李鸣萧，胡 晓，冯千秀，张朋朋，毛 宇，万增勇

（中国电力工程顾问集团西南电力设计院有限公司，四川 成都 610056）

0 引言

我国幅员辽阔、人口众多，大多数人口集中在经济发达的中部及东部沿海地区，经济生活需要消耗大量能源，尤其需要充足的电力供应，而用于发电的煤炭及水能资源集中分布于华北、西北及西南地区，如煤炭储量丰富的山西、陕西、宁夏、新疆部分地区，以及水能资源丰富的西南地区(雅砻江、金沙江、澜沧江、雅鲁藏布江等)，电力供给与需求间的地区不平衡问题突出。特高压直流输电是解决高电压、大容量、远距离送电和电网互联的一个重要手段，能够很好地解决我国能源分布不平衡的问题。换流站是特高压直流输电中的重要节点，是特高压输电线路上的重要转换设施，对保障电能顺利传输具有重要作用。因而，其安全性也应受到足够的重视。

破坏性地震对电力设施造成的损坏往往是灾难性的[1-2]，换流站中的电气设备对整个电网的正常运行具有至关重要的作用。如何保障换流站内电气设备在地震灾害下的安全运行是当下亟待解决的问题。相比建筑物的抗震性能，国内外对电气设备的抗震分析成果相对较少。万帅[3]以500 kV GIS罐式避雷器为原型，采用有限元软件ANSYS对其进行了结构力学分析。曹枚根[4]采用大型通用有限元分析软件，首先对瓷套管与法兰连接弯曲刚度计算系数开展了参数化建模及动力特性分析研究，建立了220 kV瓷柱式SF6断路器的计算模型，然后对220 kV瓷柱式SF6断路器进行了动力特性研究，采用反应谱法进行了地震响应分析和阻尼比影响研究。罗斌[5]采用反应谱分析法和时程分析理论对电容器进行了抗震分析。朱祝兵[6]为研究特高压电气设备元件与法兰胶装连接处的弯曲刚度分布规律，采用自主设计的加载装置，针对具有代表性的9个瓷套元件进行了弯曲刚度试验。本文依托白鹤滩—江苏±800 kV特高压直流输电工程布拖换流站一期工程，对其中的部分电气设备及其耦联回路进行抗震分析，研究了设备在地震作用下的应力和位移，对其强度进行了安全性评价，为电气金具设计提供了数据支撑。

1 支柱绝缘子单体抗震分析

电气设备单体抗震分析是进行耦联回路抗震分析的基础，只有正确地建立了单体有限元模型才能进一步对耦联回路进行抗震分析。本节将对支柱绝缘子单体设备建立有限元模型，并对其抗震性能进行分析。

1.1 支柱绝缘子有限元模型

800 kV支柱绝缘子是换流站中的重要电气设备，它由下部钢支架与上部设备本体组成。下部钢支架为格构式角钢结构，由地脚螺栓固定于地面混凝土基础之上，顶部设钢板用于固定设备。上部设备本体由绝缘子套筒及连接法兰组成。本文采用Abaqus6.11有限元软件对电气设备进行抗震分析。

在有限元软件中，为提高计算效率，采用梁单元建立支柱绝缘子的计算模型。支柱绝缘子下方存在土建钢支架，它不仅会影响设备整体结构的自振特性，还会对作用于设备上的地震作用产生放大效应。因此在模型中增加该部分结构，从而将土建支架对设备地震响应的影响加以考虑。支柱绝缘子本体为复合材料，其参数由设备厂家提供，材料密度根据设备总质量进行等效换算得出。下部钢支架采用钢材，弹性模量E=2.06×105MPa，泊松比γ=0.3，密度ρ=7 850 kg/m3。顶部均压环对设备地震响应影响较小，为方便后续耦联回路模型的建立，此处将均压环省略。

整体有限元模型中，下部地脚螺栓连接处采用固接进行模拟，钢支架与顶板固定连接，其各方向自由度均被约束；顶板与上部设备本体采用耦合约束进行连接。

1.2 支柱绝缘子抗震分析

反应谱法是抗震计算中最为常用的方法，其计算速度快，并且能够在较大程度上覆盖场地地震波的频谱特性，GB 50260—2013《电力设施抗震设计规范》第5.0.1条也将反应谱法列为了抗震分析的方法之一。

