±800 kV平波电抗器耦联体系抗震性能及参数分析.pdf

0引言变电站电气设备作为电力系统的重要组成部分，其抗震性能影响着电网在地震时和地震后的安全运行状态。在 1978 年日本宫城地震1和2008 年中国汶川地震中，变电站电力设备都表现出了极大的易损性2-19，尤其是直流输电工程的重要设备干式平波电抗器，作为一种质量尺寸大、重心高的塔类结构，他的抗震性能分析需要重点关注。以往的灾后调查发现，电抗器设备本体由于DOI：10.14044/j.1674-1757.pcrpc.2023.03.006 收稿日期：20220602基金项目：国家自然科学基金项目（51878508）；国家重点研发计划项目（2018YFC0809400）。800 kV 平波电抗器耦联体系抗震性能及参数分析肖世钊1，朱旺2，毛宝俊2，谢强2（1.福建三宝钢铁有限公司，福建 漳州363005；2.同济大学土木工程学院，上海200092）摘要：为研究干式平波电抗器耦联体系的抗震性能及耦联结构最优参数，利用软件 ABAQUS 对某电抗器体系建模进行抗震性能分析，并对耦联结构进行参数分析得到最优参数或最优参数组合，从而提出合理的工程建议。结果表明：在 0.4 g 地震波输入下，体系耦联方向加速度放大系数最小，竖直方向最大，且同方向上支撑顶部大于电抗器本体顶部；支撑根部应力峰值均值 41.64 MPa 小于临界应力，但单条波峰值已超过临界应力。耦联结构与电抗器本体采用刚接、管母线和支柱绝缘子刚度处于“低应力区”、连接点处在电抗器高度的指定范围内均对支柱绝缘子根部应力有降低作用。工程中可根据文中给出的建议，结合电力传输等其他非结构要求综合选取最优参数，使体系抗震效果达到最佳。关键词：平波电抗器；耦联体系；抗震性能；参数分析Seismic Performance and Parameter Analysis of Coupling System of 800 kV Smoothing ReactorsXIAO Shizhao1，ZHU Wang2，MAO Baojun2，XIE Qiang2（1.Fujian Sanbao Steel Co.，Ltd，Fujian Zhangzhou 363005，China；2.College of Civil Engineering of Tongji University，Shanghai 200092，China）Abstract：Forstudyingseismicperformanceandoptimalparametersofcouplingsystemof800kVsmoothingreactors，the ABAQUS software is used to analyze not only the model of a certain reactor system，but alsothe parameters of the coupling structure so to obtain the optimal parameters or the combination of the optimal parameters，thereby proposing reasonable engineering suggestion.The results show that under 0.4 gseismic wave input，the acceleration amplification factor in the coupling direction of the coupling system isthe minimum and in the vertical direction is maximum.Moreover，the acceleration amplification factor atthe top of the support is greater than that of the reactor body in a same direction.The average value of thepeak stress at the root of the support is 41.64 MPa，which is less than the critical stress，but the single cresthas exceeded the critical stress.The rigid connection between the coupling structure and the reactor body isused.The rigidity of the the busbar and the support insulator of