基于地震響應(yīng)譜分析的±500 kV混合式直流斷路器改進(jìn)設(shè)計(jì)

丁 璨， 陳天凡， 聶太平， 田小健， 方春華

(三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院， 宜昌 443002)

大規(guī)模可再生清潔能源的開(kāi)發(fā)和利用，使得直流特高壓輸電技術(shù)成為新的發(fā)展趨勢(shì)[1-3]。相比于交流電網(wǎng)，以柔性直流系統(tǒng)為基礎(chǔ)的直流電網(wǎng)在大容量電力傳輸、分布式能源接入、交流系統(tǒng)無(wú)功支撐等方面顯示出明顯的優(yōu)勢(shì)，是未來(lái)電網(wǎng)的重要發(fā)展方向[4-8]。與交流系統(tǒng)相比，直流系統(tǒng)的故障發(fā)展更快，造成的損失更大。當(dāng)直流電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，采用高壓直流斷路器可快速限制并切除故障電流，從而保證直流電網(wǎng)的正常運(yùn)行并保護(hù)相關(guān)設(shè)備[9-11]。

根據(jù)開(kāi)斷原理的不同，高壓直流斷路器可以分為機(jī)械式高壓直流斷路器、固態(tài)高壓直流斷路器和混合式高壓直流斷路器。機(jī)械式直流斷路器開(kāi)斷速度慢，但損耗小、成本低[12-13]。固態(tài)直流斷路器開(kāi)斷速度快，但損耗高、成本也高[12,14]。混合式直流斷路器充分集中了機(jī)械式和固態(tài)式直流斷路器的優(yōu)點(diǎn)，在正常工作時(shí)由機(jī)械開(kāi)關(guān)承載電流，通態(tài)損耗低，當(dāng)發(fā)生短路故障時(shí)由電力電子開(kāi)關(guān)開(kāi)斷故障電流，開(kāi)斷速度快，逐漸成為多端柔性直流輸電的優(yōu)選方案[15-16]。

混合式直流斷路器包含快速機(jī)械開(kāi)關(guān)、電力電子模塊、耗能元件、控制保護(hù)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和供能系統(tǒng)等[17]，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零部件種類和數(shù)量眾多。故混合式直流斷路器極易受到地震的影響，地震荷載容易造成混合式直流斷路器較大的振動(dòng)和變形，且地震荷載對(duì)其結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的破壞力[18]。當(dāng)高壓直流斷路器受地震的影響在直流電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)不能限制并切除故障電流，從而不能保證直流電網(wǎng)的正常運(yùn)行并保護(hù)相關(guān)設(shè)備，這將會(huì)造成人類生命財(cái)產(chǎn)的重大損失[19]。

基于此，現(xiàn)以±500 kV混合式直流斷路器為研究對(duì)象，采用大型有限元分析軟件ANSYS Workbench對(duì)混合式高壓直流斷路器閥塔的位移模態(tài)頻率、位移振型以及地震響應(yīng)譜等進(jìn)行分析和研究[20-21]，以期為今后該類型混合式高壓直流斷路器閥塔的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論依據(jù)，為混合式高壓直流斷路器閥塔的抗震設(shè)計(jì)提供參考。

1 混合式直流斷路器數(shù)值建模與抗震分析方法

1.1 數(shù)據(jù)條件

環(huán)境要求為9級(jí)地震烈度的地震，0.4倍重力加速度的基本地震加速度值，0.35 s的特征周期。

±500 kV混合式直流斷路器閥塔由高電位平臺(tái)、閥塔支柱絕緣子、斜拉絕緣子、層間絕緣子、避雷器、機(jī)械開(kāi)關(guān)、轉(zhuǎn)移支路、耦合負(fù)壓裝置等組成，混合式高壓直流斷路器閥塔使用的材料，其材料屬性如表1所示，其中地震許用力是按照《特高壓瓷絕緣電氣設(shè)備抗震設(shè)計(jì)及減震裝置安裝與維護(hù)技術(shù)規(guī)程》(Q/GDW 1132—2013)的要求，以材料的破壞應(yīng)力除以1.67求得。

1.2 模型建立

混合式直流斷路器閥塔的閥基支撐高度為5 800 mm，閥塔總體外形尺寸為11 600 mm×5 610 mm×15 000 mm，混合式直流由于斷路器閥塔單元類型及數(shù)量龐大，如果模型太過(guò)復(fù)雜，導(dǎo)入ANSYS 軟件后的計(jì)算精度未必會(huì)提高，但計(jì)算時(shí)間卻會(huì)成倍增加，故建模時(shí)將斷路器閥塔進(jìn)行了局部簡(jiǎn)化，并且將對(duì)于仿真計(jì)算沒(méi)有影響或影響不大的部分直接去除以提高計(jì)算效率的目的，如刪除零件倒角和孔特征，去掉斜拉絕緣子等。

