张伟为，于海波，刘 彬，高 彪

（南京南瑞继保工程技术有限公司，南京 211102）

引言

柔性直流输电技术在跨区域输电中具有广泛应用［1－3］。作为换流站中的核心设备，直流换流阀质量一般较大，目前通用的设计方案均采用柔性悬吊结构，将阀塔顶端悬吊于阀厅的吊装框架上，因此悬吊式阀塔的抗震性能将直接关系到直流输电系统的运行安全［4］。针对悬吊式结构，开展试验及仿真抗震研究，对确保直流工程安全运行，具有十分重要的意义［5］。

目前针对换流站的抗震研究，更多的集中在仿真分析方面。针对悬吊阀塔，LARDER 等［6］和WU 等［7］从阀塔结构优化角度，进行了对比分析；MAISON 等［8］针对ABB 的换流阀结构，开展了基于反应谱分析法抗震仿真，并尝试了通过阻尼器减小地震响应的减震思路；张立红等［9］利用模态分析和时程积分法对悬吊换流阀的抗震性能和限位措施进行了研究，并开展了限位措施分析；徐俊鑫等［10］和刘爱国等［11］针对阀塔之间的连接以及阀厅－阀塔间相互作用机理，展开了仿真模拟研究。

由于悬吊式换流阀尺寸巨大，无法开展实物地震台振动试验，因此开展换流阀塔缩比试验是此类设备研究的重要途径［12－14］。WU等［15］开展了换流阀厅及阀塔的缩比模型试验，并在ABAQUS中开展仿真验证，但其阀塔模型相对简单，且重点在于不同方向地震的影响；魏文晖等［16］开展了带悬挂质量的阀厅结构缩比试验，但其研究重点为阀厅结构的摇摆特性，仅将阀塔考虑为悬挂质量，未针对阀塔开展细化分析；喻梦［17］建立了1：10 的振动台试验缩尺模型，研究了不同悬吊质量及索长对地震响应的影响，但其重点研究整体悬吊特性，未对阀塔不同层间及层内连接进行模拟分析，因此研究不够深入。总体而言，国内外学者鲜有针对悬吊阀塔地震动特性深入研究的缩比试验，更多的是将悬吊阀塔整体考虑为悬吊质量，悬挂于设计的阀厅模型内，研究重点为阀厅钢结构地震动响应及阀厅的设计。

该研究针对设计的换流阀结构，基于缩比理论，建立1：3换流阀塔详细缩比模型，并设计悬吊框架，整体安装于大型地震动试验台面开展地震台振动试验，探究悬吊阀塔在地震作用下的动态性能。

1 试验设计

1.1 阀塔－阀厅结构介绍

此次实验以某换流站阀塔结构为原型开展研究。如图1所示，阀厅由焊接H型钢柱、钢桁架和钢筋混凝土剪力墙等组成。整体尺寸长约56 m，宽约21 m（不含外围剪力墙），净高约20 m，整个阀厅为空间钢排架结构。

图1 悬吊换流阀塔Fig.1 Suspended valve tower

阀厅沿长度方向悬吊6 个阀塔，每个阀塔高约15 m，重达16 t，分6 层器件及上下两侧屏蔽罩，侧面连接避雷器。每层器件质量约2.2 t。阀塔顶部由6根复合绝缘子悬吊于阀厅屋架上，层间由12根悬吊绝缘子相连，绝缘子连接位置均为旋转幅结构，保证足够的旋转自由度。

1.2 试验模型设计

此次试验的目的重点在于研究悬吊阀塔的地震动响应，因此需尽可能使悬吊塔模型与原始阀塔“相似”，准确的反映出地震激励下的运动及受载情况。因此，试验设计的关键是悬吊阀塔缩比模型的设计。基于缩比理论，采用1：3的缩尺模型，试验用阀塔整体尺寸长约1.8 m，宽约1.2 m，高约5.4 m，包括6层设备、上下2 层框架以及避雷器模型（与阀塔顶部、中部柔性连接）。避雷器模型与阀塔连接方式及伸缩金具也进行了缩比设计，尽可能真实还原阀塔的整体运动状态。相似参数见表1。

表1 试验模型参数表Table 1 Parameters of test model

而对于阀厅，由于其自身结构特性的复杂性（尺寸巨大，含多种钢混结构及桁架结构）及地震台尺寸限制（6 m×6 m地震台已经是国内较大的台面），且此次试验重点是探讨地震作用下，悬吊式阀塔内各层动力响应及其与相邻设备作用，因此试验设计时悬吊框架没有完全满足原结构的实际结构形式及密度相似性，但结构自振频率满足相似原则，前两阶固有频率为3.75 Hz 和4 Hz（相关研究中阀厅固有频率在1.4～2 Hz 左右）［18］。试验用悬吊钢结构框架由型钢拼接而成，尺寸达5.5 m×5.5 m×6 m，整体安装于模拟地震动试验台面上。此次试验是在XX 试验室完成的，该振动台为三维六自由度振动台，台面最大加速度1.0 g，工作频率范围0.1～50 Hz。抗震试验模型如图2所示。

图2 整体试验模型Fig.2 Whole test model

1.3 测点布局

此模拟振动台试验重点考察阀塔在地震载荷作用下的运动形式及关键部件受力情况。试验中：布置了18个3向加速度传感器，测定阀塔特定位置的加速度状态，其中顶部框架悬吊位置布设一个测点，用于考察阀厅对悬吊结构的放大影响，其余测点分别布设于阀塔顶部、各层内及底层处。同时布设了76个应变片，测试阀塔关键部件的受力状态，包括顶部绝缘子、层间绝缘子和绝缘横梁等。其中顶部绝缘子在两端及中部位置均布置了测点，用于考察绝缘子不同截面位置受力状态。图3为关键测点布置情况，图4为顶部悬吊绝缘子的应变片布置情况。