the coupling structure is in the low stress area，andtheconnectionpoint，whichisinarangeoftheheightofthereactor，canreducethestressattherootofthesupport insulator.In actual project，the optimal parameters can be selected comprehensively in accordancewith the suggestions given in this paper in combination with other such nonstructural requirements as powertransmission，which can achieve the best seismic effect of the system.Keywords：smoothing reactors；coupling system；seismic performance；parameter analysis第44卷第3期：0042-00512023年6月电力电容器与无功补偿Power Capacitor&Reactive Power CompensationVol.44，No.3：0042-0051Jun.2023 422023年第3期（总第207期）肖世钊，等800 kV平波电抗器耦联体系抗震性能及参数分析结构刚度较大，自振频率大，与地震的卓越频率相差较大，未发现电抗器本体在地震中破坏的先例。但电抗器由于绝缘需要，一般由支柱绝缘子支撑，电抗器之间也会使用管母连接。支柱绝缘子支撑式电力设备往往在地震中比较容易发生瓷柱的破坏或瓷柱和法兰及连接板的破坏20，故非常有必要对耦联后的平波电抗器体系进行抗震性能分析。现有部分学者对细长支柱类设备或一般耦联设备进行了抗震研究21-22，但与干式平波电抗器相关的研究主要集中在电抗器本身的结构构造、噪声声场等方面，何强23等通过现场测量和仿真模型结合的方式研究了平波电抗器的声场分布特性，在国家标准基础上给出了较为准确的测量方法；田一24等根据平波电抗器的电磁场特性建议并应用了大量无磁金属的噪声罩，经过噪声和温升试验测试发现无磁金属使噪声水平降低，同时不引起过多热损耗；随后，田一25等人又针对平波电抗器的结构特性提出新的隔声罩设计方法，并通过仿真分析验证了降噪方案的有效性。目前，对平波电抗器的力学性能和抗震性能的研究较少，且已有研究仅限于对平波电抗器单体进行分析。俞越中26等人对 110 kV 复合材料干式电抗器进行了振动台试验研究，测定了电抗器的频率、阻尼以及其他地震响应，发现结构在地震作用下基本为线性特性，研究抗震性能时应考虑位移响应。张猛27等对复合绝缘子倾斜支撑干式空心电抗器进行了振动台试验研究，并测得各个地震响应进行分析，确定了平波电抗器加速度放大系数最大的位置以及薄弱环节。王黎明28等针对某特高压直流平波电抗器的复合支柱绝缘子进行了抗震研究，从理论研究入手，采用复合材料的计算方法求得支柱绝缘子芯棒的各项参数，从而建立 ANSYS模型，验证了支柱绝缘子的安全性。高嵩29等提出了一种新型平波电抗器，将常规的 5 节绝缘子单元改为 4 节绝缘子单元，并分析其力学性能，通过仿真分析验证了绝缘子的抗震强度安全系数符合要求。本文根据我国已建直流输电工程实际资料，利用通用有限元软件 ABAQUS 建立了 800 kV 干式平波电抗器耦联体系有限元模型，进行模态分析，并输入天然波和符合标准反应谱的人工地震波进行抗震性能分析，在抗震分析结果的基础上研究电抗器耦联的参数，并给出推荐参数和工程建议。1电抗器耦联体系有限元模型与模态分析1.1电抗器单体的结构特性特高压换流站平波电抗器采用耦联构件相互耦联，电抗器单体包括上部电抗器本体和下部的复合支柱绝缘子支撑（以下称支撑绝缘子），支撑绝缘子一般采用倾斜形式布置。某典型型号的800 kV特高压干式平波电抗器单体设备外形及各部分组件见图 1。图1平波电抗器单体（单位：mm）Fig.1Single device of smoothing reactor（unit in mm）1.2基本结构参数该型平波电抗器单体的基本结构参数如下：如图 1 所示，电抗器单体结构整体高度为 19.62 m，地面占地直径为 10.56 m。下部结构为复合支撑绝缘子，由 12 整根支撑绝缘子均匀分布以及 4 层放射状的节间支撑杆组成，支撑绝缘子总长为14.4m，倾斜角度 10，各支撑绝缘子分别由 5 段单元构成，各段绝缘子之间采用法兰连接，最下端采用绝缘子下支架与地面固定，最上端采用绝缘子上支架承受支撑平台，支撑平台上设有不锈钢升高座，升高座具有隔离散热的作用。