斷路器閥塔三維簡(jiǎn)化模型如圖1所示。對(duì)于閥塔內(nèi)部尺寸較大的結(jié)構(gòu)，網(wǎng)格設(shè)定稍為粗糙(20 mm)，網(wǎng)格模型采用四面體單元剖分。

表1 ±500 kV 混合式高壓直流斷路器閥塔各種材料機(jī)械性能常數(shù)

圖1 斷路器閥塔三維簡(jiǎn)化模型

1.3 抗震分析方法

結(jié)構(gòu)抗震動(dòng)力分析采用振型反應(yīng)譜分析法，振型反應(yīng)譜法是將結(jié)構(gòu)物簡(jiǎn)化為多自由度體系，多自由度體系的地震反應(yīng)可以按照振型分解為多個(gè)單自由度體系反應(yīng)的組合，每個(gè)單自由度體系的最大反應(yīng)可以從反應(yīng)譜中求得，然后再按照一定的振型組合法則，求出結(jié)構(gòu)的地震總反應(yīng)。目前廣泛應(yīng)用的是振型反應(yīng)譜法，主要用于確定結(jié)構(gòu)對(duì)時(shí)間變化載荷，如地震、風(fēng)載、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)等的動(dòng)力響應(yīng)情況。

2 混合式直流斷路器抗震分析

2.1 模態(tài)分析

模態(tài)分析是計(jì)算結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的數(shù)值技術(shù)，結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性包括固有頻率和振型。模態(tài)分析是最基本的動(dòng)力學(xué)分析，也是其他動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)，如響應(yīng)譜分析、隨機(jī)振動(dòng)分析、諧響應(yīng)分析等都需要在模態(tài)分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行。采用ANSYS Workbench軟件對(duì)混合式直流斷路器閥塔進(jìn)行模態(tài)分析求解出的8階自振頻率和振型如表2所示，各階模態(tài)振型如圖2所示，圖2左邊的刻度尺為閥塔振型位移值，只是作為閥塔位移相對(duì)值大小的度量，并不是閥塔位移的真實(shí)值。

圖2 模態(tài)陣型

圖2所示的混合式直流斷路器閥塔發(fā)生的振型變化特點(diǎn)如表3所示。

2.2 響應(yīng)譜分析

2.2.1 計(jì)算結(jié)構(gòu)加速度頻率響應(yīng)譜

《電力設(shè)施抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50260—2013)[22]中給出了地震影響系數(shù)曲線，如圖3所示。在仿真計(jì)算中需要加載的加速度響應(yīng)譜數(shù)據(jù)根據(jù)地震影響系數(shù)曲線圖確定。

根據(jù)抗震要求：9級(jí)地震烈度，0.4倍重力加速度的基本地震加速度值，0.35 s的特征周期，采用結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)阻尼比5%，則地震影響系數(shù)最大值αmax為1。因此，通過(guò)地震影響系數(shù)曲線計(jì)算10個(gè)頻率點(diǎn)的結(jié)構(gòu)加速度頻率響應(yīng)譜，如表4所示。模擬±500 kV混合式直流斷路器閥塔在9級(jí)地震烈度條件下的響應(yīng)，使用x+y+z向地震響應(yīng)譜。

表2 8階固有頻率

表3 混合式直流斷路器閥塔振型特點(diǎn)

α為地震影響系數(shù)；αmax為地震影響系數(shù)最大值；Tg為特征周期；T為結(jié)構(gòu)自振周期；γ為衰減指數(shù)，γ=0.9+(0.05-ξ)/(0.5+5ξ)；η1為直線下降段的下降斜率調(diào)整系數(shù)，η1=0.02+(0.05-ξ)/8；η2為阻尼調(diào)整系數(shù)，η2=1+(0.05-ξ)/(0.06-1.7ξ)

表4 加速度頻率響應(yīng)譜

2.2.2 仿真計(jì)算結(jié)果

通過(guò)ANSYS Workbench響應(yīng)譜仿真分析得出±500 kV混合式直流斷路器閥塔在地震強(qiáng)度下的等效應(yīng)力及x、y和z方向變形圖如圖4所示。

圖4 閥塔等效應(yīng)力和變形

計(jì)算結(jié)果表明，±500 kV 混合式直流斷路器閥塔在9級(jí)地震烈度條件下的最大位移，層間支柱絕緣子處有x方向的最大位移，為4.48 mm；閥塔支柱絕緣子處有y和z方向的最大位移，分別為114.27 mm和122.27 mm。地震工況下的地震許用力采用材料的破壞應(yīng)力除以1.67，地震許用應(yīng)力除以計(jì)算應(yīng)力為安全系數(shù)，結(jié)構(gòu)各部件許用應(yīng)力安全系數(shù)都大于1，分析計(jì)算的各種材料的最小安全系數(shù)如表5所示，即抗震烈度大于9級(jí)，符合設(shè)計(jì)要求。

