±800 kV平波电抗器耦联体系抗震性能及参数分析.pdf
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1、0引言变电站电气设备作为电力系统的重要组成部分,其抗震性能影响着电网在地震时和地震后的安全运行状态。在 1978 年日本宫城地震1和2008 年中国汶川地震中,变电站电力设备都表现出了极大的易损性2-19,尤其是直流输电工程的重要设备干式平波电抗器,作为一种质量尺寸大、重心高的塔类结构,他的抗震性能分析需要重点关注。以往的灾后调查发现,电抗器设备本体由于DOI:10.14044/j.1674-1757.pcrpc.2023.03.006 收稿日期:20220602基金项目:国家自然科学基金项目(51878508);国家重点研发计划项目(2018YFC0809400)。800 kV 平波电抗器耦
2、联体系抗震性能及参数分析肖世钊1,朱旺2,毛宝俊2,谢强2(1.福建三宝钢铁有限公司,福建 漳州363005;2.同济大学土木工程学院,上海200092)摘要:为研究干式平波电抗器耦联体系的抗震性能及耦联结构最优参数,利用软件 ABAQUS 对某电抗器体系建模进行抗震性能分析,并对耦联结构进行参数分析得到最优参数或最优参数组合,从而提出合理的工程建议。结果表明:在 0.4 g 地震波输入下,体系耦联方向加速度放大系数最小,竖直方向最大,且同方向上支撑顶部大于电抗器本体顶部;支撑根部应力峰值均值 41.64 MPa 小于临界应力,但单条波峰值已超过临界应力。耦联结构与电抗器本体采用刚接、管母线和
3、支柱绝缘子刚度处于“低应力区”、连接点处在电抗器高度的指定范围内均对支柱绝缘子根部应力有降低作用。工程中可根据文中给出的建议,结合电力传输等其他非结构要求综合选取最优参数,使体系抗震效果达到最佳。关键词:平波电抗器;耦联体系;抗震性能;参数分析Seismic Performance and Parameter Analysis of Coupling System of 800 kV Smoothing ReactorsXIAO Shizhao1,ZHU Wang2,MAO Baojun2,XIE Qiang2(1.Fujian Sanbao Steel Co.,Ltd,Fujian Zhan
4、gzhou 363005,China;2.College of Civil Engineering of Tongji University,Shanghai 200092,China)Abstract:Forstudyingseismicperformanceandoptimalparametersofcouplingsystemof800kVsmoothingreactors,the ABAQUS software is used to analyze not only the model of a certain reactor system,but alsothe parameters
5、 of the coupling structure so to obtain the optimal parameters or the combination of the optimal parameters,thereby proposing reasonable engineering suggestion.The results show that under 0.4 gseismic wave input,the acceleration amplification factor in the coupling direction of the coupling system i
6、sthe minimum and in the vertical direction is maximum.Moreover,the acceleration amplification factor atthe top of the support is greater than that of the reactor body in a same direction.The average value of thepeak stress at the root of the support is 41.64 MPa,which is less than the critical stres
7、s,but the single cresthas exceeded the critical stress.The rigid connection between the coupling structure and the reactor body isused.The rigidity of the the busbar and the support insulator of the coupling structure is in the low stress area,andtheconnectionpoint,whichisinarangeoftheheightoftherea
8、ctor,canreducethestressattherootofthesupport insulator.In actual project,the optimal parameters can be selected comprehensively in accordancewith the suggestions given in this paper in combination with other such nonstructural requirements as powertransmission,which can achieve the best seismic effe