上部结构为电抗器本体，与下部升高座固定连接，其质量大、刚度大，可视为刚体。电抗器上部安装有防噪声罩，即罩伞，由于罩伞重量小，而本研究重点在于电抗器及其耦联构件，因此对结构进行一定的简化，不考虑上部罩伞外形和体积的影响，仅将其质量转化到电抗器本体上。电抗器之间采用如图 2 所示“T 型”耦联结构连接，耦联结构由竖向支柱绝缘子（以下称支柱绝缘 432023年第3期电力电容器与无功补偿第44卷子）和水平向的管母构成，支柱绝缘子高度 14.78 m，下端固定在地面，上端通过均压环与管母连接，管母总长度 11.4 m，两端分别与电抗器本体采用软母线连接，从而形成耦联体系。图2平波电抗器的耦联结构Fig.2Coupling structure of smoothing reactors1.3建立模型本研究通过使用通用有限元软件 ABAQUS 建立800 kV 干式平波电抗器耦联体系的有限元模型。该型号电抗器设备的尺寸和重量参数见表 1。表1模型基本参数Table 1Basic parameters of FE model参数长度/m截面形状截面尺寸/mm质量/kg弹性模量/GPa泊松比电抗器本体4.2圆形6 40042 0002060.3支撑绝缘子14.4圆形2801 773200.24升高座0.4十字形240-3216720.31选用 ABAQUS 软件中的 C3D8R 单元30建立了电抗器本体，选用 beam 单元建立支撑绝缘子及铝合金支撑。电抗器本体质量大，内部连接较为可靠，在以往的地震中较少发现电抗器本体损坏的先例，为简化建模可将电抗器本体视为均匀的刚性体，调整实体单元的密度，使得模型质量和实际相符。支撑绝缘子采用玻璃纤维加强复合材料，连接法兰部分视为截面和绝缘子相同的刚性体。“T”型耦联结构采用 beam 单元建立，其中，管母长度为11.6 m，截面为管状，直径 300 mm，壁厚 25 mm，竖向支柱长为 15.58 m，连接处均压环采用 Tie 形式模拟，管母和电抗器本体连接处软母线采用 Axial 模型模拟，该连接处距离电抗器底面 0.2 m。模 型 阻 尼 采 用 Rayleigh 阻 尼，根 据 依 据IEEE693 标准，结构阻尼比取 2%。地面假定为刚性，取电抗器本体中心连线方向为 X 向，水平面内垂直连线方向为 Y 向，电抗器高度方向为 Z 向。所建有限元模型见图 3。图3平波电抗器耦联体系有限元模型Fig.3FEM of coupling system of smoothing reactors1.4模态分析对 800 kV 干式平波电抗器耦联体系有限元模型进行了模态分析，得到其自振频率和模态振型。电抗器耦联体系前 20 阶自振频率在 0.435.52 Hz，其中，第 12 阶振型为耦联“T 型结构”的弯曲振型，36 阶振型为电抗器单体的斜向弯曲振型，78 阶振型为电抗器单体的扭转振型。具体频率和振型情况见表 2，第 1、2、3、7 阶典型模态见图 4。表2电抗器耦联体系前20阶自振频率与振型Table 2The first 20 natural frequencies and mode shapesof the coupling system of smoothing reactors模态1、23-67、89、1011、1213-1617-20自振频率/Hz0.43、0.450.570.661.39、2.312.993.273.375.51典型振型耦联结构Y轴、X轴弯曲电抗器单体斜向弯曲电抗器单体Z轴扭转耦联结构Z轴扭转及Y轴弯曲下支架Z轴扭转下支架斜向弯曲耦联结构支柱弯曲、电抗器支撑隆起等图4电抗器耦联体系第1、2、3、7阶振型Fig.4The first，second，third and seventh mode shape ofthe coupling system of smoothing reactors 442023年第3期（总第207期）肖世钊，等800 kV平波电抗器耦联体系抗震性能及参数分析2电抗器耦联体系地震响应分析2.1地震波的选取和输入对 800 kV 干式平波电抗器设备有限元模型进行抗震计算时，本研究分析的电抗器位于 8 度设防地区，设计时应采用 9 度设防，设计基本地震加速度为 0.4 g，场地类别为类，场地特征周期 0.45 s。根据规范 GB 502602013 电力设施抗震设计规范21要求，选取符合场地需求谱的地震波在模型基底输入，本文选取 El Centro 波、Landers 波和新松波，其中 El Centro 波和 Landers 波均为天然波，新松波为人工波。Landers 波归一化三向加速度时程见图 5，3 条地震波的加速度反应谱与规范给定的场地需求谱见图 6，由图 6 可看出，3 条地震波均能很好地覆盖住需求谱。