支撐式換流閥塔的抗地震設計

高 彪，張偉為，于海波，劉國偉

(南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211100)

柔性直流輸電在解決遠距離、大容量輸電，新能源分布式電源接入以及特大型交直流混合電網面臨的諸多問題時，具有其獨特的優勢[1]。我國幅員遼闊，同時新能源發展較快，因此近幾年我國的柔性直流輸電發展進入高速期。同時，柔性直流輸電的核心器件絕緣柵雙極型晶體管、電容以及系統中的直流斷路器也取得了較大進展，柔性直流輸電正在往高電壓、大容量發展，這就帶來了閥塔的高度及質量的增加，同時對閥塔結構的抗震要求也越來越嚴格。一般柔性直流輸電換流閥塔的抗震性能是通過理論粗略估算或者仿真分析進行評估[2-3]，但這樣的計算模型可能會存在一定的偏差并且忽略一些閥塔結構細節。

本文以南京南瑞繼保電氣有限公司(以下簡稱本公司)的一款支撐式換流閥塔為研究對象，用仿真結合試驗的方法分析閥塔的抗震特性，以便為換流閥塔結構的優化設計提供參考。

1 換流閥塔結構及仿真試驗模型

該款支撐式換流閥塔中，幾個子模塊組成1個閥段，每層通過幾個閥段組合后逐層疊加而成單塔，然后2個單塔背靠背通過斜拉絕緣子及連接件組成環抱式閥塔。該閥塔結構為單塔2段4層、兩塔背靠背環抱而成，考慮到試驗的可行性以及試驗對象的考察價值，選擇單塔1段4層、兩塔背靠背環抱而成的結構作為計算和試驗對象。在抗震性能方面，單塔2段4層的結構形式優于單塔1段4層的結構形式，因此如果單塔1段4層、兩塔背靠背環抱而成的計算和試驗對象通過抗震校核，則單塔2段4層、背靠背2塔環抱而成的結構也必然能滿足抗震要求。

在考察閥塔承載能力時，考慮到閥塔內部實際子模塊的生產成本較高，子模塊以等質量、等質心的配重塊代替。圖1為本次仿真和試驗的閥塔模型圖，圖中閥塔長約2.6m，寬約4.6m，高約10.0m，質量約16.5t。

圖1 仿真試驗模型示意圖

2 換流閥塔抗震仿真分析

2.1 有限元模型

研究所用模型確定后，需要建立閥塔的有限元計算模型。本次抗震仿真分析基于有限元計算軟件ANSYS，選取梁、桿、殼及質量單元[4-5]建立有限元模型并劃分網格，得到如圖2所示的有限元模型。

圖2 換流閥塔有限元模型

2.2 靜力及模態分析

首先進行靜力校核，載荷為閥塔的自重。經過計算，閥塔的最大應力為13.5MPa，發生在第1層的框架型材處，如圖3所示；最大變形為3.9mm，發生在第4層的絕緣橫梁上，如圖4所示。

圖3 閥塔的靜力分布圖

圖4 閥塔變形云圖

通過閥塔的模態分析計算可以得到閥塔結構自身的動態特性，主要包括自振頻率和模態振型。計算時考慮結構的靜態自重預應力，然后提取結構的模態解并導入下一步地震波時程分析。結構的前10階固有頻率見表1。

表1 換流閥塔的前10階固有頻率

由表1可知，閥塔的前10階固有頻率均小于4Hz。

2.3 地震波時程分析

對結構的抗震仿真分析一般可通過響應譜分析或者時程分析進行，其中時程分析能更準確地獲得結構在地震載荷作用下的動力特性。本文將進行時程分析，同時將時程分析的結果與抗震試驗的結果進行對比。

輸入國家電網公司規定的標準人工加速度時程波，將加速度時程波峰值調整為所要求的值，其中3個方向輸入以X向為主方向，3個方向加速度峰值之比為X∶Y∶Z=1.00∶0.85∶0.65。根據GB 50260—2013[6]將最大加速度方向上(X向)時間歷程加速度峰值調整為0.2g(對應于8級地震烈度，該閥塔結構設計目標即為滿足8級烈度設防要求)，3個方向按上述加速度峰值比加載地震波開展仿真，下文的抗震試驗也采用與本節相同的載荷，加載的激勵波形如圖5所示。

圖5 仿真及試驗加載的波形圖

經過計算，發現閥塔的最大應力發生在第1層閥段框架的型材處，最大應力為46.3MPa，如圖6所示。

圖6 框架型材的應力分布圖

閥塔閥基絕緣子作為關鍵零部件，其最大應力為16.6MPa，應力分布如圖7所示。

閥塔底部斜拉絕緣子的最大應力為67.5MPa，斜拉絕緣子應力分布如圖8所示。

閥塔整體的最大位移為41.05mm，發生在閥塔頂部，如圖9所示。

所選用型材的屈服應力為170MPa，則框架型材的安全系數為3.67；所選用絕緣子的破壞應力為200MPa[7]，則絕緣子的安全系數為12.05；斜拉絕緣子破壞應力為400MPa，則斜拉絕緣子的安全系數為5.93。

