近場地震作用下柔性直流換流閥抗震性能分析

朱 東，高 湛，程 亮

(中國電力工程顧問集團中南電力設計院有限公司，武漢 430071)

0 引言

近年來，柔性直流輸電技術因其具有可控性高、輸電距離長、傳輸電壓高等優點[1]，促進了可再生能源利用和智能電網的發展。柔性直流換流站是柔性直流輸電工程的樞紐工程，換流站內的核心電氣設備有如換流變壓器、聯結變壓器等落地式的設備以及直流換流閥、橋臂電抗器等支柱式設備，相比于落地式設備，支柱類設備由于其結構體型高、設備重心高以及支柱剛度弱的特點導致其抗震性能較差，其中以柔性直流換流閥設備最為顯著。柔性直流換流閥作為柔性直流輸電工程中最核心的電氣設備，可實現交流電與直流電的轉換，并可靈活控制電壓、電流、無功功率和有功功率的輸出與輸入，其穩定的運行是柔直輸電系統安全可靠運行的關鍵。柔性直換流閥是典型的高聳結構，多采用瓷質支柱，地震易損性高，在強震下易發生支柱開裂和功率塊損壞，威脅輸電系統的安全[2]。近年來，已有多次地震對國內的電力設施造成了重大損失[3]。因此，此類設備的抗震性能需重點關注[4]。

地震作為陸上破壞力最大的自然災害，震中地面多發生劇烈震動，對建筑物造成破壞。按照震中距大小，地震可分為近場地震與遠場地震。與遠場地震相比，近場地震具有瞬時能量大、脈沖周期長的特點，在地震初期就給結構輸入較高的能量[5]。近場地震動先上下顛簸，后左右或前后搖晃；遠場地震動無上下顛簸，為長周期的左右或前后搖晃。因此，近場地震更易導致結構產生更大的基底剪力和層間位移[6]，對“頭重腳輕”的瓷支柱柔性直流換流閥造成嚴重的破壞[7]。

相關研究學者開展了大量針對電氣設備的抗震研究工作[8-10]，但較少研究近場脈沖型地震動下柔性直流換流閥的響應。本文以一柔性直流換流閥為分析對象，建立閥體結構有限元模型并將多條近場脈沖型地震動與遠場地震動作為輸入，進行地震響應計算，分析近場脈沖型地震動對換流閥塔的加速度放大系數、支柱絕緣子根部和框架等效應力的影響。

1 換流閥結構與有限元模型

1.1 換流閥結構

柔性直流換流閥分為支撐式與懸掛式兩種類型，支撐式換流閥塔因其建造成本低和安裝方便的優點，廣泛應用于換流站中。本文以一6層閥段的支撐式換流閥塔為研究對象進行分析，整個閥塔尺寸11.4 m（長）×5.2 m（寬）×15 m（高），重約110 t。

主要由支柱絕緣子、拉桿、框架、功率模塊等部件組成。換流閥關鍵部件材料參數見表1。

表1 材料參數Table 1 Configuration parameters

1.2 有限元模型

根據換流閥的結構特點和仿真分析需求，選用ANSYS 進行有限元模擬，在滿足仿真精度的前提下對原有模型做出如下簡化：去除光纜槽、水管以及屏蔽罩等附加的不受力部件，保留換流閥主體框架結構；模塊單元是集成化的塊結構，不屬于承重受力結構，但其質量較大，在建模時通過質量點模擬，1～2層均布質量各15 t，3～5層均布質量各11 t，6層均布質量6 t。結構與基礎固接，約束底部端點的所有自由度。

柔性直換流閥的有限元模型及單元選取見圖1。支柱絕緣子和框架采用Beam188 模擬，拉桿采用Link180 模擬，質量點采用Mass21 單元模擬[11]，部件之間均通過節點耦合連接。

圖1 換流閥有限元模型Fig.1 Finite element model of the converter valve

1.3 模態分析

模態分析前需考慮結構的靜態自重預應力，計算結構在重力作用下的應力與變形，經計算換流閥的最大等效應力為19.8 Mpa，發生在第一層的框架型材處，最大變形為3.06 mm，發生在第二層的框架鋼梁上。后進行模態分析[12]，模態分析時需打開大變形開關與預應力開關，計算提取的結構前6階自振頻率如表2所示，前4階振型圖2所示。

圖2 換流閥前4階振型Fig.2 The first 4 order vibration mode of the converter valve

表2 換流閥前6階自振頻率及模態Table 2 The first 6 order natural frequencies and mode shapes of the converter valve

系統的響應主要是由前幾階振型貢獻，如表2所示，該換流閥模型的前3 階自振頻率均低于3 Hz，是典型的柔性結構。原因之一是支撐式換流閥的重量主要由上部的功率模塊貢獻，導致結構整體重心較高及結構自振頻率較低。

2 地震波選取

采用動力時程分析法進行抗震設計時，可采用實際強震時程作為地震動輸入時程[13-14]。所選地震波反應譜需與目標反應譜在結構主要周期點相差不超過20%，選取與設計反應譜接近的地震動。近場地震動具有明顯區別于遠場地震動的特征，近場地震動選取的一般原則[15-16]：斷層距≤20 km；震級＞6級；PGV/PGA＞0.2、PGV≥30 cm/s，PGA≥100 cm/s2。

