±800 kV干式平波电抗器抗震性能分析

朱 旺,任阿阳2,薛志航3,谢 强

(1.同济大学土木工程学院,上海 200092；2.国网四川省电力公司特高压直流中心，四川 成都 610041；3.国网四川省电力公司电力科学研究院，四川 成都 610041)

0 引 言

变电站是电网系统的重要节点，承载着电能控制和转换的作用。作为电力系统的重要组成部分，变电站抗震性能影响着电网在地震时和地震后的安全运行状态[1]。在历次大地震，如2008年汶川地震[2-3]、2010年海地地震[4]、2011年日本3·11地震[5]、2013年芦山地震[6]等地震中，变电站设备都受到了不同形式的损坏，体现了变电站设备在地震下存在较高易损性[7]。变电站设备的损坏不仅影响着电能的传输和直接经济损失，更关系着人民的生产生活和社会的稳定[8-10]。

为了提高变电站电气设备的抗震能力，已有众多学者对各类电气设备进行了抗震研究，研究手段各异，包括数值模拟、理论分析和振动台试验[11-15]。干式平波电抗器是变电站直流输电工程的重要塔式设备，其质量大、尺寸大、重心高，因此其在地震下的响应需要重点关注。其上部电抗器本体刚度较大，自身不易发生变形，在以往地震中并未发生过破坏；然而，其下部用于支撑本体的支柱绝缘子属于脆性材料，结构细长，此类结构在以往地震中常常表现出瓷柱破坏或法兰破坏[16]，破坏严重时可能间接导致上部本体倾斜或掉落。对于细长类绝缘子构件以及支柱类电力设备，当下许多学者进行了抗震性能研究[17-18]，这些研究主要集中于地震中结构力学性能评估，包括评价顶部位移和根部应力等。然而，对于平波电抗器的研究，目前主要聚焦于本体构造和非结构性能方面，如噪声研究等。文献[19]通过平波电抗器的电磁场特性提出了无磁金属的噪声罩的应用方案，相关噪声和温升试验测试发现无磁金属使噪声水平降低，同时不引起过多热损耗，进一步地，又在文献[20]提出了新的隔声罩设计方法，并采用仿真方法证明了所提出方案的有效性。文献[21]结合现场测量和仿真技术分析了电抗器的声场分布特性，并在国家标准基础上提出了较为准确的测量方法。

对于平波电抗器在地震下的力学性能分析，有部分文献也进行了深入研究。文献[22]通过振动台试验对一复合绝缘子倾斜支撑干式空心电抗器进行了研究，确定了平波电抗器加速度放大系数最大的位置以及整个电抗器的抗震薄弱环节。文献[23]提出了一种带有4节绝缘子单元的新型平波电抗器，通过仿真模型验证了绝缘子的抗震强度安全系数符合要求。文献[24]研究了某特高压直流平波电抗器的复合支柱绝缘子的抗震性能，通过理论分析计算了绝缘子芯棒的各项参数，并采用ANSYS模型验证了支柱绝缘子的安全性。然而，在一些变电站或换流站中，平波电抗器以双耦联形式设计，现有抗震研究仅针对于单体设备，没有考虑耦联对电抗器响应的影响。

下面，采用Abaqus有限元软件对某换流站的±800 kV干式平波电抗器进行了仿真模拟，并对该电抗器进行了模态分析；随后，输入典型地震动进行地震响应分析，其中包括电抗器本体顶部加速度、顶部位移以及支撑绝缘子根部应力。在此基础上进一步建立电抗器耦联模型，与单体模型进行基频、振型和动力响应比较，确定耦联效应对电抗器地震响应的影响。

1 ±800 kV干式平波电抗器模型

所研究的±800 kV干式平波电抗器结构如图1所示。该电抗器单体由电抗器本体、复合支柱绝缘子支撑(以下称支撑绝缘子)以及其他构造构件如罩伞、支撑平台、绝缘子上下支架等组成，其中支撑绝缘子采用倾斜形式布置。

图1 干式平波电抗器单体(单位：mm)

如图1所示，电抗器单体结构整体高度为19.62 m，支撑绝缘子共12根，在本体下部均匀分布，支撑绝缘子单根总长为14.4 m，倾斜角度为10°。上部电抗器本体与下部升高座固定连接，由于其质量和刚度较大，因此可视为刚体。电抗器上的防噪声罩等非结构构件对结构刚度影响较小，仅将其质量转化到了电抗器本体上。采用Abaqus软件对该电抗器进行仿真，电抗器本体采用实体单元，下部支撑绝缘子等采用梁单元模拟，电抗器本体与支撑绝缘子通过不锈钢平台固定连接，其中：电抗器本体截面直径为4.734 m，弹性模量为206 GPa，泊松比为0.3；下部支撑绝缘子直径为280 mm，单根质量为1772 kg，弹性模量为20 GPa，泊松比为0.24；不锈钢支撑为十字形截面，弹性模量为72 GPa，泊松比为0.31。支撑绝缘子底部为六自由度约束，模拟刚性地面。电抗器竖直方向设定为Z轴，水平两方向分别为X、Y轴。

