特高壓直流換流閥地震響應試驗研究

張偉為，于海波，劉 彬，高 彪

（南京南瑞繼保工程技術有限公司，南京 211102）

引言

柔性直流輸電技術在跨區域輸電中具有廣泛應用［1－3］。作為換流站中的核心設備，直流換流閥質量一般較大，目前通用的設計方案均采用柔性懸吊結構，將閥塔頂端懸吊于閥廳的吊裝框架上，因此懸吊式閥塔的抗震性能將直接關系到直流輸電系統的運行安全［4］。針對懸吊式結構，開展試驗及仿真抗震研究，對確保直流工程安全運行，具有十分重要的意義［5］。

目前針對換流站的抗震研究，更多的集中在仿真分析方面。針對懸吊閥塔，LARDER 等［6］和WU 等［7］從閥塔結構優化角度，進行了對比分析；MAISON 等［8］針對ABB 的換流閥結構，開展了基于反應譜分析法抗震仿真，并嘗試了通過阻尼器減小地震響應的減震思路；張立紅等［9］利用模態分析和時程積分法對懸吊換流閥的抗震性能和限位措施進行了研究，并開展了限位措施分析；徐俊鑫等［10］和劉愛國等［11］針對閥塔之間的連接以及閥廳－閥塔間相互作用機理，展開了仿真模擬研究。

由于懸吊式換流閥尺寸巨大，無法開展實物地震臺振動試驗，因此開展換流閥塔縮比試驗是此類設備研究的重要途徑［12－14］。WU等［15］開展了換流閥廳及閥塔的縮比模型試驗，并在ABAQUS中開展仿真驗證，但其閥塔模型相對簡單，且重點在于不同方向地震的影響；魏文暉等［16］開展了帶懸掛質量的閥廳結構縮比試驗，但其研究重點為閥廳結構的搖擺特性，僅將閥塔考慮為懸掛質量，未針對閥塔開展細化分析；喻夢［17］建立了1：10 的振動臺試驗縮尺模型，研究了不同懸吊質量及索長對地震響應的影響，但其重點研究整體懸吊特性，未對閥塔不同層間及層內連接進行模擬分析，因此研究不夠深入。總體而言，國內外學者鮮有針對懸吊閥塔地震動特性深入研究的縮比試驗，更多的是將懸吊閥塔整體考慮為懸吊質量，懸掛于設計的閥廳模型內，研究重點為閥廳鋼結構地震動響應及閥廳的設計。

該研究針對設計的換流閥結構，基于縮比理論，建立1：3換流閥塔詳細縮比模型，并設計懸吊框架，整體安裝于大型地震動試驗臺面開展地震臺振動試驗，探究懸吊閥塔在地震作用下的動態性能。

1 試驗設計

1.1 閥塔－閥廳結構介紹

此次實驗以某換流站閥塔結構為原型開展研究。如圖1所示，閥廳由焊接H型鋼柱、鋼桁架和鋼筋混凝土剪力墻等組成。整體尺寸長約56 m，寬約21 m（不含外圍剪力墻），凈高約20 m，整個閥廳為空間鋼排架結構。

圖1 懸吊換流閥塔Fig.1 Suspended valve tower

閥廳沿長度方向懸吊6 個閥塔，每個閥塔高約15 m，重達16 t，分6 層器件及上下兩側屏蔽罩，側面連接避雷器。每層器件質量約2.2 t。閥塔頂部由6根復合絕緣子懸吊于閥廳屋架上，層間由12根懸吊絕緣子相連，絕緣子連接位置均為旋轉幅結構，保證足夠的旋轉自由度。

1.2 試驗模型設計

此次試驗的目的重點在于研究懸吊閥塔的地震動響應，因此需盡可能使懸吊塔模型與原始閥塔“相似”，準確的反映出地震激勵下的運動及受載情況。因此，試驗設計的關鍵是懸吊閥塔縮比模型的設計。基于縮比理論，采用1：3的縮尺模型，試驗用閥塔整體尺寸長約1.8 m，寬約1.2 m，高約5.4 m，包括6層設備、上下2 層框架以及避雷器模型（與閥塔頂部、中部柔性連接）。避雷器模型與閥塔連接方式及伸縮金具也進行了縮比設計，盡可能真實還原閥塔的整體運動狀態。相似參數見表1。

表1 試驗模型參數表Table 1 Parameters of test model

而對于閥廳，由于其自身結構特性的復雜性（尺寸巨大，含多種鋼混結構及桁架結構）及地震臺尺寸限制（6 m×6 m地震臺已經是國內較大的臺面），且此次試驗重點是探討地震作用下，懸吊式閥塔內各層動力響應及其與相鄰設備作用，因此試驗設計時懸吊框架沒有完全滿足原結構的實際結構形式及密度相似性，但結構自振頻率滿足相似原則，前兩階固有頻率為3.75 Hz 和4 Hz（相關研究中閥廳固有頻率在1.4～2 Hz 左右）［18］。試驗用懸吊鋼結構框架由型鋼拼接而成，尺寸達5.5 m×5.5 m×6 m，整體安裝于模擬地震動試驗臺面上。此次試驗是在XX 試驗室完成的，該振動臺為三維六自由度振動臺，臺面最大加速度1.0 g，工作頻率范圍0.1～50 Hz。抗震試驗模型如圖2所示。

圖2 整體試驗模型Fig.2 Whole test model

1.3 測點布局

此模擬振動臺試驗重點考察閥塔在地震載荷作用下的運動形式及關鍵部件受力情況。試驗中：布置了18個3向加速度傳感器，測定閥塔特定位置的加速度狀態，其中頂部框架懸吊位置布設一個測點，用于考察閥廳對懸吊結構的放大影響，其余測點分別布設于閥塔頂部、各層內及底層處。同時布設了76個應變片，測試閥塔關鍵部件的受力狀態，包括頂部絕緣子、層間絕緣子和絕緣橫梁等。其中頂部絕緣子在兩端及中部位置均布置了測點，用于考察絕緣子不同截面位置受力狀態。圖3為關鍵測點布置情況，圖4為頂部懸吊絕緣子的應變片布置情況。