9、ct of the system.Keywords:smoothing reactors;coupling system;seismic performance;parameter analysis第44卷第3期:0042-00512023年6月电力电容器与无功补偿Power Capacitor&Reactive Power CompensationVol.44,No.3:0042-0051Jun.2023 422023年第3期(总第207期)肖世钊,等800 kV平波电抗器耦联体系抗震性能及参数分析结构刚度较大,自振频率大,与地震的卓越频率相差较大,未发现电抗器本体在地震中破坏的先例。但电抗
10、器由于绝缘需要,一般由支柱绝缘子支撑,电抗器之间也会使用管母连接。支柱绝缘子支撑式电力设备往往在地震中比较容易发生瓷柱的破坏或瓷柱和法兰及连接板的破坏20,故非常有必要对耦联后的平波电抗器体系进行抗震性能分析。现有部分学者对细长支柱类设备或一般耦联设备进行了抗震研究21-22,但与干式平波电抗器相关的研究主要集中在电抗器本身的结构构造、噪声声场等方面,何强23等通过现场测量和仿真模型结合的方式研究了平波电抗器的声场分布特性,在国家标准基础上给出了较为准确的测量方法;田一24等根据平波电抗器的电磁场特性建议并应用了大量无磁金属的噪声罩,经过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
11、过多热损耗;随后,田一25等人又针对平波电抗器的结构特性提出新的隔声罩设计方法,并通过仿真分析验证了降噪方案的有效性。目前,对平波电抗器的力学性能和抗震性能的研究较少,且已有研究仅限于对平波电抗器单体进行分析。俞越中26等人对 110 kV 复合材料干式电抗器进行了振动台试验研究,测定了电抗器的频率、阻尼以及其他地震响应,发现结构在地震作用下基本为线性特性,研究抗震性能时应考虑位移响应。张猛27等对复合绝缘子倾斜支撑干式空心电抗器进行了振动台试验研究,并测得各个地震响应进行分析,确定了平波电抗器加速度放大系数最大的位置以及薄弱环节。王黎明28等针对某特高压直流平波电抗器的复合支柱绝缘子进行了抗
12、震研究,从理论研究入手,采用复合材料的计算方法求得支柱绝缘子芯棒的各项参数,从而建立 ANSYS模型,验证了支柱绝缘子的安全性。高嵩29等提出了一种新型平波电抗器,将常规的 5 节绝缘子单元改为 4 节绝缘子单元,并分析其力学性能,通过仿真分析验证了绝缘子的抗震强度安全系数符合要求。本文根据我国已建直流输电工程实际资料,利用通用有限元软件 ABAQUS 建立了 800 kV 干式平波电抗器耦联体系有限元模型,进行模态分析,并输入天然波和符合标准反应谱的人工地震波进行抗震性能分析,在抗震分析结果的基础上研究电抗器耦联的参数,并给出推荐参数和工程建议。1电抗器耦联体系有限元模型与模态分析1.1电抗
13、器单体的结构特性特高压换流站平波电抗器采用耦联构件相互耦联,电抗器单体包括上部电抗器本体和下部的复合支柱绝缘子支撑(以下称支撑绝缘子),支撑绝缘子一般采用倾斜形式布置。某典型型号的800 kV特高压干式平波电抗器单体设备外形及各部分组件见图 1。图1平波电抗器单体(单位:mm)Fig.1Single device of smoothing reactor(unit in mm)1.2基本结构参数该型平波电抗器单体的基本结构参数如下:如图 1 所示,电抗器单体结构整体高度为 19.62 m,地面占地直径为 10.56 m。下部结构为复合支撑绝缘子,由 12 整根支撑绝缘子均匀分布以及 4 层放射
14、状的节间支撑杆组成,支撑绝缘子总长为14.4m,倾斜角度 10,各支撑绝缘子分别由 5 段单元构成,各段绝缘子之间采用法兰连接,最下端采用绝缘子下支架与地面固定,最上端采用绝缘子上支架承受支撑平台,支撑平台上设有不锈钢升高座,升高座具有隔离散热的作用。上部结构为电抗器本体,与下部升高座固定连接,其质量大、刚度大,可视为刚体。电抗器上部安装有防噪声罩,即罩伞,由于罩伞重量小,而本研究重点在于电抗器及其耦联构件,因此对结构进行一定的简化,不考虑上部罩伞外形和体积的影响,仅将其质量转化到电抗器本体上。电抗器之间采用如图 2 所示“T 型”耦联结构连接,耦联结构由竖向支柱绝缘子(以下称支柱绝缘 432
15、023年第3期电力电容器与无功补偿第44卷子)和水平向的管母构成,支柱绝缘子高度 14.78 m,下端固定在地面,上端通过均压环与管母连接,管母总长度 11.4 m,两端分别与电抗器本体采用软母线连接,从而形成耦联体系。图2平波电抗器的耦联结构Fig.2Coupling structure of smoothing reactors1.3建立模型本研究通过使用通用有限元软件 ABAQUS 建立800 kV 干式平波电抗器耦联体系的有限元模型。该型号电抗器设备的尺寸和重量参数见表 1。表1模型基本参数Table 1Basic parameters of FE model参数长度/m截面形状截面尺
16、寸/mm质量/kg弹性模量/GPa泊松比电抗器本体4.2圆形6 40042 0002060.3支撑绝缘子14.4圆形2801 773200.24升高座0.4十字形240-3216720.31选用 ABAQUS 软件中的 C3D8R 单元30建立了电抗器本体,选用 beam 单元建立支撑绝缘子及铝合金支撑。电抗器本体质量大,内部连接较为可靠,在以往的地震中较少发现电抗器本体损坏的先例,为简化建模可将电抗器本体视为均匀的刚性体,调整实体单元的密度,使得模型质量和实际相符。支撑绝缘子采用玻璃纤维加强复合材料,连接法兰部分视为截面和绝缘子相同的刚性体。“T”型耦联结构采用 beam 单元建立,其中,管
17、母长度为11.6 m,截面为管状,直径 300 mm,壁厚 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。模 型 阻 尼 采 用 Rayleigh 阻 尼,根 据 依 据IEEE693 标准,结构阻尼比取 2%。地面假定为刚性,取电抗器本体中心连线方向为 X 向,水平面内垂直连线方向为 Y 向,电抗器高度方向为 Z 向。所建有限元模型见图 3。图3平波电抗器耦联体系有限元模型Fig.3FEM of coupling system of smoothing reactors