表5 地震下各種材料的最小安全系數(shù)

3 混合式直流斷路器改進(jìn)設(shè)計(jì)的仿真

3.1 改進(jìn)設(shè)計(jì)方案

由表5可知，原設(shè)計(jì)方案符合抗震烈度大于9級(jí)的要求。最小安全系數(shù)小于2的結(jié)構(gòu)分別為避雷器絕緣子、層間支柱絕緣子和閥塔支柱絕緣子，表明該3處結(jié)構(gòu)受9度抗震設(shè)防烈度的地震影響相比混合式直流斷路器其他結(jié)構(gòu)大。

在不改變混合式直流斷路器原結(jié)構(gòu)尺寸大小的條件下，使避雷器絕緣子、層間支柱絕緣子和閥塔支柱絕緣子這3處結(jié)構(gòu)受9度抗震設(shè)防烈度的地震影響變小，因此嘗試改進(jìn)的方案為將避雷器絕緣子、層間支柱絕緣子和閥塔支柱絕緣子的材料更換為環(huán)氧玻璃鋼，表6為環(huán)氧玻璃鋼的機(jī)械性能常數(shù)。

表6 環(huán)氧玻璃鋼的機(jī)械性能常數(shù)

3.2 改進(jìn)后的仿真結(jié)果

更換材料后，±500 kV混合式直流斷路器閥塔在9級(jí)地震強(qiáng)度下的等效應(yīng)力及x、y和z方向變形圖如圖5所示。

圖5 閥塔等效應(yīng)力和變形

計(jì)算結(jié)果表明，±500 kV混合式直流斷路器閥塔在9級(jí)地震烈度條件下的最大位移，層間支柱絕緣子處有x方向的最大位移，為4.14 mm，閥塔支柱絕緣子處有y和z方向的最大位移，分別為102.80 mm和111.07 mm。結(jié)構(gòu)各部件許用應(yīng)力安全系數(shù)都大于1，分析計(jì)算的各種材料的最小安全系數(shù)如表7所示。

表7 地震下各種材料的最小安全系數(shù)

3.3 兩種設(shè)計(jì)的比較分析

將改進(jìn)后的混合式直流斷路器閥塔的仿真結(jié)果與原先的仿真結(jié)果對(duì)比可知，最大的等效應(yīng)力都在避雷器支架上，且改進(jìn)后的最大的等效應(yīng)力比原先的大10.52 MPa。改進(jìn)后的混合式直流斷路器閥塔在x、y和z方向變形與原先相比分別減少了0.34、11.46、1.19 mm，說(shuō)明改進(jìn)后的混合式直流斷路器比原先的變形少，更加穩(wěn)定。

雖然在改進(jìn)后的混合式直流斷路器閥塔各個(gè)結(jié)構(gòu)的計(jì)算應(yīng)力都增加，避雷器絕緣子、層間支柱絕緣子和閥塔支柱絕緣子的最小安全系數(shù)都大于3，閥塔其他地方的結(jié)構(gòu)的最小安全系數(shù)最小的為2.77，說(shuō)明閥塔在9級(jí)地震烈度的地震作用下，地震對(duì)其影響變得更小。

4 結(jié)論

(1)±500 kV 混合式直流斷路器閥塔在9級(jí)地震烈度的地震作用下最危險(xiǎn)的位置是避雷器絕緣子、層間支柱絕緣子、閥塔支柱絕緣子處。

(2)在9級(jí)地震烈度的地震作用下，±500 kV 混合式直流斷路器閥塔擁有良好的抗震性，其材料的地震許用應(yīng)力小于其計(jì)算應(yīng)力，安全系數(shù)滿足1.67倍的要求。

(3)將避雷器絕緣子、層間支柱絕緣子和閥塔支柱絕緣子的材料換成環(huán)氧玻璃鋼后，不僅這些絕緣子的絕緣性能符合要求，而且可以減少9級(jí)地震烈度的地震對(duì)其影響，閥塔更加穩(wěn)定。

(4)模態(tài)分析一般是用于確定結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性，它是承受動(dòng)態(tài)荷載結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)，也是譜分析的起點(diǎn)?！?00 kV 混合式直流斷路器閥塔模態(tài)分析的結(jié)果顯示其自振頻率較低，地震波低頻對(duì)其影響較大。

(5)在工程實(shí)踐中運(yùn)用ANSYS Workbench有限元分析軟件對(duì)±500 kV 混合式直流斷路器閥塔進(jìn)行仿真分析作為混合式直流斷路器閥塔結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的依據(jù)，并且在一定程度上減少了實(shí)驗(yàn)分析所需投入的人力物力。