近场地震作用下柔性直流换流阀抗震性能分析

朱 东，高 湛，程 亮

(中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司，武汉 430071)

0 引言

近年来，柔性直流输电技术因其具有可控性高、输电距离长、传输电压高等优点[1]，促进了可再生能源利用和智能电网的发展。柔性直流换流站是柔性直流输电工程的枢纽工程，换流站内的核心电气设备有如换流变压器、联结变压器等落地式的设备以及直流换流阀、桥臂电抗器等支柱式设备，相比于落地式设备，支柱类设备由于其结构体型高、设备重心高以及支柱刚度弱的特点导致其抗震性能较差，其中以柔性直流换流阀设备最为显著。柔性直流换流阀作为柔性直流输电工程中最核心的电气设备，可实现交流电与直流电的转换，并可灵活控制电压、电流、无功功率和有功功率的输出与输入，其稳定的运行是柔直输电系统安全可靠运行的关键。柔性直换流阀是典型的高耸结构，多采用瓷质支柱，地震易损性高，在强震下易发生支柱开裂和功率块损坏，威胁输电系统的安全[2]。近年来，已有多次地震对国内的电力设施造成了重大损失[3]。因此，此类设备的抗震性能需重点关注[4]。

地震作为陆上破坏力最大的自然灾害，震中地面多发生剧烈震动，对建筑物造成破坏。按照震中距大小，地震可分为近场地震与远场地震。与远场地震相比，近场地震具有瞬时能量大、脉冲周期长的特点，在地震初期就给结构输入较高的能量[5]。近场地震动先上下颠簸，后左右或前后摇晃；远场地震动无上下颠簸，为长周期的左右或前后摇晃。因此，近场地震更易导致结构产生更大的基底剪力和层间位移[6]，对“头重脚轻”的瓷支柱柔性直流换流阀造成严重的破坏[7]。

相关研究学者开展了大量针对电气设备的抗震研究工作[8-10]，但较少研究近场脉冲型地震动下柔性直流换流阀的响应。本文以一柔性直流换流阀为分析对象，建立阀体结构有限元模型并将多条近场脉冲型地震动与远场地震动作为输入，进行地震响应计算，分析近场脉冲型地震动对换流阀塔的加速度放大系数、支柱绝缘子根部和框架等效应力的影响。

1 换流阀结构与有限元模型

1.1 换流阀结构

柔性直流换流阀分为支撑式与悬挂式两种类型，支撑式换流阀塔因其建造成本低和安装方便的优点，广泛应用于换流站中。本文以一6层阀段的支撑式换流阀塔为研究对象进行分析，整个阀塔尺寸11.4 m（长）×5.2 m（宽）×15 m（高），重约110 t。

主要由支柱绝缘子、拉杆、框架、功率模块等部件组成。换流阀关键部件材料参数见表1。

表1 材料参数Table 1 Configuration parameters

1.2 有限元模型

根据换流阀的结构特点和仿真分析需求，选用ANSYS 进行有限元模拟，在满足仿真精度的前提下对原有模型做出如下简化：去除光缆槽、水管以及屏蔽罩等附加的不受力部件，保留换流阀主体框架结构；模块单元是集成化的块结构，不属于承重受力结构，但其质量较大，在建模时通过质量点模拟，1～2层均布质量各15 t，3～5层均布质量各11 t，6层均布质量6 t。结构与基础固接，约束底部端点的所有自由度。

柔性直换流阀的有限元模型及单元选取见图1。支柱绝缘子和框架采用Beam188 模拟，拉杆采用Link180 模拟，质量点采用Mass21 单元模拟[11]，部件之间均通过节点耦合连接。

图1 换流阀有限元模型Fig.1 Finite element model of the converter valve

1.3 模态分析

模态分析前需考虑结构的静态自重预应力，计算结构在重力作用下的应力与变形，经计算换流阀的最大等效应力为19.8 Mpa，发生在第一层的框架型材处，最大变形为3.06 mm，发生在第二层的框架钢梁上。后进行模态分析[12]，模态分析时需打开大变形开关与预应力开关，计算提取的结构前6阶自振频率如表2所示，前4阶振型图2所示。

图2 换流阀前4阶振型Fig.2 The first 4 order vibration mode of the converter valve

表2 换流阀前6阶自振频率及模态Table 2 The first 6 order natural frequencies and mode shapes of the converter valve

系统的响应主要是由前几阶振型贡献，如表2所示，该换流阀模型的前3 阶自振频率均低于3 Hz，是典型的柔性结构。原因之一是支撑式换流阀的重量主要由上部的功率模块贡献，导致结构整体重心较高及结构自振频率较低。

2 地震波选取

采用动力时程分析法进行抗震设计时，可采用实际强震时程作为地震动输入时程[13-14]。所选地震波反应谱需与目标反应谱在结构主要周期点相差不超过20%，选取与设计反应谱接近的地震动。近场地震动具有明显区别于远场地震动的特征，近场地震动选取的一般原则[15-16]：断层距≤20 km；震级＞6级；PGV/PGA＞0.2、PGV≥30 cm/s，PGA≥100 cm/s2。