布拖县设计地震分组为第三组，场地类别为II类，其特征周期Tg=0.45 s，在罕遇地震下，其特征周期增加0.05 s为0.50 s。根据GB 50260—2013《电力设施抗震设计规范》第5.0.5条所规定的地震影响系数曲线，可绘制出本文所采用的反应谱曲线，如图1所示。

图1 反应谱法地震影响系数曲线

根据布拖换流站所处地理位置及其抗震设计的要求，抗震计算中的最大地震加速度取为0.40g，并分别沿左右方向(X向)、前后方向(Y向)、竖直方向(Z向)添加反应谱曲线，最大加速度分别为0.40g、0.34g、0.26g。阻尼比对电气设备的抗震性能有非常明显的影响，但由于阻尼机理的复杂性和不确定性，各设备的阻尼比差异较大，即便同一个设备，在不同输入激励下，其阻尼比也可能不同。电瓷类设备的阻尼比离散性较大，多介于1%～5%，更集中于2%～3%，GB 50260—2013《电力设施抗震设计规范》第6.3.7条指出：对于电瓷类设备，若实际阻尼比未知，建议取值不超过2%。因此本文对电气设备采用的阻尼比取为2%。各振型的地震效应采用“平方和开平方根”的振型组合方法(square root of the sum of the squares,SRSS)进行组合。

如图2所示为反应谱法分析后的应力云图及位移云图。支柱绝缘子属于支柱类结构，设备结构细长，多节设备元件之间通过法兰连接在一起。震害调研显示，地震作用下支柱类设备多为套管根部法兰连接处折断或套管从法兰胶装部位拔出。这主要是由于地震作用下该部位承受的弯矩最大，设备多因承载力不足或法兰胶装部位各材料之间的变形不协调而发生破坏。根据计算结果，可见该支柱绝缘子最大应力为16.20 MPa，发生在根部法兰处，其应力安全系数为7.41，GB 50260—2013《电力设施抗震设计规范》第6.3.8条规定的安全系数为1.67，满足要求；支柱绝缘子最大位移为183.9 mm，发生在设备顶部，由电气专业根据实际情况判断是否满足带电距离等要求。在实际工程中，还需根据耦联回路计算结果进行金具设计。

图2 800 kV支柱绝缘子反应谱分析结果

2 支柱绝缘子回路抗震分析

2.1 电气设备耦联回路概述

第1节中分析了支柱绝缘子单体设备的抗震性能，在实际工程中，各电气设备是连接在一起的。连接方式分为软导线和硬管母两种。当不同的电气设备之间采用软导线进行连接时，由于软导线刚度较小，在地震作用下导线内力很小，对设备的影响基本可以忽略不计，因此设备与设备之间在地震作用下可视为无连接，这种状态称为解耦。当不同的电气设备之间采用硬管母进行连接时，由于管母线不可弯曲，刚度很大，在地震下可产生并传导内力，因此设备与设备之间会通过管母线产生相互作用，这种状态称为耦联。

在耦联状态下，电气设备在地震下的响应与单体设备不相同，相互之间会产生较大的作用力，单体状态下较大地震响应的设备可通过管母传递出一部分地震能量，而较小地震响应的设备可受管母影响多消耗一部分地震能量。此外，耦联状态下，支柱绝缘子之间还存在避雷器、互感器等设备，这些设备的质量通过集中质点添加在了管母线上，增大了整个结构体系的质量，加剧了结构刚度分布的不均匀性，从而使耦联回路产生了更大的地震作用，因此需要将耦联回路作为整体进行分析。

2.2 800 kV支柱绝缘子回路抗震分析

2.2.1 反应谱法抗震分析

对于直流场极线区域的800 kV支柱绝缘子回路，抗震分析的关注点为支柱绝缘子根部应力及顶部位移。为方便描述，如图3所示将支柱绝缘子从左到右依次编为1～5号。该组支柱绝缘子及管母高17.5 m，管母外径450 mm。按照前述抗震计算方法对该回路进行抗震分析，其中风荷载作用于支柱绝缘子及管母。

图3 直流场极线区域800 kV支柱绝缘子回路

采用反应谱法分析时，结构的前三阶自振模态如图4所示。其前三阶自振频率分别为0.593 4 Hz、0.856 0 Hz、1.240 5 Hz。部分支柱绝缘子与管母线脱开是由于这些地方为滑动管母连接，管母在绝缘子顶端是可以沿着管母方向(X方向)滑动的。在地震作用下，结构主要部件位移及应力见表1所列。