图5Landers波归一化加速度时程图（Y，X，Z）Fig.5Normalized acceleration time histories of Landersearthquake wave（Y，X，Z）图6所选地震波的反应谱与需求谱Fig.6The response and demand spectrum of the selectedseismic wave分析时，地震波采用三向输入，根据建筑设计抗震规范22，三向加速度比值为 1：0.85：0.65，由于电抗器耦联体系在 Y 向刚度较低，地震波下更易产生较大响应，因此本研究指定Y向为主震方向，加速度峰值为0.4g。2.2加速度响应分析平波电抗器单体的上部为电抗器本体，质量大，惯性大，当电抗器本体在地震作用下加速度响应过大时极易造成不锈钢升高座顶部的剪应力过大，当其超过连接强度时，电抗器单体设备会发生破坏。为此，应关注电抗器本体的加速度响应，电抗器本体可近似看作刚体，其顶部加速度与底部，即不锈钢升高座顶部的加速度一致，故分别提取地震波作用下电抗器单体的顶部加速度以及不锈钢支撑平台处（下称支撑顶部）的加速度，见表 3，用以判断其抗震性能。由表 3 可知，在 0.4 g 地震作用下，电抗器耦联体系的支撑顶部主震方向（Y 向）加速度最大达到 7.55 m/s2，电抗器顶部最大达到5.65 m/s2。表3电抗器耦联体系加速度响应峰值（m/s2）Table 3Peak of acceleration responses of coupling system（m/s2）地震波X向Y向Z向支撑顶部电抗器顶部支撑顶部电抗器顶部支撑顶部电抗器顶部El Centro波3.782.793.532.875.095.09Landers波6.714.797.555.654.054.05新松波5.254.584.624.444.624.55由于电抗器耦联体系各个方向输入的地震波加速度峰值不同，为研究各个方向结构的加速度放大效果，应采用加速度峰值放大系数i,max，其定义为某点加速度相应峰值ai,max与地面输入加速度峰值ag之比，其表达式为i,max=ai,max/ag（1）计算表 3 中的各结构位置在 3 种地震波作用下各个方向加速度放大系数的平均值，并绘出曲线见图 7。图7电抗器重要位置加速度放大系数均值Fig.7Average value of acceleration amplification factorat important positions of coupling system 452023年第3期电力电容器与无功补偿第44卷由图 7 可知，在 0.4 g 地震波作用下，电抗器耦联体系同一位置的主震方向（Y 向）放大系数相对其他方向较小，竖直方向（Z 向）放大系数最大，由于电抗器单体为对称结构，因此结果表示水平方向上 X向的耦联结构增大了该方向的刚度，使得自振周期降低，从反应谱的角度可以看到加速度峰值放大较大，竖直方向（Z 向）上由于下部支撑的各段绝缘子在竖直方向上的刚度大于水平方向，导致自振频率小，使得竖直方向上的放大系数较大。考虑同一方向的加速度放大系数，可以看到，在 0.4 g 地震作用下，耦联体系支撑顶部、电抗器顶部的放大系数都大于 1，但从电抗器根部到支撑顶部、电抗器顶部，加速度放大系数呈现先增后减的趋势。究其原理，由于整个电抗器上下两部分的质量和刚度差别较大，上部电抗器质量和刚度都大于下部的支撑，下部支撑可近似为建筑结构的“底层柔性结构”，同时升高座的剪切刚度有限，造成下部支撑运动相对上部电抗器较为剧烈，从而加速度放大系数较大。2.3位移响应分析位移响应在一定程度上反应了结构的变形情况，因此电抗器体系的位移响应也尤为重要。与加速度响应分析类似，取耦联体系中支撑顶部和电抗器顶部对于地面的相对位移进行分析，所得相对位移数据见表 4。表4电抗器耦联体系相对位移响应峰值（mm）Table 4Relative displacement response peak of couplingsystem（mm）地震波X向Y向Z向支撑顶部电抗器顶部支撑顶部电抗器顶部支撑顶部电抗器顶部El Centro波239170249181410.9Landers波508361591430880.85新松波363258433315630.91由表 4 可看出，在地面输入地震波时，同一位置的三方向相对位移响应仍然满足 Y 向最大，X 向次之，Z 向最小，此结果除了与电抗器体系本身的结构特征有关外，还与输入地震波强度有关。在不同位置的同一方向相对位移，电抗器顶部相对于支撑顶部较小，这与上部电抗器的惯性较大有关，其具体原因与加速度响应分析相同。下部支撑为绝缘子，其材料为复合材料，支撑顶部的相对位移单方向达到 591 mm，相对整个绝缘子支柱倾角为 0.591/14.4=0.041，小于工程中常用估算倾角 0.05，工程中判定为安全。