特高压换流站直流场回路设备抗震性能研究

吴海楠，谢强，2，梁黄彬

（1.同济大学土木工程学院，上海 200092；2.工程结构服役性能演化与控制教育部重点实验室，上海 200092）

0 引言

作为电力系统输电线路中的枢纽，变电站以及换流站中的电气设备在地震中极易损坏[1-3]。

2008 年四川汶川地震变电站电气设备包括变压器、开关设备、避雷器和导线连接的支柱绝缘子等大量损坏[4]；2013 四川雅安芦山地震造成34 座35 kV 及以上变电站停运，626 台变电设备损坏[5]。

在直流场中，支柱类设备包括支柱绝缘子、测量装置、旁路开关以及隔离开关。支柱类设备之间的连接主要由两种形式，1）软导线与设备直接连接。2）硬导线与设备之间通过固定金具，滑动金具或导线伸缩线夹连接[6]。

国内外许多学者针对以上连接类型的耦联设备进行了大量的研究。1996 年Dastous 等人对通过软导线连接的变电站设备的试验研究发现具有足够冗余度的软导线在地震作用下也会对连接的设备产生力的作用[7]，并通过试验验证的软导线模型进行了非线性有限元模拟，提出了软导线的设计方法和应用指南[8-9]。2004 年Andre Filiatrault，C Stearns 对3 种不同松弛度的软导线连接的设备进行振动台试验，观察到两种不同类型的地震响应[10]。2009 年，谢强、王亚非将软导线简化为非线性的索单元，发现隔离开关导线连接侧地震响应较非导线连接侧大幅增加[11-12]；然后又将软导线简化为悬索，建立了耦联体系中设备地震响应的数学模型[13]，并进行了地震模拟振动台试验。通过对单体设备以及不同松弛度软导线连接下隔离开关和断路器动力响应的比较分析，发现软导线松弛度较小地震动幅值较大时设备会受到不利的作用[14]。2013 年陈辉等人将软母线简化为变刚度的弹簧，并建立了软母线连接设备的单跨结构的动力学模型[15]。2016 年张雪松、卢智成提出考虑刚度的软导线位形函数及弧垂公式，研究了软导线冗余度、几何尺寸及弹性模量和设备频率比对设备的影响[16-17]。2018 年何畅提出了基于链式梁约束模型的分裂导线弯曲刚度理论，对四分裂导线进行了模拟，与试验结果吻合[18]。2021 年郑山锁通过量化耦联体系的关键参数建立了耦联设备体系的运动方程组得到了软母线不同状态下的地震位移响应比公式[19]。

2007 年J Song 等人使用了适当的形状函数将设备建模为单自由度振荡器，通过参数分析研究非线性硬导线连接的耦联设备体系相互作用的影响[20]。2010 年朱祝兵等人对硬导线不同连接方式的局部设备回路进行了有限元分析，发现硬导线直接固定连接和采用伸缩夹连接得到的其相邻设备的地震响应完全不同[6]。2016 年秦亮等人将可滑移金具模拟为非线性弹簧，采用有限元法进行地震响应分析，对比了单体和耦联体系的动力响应，获得了硬导线对复合支柱绝缘子的影响规律[21]。2020 年谢强等人通过对复合支柱绝缘子单体和耦联体系的振动台试验，研究了特高压复合支柱绝缘子的抗震性能并且得出了硬导线连接对于设备的约束作用可简化为线性弹簧的结论[22]。2019 年姜斌等人建立了全硬导线连接和分段导线组合六分裂导线连接下某±400 kV 回路的有限元模型，对比支柱绝缘子的地震响应，分析了两种连接方式对直流场回路抗震性能的影响[23]。

以往的研究中针对硬导线连接和软导线连接设备大多为两个或3 个不同种类的设备组成的局部回路系统或者多个单一设备组成的回路系统，针对含有各种设备的整个回路的研究较少。

本文以自滇西北至广东±800 kV 特高压直流输电工程某换流站中的±400 kV 直流场子回路为研究对象，连接方案包括硬导线固定金具连接，滑动金具连接和分段硬导线加两种垂跨比下软导线连接，建立4 种连接方案下的有限元模型，对比在地震动下设备的结构响应，研究不同连接方案下直流场回路设备的抗震性能。

1 ±400 kV直流场回路有限元模型和动力特性分析

1.1 研究对象

以±400 kV 直流场回路为研究对象，回路中的支柱类设备包括支柱绝缘子，测量装置，旁路开关以及隔离开关，本文中设备指测量装置、旁路开关以及隔离开关等低频支柱类设备。

