±800 kV滇西北特高压直流工程穿墙套管抗震性能研究

在高海拔、高地震烈度地区,良好的抗震性能是特高压直流穿墙管研制和运行的关键。针对滇西北特高压直流工程送端新松换流站9度地震烈度设防要求,为解决穿墙套管的抗震性能难题,评估穿墙套管的抗震性能,建立了新松站±800 kV穿墙套管及阀厅的有限元模型并进行地震响应分析。仿真结果发现设备应力响应较大,为增加应力安全裕度,提高设备抗震可靠性,提出了在穿墙套管根部布置金属摩擦阻尼器的减震方案,以提高套管整体抗震性能。同时根据仿真计算结果设计和研制了开展振动台试验所用的套管支架,对工程供货直流穿墙套管真型设备开展振动台试验研究,对比安装阻尼装置前后的直流穿墙套管地震响应发现:该方案可有效降低穿墙套管的地震响应,其最大应力和最大相对位移分别下降39.2%和71.3%,应力安全系数由1.53提高至2.52,显著提升了直流穿墙套管的抗震性能,满足滇西北工程抗震技术要求。     

±1200 kV特高压直流穿墙套管抗震性能分析北大核心CSCD

为评估特高压穿墙套管的抗震性能,建立了某型1200 kV特高压穿墙套管仿真模型,针对该模型进行了动力特性分析,并通过时程计算方法获取地震下穿墙套管的加速度、位移及应力响应,分析其加速度放大系数以及根部应力峰值。基于结构地震响应研究了谱放大系数曲线及其峰值影响因素,进一步分析了法兰加劲肋和安装板厚度对地震响应的影响。研究表明:在地震波反应谱平台段内,穿墙套管顶部加速度存在明显放大效应,轴向谱加速度放大系数峰值出现在安装板面外变形模态频率附近。法兰加劲肋的设置可有效降低穿墙套管轴向加速度峰值,并减小安装板和法兰根部的应力峰值。随着安装板厚度的增加,穿墙套管轴向加速度峰值和安装板的应力峰值均减小,且随着板厚越大降低幅度逐渐平缓。     

±800 kV特高压直流穿墙套管抗震性能研究

为评估某工程800 kV特高压直流复合穿墙套管的抗震性能,在有限元软件ABAQUS中建立复合穿墙套管和全钢阀厅的整体模型,并通过计算获得了复合穿墙套管设备在地震作用下的加速度、应力和位移响应。研究发现:穿墙套管底部的阀厅结构对地面运动的加速度峰值有一定的放大作用,放大系数在1.5~3.0之间。复合穿墙套管在0.4 g加速度峰值的地震波作用下其根部应力处于容许应力范围内,但套管顶部的位移达到86~96.7 mm。对于复合穿墙套管设备,应结合支撑结构阀厅的放大作用及复合套管的应力和位移响应综合判定其抗震性能。     

±800 kV直流旁路开关地震响应及减震措施

在此前的地震中,与旁路开关结构形式类似的支柱类设备已经遭受过大量的破坏。为了研究旁路开关的抗震性能,文中首先以±800 k V直流旁路开关为原型建立有限元模型并进行了地震响应分析,结果表明,在组合相关荷载作用后,该设备无法满足抗震设计要求。文中建议了一种在设备底部设置钢丝绳阻尼器和液压阻尼器组成的减震支座的方案,通过修正Bouc-Wen模型模拟钢丝绳阻尼器的滞回特性,对设置减震支座前后的设备进行地震响应分析。结果显示设置减震支座后,绝缘子根部应力响应大大减小,满足应力安全系数的要求,文中所述的减震支座能有效提高旁路开关的抗震性能。     

500 kV变压器地震易损性分析北大核心CSCD

变压器作为电力系统中的关键设备,其在地震作用下的易损性较高。为了对变压器的地震易损性进行评估,文中建立了某500 kV变压器的精细化有限元模型,通过模态及地震响应分析确定了变压器的抗震薄弱位置及关键响应,并以关键响应水平为失效判据,选取30条天然地震动对变压器进行地震易损性分析,采用对数正态分布拟合得到地震易损性曲线。针对变压器抗震薄弱位置,提出基底布置摩擦摆隔震支座的方法对其抗震性能进行提升优化。结果表明:高压套管为设备薄弱位置,关键响应为套管根部弯矩响应和顶部位移响应,相应的设备失效模式以根部强度破坏与顶部牵拉破坏为主,其中由于变压器整体重心偏向A相高压套管,导致其失效概率高于其他相套管。地震作用下,高压套管发生根部强度破坏的概率高于牵拉破坏,在基底布置摩擦摆支座后,套管根部弯矩响应得到大幅降低,并且顶部位移响应增大幅度较小,几乎可以忽略隔震支座对套管顶部位移的放大作用。变压器高压套管具有较高的地震易损性,在抗震提升措施中,建议采取摩擦摆支座基底隔震方法来降低套管的地震易损性。     

