特高压干式平波电抗器地震反应分析

吕 玮，吴 浩，曾 迪

（中国水利水电科学研究院，北京）

引言

干式平波电抗器利用其电感特性而应用于电力系统中的装置或器件，是变电站直流输电工程中常用且重要塔式设备，对整个电力系统的安全运行有重要作用。干式平波电抗器具有质量大、尺寸大、重心高，抗恶劣环境能力高的特点。干式平波电抗器采用支柱绝缘子装置来提高抗震水平，但由于设备电压等级高，对地绝缘水平高，线圈本体质量大，导致设备重心很高，在地震作用下有复杂的动力响应。为了提高变电站及整个电网的安全性，避免干式平波电抗器在地震灾害中产生严重破坏，有必要对其抗震设计和评估进行深入研究，保障设备在震中和震后的安全稳定运行。

1 计算模型和方法

特高压干式平波电抗器自上到下，由线圈本体、铝支架、支柱绝缘子、法兰、玻璃钢支柱等部分构成。参考已有的工程数据[1-3]，构建典型特高压干式平波电抗器的有限元模型。顶端的线圈本体外径3.2 m，高度2.6 m，总重量13.2 t，12 柱的支柱绝缘子均匀承载，加强稳定性和抗震能力。玻璃钢支架高度2.5 m，外径0.28 m，壁厚0.016 m。支柱绝缘子高度1.0 m，外径0.15 mm，采用实心复合材料。设备模型如图1 所示，模型的材料参数见表1。边界条件为玻璃钢支架底部与地面固定。电抗器的X 向和Y 向为水平方向，Z 向为竖直向上。

表1 材料参数

表2 地震作用的地震影响系数曲线形状参数

图1 电抗器有限元模型

本文以特高压干式平波电抗器抗震分析为例，按照相关规范[4-5]，为了分析不同地震作用对设备抗震分析结论的影响，采用振型分解反应谱法进行计算分析。

2 地震作用的地震影响系数曲线

地震作用的地震影响系数曲线是标准加速度反应谱除以重力加速度g 的系数曲线，考虑到多种因素的影响，如抗震设防烈度，设计基本地震加速度，场地类别，场地特种周期等。根据现行国家标准《中国地震动参数区划图》GB 18306 中相关规定来确定电气设备所在地的地震动峰值加速度。根据设防烈度和设计基本地震加速度确定地震影响系数最大值。根据场地类别和设计地震分组确定特征周期值。根据设计基本地震加速度和场地类别确定地震影响系数最大值场地调整系数。

对于Ⅱ类场地，地震影响系数曲线 α(t)形状按照下式确定[4]：地震影响系数曲线形状参数。反应谱参照文献[9-10]的要求进行构造对应的反应谱，如图2～图4 所示，阻尼比2%。振型分解反应谱法在地震输入时，对地震动三向按照X:Y:Z=1:0.85:0.65 的比例进行调幅后输入模型。

图2 水平方向加速度0.2 g 反应谱

图3 水平方向加速度0.3 g 反应谱

图4 水平方向加速度0.4 g 反应谱

3 动力特性分析

通过对干式平波电抗器模型进行模态分析，可以得到该模型的各阶自振频率及模态，分析结果见表3。模型频率均介于2 Hz～10 Hz，与地震波的卓越频率接近，易发生共振或类共振，产生严重的地震破坏。该设备符合特高压电气设备的高、大、柔、重的特征，具有极大的易损性。

表3 干式平波电抗器模型模态分析结果

4 地震反应分析结果

采用振型分解反应谱法对干式平波电抗器模型进行地震反应分析，提取各部件的最大应力值和电抗器本体顶部相对地面的位移值。应力计算结果见表4，位移计算结果见表5。

表4 设备主要部件应力值/MPa

表5 电抗器本体顶部相对位移最大/mm

结果表明，设备模型不同地震作用下的应力和位移结果差异较大。对应力和位移结果影响最大的是设防烈度和设计基本地震加速度，特征周期和场地类别带来的影响相对较小。在电气设施所在地的场地类别和设计地震分组没有明确的情况下，建议将特征周期选取在0.45 s 及以上。如遇到罕遇地震计算时，特征周期应增加0.05 s。

干式平波电抗器在电力系统中，常以耦联结构体系布置，或是采用软导线相互连接。在对单体干式平波电抗器进行地震分析时，除部件应力值满足规范要求外，应考虑到位移响应的影响，是否能满足电力系统布置中设备间相对位移限值的要求。

5 结论

本文对典型布置的干式平波电抗器进行地震反应分析，通过对比计算结果得到以下结论：

（1） 不同地震作用下得到的电抗器地震反应差别较大，在电气设施所在地的场地类别和设计地震分组没有明确的情况下，建议将特征周期选取在0.45 s及以上。如遇到罕遇地震计算时，特征周期应增加0.05 s。

（2） 支柱绝缘子根部和线圈与绝缘子连接支架是干式平波电抗器抗震薄弱部位，因头重脚轻的结构特点，支柱绝缘子材料的容许应力较低且绝缘子根部容易产生应力集中，线圈与支柱绝缘子连接位置可能产生较大的应力值，从而影响干式平波电抗器整体抗震性能的评价结果，应适当加强这些位置的设计。对布置在户外的干式平波电抗器进行抗震评价时应同时考虑设备自重、风荷载、雪荷载、端子力和地震作用等多种载荷的综合作用。

（3） 干式平波电抗器在设计和布置时应重点考虑位移响应的影响，在对单体电抗器进行地震分析的基础上，进一步研究电抗器的耦联结构。