特高壓直流隔離開關復合隔震技術研究

柴 笑 天

(北方工業(yè)大學土木工程學院，北京 100144)

0 引言

特高壓直流隔離開關是換流站中常見的、比較重要的一類開關類設備，也是地震時很容易發(fā)生破壞的一類電氣設備，特高壓直流隔離開關的結構特點是尺寸比較高大、高度達22 m，水平柔度比較大、自振頻率范圍在1 Hz～10 Hz[1,2]，與地震波的卓越頻率很接近，在地震作用下，很容易發(fā)生類共振，對設備造成破壞[3]。 韓軍科等[4]利用有限元軟件，將本體高度2.7 m的多柱式高壓隔離開關的基底做成連梁基礎，并設置傳統(tǒng)隔震支座進行基底隔震。盧智成等[5]利用有限元軟件，在220 kV的三極隔離開關GWV23B-252的底部增設連梁，并加設傳統(tǒng)隔震支座進行基底隔震。黃峰等[6]用ANSYS軟件，模擬在220 kV的GW7-252隔離開關的瓷柱和支架頂端鋼板之間設置4個SGDP-JQ-A型的減震器。

現(xiàn)有的隔離開關的隔震減震研究，多是針對于結構尺寸相對較小、絕緣子支柱使用瓷套的低、高電壓等級的隔離開關，并且隔減震目標多是以降低絕緣子根部應力為主，而對于結構尺寸更大、絕緣子使用柔度更大的復合材料的特高壓直流隔離開關的研究較少。本文主要針對三柱型特高壓隔離開關，考慮將摩擦滑板、普通疊層橡膠支座、粘滯流體阻尼器并聯(lián)復合，對特高壓直流隔離開關進行復合隔震設計，通過9度罕遇地震(0.62g)、9度多遇地震(0.14g)作用下的時程計算，分析其在地震作用下的響應。

1 工程概況

本文研究的特高壓直流隔離開關為三柱型隔離開關，位于云南省新松換流站，其地處云南省劍川縣新松村，海拔2 350 m，是目前世界上海拔最高、抗震設防要求最高的特高壓換流站。

特高壓直流隔離開關長跨方向19.7 m，短軸方向約3 m，高度約17 m，中間支柱簡稱動柱，兩側支柱簡稱靜柱。鋼支架高度約4.8 m，鋼支架頂部安裝有支柱絕緣子，材料主要采用彈性模量較小的玻璃鋼。按照相關規(guī)范，特高壓直流隔離開關屬于重要的電氣設備，抗震烈度為9度，基本地震加速度為0.40g。

2 復合隔震設計

該三柱型特高壓直流隔離開關重心很高，動柱與靜柱之間僅在鋼支架頂端有鋼梁連接，短軸向、豎向的整體性很差，因此在隔震設計時，首先在結構底部增設連接混凝土基礎，降低重心，提高隔震層協(xié)同工作的能力等，然后在混凝土基礎底部進行隔震設計。本文假定所有支座均勻承擔上部的重力荷載，滑板的承壓比為滑板數(shù)量占總支座數(shù)量的比例，不考慮支座布置個數(shù)、位置等因素對結果的影響。

隔震體系總重量184.4 t，其中特高壓直流隔離開關重量25.8 t，混凝土基礎重量158.6 t，不考慮隔震支座的重量。普通疊層橡膠支座8個，摩擦滑板10個，粘滯流體阻尼器均勻地布置在隔震層周圍，如圖1，圖2所示。方案1為隔震層阻尼比0.025，采用普通疊層橡膠支座水平向的阻尼比為0.025；方案2為隔震層阻尼比0.125，采用普通疊層橡膠支座增設有粘滯流體阻尼器的隔震方案，超出0.025的部分是粘滯流體阻尼器所提供的；方案3和方案4對隔震層阻尼比0.025,0.125的隔震方案并聯(lián)增設摩擦系數(shù)0.04的滑板。

3 各隔震方案罕、多遇地震響應

各隔震體系新松罕遇地震(0.62g)作用下的地震響應如表1，表2所示。

表1 新松罕遇地震(0.62g)作用下隔震效率

表2 新松罕遇地震(0.62g)作用下隔震層Y向位移最大值

從表1，表2可以得出，隔震層周期1.6 s和2.8 s工況下阻尼比0.025的隔震方案并聯(lián)增設摩擦系數(shù)0.04的滑板，會小幅度提高大震隔震效率，有效地降低大震時隔震層位移最大值；當隔震層周期1.6 s,2.8 s時，隔震層位移最大值分別降低8.6 cm(降幅23%)、7.7 cm(降幅13%)，說明對于普通疊層橡膠支座隔震，可以嘗試直接并聯(lián)增設摩擦滑板以優(yōu)化地震響應。該現(xiàn)象也是后續(xù)第四章設計滑板+普通疊層橡膠支座隔震，分析摩擦系數(shù)、隔震層周期對地震響應的影響的一個依據(jù)。隔震層周期1.6 s和2.8 s工況下阻尼比0.125的隔震方案，并聯(lián)增設摩擦系數(shù)0.04的滑板，隔震效率增幅比較明顯，隔震層位移最大值有所降低：當隔震層的周期取值1.6 s,2.8 s，隔震層位移最大值分別降低4.2 cm(降幅20%)、7.7 cm(降幅16%)。對于摩擦系數(shù)0.04的隔震方案，當阻尼比從0.025增至0.125時，隔震層周期1.6 s方案的隔震效率幾乎不變，隔震層位移最大值顯著降低，達13.2 cm(降幅45%)；隔震層周期2.8 s方案的隔震效率有所增長，隔震層位移最大值降低10.5 cm(降幅21%)。說明對于摩擦系數(shù)0.04的隔震方案，增大阻尼比可以有效地降低隔震層位移最大值，但同時也需關注隔震效率的增幅情況。

各隔震體系在新松罕遇地震(0.14g)作用下的地震響應如表3,表4所示。

從表3,表4可以得出，阻尼比0.025，0.125的隔震方案并聯(lián)增設摩擦系數(shù)0.04的摩擦滑板，會顯著提高小震時的隔震效率，保持在0.5以下，同時可以顯著地降低小震時隔震層位移最大值。

表3 新松多遇地震(0.14g)作用下隔震效率

表4 新松多遇地震(0.14g)作用下隔震層Y向位移最大值

4 結語

通過對特高壓直流隔離開關多種復合隔震方案，在新松罕多遇地震作用下對比隔震效率及隔震層Y向位移最大值，得出并聯(lián)增設摩擦系數(shù)較小的滑板可以小幅度提高或者在一定程度上提高大震隔震效率時，有效地降低大震時的隔震層位移最大值，顯著地降低小震時隔震層位移最大值，同時使小震隔震效率保持良好。