软导线采用六分裂导线，其子导线型号为LGKK-600，由直径为3 mm 的83 根铝绞线和7 根钢绞线组成。总截面积636.17 mm2，单位长度质量为2 690 kg/km。支柱绝缘子之间以及与测量装置之间采用硬导线连接，支柱绝缘子和除测量装置外设备之间采用六分裂导线连接。子导线和硬导线的物理参数见表1，回路设备的总高度等物理参数见表2。直流场回路布置图见图1，其中1-8 号为支柱绝缘子PI1，9-10 号为支柱绝缘子PI2。4 种连接方案具体见表3。

图1 ±400 kV直流场回路布置Fig.1 Layout of±400 kV DC field circuit

表1 回路中导线参数Table 1 Parameters of the conductor in the circuit

表2 回路设备物理参数Table 2 Physical parameters of equipment in the circuit mm

表3 直流场回路4种连接方案Table 3 Four types of connection schemes of DC field circuit

1.2 有限元模型

支柱类设备的绝缘子段由支柱绝缘子通过胶状材料与法兰安装而成，绝缘子段法兰之间的螺栓连接整体刚度较大，简化为刚接[24-30]。顶部的均压环在结构上无影响，简化为集中质量作用在绝缘子顶部。绝缘子与支架的连接处以及支架与地面的连接均简化为刚接[31-34]。

根据结构体系的特点，除了旁路开关的中心操作盒作壳体简化，旁路开关的其余部分，隔离开关，测量装置和支柱绝缘子均采用B31 梁单元模拟。固定金具材料参数同硬导线，二者均采用B31 梁单元模拟，

滑动金具与硬导线之间的轴向连接简化为线性弹簧连接[21]，采用Connector 单元进行模拟，设定X向连接刚度为15 000 N/m，Y向和Z向则用Coupling的约束方式约束位移，实现硬导线轴向可以发生相对运动，其余方向无相对运动的运动特征。

软导线的垂跨比为5%，采用B31 梁单元模拟。当所有的单根绞线都处在滑移的状态，子导线的抗弯刚度就处在其最小抗弯刚度的水平，软导线整体的抗弯刚度即为所有子导线对其自身中性轴的抗弯刚度之和[35]。

对于由n根绞线构成的子导线，最小抗弯刚度计算公式为

式中：n为子导线中绞线的数量；Ei是单根绞线i的弹性模量；δi是单根绞线i的直径。

根据公式（1），可以求出E=65.5 GPa、I=449.21 mm4、子分裂导线间距取为300 mm 时，间隔棒的刚度远大于导线，可简化为刚性体。直流场回路的有限元模型见图2。

图2 直流场回路有限元模型Fig.2 Finite element model of DC field circuit

1.3 模态分析

建模完成之后，对直流场回路整体模型进行模态分析。4 种连接方案下直流场回路模型的前5 阶振动频率见表4。以第4 种方案为例，设备的振动模态见图3。对比分析可知，与方案1 相比，方案2旁路开关X向出现时频率较小；方案3 和方案4 均出现了六分裂导线的振动频率（0.56 Hz 和0.60 Hz）；方案4 旁路开关的振动频率均减少。

图3 第4种方案下设备的主要振动模态Fig.3 Main mode shape diagram of equipment for 4 schemes

表4 4种方案的前5阶频率Table 4 The first 5-order modal frequencies of four schemesHz

2 地震响应分析

2.1 地震波的选择

依据我国《电力设施抗震设计规范》。（GB50260-2013）的规定[36]，进行地震响应分析时，需要选择反应谱能覆盖所在场地需求谱的地震波。因此选取符合条件并且常用的两条实际强震记录EI Centro 波、Northridge 波以及新松人工波，所选的新松人工地震波是由±800 kV 新松换流站场地条件的目标反应谱拟合得出。符合GB 50260-2013 的需求反应谱（required response spectra，RRS），3 条地震波加速度反应谱和加速度平均反应谱（average response spectrum，ARS）对比见图4。输入的地震波加速度反应谱地震动3 个方向峰值加速度的比例为1：0.85：0.65[37]，主振方向加速度峰值为0.4 g。

图4 选用地震波的平均反应谱和需求谱Fig.4 Average acceleration spectra and required response spectra of the selected seismic waveform

2.2 地震响应峰值对比

回路中，未与设备连接的支柱绝缘子顶部地震响应峰值见表5，与设备连接的支柱绝缘子顶部地震响应峰值表见表6。对于未与设备连接的支柱绝缘子，与方案1 对比，方案2、3 和4 的位移响应均增大，X向加速度接近，Y向加速度明显减小。方案4在方案3 的基础上位移增大，加速度减小。