2 模态分析

对干式平波电抗器模型进行模态分析，可以得到该电抗器各阶自振频率及模态。该模型的前10阶频率和对应的模态振型如表1所示。根据GB 50260—2013 《电力设施抗震设计规范》[25]推荐的场地需求谱，其平台段为2.22～10 Hz，可见电抗器第3～10阶频率分布在平台段，与地震动的卓越频率接近，地震下易产生类共振现象。同时，第3～10阶振型均是由支撑部分引起，说明下部支撑相对于上部的本体更易受到地震影响。该电抗器的前4阶振型如图2所示，其中：1阶、2阶均为电抗器整体的弯曲模态，两向相同；3阶、4阶分别为整体和下部支撑绝缘子的扭转振型。

表1 平波电抗器单体前10阶模态频率和振型

3 抗震性能分析

3.1 地震波选取

所研究分析的平波电抗器位于8度设防地区。根据GB 50260—2013[25]，设计基本地震加速度为0.2g，场地类别为Ⅱ类，场地特征周期0.45 s。选取El Centro波、Landers波和新松波在模型基底进行输入，其中El Centro波和Landers波均为天然波，新松波为人工波。Landers波归一化三向加速度时程如图3所示，3条地震波的加速度反应谱与规范给定的场地需求谱如图4所示，3条地震波均能很好地覆盖住需求谱，满足规范要求。输入3组地震波时，三向加速度比值为1∶0.85∶0.65[26]，这里以Y向为主震方向，加速度峰值为0.2g。

图2 平波电抗器单体振动模态

图3 Landers波归一化加速度时程(Y,X,Z)

图4 所选地震波的反应谱与需求谱

3.2 加速度响应分析

平波电抗器放置于支撑绝缘子上部，支撑绝缘子相对于本体具有较低的刚度，在地震下表现出一定的柔度，因此绝缘子会将地震加速度进行一定放大。为了更好地了解电抗器抗震性能，统计了3组地震动下电抗器顶部的加速度峰值，并对3组地震动结果取平均，同时并计算加速度放大系数如表2所示。

表2 单体模型加速度峰值及放大系数均值

由于电抗器各个方向输入的地震动加速度峰值不同，表2中加速度放大系数取各个方向加速度峰值与该方向地震动加速度峰值之比。由表2可知，电抗器顶部加速度主震方向最大值为3.03 m/s2，出现在Landers波作用下，对应加速度放大系数1.55，同时在Landers地震波下X向最大加速度为2.6 m/s2，对应放大系数1.56。而顶部加速度在Z向放大系数均为1，说明Z向几乎不存在放大效果。从平均值来看，水平两向加速度均有所提高，而竖直方向没有明显放大效应。另外，主震方向(Y向)的放大效果整体上强于X向，然而模型的水平两向原则为对称两向，说明放大系数的大小与地震动时程有关，证明了所提采用3条地震动进行研究的必要性。

3.3 相对位移响应分析

位移响应可以反映结构在地震下的变形情况，且电抗器上部一般存在导线耦联，若相对位移过大引起母线拉扯，容易引起设备的牵拉破坏，因此电抗器的位移响应也较为重要。与加速度响应分析类似，取电抗器本体顶部对于地面的相对位移进行分析，所得相对位移数据如表3所示。

由表3可知，在峰值地面加速度为0.2g的地震下，顶部相对位移峰值最大达到210.44 mm，相对电抗器本体高度19.62 m具有相对转角1.07%。其中，主震方向(Y向)最大相对位移出现在Landers地震波下，X向最大值也出现在此地震波下，为192.02 mm。从3组地震波结果及其均值看，水平两向中，Y向相对位移明显高于X向，仍然说明地震波对于地震响应峰值有明显影响。另外，竖向相对位移仅为0.01 mm，究其原理，电抗器整体在竖直方向上的刚度由各个支撑绝缘子的轴向刚度提供，因此具有较大的刚度抑制了竖向相对位移。

表3 单体模型相对峰值及均值

3.4 根部应力响应分析

提取3组地震动下支撑绝缘子的根部的应力峰值，其中，El Centro波、Landers波和新松波下的应力峰值分别为16.08 MPa、30.47 MPa和22.09 MPa，均值为22.88 MPa。复合绝缘子材料的破坏应力由厂商提供，为75 MPa，支撑绝缘子的安全系数根据规范取1.67[25]，因此临界应力为75 MPa/1.67=44.9 MPa。此时3组地震波下材料并未达到破坏强度，不会发生绝缘子的强度破坏。