本文在PEER 地震动数据库中选取了表3 所示的12 条符合要求的地震动记录，如图3 为所选地震动记录的加速度反应谱与傅里叶谱图，RSN1505的加速度时程图、速度时程图如图4所示。与普通地震动相比，近场脉冲型地震动在频域上功率谱能量多集中在低频[17],加速度时程中存在短时间内的突出。

图3 地震动加速度反应谱与傅里叶图Fig.3 Acceleration response spectrum and Fourier spectral diagram of ground motions

图4 RSN1505的加速度与速度时程图Fig.4 Acceleration and velocity time histories charts of RSN1505

表3 地震动信息Table 3 Information of ground motions

3 地震作用下结构响应分析

为对比换流阀在上述地震动作用下的结构响应，将上述地震动调幅为抗震设防烈度8 度（0.2 g）与8 度半（0.3 g），并进行三向地震激励下柔性直流换流阀动力时程分析。由于Y向为换流阀的弱轴向，为评估结构的最不利情况，将三个方向的地震波按Y:X:Z=1:0.85:0.65 输入。结构阻尼采用Rayleigh 正交阻尼，通过质量系数α与刚度系数β计算[18]：

上式中：ωi和ξi为i阶自振圆频率和阻尼比，ωj和ξj为j阶自振圆频率和阻尼比。本文阻尼比取2%[2]，地震波时间步长为0.02 s。

通过大质量法[19]模拟结构在地震动中的响应，更好地研究柔性直流换流阀的抗震性能。对比输入加速度、支柱绝缘子上部加速度和六层框架加速度，研究不同工况下换流阀的加速度放大效应[20-21]，本文将绝缘子上部位置简称为一层框架，以上依次为二～六层；对比近场脉冲型地震动与远场地震动工况的下部支柱绝缘子根部应力与上部框架应力，研究近场脉冲型地震对换流阀结构的内力影响。

3.1 最大应力分析

电气设备进行时程分析抗震计算时需验算电气设备根部和危险断面处的应力。因此，本文提取不同工况下换流阀的下部支柱绝缘子等效应力与上部框架结构的等效应力，比较近场脉冲型地震动与远场地震动作用下的结构应力值。图5 为RSN1505 地震动作用下换流阀下部支柱绝缘子的等效应力云图。

图5 下部支柱绝缘子的等效应力云图Fig.5 Equivalent stress cloud diagram of the lower support insulator

图5中下部支柱绝缘子的最大应力出现在根部，且受力复杂，是整个结构的薄弱点。不同工况下下部支柱绝缘子与上层框架的最大等效应力见图6。

图6 最大等效应力Fig.6 Maximum equivalent stress

如图6所示，相同烈度下，近场脉冲型地震动作用时下部支柱绝缘子和框架的最大等效应力大于远场地震动下的相同部位的等效应力[20]，且随着烈度提高，最大等效应力的差值增大，对结构安全更不利。

3.2 加速度响应分析

加速度响应直接反映了换流阀在地震过程中振动情况，加速度响应越大表明换流阀的振动越剧烈。图7 为RSN 185 地震波作用下结构关键点的加速度时程曲线。表4为各工况下的底部输入加速度、一层加速度响应和六层加速度响应。

图7 加速度时程Fig.7 Acceleration time history

表4 加速度峰值Table 4 Peak acceleration

可以看出相较于底部输入地震动，换流阀结构一层与六层的加速度均被放大。为对比输入加速度、一层加速度与六层加速度，本文引入放大系数（关注点加速度与底部地震动加速度的比值）。以底部地震输入加速度为基准，可计算出换流阀各部位的加速度放大系数[11]与分布情况。不同地震动作用下不同部位的加速度放大系数如图8 所示，为方便比较，已标记出相同地震类型与烈度的地震波作用下结构加速度放大系数的中位值。

从图8 中可以看出，与远场地震动相比，近场脉冲型地震动对柔性直流换流阀的加速度响应影响更为显著，与框架结构的应力响应规律相同[22]。近场脉冲型地震动作用下，一层框架处的加速度放大系数显著高于远场地震动的对应值，但在六层框架处的加速度放大系数略高于远场地震动作用下的对应值。相应的，近场脉冲型地震动作用下换流阀上部结构的振动也更为剧烈，对结构安全不利。

4 结论

本文建立某柔性直流换流站工程的换流阀有限元模型，并进行近场脉冲型地震动与远场地震动作用下换流阀动力响应计算与分析，得到以下结论。

（1）相同烈度下，近场脉冲型地震动工况下柔性直流换流阀下部支柱绝缘子和框架的等效应力高于远场地震动作用下的等效应力，且随着烈度提高，相同烈度下最大等效应力的差值越大。

（2）近场脉冲型地震动对一层框架处的加速度放大系数的影响高于六层框架处，但六层框架处的加速度放大系数仍高于远场地震动，即近场脉冲型地震动下换流阀上层结构和电气设备的振动比远场地震动下更大。

（3）支撑式换流阀属于高耸结构，近场脉冲型地震动作用下结构的振动更剧烈，过大的振动易影响阀段功率块的正常运行与威胁结构安全。因此，在设计柔性直流换流阀时，需考虑近场脉冲型地震作用，并采取相应减震措施，以确保设备震中的安全运行。