图3 关键测点布置图Fig.3 Layout of key measuring points

图4 顶部悬吊绝缘子应变测点Fig.4 Layout of the strain gages on the insulators

2 试验结果

该研究采用El Centro 地震动作为时程分析的输入波形，并将峰值调整为1.96 m/s2（相当于8 度地震烈度），进行标准化后，按照国家《电力设施抗震设计规范》（GB 50260－2013）［19］输入地震动，三向输入的加速度峰值比值为1：0.85：0.65，开展模拟地震振动台试验。其中：X 向为阀塔短边方向；Y向位阀塔长边方向；Z向为垂直方向。

2.1 动力特性

各地震动输入前后，在台面输入了频率范围为0.5～50 Hz，加速度峰值为0.075 g 的白噪声随机波，采集台面输入及框架吊点处的加速度，测得模型传递函数，如图5所示。

图5 传递函数Fig.5 Transfer function of the stucture

分析可知：框架整体模型第一阶固有频率为3.75 Hz；第二阶固有频率为4.0 Hz，振型分别为框架两个水平方向的平动，与相关研究成果对比［18］，频率满足相似关系。地震动实验前后，频率基本不变，表明了实验模型未发生结构性损伤，实验中各项数据合理性。

2.2 加速度响应

顶部框架悬吊点、阀塔顶部、阀塔中间、阀塔底部加速度及振动台面输入加速度如图6－7所示。

图6 X向加速度对比Fig.6 Acceleration of points in X direction

图7 Y向加速度对比Fig.7 Acceleration of points in Y direction

综合对比可知：台面输入的地震动经悬吊框架放大后作用于阀塔上，相对于台面输入，框架顶部吊点加速度峰值放大系数约为4～5倍，因此针对阀塔的抗震校核需考虑阀厅的影响；而阀塔内部加速度峰值放大系数约3倍，阀塔顶层、中间和底层加速度均小于悬挂框架吊点位置，证明了相较于传统地面支撑式方案，悬吊式具有更好的地震耐受性能。

对于阀塔内部，不同层之间加速度峰值差别不大，具有较为类似的动力学特性；地震动经框架放大后，从顶部悬吊点自顶向下，作用于阀塔各层，进而导致了时间上25～35 s时，悬吊框架的加速度突变对阀塔顶部影响最大，自顶向下，作用效果越来越小。

对比图5－6 中同一位置不同方向的加速度，X 向放大系数明显大于Y 向。经分析，这是由于试验模型中层间绝缘子铰接形式所导致的。

2.3 位移响应

悬吊阀塔为柔性结构，在地震作用下各位置摆动情况各不相同。提取阀塔顶部、中间及底部位置X 向和Y 向摆幅，汇总如图8－9及表2。

图8 X向位移曲线Fig.8 Displacement of points in X direction

表2 阀塔各层位移Table 2 Displacement of layers

经对比阀塔在X 向和Y 向摆动情况可知：阀塔底部摆幅最大，阀塔顶部及中间测点位置摆幅较小。经分析，这是由于阀塔中间位置及顶部与避雷器存在电气连接，从一定程度上限制了阀塔的自由摆动。

同时，阀塔各层之间运动规律虽然相似，但X 向上不同层间（阀塔顶部、中部与底部）摆动幅度差别较大，Y向变化不大。经分析，这是由于试验模型中绝缘子铰接形式引起的。

2.4 应变响应

悬吊换流阀由于其特殊的结构安装形式，地震作用下，顶部悬吊绝缘子将承受复杂的受力状态，分别提取顶部6 根绝缘子上各截面测点的最大应变，开展分析。其中绝缘子1 在绝缘子顶部、中部和底部均布置了应变片，其他绝缘子仅在中部布置了应变片，整理见表3。

表3 绝缘子应变数据Table 3 Strain of suspension insulators

不同位置的悬吊绝缘子应变并不完全相同，地震作用下其受力存在一定的差异。因此绝缘子强度校核时需充分考虑不同位置影响，分别校核。

针对同一根绝缘子的不同截面，其应变也并不相同。中间截面较顶端和底端截面的应变小，表明悬吊绝缘子在地震作用下，存在弯曲及扭转效应，并非严格意义上的二力杆，初步分析与顶部绝缘子两端铰接形式有关。后续在开展仿真校核及工程设计时，需选择合适的分析单元，充分考虑弯扭效应。

3 结论

本文针对悬吊式换流阀，首次搭建1：3 的缩比试验模型，并设计悬吊框架，整体安装于大型地震动试验台上，开展了一系列模拟地震振动台试验，主要结论如下：

（1）阀塔最大加速度出现在顶部悬吊点，相对于台面输入，存在接近4 倍的放大效应。由于阀厅对地震动的放大，导致阀塔水平加速度的增加，因此阀塔设计和校核中需考虑此放大的影响。

（2）应变试验测试数据表明：悬吊绝缘子并非二力杆，应考虑扭转及弯曲效应，建议设计时适当减小绝缘子的弯扭状态，并校核是否会发生受压屈曲。

（3）悬吊阀塔在地震作用下各层存在一定程度的摆动，且与阀塔方向有关，抗震校核时，应充分考虑其影响。