圖3 關鍵測點布置圖Fig.3 Layout of key measuring points

圖4 頂部懸吊絕緣子應變測點Fig.4 Layout of the strain gages on the insulators

2 試驗結果

該研究采用El Centro 地震動作為時程分析的輸入波形，并將峰值調整為1.96 m/s2（相當于8 度地震烈度），進行標準化后，按照國家《電力設施抗震設計規范》（GB 50260－2013）［19］輸入地震動，三向輸入的加速度峰值比值為1：0.85：0.65，開展模擬地震振動臺試驗。其中：X 向為閥塔短邊方向；Y向位閥塔長邊方向；Z向為垂直方向。

2.1 動力特性

各地震動輸入前后，在臺面輸入了頻率范圍為0.5～50 Hz，加速度峰值為0.075 g 的白噪聲隨機波，采集臺面輸入及框架吊點處的加速度，測得模型傳遞函數，如圖5所示。

圖5 傳遞函數Fig.5 Transfer function of the stucture

分析可知：框架整體模型第一階固有頻率為3.75 Hz；第二階固有頻率為4.0 Hz，振型分別為框架兩個水平方向的平動，與相關研究成果對比［18］，頻率滿足相似關系。地震動實驗前后，頻率基本不變，表明了實驗模型未發生結構性損傷，實驗中各項數據合理性。

2.2 加速度響應

頂部框架懸吊點、閥塔頂部、閥塔中間、閥塔底部加速度及振動臺面輸入加速度如圖6－7所示。

圖6 X向加速度對比Fig.6 Acceleration of points in X direction

圖7 Y向加速度對比Fig.7 Acceleration of points in Y direction

綜合對比可知：臺面輸入的地震動經懸吊框架放大后作用于閥塔上，相對于臺面輸入，框架頂部吊點加速度峰值放大系數約為4～5倍，因此針對閥塔的抗震校核需考慮閥廳的影響；而閥塔內部加速度峰值放大系數約3倍，閥塔頂層、中間和底層加速度均小于懸掛框架吊點位置，證明了相較于傳統地面支撐式方案，懸吊式具有更好的地震耐受性能。

對于閥塔內部，不同層之間加速度峰值差別不大，具有較為類似的動力學特性；地震動經框架放大后，從頂部懸吊點自頂向下，作用于閥塔各層，進而導致了時間上25～35 s時，懸吊框架的加速度突變對閥塔頂部影響最大，自頂向下，作用效果越來越小。

對比圖5－6 中同一位置不同方向的加速度，X 向放大系數明顯大于Y 向。經分析，這是由于試驗模型中層間絕緣子鉸接形式所導致的。

2.3 位移響應

懸吊閥塔為柔性結構，在地震作用下各位置擺動情況各不相同。提取閥塔頂部、中間及底部位置X 向和Y 向擺幅，匯總如圖8－9及表2。

圖8 X向位移曲線Fig.8 Displacement of points in X direction

表2 閥塔各層位移Table 2 Displacement of layers

經對比閥塔在X 向和Y 向擺動情況可知：閥塔底部擺幅最大，閥塔頂部及中間測點位置擺幅較小。經分析，這是由于閥塔中間位置及頂部與避雷器存在電氣連接，從一定程度上限制了閥塔的自由擺動。

同時，閥塔各層之間運動規律雖然相似，但X 向上不同層間（閥塔頂部、中部與底部）擺動幅度差別較大，Y向變化不大。經分析，這是由于試驗模型中絕緣子鉸接形式引起的。

2.4 應變響應

懸吊換流閥由于其特殊的結構安裝形式，地震作用下，頂部懸吊絕緣子將承受復雜的受力狀態，分別提取頂部6 根絕緣子上各截面測點的最大應變，開展分析。其中絕緣子1 在絕緣子頂部、中部和底部均布置了應變片，其他絕緣子僅在中部布置了應變片，整理見表3。

表3 絕緣子應變數據Table 3 Strain of suspension insulators

不同位置的懸吊絕緣子應變并不完全相同，地震作用下其受力存在一定的差異。因此絕緣子強度校核時需充分考慮不同位置影響，分別校核。

針對同一根絕緣子的不同截面，其應變也并不相同。中間截面較頂端和底端截面的應變小，表明懸吊絕緣子在地震作用下，存在彎曲及扭轉效應，并非嚴格意義上的二力桿，初步分析與頂部絕緣子兩端鉸接形式有關。后續在開展仿真校核及工程設計時，需選擇合適的分析單元，充分考慮彎扭效應。

3 結論

本文針對懸吊式換流閥，首次搭建1：3 的縮比試驗模型，并設計懸吊框架，整體安裝于大型地震動試驗臺上，開展了一系列模擬地震振動臺試驗，主要結論如下：

（1）閥塔最大加速度出現在頂部懸吊點，相對于臺面輸入，存在接近4 倍的放大效應。由于閥廳對地震動的放大，導致閥塔水平加速度的增加，因此閥塔設計和校核中需考慮此放大的影響。

（2）應變試驗測試數據表明：懸吊絕緣子并非二力桿，應考慮扭轉及彎曲效應，建議設計時適當減小絕緣子的彎扭狀態，并校核是否會發生受壓屈曲。

（3）懸吊閥塔在地震作用下各層存在一定程度的擺動，且與閥塔方向有關，抗震校核時，應充分考慮其影響。