2.4应力响应分析电抗器耦联体系下部支撑由 12 根支撑绝缘子组成，绝缘子为复合材料，在地震作用下易产生较大应力导致脆性破坏，因此，对各条地震波作用下绝缘子根部主拉应力进行提取，并提出最大值，判断根部发生破坏与否，从而评估结构的抗震性能。提取结果见表 5。表5支撑绝缘子根部应力峰值Table 5Peak stress at the root of support insulators地震波El Centro波Landers波新松波应力峰值/MPa29.6856.1039.13峰值均值/MPa41.64由表 5 可知，支撑绝缘子的根部应力最大达到 56.10 MPa，平均值为 41.64 MPa，复合绝缘子材料的破坏应力由厂商提供，为 75 MPa，支撑绝缘子的安全系数根据规范取 1.6721，因此临界应力为75/1.67=44.9 MPa。虽然峰值均值 41.64 MPa 小于临界应力，但支撑绝缘子在 Landers 波下最大根部应力已超过临界应力，需要引起注意，必要时可进行一定的抗震减振措施。3耦联结构参数分析干式平波电抗器耦联体系抗震性能相对于电抗器单体设备主要区别于耦联结构的影响。耦联结构与电抗器的连接形式、耦联结构的刚度以及与电抗器连接点的位置均对体系的抗震性能有所影响。为研究耦联结构对体系抗震性能的影响，本文对耦联结构进行了参数分析，期望得到能够提升体系抗震性能的“优化耦联结构”，旨在为工程实践提出合理建议。3.1耦联结构与电抗器的连接形式实际换流站中，耦联结构与电抗器本体之间常采用软母线于端部进行连接，部分电抗器采用设置伸缩节的方式进行连接，本文研究的电抗器体系采用的是端部软母线连接，其连接原理见图 8。其中，A、B 两点分别为电抗器连接点和耦联结构上管母的端部连接点，二者之间采用软母线连接。当输入地震波时，A、B 两点发生相对运动，但运动距离受软母线的长度限制，B 点在相对于 A 点的球体界内和界上运动，在界内运动时二者没有相互影响，在界上运动时二者保持距离恒定。为了得到更好的连接方式，本研究引入工程中常用的伸缩节进行计算，伸缩节设置在管母端部，其连接示意图见图 9，A、B 两连接点在给定的初始 462023年第3期（总第207期）肖世钊，等800 kV平波电抗器耦联体系抗震性能及参数分析方向上相对运动，相对运动的限值取决于伸缩节的规格，其他方向上的相对运动受到限制，但单个连接点的绝对位移可以任意变化。图8耦联结构软导线连接示意图Fig.8Schematic diagram of flexible wiring connection ofcoupling structure图9耦联结构伸缩节连接示意图Fig.9Connection schematic diagram of bellow ofcoupling structure本研究选择了工程中常用的连接方式进行研究对比，除了上述两种连接形式，还引入了铰接和刚接两种简单连接。利用 ABAQUS 软件建模进行单参数调节，其中软母线连接和伸缩节连接模型分别采用 Axial 和 Slot 连接类型模拟，铰接和刚接分别采用 MPC-pin 和 MPC-tie 模拟，Axial 和 Slot 连接模型见图 1028，Axial 模型保证两连接点在轴向相对运动，Slot 模型约束两连接点在初始给定方向上相对运动。图10Axial和Slot连接模型Fig.10Connection models of Axial and Slot两种模型中，连接处留出冗余距离 0.1 m 并加入非线性刚度，为简化计算，在两点距离接近 0 时或大于某设定值（根据软母线长度取 0.15 m）时，刚度假定为无穷大。对 4 种模型输入 3 种地震波计算分析，根据地震响应分析结果，选取下部支撑的根部最大应力为评价指标，并提取列入表 6。表6不同连接方式下的支撑根部应力峰值Fig.6Peak stress at the root of support insulator underdifferent connection modes连接方式AxialSlotMPCpinMPCtie地震波El Centro波Landers波新松波El Centro波Landers波新松波El Centro波Landers波新松波El Centro波Landers波新松波应力峰值/MPa29.6856.1039.1328.9757.2939.6229.9957.0540.0026.1053.3838.50峰值均值/MPa41.6441.9642.3539.33将表 6 的数据绘成曲线见图 11。