±800 kV换流变压器-套管体系的抗震性能

为研究±800 kV特高压换流变压器抗震性能,依据某工程中的换流变压器,通过精细化有限元分析,计算了该设备在地震作用下关键部位的位移、应力以及加速度响应,分析了其器箱壁、箱壁升高座以及套管升高座对套管的动力特性以及放大系数的影响。结果表明,特高压换流变压器在地震作用下,套管竖向位移响应明显,顶部竖向位移达387 mm。套管根部加速度、位移及顶部位移放大系数存在较大差异,3者比值为1:2.18:0.55。另外,在地震波反应谱平台段内,套管根部加速度放大系数均大于规范推荐值2。箱壁及升高座能降低套管频率,增大其地震响应;套管顶部位移较大,可能造成设备间牵拉破坏;套管应力、加速度及位移放大系数不一致,在单独考核套管抗震性能时应分别考虑。     

±800 kV特高压直流穿墙套管地震模拟振动台试验研究

特高压直流穿墙套管是换流站中的重要设备。为评估特高压穿墙套管的抗震性能及地震作用下的响应特征,对±800 k V足尺仿真穿墙套管模型进行了地震模拟振动台试验研究。通过白噪声扫频试验获得了套管的动力特性。通过不同地震动输入,研究了穿墙套管在不同地震动和加速度峰值输入下的响应,获得了穿墙套管关键位置的位移、应变及加速度响应。结果表明,在目标峰值地震动作用下,穿墙套管顶端位移及根部应力较大,外套筒与中间导电杆间的相对位移也较大。在对特高压换流站穿墙套管进行抗震设计时,应注意与之相连的母线冗余度以减小母线对套管的牵拉作用,采取措施提高穿墙套管的应力安全系数,优化套管内部结构以限制其导电杆与外套筒的相对位移。     

管母连接±800 kV复合支柱绝缘子的抗震性能分析及试验研究

为研究特高压复合支柱绝缘子的抗震性能及管母连接设备地震响应的简化计算方法,对复合支柱绝缘子单体及耦联体系进行了振动台试验,测量绝缘子关键位置的加速度和根部应变,并得到绝缘子顶部位移。结果显示:试验中的复合支柱绝缘子最大应力小于容许应力,满足抗震性能要求。在相同地震输入下,耦联体系中支架的加速度峰值放大系数、顶部位移和根部应变响应相比于支柱绝缘子单体均有所降低。管母连接对于设备的约束作用可简化为线性弹簧,当设备相同或动力特性相近时,耦联体系中的设备响应可采用单体设备的动力响应进行计算校核,且此时的计算结果偏于安全。     

特高压换流站高端阀厅动力特性及抗震性能分析

首先对特高压新松换流站高端阀厅及阀组进行了动力特性现场测试及分析,开展了峰值为0.4 g的不同地震波激励下阀厅结构的动力响应计算,分别得到了阀厅关键部位的加速度、位移及应力响应,分析了阀厅在强震作用下的抗震性能。阀厅动力特性测试和模态分析结果较为一致,高端阀厅前3阶频率在2.0～5.0 Hz之间,振型分别是X、Y向平动和X-Y平面为扭转,阀厅结构自振频率与地震卓越频率较为接近,地震作用下极易发生共振。强震作用下阀厅地震响应分析表明:阀厅钢柱顶部、穿墙套管安装位置的加速度动力放大系数较大,结构响应存在一定的扭转效应,但阀厅结构的最大构件应力远没达到材料的屈服应力,全钢结构阀厅整体抗震性能较好。     

1100 kV特高压套管地震模拟振动台试验

特高压套管具有较高的地震易损性,是变压器整体结构抗震性能的薄弱环节,其抗震能力直接影响着特高压变电站整体的抗震设防水准。该研究对1支1 100 k V特高压套管进行地震模拟振动台试验,通过输入白噪声随机波和人工标准时程波,测定套管的动力特性和关键部位的应变、加速度等地震响应。试验结果显示,套管瓷件部分最大应力低于瓷质材料破坏值,但套管金属部位安装法兰发生破坏,不满足设计基本地震加速度为3 m/s2的抗震设防要求。试验结果表明:在重视瓷件部分抗震性能的同时,应采取构造连接措施提高套管金属部件的刚度,从而提高设备整体的抗震性能,保证变电站抗震安全。     