4 耦联效应对抗震性能的影响分析

4.1 平波电抗器耦联模型

在一些典型换流站中，平波电抗器以耦联形式设计，一般为双电抗器“T”型连接，如图5所示。在Abaqus模型中，“T”型结构采用线性梁单元建立，水平管母长度为11.6 m，外径为300 mm，壁厚为25 mm，竖向支柱长为15.58 m，连接处均压环采用Tie形式模拟，管母和电抗器本体连接处软母线采用Axial模型模拟，该连接处距离电抗器底面0.2 m。其中，两个电抗器沿着X向排列，地震输入时Y、X、Z三向加速度峰值按照1∶0.85∶0.65的比例进行输入，Y向仍为主震方向。

图5 平波电抗器耦联模型

4.2 模态对比

耦联后的平波电抗器体系前三阶模态如图6所示，前两阶模态振型分别为两电抗器水平方向同向弯曲，第3阶模态为两电抗器水平方向异向弯曲。本质上，耦联带来的影响仅为两个电抗器在不同方向上的振型模态，前两阶弯曲振型与单体振型基本相同。从频率角度分析，首先提取了耦联体系的前10阶频率，分别为0.569 0～3.260 9 Hz。1阶模态频率为0.569 0 Hz，与单体相同，说明耦联后对基频影响不大；而前10阶模态的范围明显小于单体情况，说明在前10阶模态中，由于耦联因素出现了一些低频振型，其中包括了两个电抗器的同向和异向模态以及T型连接结构的局部振动模态。

图6 平波电抗器耦联模型振动模态

4.3 加速度响应对比

同样，对耦联模型进行地震响应分析，提取电抗器顶部的加速度并计算放大系数，如表4所示。

表4 耦联模型加速度峰值及放大系数均值

根据表4和表2，绘制单体和耦联模型中电抗器顶部加速度峰值均值比较图形，如图7所示。表4中，顶部最大加速度峰值为2.90 m/s2，出现在Landers地震波下，相对于单体情况的最大加速度峰值3.03 m/s2有所减小，降低比例为4.3%。同时在X向加速度峰值也有所减小，由2.6 m/s2降为2.4 m/s2，降低比例为7.7%，说明电抗器的耦联可以降低地震下电抗器顶部的加速度峰值，同时其放大系数也有所降低。图7中由加速度峰值均值情况可以看出，电抗器水平方向加速度峰值在设备耦联后均有所降低，竖直方向上没有变化。

图7 单体和耦联加速度峰值对比

4.4 相对位移响应对比

提取电抗器顶部的相对地面位移峰值，如表5所示，同样根据表5和表3，绘制单体和耦联情况的对比图形，如图8所示。

表5中，顶部最大相对位移峰值为210.64 mm，出现在Landers地震波下，相对于单体情况的最大相对位移峰值210.44 mm几乎无变化。在X向相对位移峰值有所减小，由192.02 mm降为184.13 mm，说明电抗器的耦联对地震下电抗器顶部的相对位移峰值具有一定抑制作用。图8中由相对位移峰值均值情况可以看出，电抗器水平X向相对位移峰值在设备耦联后有所降低，Y向略有增加，竖直方向上相对位移极小，没有变化。其中，X向为设备耦联方向，说明耦联对于两个电抗器在排列方向上的相对位移有所抑制，而在垂直于耦联方向上对相对位移有提高作用。

表5 耦联模型相对峰值及均值

图8 单体和耦联相对位移峰值对比

4.5 根部应力响应对比

提取电抗器支撑绝缘子的根部应力峰值，如表6所示，同样根据表6与前述单体结果，绘制单体和耦联情况的对比图形，如图9所示。

表6 耦联模型支撑绝缘子根部应力峰值

图9 单体和耦联根部应力峰值对比

表6中，根部应力峰值最大为30.49 MPa，出现在Landers地震波下，相对于单体情况的最大根部应力峰值30.47 MPa略有提高。由图9中根部应力峰值对比情况可以看出，3组地震波和均值情况下单体和耦联差别极小，几乎没有变化，说明在0.2g地震下，所研究的平波电抗器进行耦联对于支撑绝缘子根部应力几乎没有影响。

5 结 论

上面针对某典型±800 kV干式平波电抗器进行了仿真模拟和模态分析，并通过迭代计算分析了设备在0.2g地震作用下的本体顶部加速度、位移和支撑绝缘子根部应力，进而通过电抗器耦联模型研究了耦联对各类地震响应的影响。研究发现耦联对于0.2g地震作用下的本体顶部加速度峰值有所降低，对耦联方向上的顶部相对地面位移峰值有所抑制，对于支撑绝缘子根部应力峰值则影响不大。工程中可采用各类减震隔震措施对电抗器特定方向的动力响应进行控制，以保证电抗器在地震下的结构安全。