向位移最大值為0.05m(整體擺幅如圖5所示)；換流閥的位移響應(yīng)主要為水平方向的擺動，且越往底層擺幅越大，底層位置Y方向的位移響應(yīng)要大于X方向的位移，其Y方向位移最大值為0.53m(圖6)。

圖5 整體擺動情況

圖7所示為拉桿絕緣子的軸向力云圖，最大軸向力為30 049.1N，發(fā)生在最上端懸掛用的4根拉桿絕緣子上。此時拉桿絕緣子的最大軸向拉應(yīng)力為33.2MPa，拉桿絕緣子的屈服極限為450MPa，安全系數(shù)為13.6，材料滿足強度要求。

圖7 拉桿絕緣子的軸向力云圖

2.5.2閥廳對閥塔的影響研究

分別加載EI Centro與Taft波，對單閥塔、閥廳-閥塔整體模型分別展開分析。對比整體計算模型與僅考慮閥塔的計算模型間的差異，探究閥廳對閥塔的影響。

由于底層位移響應(yīng)最大，提取閥塔底部水平向位移峰值進行對比，結(jié)果見表3。

表3 整體模型及單塔模型位移峰值對比 m

分析可知，地震波經(jīng)閥廳的放大作用之后，會導(dǎo)致閥塔的位移響應(yīng)增大。以往分析閥塔的最大擺幅時，往往是對單塔模型直接使用峰值放大系數(shù)進行預(yù)估，但此方案會造成擺幅結(jié)果的偏差。

由于懸掛在閥廳內(nèi)的換流閥與其他設(shè)備(如換流變)等均通過套管相連，閥塔的最大擺幅直接決定相連接設(shè)備及整個換流站的運行安全。因此，采用閥廳-閥塔聯(lián)合分析模型，定量考慮閥廳對閥塔放大作用的分析方法，對特高壓換流閥的設(shè)計及分析具有一定的應(yīng)用價值及工程意義。

3 結(jié)論

1)X向、Y向的水平擺動及Z軸的扭轉(zhuǎn)是影響換流閥地震響應(yīng)的主要振型，在分析中應(yīng)重點考慮；

2)三向加載地震波，分析閥廳懸掛點位移、換流閥最大擺幅、懸吊絕緣子最大應(yīng)力等，結(jié)果均滿足設(shè)計要求。

3)建立閥廳-閥塔整體有限元模型，能更加準確地模擬實際工況，定量分析閥廳對閥塔最大擺幅的影響，為換流閥直流工程建設(shè)提供了新的設(shè)計及分析方法。