表5 未与设备连接的支柱绝缘子顶部地震响应峰值Table 5 Peak value of seismic response on top of support insulator not connected to equipment

表6 与设备连接的支柱绝缘子顶部地震响应峰值Table 6 Peak value of seismic response on top of support insulator connected to equipment

对于与设备连接的支柱绝缘子不同方案下位移的变化不大，X向加速度减小，Y向加速度方案2和4 较方案1 和方案3 明显减少。

对比表5 和表6，与设备连接的相较于未与设备连接的支柱绝缘子，其位移变化不大，但是各方案下加速度均明显增大。结果表明直流场回路中4 种连接方案下与设备连接的支柱绝缘子加速度响应较大，建议在设计计算中重点考虑。

回路中开关类设备的地震响应峰值见表7 和表8。对于旁路开关，方案4 的X向位移明显较其他方案增大，各方案Y向位移差距不大，其余方案加速度较方案1 均有不同程度的减少，其中方案4的加速度响应最小。对于隔离开关，各方案的位移和X向加速度均较小，而Y向加速度方案2 和方案4明显小于方案1 和方案3。

表7 旁路开关地震响应峰值Table 7 Peak value of seismic response for bypass switch

表8 隔离开关地震响应峰值Table 8 Peak value of seismic response for disconnector

硬导线固定金具连接方案下设备的位移响应最小。对于振动频率较低的旁路开关，采用分段硬导线加软导线连接（25%或15%的垂跨比）的方案与其他方案对比位移响应明显增大，尤其是顺导体方向。

采用硬导线滑动金具或分段硬导线加软导线的连接方式均可以减少回路中设备的加速度响应，其中采用垂跨比更大的软导线效果更加明显。

2.3 时程分析

软导线垂跨比为5% 时旁路开关及隔离开关单体设备与耦联体系顶部位移时程的比较见图5，地震波输入为新松波可以看出软导线的存在对设备顺导线方向的位移影响较大，单体设备的位移响应基本是对称的，直流场回路中软导线连接的设备位移小于单体设备的位移，另一方面，旁路开关出现了一侧位移响应明显远大于另一侧的现象，即单向振荡现象。

图5 单体设备与耦联体系位移时程比较Fig.5 Comparison of displacement time history of single equipment and coupling system

旁路开关软导线连接点两种垂跨比下加速度响应见图6，隔离开关软导线连接点两种垂跨比下加速度响应见图7。

图6 旁路开关加速度时程比较Fig.6 Comparison of acceleration time history of bypass switch

图7 隔离开关加速度时程比较Fig.7 Comparison of acceleration time history by disconnector

直流场回路中设备与支柱绝缘子连接的软导线垂跨比为5% 时，旁路开关顺导线和垂直导线方向会出现极大的加速度峰值，具有单向振荡的特征，将垂跨比改为25% 后仍存在单向振荡现象；垂跨比为5% 时，隔离开关顺导线方向具有较明显的单向振荡现象.垂跨比为15% 时，顺导线方向单向振荡现象减弱甚至消失。软导线和设备之间的耦联作用随着垂跨比的增大而减弱。定义回路中被连接设备的单向振荡现象消失时软导线的垂跨比为该设备垂跨比临界值。当垂跨比低于临界值时，软导线出现拉紧的现象，耦联作用增强，产生较大的水平拉力，不仅会使两端连接设备顺导线方向出现单向振荡现象，还会导致两端设备顺导线和垂直导线方向的峰值地震响应。

另外，对比旁路开关和隔离开关结果，可知设备频率越低，垂跨比临界值越大。

3 结语

本文建立了直流场回路模型，对比了回路中支柱绝缘子之间全硬导线固定金具连接，全硬导线滑动金具连接和分段硬导线固定金具加不同垂跨比下软导线连接4 种方案下整个回路的地震响应，得出以下主要结论：

1）直流场回路中与低频设备连接的支柱绝缘子地震加速度响应较大，建议在设计计算中重点考虑；

2）直流场回路中低频设备与支柱绝缘子之间连接的软导线存在一个垂跨比临界值，当垂跨比低于临界值时，会出现位移和加速度的单向振荡现象，造成连接设备的峰值地震响应。设备频率和该设备垂跨比临界值负相关；

3）回路中导线的性质以及连接方式会对设备的位移造成巨大的影响，硬导线固定金具连接下设备的位移响应较小，但加速度响应较大，适合于抗震设防烈度小，对位移限制较高的区域。硬导线滑动金具连接和分段导线加软导线连接加速度响应小，适合于抗震设防烈度较大的区域，但需要注意软导线的垂跨比设置。