不同材料对特高压GIS套管抗震性能的影响研究北大核心CSCD

现有变电站电气设备的套管多采用陶瓷或玻璃钢纤维复合材料制成。为研究不同材料对特高压气体绝缘开关套管抗震性能的影响,根据实际工程所用的套管结构,文中分别建立了特高压气体绝缘开关瓷套管和复合套管有限元模型,探究了其动力特性及地震响应。结果表明,复合套管前两阶自振频率均小于瓷套管,且仅在瓷套管模型中发现了母线支筒顶部产生的局部变形;在相同强度地震动输入下,复合套管的加速度、应力以及顶部相对位移响应均大于瓷套管,两种材料套管均满足抗震设防烈度为8度且设计地震加速度为0.4 g的抗震要求;复合套管的应力安全系数大于瓷套管,表现了较为良好的抗震性能,但在抗震设计时应重点关注复合套管的母线冗余度。     

±800 kV特高压直流旁路开关地震易损性分析北大核心CSCD

特高压直流旁路开关是换流站中的关键设备,为评估某±800 kV特高压旁路开关的抗震性能,文中建立了旁路开关设备的有限元模型,并对其进行了动力特性和地震响应分析,确定设备抗震薄弱位置和关键响应,采用对数正态分布拟合旁路开关不同损伤状态下的易损性曲线。结果表明,旁路开关设备存在两处薄弱点,即支柱绝缘子根部、旁路开关顶部,相应的破坏模式分别为支柱绝缘子根部强度破坏与旁路开关顶部牵拉破坏。PGA大于0.2g时,旁路开关主要破坏模式为绝缘子根部破坏。支架对旁路开关地震响应有显著的放大作用,应采取措施降低支柱绝缘子根部应力响应及旁路开关顶部位移响应以提高其抗震性能。     

1100kV柱式断路器地震模拟振动台抗震试验研究

地震模拟振动台抗震试验是电气设备抗震设计及验证的重要手段之一。以1 100 kV全复合套管柱式断路器为研究对象,依据特高压电气设备抗震试验方法对是否带拉筋或减震器等4种状态开展了地震模拟振动台试验。通过输入白噪声及标准时程波地震试验,可得到断路器的自振频率及关键部位的加速度、应变响应。对比分析4种不同状态下断路器的地震响应特点,掌握了拉筋和减震器对断路器动力特性、抗震性能影响的机理。结果表明:地震作用下4种不同状态下的断路器的最大应变都发生在支架顶部和复合套管根部;断路器地震响应复杂且呈现非线性特性。地震作用下设置拉筋、安装减震器均能有效提升断路器的抗震能力。     

瓷柱型电气设备的MTMD减震方法试验研究

瓷柱型电气设备(PCEE)是电力系统的重要组成部分,其抗震能力较差,现有PCEE减震措施均不能充分保证该类设备在地震发生时的安全运行。为解决此问题,提出了将多重调谐质量阻尼器(MTMD)用于增强PCEE的抗震性能。对某一型号的电流互感器设计了三重调谐质量阻尼器(Triple-TMD)减震装置并推导了Triple-TMD的减震控制方程;通过有限元模拟及振动台试验,对比了不同类型及不同加速度峰值地震动作用下设备减振前后的动力响应;通过一种简化的方法考虑了导线及裹冰荷载等因素对Triple-TMD减震效率的影响。有限元及振动台试验结果均表明:Triple-TMD明显增强了PCEE的抗震能力,峰值地面加速度(PGA)为0.5g时,约占设备质量4%的Triple-TMD平均可以将设备瓷套管根部的峰值应力降至无控时的70%;不同类型及不同加速度峰值的地震动作用时,Triple-TMD均能实现减震并体现足够的安全裕度;当Triple-TMD控制频率与被控设备的自振频率之间发生50%时,Triple-TMD仍然能够保持一定的减震效果。     

特高压电抗器-套管体系抗震性能及本体动力放大作用计算方法研究

电抗器是重要的变电站设备,在地震中会遭受各种形式的破坏,其中瓷质套管的损坏尤为常见。该文通过特高压电抗器-瓷质套管体系缩比模型振动台试验,研究了其在不同地震波输入时套管的地震响应,分别得到了不同工况下套管的加速度响应、位移响应和应变响应,分析了套管加速度峰值放大系数、位移峰值和应变峰值,评价了其抗震性能。建立了与试验相一致的数值仿真分析模型,通过频率、套管根部应力和套管顶端相对位移的比较,验证了数值分析模型的有效性,同时分析了特高压原型电抗器的抗震性能。之后对特高压电抗器-套管体系本体地震动力放大作用展开研究,提出以应力峰值为参量的本体对套管地震动力放大作用的放大系数计算方法。     