表1 支柱绝缘子回路位移及应力(反应谱法)

图4 支柱绝缘子耦联回路自振模态

地震作用下，800 kV支柱绝缘子的最大应力为47.88 MPa，安全系数为2.51，大于1.67，满足抗震要求。支柱绝缘子顶部最大位移为255.70 mm，相关金具设计应满足该位移要求。

2.2.2 时程分析法抗震分析

对800 kV支柱绝缘子回路采用时程分析，地震波选用El-Centro波，通过在结构底部固定端施加地面加速度的方法，可将地震波作用于结构上。El-Centro地震波数据来源于太平洋地震工程研究中心网站，相关数据经过基线校正等处理，再按照所需最大峰值加速度进行相应的放大处理后(将其峰值加速度调整为0.40g)，可用于时程分析的抗震计算。结构主要部件位移及应力见表2所列。提取支架顶部的最大加速度为-6 959 mm/s2，相应的放大系数为1.739。

表2 支柱绝缘子回路位移及应力(时程分析法)

从表2的计算结果可见，支柱绝缘子的最大应力为61.72 MPa，对应的安全系数为1.94；满足GB 50260—2013《电力设施抗震设计规范》第6.3.8条规定的安全系数1.67，满足抗震设计要求。在设计相关连接金具时，应校核金具所能承受的最大位移能否满足设备最大位移，以保证地震作用下整个耦联回路的安全运行。

3 直流滤波器回路抗震分析

对于直流场极线区域的直流滤波器回路，采用反应谱法及时程分析法进行抗震分析。该回路抗震分析的关注点为支柱绝缘子根部应力及直流滤波器顶部位移。为方便描述，如图5所示将支柱绝缘子从左到右依次编为1～5号。1～3号支柱绝缘子高23.5 m，4～5号支柱绝缘子高17.5 m，管母外径均为450 mm。对该回路进行抗震分析，风荷载作用于直流滤波器、支柱绝缘子及管母。

图5 直流场直流滤波器回路

采用反应谱法分析时，结构的一阶自振模态如图6所示。其前三阶自振频率分别为0.803 7 Hz、0.812 9 Hz、0.976 4 Hz。在地震作用下，结构主要部件位移及应力见表3所列。

表3 直流滤波器回路位移及应力(反应谱法)

图6 直流滤波器耦联回路自振模态

地震作用下，支柱绝缘子的最大应力为30.32 MPa，发生在设备根部，对应的安全系数为3.15；直流滤波器的最大应力为55.29 MPa，对应的安全系数为2.17；各设备应力安全系数均大于1.67，满足抗震要求。支柱绝缘子顶部最大位移为301.20 mm，直流滤波器顶部最大位移为280.91 mm，相关金具设计应满足该位移要求。

对该直流滤波器回路进行时程分析，地震波选用人工生成的地震波，该地震波通过前述分析的目标反应谱进行生成，使其自身的反应谱曲线与目标反应谱基本吻合，从而在最大程度上实现对其地震响应的模拟。人工波最大加速度取0.40g。

通过在结构底部固定端施加地面加速度的方法，可将地震波作用于结构上。结构主要部件位移及应力见表4所列。

表4 直流滤波器回路位移及应力(时程分析法)

从表4的计算结果可见，支柱绝缘子的最大应力为44.14 MPa，对应的安全系数为2.17；直流滤波器最大应力为64.48 MPa，对应的安全系数为1.86。以上结果均满足GB 50260—2013《电力设施抗震设计规范》第6.3.8条规定的安全系数1.67，满足抗震设计要求。在设计相关连接金具时，应根据有限元计算结果对金具所能承受的应力和位移进行校核，以保证地震作用下整个耦联回路的安全运行。

4 结语

电气设备的抗震性能对特高压电网正常运行有着至关重要的影响。本文对±800 kV布拖换流站中的支柱绝缘子及直流滤波器耦联回路进行了抗震分析，通过Abaqus软件采用反应谱法及时程分析法计算了电气设备在地震作用下的响应，校核了应力安全性，为电气专业提供了位移参数，供其对金具设计及带电距离进行校验。研究成果对特高压换流站电气设备抗震设计具有参考和借鉴意义，对降低电气设备的地震易损性具有显著的经济效益。