18、1.4模态分析对 800 kV 干式平波电抗器耦联体系有限元模型进行了模态分析,得到其自振频率和模态振型。电抗器耦联体系前 20 阶自振频率在 0.435.52 Hz,其中,第 12 阶振型为耦联“T 型结构”的弯曲振型,36 阶振型为电抗器单体的斜向弯曲振型,78 阶振型为电抗器单体的扭转振型。具体频率和振型情况见表 2,第 1、2、3、7 阶典型模态见图 4。表2电抗器耦联体系前20阶自振频率与振型Table 2The first 20 natural frequencies and mode shapesof the coupling system of smoothing reacto
19、rs模态1、23-67、89、1011、1213-1617-20自振频率/Hz0.43、0.450.570.661.39、2.312.993.273.375.51典型振型耦联结构Y轴、X轴弯曲电抗器单体斜向弯曲电抗器单体Z轴扭转耦联结构Z轴扭转及Y轴弯曲下支架Z轴扭转下支架斜向弯曲耦联结构支柱弯曲、电抗器支撑隆起等图4电抗器耦联体系第1、2、3、7阶振型Fig.4The first,second,third and seventh mode shape ofthe coupling system of smoothing reactors 442023年第3期(总第207期)肖世钊,等800
20、kV平波电抗器耦联体系抗震性能及参数分析2电抗器耦联体系地震响应分析2.1地震波的选取和输入对 800 kV 干式平波电抗器设备有限元模型进行抗震计算时,本研究分析的电抗器位于 8 度设防地区,设计时应采用 9 度设防,设计基本地震加速度为 0.4 g,场地类别为类,场地特征周期 0.45 s。根据规范 GB 502602013 电力设施抗震设计规范21要求,选取符合场地需求谱的地震波在模型基底输入,本文选取 El Centro 波、Landers 波和新松波,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见图 5,3 条地
21、震波的加速度反应谱与规范给定的场地需求谱见图 6,由图 6 可看出,3 条地震波均能很好地覆盖住需求谱。图5Landers波归一化加速度时程图(Y,X,Z)Fig.5Normalized acceleration time histories of Landersearthquake wave(Y,X,Z)图6所选地震波的反应谱与需求谱Fig.6The response and demand spectrum of the selectedseismic wave分析时,地震波采用三向输入,根据建筑设计抗震规范22,三向加速度比值为 1:0.85:0.65,由于电抗器耦联体系在 Y 向刚度较低
22、,地震波下更易产生较大响应,因此本研究指定Y向为主震方向,加速度峰值为0.4g。2.2加速度响应分析平波电抗器单体的上部为电抗器本体,质量大,惯性大,当电抗器本体在地震作用下加速度响应过大时极易造成不锈钢升高座顶部的剪应力过大,当其超过连接强度时,电抗器单体设备会发生破坏。为此,应关注电抗器本体的加速度响应,电抗器本体可近似看作刚体,其顶部加速度与底部,即不锈钢升高座顶部的加速度一致,故分别提取地震波作用下电抗器单体的顶部加速度以及不锈钢支撑平台处(下称支撑顶部)的加速度,见表 3,用以判断其抗震性能。由表 3 可知,在 0.4 g 地震作用下,电抗器耦联体系的支撑顶部主震方向(Y 向)加速度
23、最大达到 7.55 m/s2,电抗器顶部最大达到5.65 m/s2。表3电抗器耦联体系加速度响应峰值(m/s2)Table 3Peak of acceleration responses of coupling system(m/s2)地震波X向Y向Z向支撑顶部电抗器顶部支撑顶部电抗器顶部支撑顶部电抗器顶部El Centro波3.782.793.532.875.095.09Landers波6.714.797.555.654.054.05新松波5.254.584.624.444.624.55由于电抗器耦联体系各个方向输入的地震波加速度峰值不同,为研究各个方向结构的加速度放大效果,应采用加速度峰值
24、放大系数i,max,其定义为某点加速度相应峰值ai,max与地面输入加速度峰值ag之比,其表达式为i,max=ai,max/ag(1)计算表 3 中的各结构位置在 3 种地震波作用下各个方向加速度放大系数的平均值,并绘出曲线见图 7。图7电抗器重要位置加速度放大系数均值Fig.7Average value of acceleration amplification factorat important positions of coupling system 452023年第3期电力电容器与无功补偿第44卷由图 7 可知,在 0.4 g 地震波作用下,电抗器耦联体系同一位置的主震方向(Y 向)
25、放大系数相对其他方向较小,竖直方向(Z 向)放大系数最大,由于电抗器单体为对称结构,因此结果表示水平方向上 X向的耦联结构增大了该方向的刚度,使得自振周期降低,从反应谱的角度可以看到加速度峰值放大较大,竖直方向(Z 向)上由于下部支撑的各段绝缘子在竖直方向上的刚度大于水平方向,导致自振频率小,使得竖直方向上的放大系数较大。考虑同一方向的加速度放大系数,可以看到,在 0.4 g 地震作用下,耦联体系支撑顶部、电抗器顶部的放大系数都大于 1,但从电抗器根部到支撑顶部、电抗器顶部,加速度放大系数呈现先增后减的趋势。究其原理,由于整个电抗器上下两部分的质量和刚度差别较大,上部电抗器质量和刚度都大于下部
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