圖7 閥基絕緣子的應力分布圖

圖8 斜拉絕緣子的應力分布圖

圖9 閥塔形變分布圖

該支撐式換流閥塔的抗震仿真結果表明：閥塔能夠耐受8級烈度地震載荷的作用，各關鍵零部件的安全系數均滿足GB 50260—2013所規定的大于1.67的要求。

3 換流閥塔地震試驗

3.1 試驗對象及試驗目的

地震試驗的對象為上述換流閥塔模型的實物，采用振動臺測定試件的動力特性(自振頻率、阻尼比)和地震反應。試驗目的：1)根據實驗結果，為數值模擬分析提供論證數據，進行仿真、實驗對比；2)根據實驗結果，為閥塔的設計提供參考。

3.2 試驗內容及試驗要求

試驗內容為安裝閥塔模型，加載地震波，測量整體及指定位置最大擺幅，測量部分位置的最大應力。試驗要求如下：

1)進行三向地震試驗；

2)振動臺產生的試驗反應譜(TRS)應包絡要求的特高壓標準反應譜(RRS)，兩者譜值之差應為0%～50%，若TRS有少部分單個點在容差帶之外且與試驗設備共振頻率錯開也可接受；

3)導線為軟連接，不考慮附加質量影響；

4)試件的安全系數不小于1.67，試驗后應進行外觀檢查及結構力學性能檢查，考察是否滿足要求；

5)其他試驗要求，參照GB 50260—2013及GB/T 13540—2009[8]的相關規定。

3.3 測點布置及試驗載荷、工況

此次試驗需測試閥塔各部位的加速度響應、應變。加速度響應采用加速度計測試，在臺面、閥基絕緣子頂部、層間配重塊和子單元、閥段橫梁、頂部框架、頂部光纜槽水管等位置處布置接線。

閥塔各部件的應力通過布置應變片采集數據并計算，在底部閥基絕緣子根部、閥基斜拉桿、層間閥段立柱和絕緣子、層間斜拉桿、頂層單元間斜拉桿、層間橫梁和框架縱梁等處根據仿真結果選擇性布置接線。

完成閥塔實物搭建及傳感器布置接線后的場景如圖10所示。

圖10 閥塔地震試驗圖片

試驗加載波形與仿真分析所輸入的波形一致，均采用國家電網公司規定的標準時程波，試驗峰值為0.2g，試驗的過程如下：

1)進行加速度峰值為0.05～0.08g白噪聲輸入，持續時間不少于60s；

2)根據給定的標準時程波(人工波)，通過多次迭代以滿足容差要求；

3)迭代滿足后，輸入目標峰值加速度的人工波。試件試驗后進行白噪聲試驗以確定設備基頻變化在容許的范圍內，觀測設備是否有損壞。

3.4 試驗結果

首先對閥塔施加白噪聲，得到閥塔三向的固有頻率分別為：X向1.875Hz，Y向1.500Hz，Z向16.675Hz。加載三向加速度峰值比為X∶Y∶Z=1.00∶0.85∶0.65，其中X向峰值為0.2g的地震波載荷后，再次進行白噪聲掃頻，得到閥塔的三向固有頻率分別為：X向1.875Hz，Y向1.500Hz，Z向16.500Hz，由此可知閥塔基頻并未發生大的變化。

通過應變片以及加速度傳感器采集數據，通過計算可得：框架型材的最大應力為43.89MPa，安全系數為3.87；閥塔支柱絕緣子的最大應力為18.95MPa，安全系數為10.60；斜拉絕緣子的最大應力為80.68MPa，安全系數為4.96；閥塔的最大位移為48mm。

該支撐式換流閥塔的抗震試驗結果表明：閥塔能夠耐受8級烈度地震載荷的作用，各關鍵零部件的安全系數均滿足GB 50260—2013所規定的大于1.67的要求。

3.5 仿真與試驗的結果對比

通過對該換流閥塔的抗震仿真及地震試驗，得到了該閥塔在國網標準時程波8級烈度載荷作用下的動力時程響應、各關鍵零部件的最大應力及安全系數。各關鍵零部件的仿真與試驗結果見表2、表3。

表2 換流閥塔抗震仿真與地震試驗的結構應力結果對比

表3 換流閥塔抗震仿真與地震試驗的結構變形結果對比

試驗和仿真結果的誤差可能是由以下幾個方面的原因造成的：

1)仿真模型上的子單元全部以剛性的質量塊代替，但是試驗閥塔上的質量塊并不是完全剛性的，有一定柔度，因此對閥塔基頻以及變形量會有影響；

2)仿真模型的斜拉絕緣子全部施加一樣的預緊力，但是實際閥塔的斜拉絕緣子施加的預緊力很難做到完全一致；

3)仿真模型中各連接件及關鍵零件的處理均為理想的狀態，實際閥塔上的零部件可能因工藝的差別有所區別；

4)試驗過程中所采集的數據也存在一定的偏差。

4 結束語

本文通過該支撐式換流閥塔的抗震仿真分析與抗震試驗，表明該柔性直流換流閥支撐式結構具有良好的抗震性能，檢驗了抗震設計的合理性；同時仿真和試驗的結果數據差異小于20%，具有較好的吻合度，驗證了換流閥仿真模型及計算流程的正確性，為后續開展同類結構設計與仿真分析奠定了基礎。