特高壓直流隔離開關復合隔震技術研究

柴 笑 天

(北方工業大學土木工程學院，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量占總支座數量的比例，不考慮支座布置個數、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的隔震方案并聯增設摩擦系數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的隔震方案并聯增設摩擦系數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，可以嘗試直接并聯增設摩擦滑板以優化地震響應。該現象也是后續第四章設計滑板+普通疊層橡膠支座隔震，分析摩擦系數、隔震層周期對地震響應的影響的一個依據。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，并聯增設摩擦系數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的隔震方案并聯增設摩擦系數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，得出并聯增設摩擦系數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。