本文在PEER 地震動數據庫中選取了表3 所示的12 條符合要求的地震動記錄，如圖3 為所選地震動記錄的加速度反應譜與傅里葉譜圖，RSN1505的加速度時程圖、速度時程圖如圖4所示。與普通地震動相比，近場脈沖型地震動在頻域上功率譜能量多集中在低頻[17],加速度時程中存在短時間內的突出。

圖3 地震動加速度反應譜與傅里葉圖Fig.3 Acceleration response spectrum and Fourier spectral diagram of ground motions

圖4 RSN1505的加速度與速度時程圖Fig.4 Acceleration and velocity time histories charts of RSN1505

表3 地震動信息Table 3 Information of ground motions

3 地震作用下結構響應分析

為對比換流閥在上述地震動作用下的結構響應，將上述地震動調幅為抗震設防烈度8 度（0.2 g）與8 度半（0.3 g），并進行三向地震激勵下柔性直流換流閥動力時程分析。由于Y向為換流閥的弱軸向，為評估結構的最不利情況，將三個方向的地震波按Y:X:Z=1:0.85:0.65 輸入。結構阻尼采用Rayleigh 正交阻尼，通過質量系數α與剛度系數β計算[18]：

上式中：ωi和ξi為i階自振圓頻率和阻尼比，ωj和ξj為j階自振圓頻率和阻尼比。本文阻尼比取2%[2]，地震波時間步長為0.02 s。

通過大質量法[19]模擬結構在地震動中的響應，更好地研究柔性直流換流閥的抗震性能。對比輸入加速度、支柱絕緣子上部加速度和六層框架加速度，研究不同工況下換流閥的加速度放大效應[20-21]，本文將絕緣子上部位置簡稱為一層框架，以上依次為二～六層；對比近場脈沖型地震動與遠場地震動工況的下部支柱絕緣子根部應力與上部框架應力，研究近場脈沖型地震對換流閥結構的內力影響。

3.1 最大應力分析

電氣設備進行時程分析抗震計算時需驗算電氣設備根部和危險斷面處的應力。因此，本文提取不同工況下換流閥的下部支柱絕緣子等效應力與上部框架結構的等效應力，比較近場脈沖型地震動與遠場地震動作用下的結構應力值。圖5 為RSN1505 地震動作用下換流閥下部支柱絕緣子的等效應力云圖。

圖5 下部支柱絕緣子的等效應力云圖Fig.5 Equivalent stress cloud diagram of the lower support insulator

圖5中下部支柱絕緣子的最大應力出現在根部，且受力復雜，是整個結構的薄弱點。不同工況下下部支柱絕緣子與上層框架的最大等效應力見圖6。

圖6 最大等效應力Fig.6 Maximum equivalent stress

如圖6所示，相同烈度下，近場脈沖型地震動作用時下部支柱絕緣子和框架的最大等效應力大于遠場地震動下的相同部位的等效應力[20]，且隨著烈度提高，最大等效應力的差值增大，對結構安全更不利。

3.2 加速度響應分析

加速度響應直接反映了換流閥在地震過程中振動情況，加速度響應越大表明換流閥的振動越劇烈。圖7 為RSN 185 地震波作用下結構關鍵點的加速度時程曲線。表4為各工況下的底部輸入加速度、一層加速度響應和六層加速度響應。

圖7 加速度時程Fig.7 Acceleration time history

表4 加速度峰值Table 4 Peak acceleration

可以看出相較于底部輸入地震動，換流閥結構一層與六層的加速度均被放大。為對比輸入加速度、一層加速度與六層加速度，本文引入放大系數（關注點加速度與底部地震動加速度的比值）。以底部地震輸入加速度為基準，可計算出換流閥各部位的加速度放大系數[11]與分布情況。不同地震動作用下不同部位的加速度放大系數如圖8 所示，為方便比較，已標記出相同地震類型與烈度的地震波作用下結構加速度放大系數的中位值。

從圖8 中可以看出，與遠場地震動相比，近場脈沖型地震動對柔性直流換流閥的加速度響應影響更為顯著，與框架結構的應力響應規律相同[22]。近場脈沖型地震動作用下，一層框架處的加速度放大系數顯著高于遠場地震動的對應值，但在六層框架處的加速度放大系數略高于遠場地震動作用下的對應值。相應的，近場脈沖型地震動作用下換流閥上部結構的振動也更為劇烈，對結構安全不利。

4 結論

本文建立某柔性直流換流站工程的換流閥有限元模型，并進行近場脈沖型地震動與遠場地震動作用下換流閥動力響應計算與分析，得到以下結論。

（1）相同烈度下，近場脈沖型地震動工況下柔性直流換流閥下部支柱絕緣子和框架的等效應力高于遠場地震動作用下的等效應力，且隨著烈度提高，相同烈度下最大等效應力的差值越大。

（2）近場脈沖型地震動對一層框架處的加速度放大系數的影響高于六層框架處，但六層框架處的加速度放大系數仍高于遠場地震動，即近場脈沖型地震動下換流閥上層結構和電氣設備的振動比遠場地震動下更大。

（3）支撐式換流閥屬于高聳結構，近場脈沖型地震動作用下結構的振動更劇烈，過大的振動易影響閥段功率塊的正常運行與威脅結構安全。因此，在設計柔性直流換流閥時，需考慮近場脈沖型地震作用，并采取相應減震措施，以確保設備震中的安全運行。