从图 11 可以直观地看到，在每种地震波作用下，Slot 连接和MPCpin 连接下的根部应力基本上均比 Axial 连接时大，即降低了体系的抗震性能，而 MPCtie 连接时根部应力相对其他连接总是达到最小值，同时从峰值均值也可以看到仅有 MPCtie 连接方式降低了根部峰值应力，降低效果约为 5.5%。这说明对于平波电抗器体系，耦联结构与电抗器之间采用刚接的方式可提高体系的抗震性能，降低根部峰值应力响应，因此，在工程中对于平波电抗器体系考虑抗震性能时推荐采用刚接方式代替软母线连接。图11不同连接方式下的支撑根部应力曲线Fig.11Stresscurveattherootofsupportinsulatorunderdifferentconnectionmodes3.2耦联结构的刚度耦联结构的刚度对电抗器体系的抗震性能具有较大影响，为了研究“T 型”耦联结构的刚度对体 472023年第3期电力电容器与无功补偿第44卷系的影响，采用双参数调节的方式，即分别改变横向结构即管母线的刚度（EI）1和竖向结构即支柱绝缘子的刚度（EI）2，以支撑绝缘子根部应力峰值对抗震性能进行评价。所有参数变化均基于本文研究模型所对应的工程中的电抗器，连接方式取刚接。该耦联结构管母的弹性模量为 71 GPa，截面为 30025 管状，支柱绝缘子的弹性模量为 25 GPa，截面为 40021 管状，因此双参数的变化均简化为相对于实际模型的比例，由此得到刚度缩放系数为i,j=(EI)i,j/(EI)i式中：i=1、2，分别对应于水平管母线和竖直支柱绝缘子；j 为缩放项。为保证研究范围足够大，且考虑工程中材料性能范围和计算效率，控制管母缩放系数 1在 0.12.8区间，支柱绝缘子缩放系数 2在 0.58 区间，共1 600 种工况，并采用 3 条地震波分别计算，共 4 800种工况。计算得到根部应力峰值数据，各工况结果取 3 条波平均值，绘出曲面图见图 12。图12不同缩放系数时支撑根部应力峰值（MPa）Fig.12Peak of stress at the root of support insulator atdifferent scale factors（MPa）由图 12 可以看到，1在 0.10.8 范围，2在整个取值范围（低应力区）时，支撑根部应力均处于较低水平；当 1在 1.02.0（高应力区）时，整体应力峰值响应较大，且 2越大导致的根部应力峰值越大，说明此阶段抗震性能对支柱绝缘子的刚度敏感，应尽量避免。图中最小值应力峰值为 38.80 MPa，相对于工程实际的峰值应力 41.64 MPa 降低了约 7%，说明合理选择耦联体系刚度可以提高电抗器体系抗震性能。为研究降低根部应力峰值响应的措施，给定界限值 39.5 MPa，取出低应力区域中低于界限值的点，将其缩放系数值绘于二维坐标系，如图 13所示。图13低应力区域缩放系数关系Fig.13Scale factor relationship in low stress area由图 13 可知，低应力区点排列区域大致呈一个曲边三角形，在此区域内的点均能使电抗器的支撑根部应力响应达到较低的程度。由拟合曲线可知，缩放系数关系为 2大致随着 1呈抛物线下降，因此在进行设计时，力求使缩放系数在拟合曲线附近，可使响应最小。根据图 13 给出工程中刚度取值建议，见表 7。表中给出耦联结构管母线和支柱绝缘子的刚度 EI 的取值建议，在工程进行设计时，可根据材料性能确定截面特性，或根据截面特性选用合适的材料，以使整个耦联体系抗震性能达到最优。表7耦联结构刚度取值建议Table 7Suggestions for the stiffness of the couplingstructure项目管母线支柱绝缘子最优约束条件缩放系数0.71.20.53.52随着 1增加呈抛物线下降取值刚度取值（Nm2）（1.021.75）107（0.573.96）1073.3连接点位置“T 型”耦联结构的两端与电抗器连接，使得两端电抗器在地震波作用下产生相互影响。工程中耦联结构除了在结构上具有耦联电抗器的作用外，还具有电力传输等其他非结构性作用，本文从结构抗震角度对其进行优化并给出工程建议，实际工程中可结合电网功能进行改良。本文研究的电抗器体系中耦联结构与电抗器连接点距离电抗器底面取 0.4 m，为确定连接点的最优位置，沿电抗器的高度以 0.2 m 为单位对电抗器总高 4.2 m 进行分割，分别将连接点取各个分割点，同时耦联结构的支柱绝缘子高度随之变化，底部仍固定在地面。为表达方便，取各个分割点到电抗器底面的距离di与电抗器总高 D=4.2 m 之比为 482023年第3期（总第207期）肖世钊，等800 kV平波电抗器耦联体系抗震性能及参数分析高度系数i，公式为i=di/Di=0 时连接点在电抗器底部，i=1 时连接点在电抗器顶部。连接方式取刚接，输入 3 条给定地震波后，得到取各个连接点时电抗器根部应力最大值，见图 14。