特高压直流穿墙套管–阀厅体系地震响应及抗震性能提升措施

为评估阀厅对特高压(UHV)直流穿墙套管地震响应的影响,以及对穿墙套管–阀厅体系抗震性能进行优化,建立了特高压直流穿墙套管–阀厅体系的有限元模型,获取了体系在地震激励下的响应特征;建立了穿墙套管–阀厅体系的振动力学模型,分析了不同振动分量对穿墙套管地震响应的影响。结果表明:阀厅结构对穿墙套管地震响应有较大的放大作用,阀厅山墙侧向振动对套管地震响应的影响显著。对阀厅结构进行了加固后,套管地震响应减小。对阀厅侧向刚度的增强能显著改善特高压穿墙套管–阀厅体系的抗震性能。     

±800 kV干式平波电抗器抗震性能分析

为了研究平波电抗器在地震下的动力响应以及设备耦联对地震响应的影响,文中采用Abaqus有限元软件对一典型±800 kV干式平波电抗器进行仿真模拟和模态分析,选取符合场地需求谱的三组地震波进行了地震响应计算,分析电抗器本体顶部加速度峰值、顶部相对位移峰值以及下部支撑绝缘子的根部应力峰值。重新建立双电抗器“T”型耦联模型,采用同样的地震波输入并提取地震响应峰值与单体响应结果对比,研究了耦联对电抗器地震响应的影响。研究发现在0.2 g地震波下,电抗器本体顶部加速度峰值均值达到2.34 m/s^(2),顶部相对地面的位移最大达到152.97 mm,根部应力峰值均值为22.88 MPa。耦联后电抗器本体顶部两个水平方向加速度峰值均有所降低,在耦联方向上顶部相对地面位移有所降低,而垂直于耦联方向的水平方向上的相对地面位移反而有所提高,耦联对电抗器支撑绝缘子根部应力峰值影响不大。工程中可采用各类减震隔震措施对电抗器特定方向的动力响应进行控制,以保证电抗器在地震下的结构安全。     

考虑金具滑移的±800kV特高压管母耦联直流复合支柱绝缘子的抗震性能

为研究特高压直流支柱绝缘子耦联体系在不同地震作用下的动力响应,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。获取了多条地震波作用下单体和耦联体系的关键部位的加速度、位移和应力响应数据。对比单体和耦联体系的动态响应,获得了管型母线对复合支柱绝缘子的影响规律。结果表明:与等效单体支柱绝缘子相比,耦联体系的频率有所增加,位移响应表现出较大的随机性,绝缘子顶部的加速度响应明显变大;绝缘子根部应力维持在较低水平,远小于复合绝缘子的极限应力;金具的滑移距离对绝缘子顶部加速度响应影响很大,进行管母线连接设备的抗震设计时,应充分考虑滑移距离对设备的影响。     

增设拉线对特高压直流复合避雷器地震响应的影响分析

以特高压新松换流站±800 kV复合直流避雷器为研究对象,建立了增设拉线的避雷器有限元模型。开展了增设拉线的避雷器动力特性及拉线初始预应力的影响分析,计算了地震作用下增设拉线前后避雷器加速度、位移和应力响应。最后开展了不同拉线初始预应力对避雷器地震响应的影响分析。分析结果表明,设置拉线可以提高避雷器水平方向的刚度,从而提高避雷器的自振频率,且拉线初始预应力越大,避雷器基频值提升越明显。增大拉线初始预应力可以有效降低避雷器的地震响应,当拉线初始预应力在100~150 MPa时,避雷器地震响应降低最为明显;当拉线初始预应力达到200 MPa时,设置拉线可以较大幅度的降低避雷器套管根部应力响应,套管应力安全系数可由3.76提高至6.15,并可将避雷器在地震作用下的顶部位移响应降低50.2%,抗震加固效果显著。继续增大拉线初始预应力至大于200 Mpa时对避雷器的抗震能力提升不大。     

采用拉索连接惯容系统的在运断路器减震改造北大核心CSCD

在发生地震灾害时,变电站中电瓷型电气设备如断路器、互感器等易发生破坏。为保证电气设备在地震荷载作用下能够安全正常工作,以某110 kV断路器为研究对象,对其进行原位动力特性测试和有限元建模,采用拉索连接的电涡流阻尼惯容系统对在运的断路器进行减震改造设计并进行了工程应用,对设备减震改造前后的模态响应和地震响应进行了计算和分析。结果表明:在地面峰值加速度为0.4g的地震荷载作用下,使用惯容系统对断路器进行改造,可以使套管根部应力减小44%,位移峰值减小47%,实现约40%的减震效率。应用惯容系统是提高断路器结构抗震性能的有效措施。