由图 14 初步判断曲线变化趋势，在EI Centro 波和新松波作用下，应力峰值曲线变化趋势大致相同，Landers 波作用下 0.5 时变化大致与其他两波相同。但各条曲线在 为（0，1）的范围内，总存在应力峰值极小值，其对应的高度系数 在 0.650.75 之间。为综合评价，取 3 条波结果的均值进行绘图，结果见图 15。图14不同连接点支撑根部应力峰值（MPa）Fig.14Peak of stress at the root of support insulator at different connection points图15不同连接点支撑根部应力峰值均值（MPa）Fig.15Average of peak of stress at the root of supportinsulator at different connection points由图 15 可知，当高度系数 在 0.5 以内时，连接点越高，应力峰值越小，说明工程中连接点位置从抗震角度来说并不最优。整条曲线在=0.7 时达到最低，即抗震性能最好，此时应力峰值为38.83MPa，连接点高度为 2.94 m，相对于 Axial 连接方式，降低应力峰值约 7%。因此在进行电抗器结构设计时，推荐将连接点取在 0.5 时的尽可能高的位置，或取在=0.7 的位置，可得到相对较强的抗震性能。4结语本文通过使用通用有限元软件 ABAQUS 建立了800 kV 干式平波电抗器耦联体系的有限元模型，对其进行地震响应分析和耦联参数优化，得到以下结论：1）平波电抗器耦联体系上部电抗器设备重心高，质量大，而下部支撑细长，在地震作用下易受损失效，其根部应力过大导致断裂是电抗器耦联体系失效的主要原因之一；2）在 0.4 g 地震波的输入下，电抗器耦联体系的支撑顶部主震方向加速度最大达到 7.55 m/s2，电抗器顶部最大达到 5.65 m/s2；同一位置的加速度放大系数：水平耦联方向水平垂直耦联方向竖向；同一方向上的加速度放大系数：电抗器顶部支撑顶部；3）在 0.4 g 地震波的输入下，支撑顶部的相对位移单方向达到 591 mm，相对倾角为 0.0410.05，属安全；支撑绝缘子的根部应力峰值平均值为 41.64MPa，小于临界应力 44.9 MPa，但支撑绝缘子在Landers 波下最大根部应力已超过临界应力，需引起注意；4）以支撑根部应力峰值为评价指标，对耦联结构进行优化，发现：相对于软母线连接及其他连接，刚接方式更能减小地震响应，降低效果约为 5.5%；合理选择耦联结构的刚度可降低地震响应，管母线和支柱绝缘子的刚度组合存在“低应力区”，在此区域取值可使耦联体系地震响应较低，最大降低效果约为 7%；连接点在电抗器高度方向上位于电抗器高 492023年第3期电力电容器与无功补偿第44卷度的 0.7 倍时，电抗器体系地震响应最小，降低效果约为 7%。参考文献1 Okada T.Seismic design of connecting leads in openairtype substationsC/Proceedings of the International Conference on Large High Voltage Electric Systems.Paris，France：CIGRE，1986.2谢强，王亚非.汶川地震中变电站开关设备破坏机理J.沈阳建筑大学学报（自然科学版），2009，25（6）：10501057.3谢强.5.12 汶川大地震电力系统震害调查初步报告 R.上海：同济大学生命线工程研究所，2008.4于永清，李光范，李鹏，等.四川电网汶川地震电力设施受灾调研分析J.电网技术，2008，32（11）：510.YU Yongqing，LI Guangfan，LI Peng，et al.Investigationand analysis of electric equipment damage in Sichuan power grid caused by wenchuan earthquakeJ.Power SystemTechnology，2008，32（11）：510.5杨应华，熊军，王胜利.汉中地区变电设施在汶川大地震中的表现及其分析J.震灾防御技术，2010，5（2）：167175.YANG Yinghua，XIONG Jun，WANG Shengli.Damage ofelectric substation systems in Hanzhong during WenchuanMs8.0 earthquakeJ.Technology for Earthquake 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