图1 混合结构阀厅有限元模型
Fig.1 Finite element model of hybrid structure valve hall
张立红1，胡 晓1，曾 迪1，周德才2，毛 宇2，吕 玮1
(1. 中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100048；2. 中国电力工程顾问集团西南电力设计院有限公司，成都 610021)
摘 要：换流站阀厅作为特高压电网中的主要建筑物，其抗震安全问题在高地震烈度地区尤为突出。该文从阀厅结构及其内部悬吊阀塔的抗震安全性出发，以阀厅及阀塔整体结构为研究对象，结合实际工程对高烈度地震区某±800 kV换流站的高端阀厅开展了结构选型研究。采用模态分析和非线性动力时程计算方法，分别对混合结构和全钢结构两种型式的阀厅进行了对比分析。综合考虑模态分析以及在不同地震波作用下的时程分析结果可知，全钢结构阀厅的抗震性能优于混合结构阀厅。因此对于高地震烈度区换流站高端阀厅，宜优先选用全钢结构型式。
关键词：特高压输电；阀厅选型；混合结构；全钢结构；抗震分析
近年来，我国大气污染问题日益严峻，中东部地区频繁出现罕见雾霾，给生产生活、身心健康造成严重危害，引起社会各界的高度关注。引发雾霾污染的主要原因是能源结构以煤为主和直燃煤比重过高。因此，治理雾霾的根本出路是转变能源发展方式，降低煤炭消费比重，优化电源结构布局，大力发展清洁能源。我国清洁能源资源丰富，譬如水能可开发资源约有6亿千瓦；但是可利用开发的水资源主要集中在西南地区，而电负荷中心主要为东部沿海和南部地区。因此，大力发展特高压输电电网，打通能源远距离输送的电力通道，实现能源转型，可以从根本上缓解我国大气污染问题。换流站阀厅作为特高压电网中的主要建筑物，其服役时间通常较长，结构安全性至关重要。作为送端换流站集中建设地的我国西南地区为地震高烈度地区，因此高烈度地区换流站阀厅的抗震安全问题需要引起高度重视[1―3]。
根据阀厅建造材料和结构受力的不同，换流站阀厅主要分为全混凝土结构、全钢结构、钢-钢筋混凝土混合结构三种结构型式[4]。其中全混凝土结构在水平地震作用下表现不佳，因此高端阀厅一般不予采用[5]。全钢结构阀厅四面均为钢柱，纵向为钢结构框架体系，横向为梯形钢屋架，阀厅中阀厅主体结构与防火墙之间脱开布置，为两个独立受力的结构单元。混合结构阀厅的三面是钢柱，另外一面是由钢筋混凝土框架柱填充墙或者钢筋混凝土抗震墙，同时兼做防火墙，这类结构的阀厅主体与防火墙是一个统一的结构单元，共同作为阀厅的主承重结构体系和抗侧力体系。
我国早期换流站阀厅的设计甚至加工制造都是由外方负责，其结构选型大多是基于国外工程经验。近几年阀厅结构设计加快了国产化的进程，阀厅结构选型和结构设计开始引起了广大学者和工程设计人员的关注和研究[4-8]。比如陈传新等[6]从技术和经济两个角度对某±800 kV换流站阀厅进行选型研究，但并未考虑阀厅结构的抗震安全问题。马勇杰、顾群、高湛、张熠等[4-5,7,9]学者在对高端阀厅进行结构选型研究时，开展了结构动力特性分析和地震作用下的动力时程分析，但是这些研究均是从阀厅主体结构的抗震安全角度进行的，并未考虑阀厅内悬吊阀塔设备的抗震性能。
众所周知，阀厅的主要作用就是作为支撑体系悬挂换流阀塔，而阀厅的主要荷载是来自于屋架梁下的悬吊阀塔。在地震荷载作用下，阀塔会随着阀厅结构的振动而产生晃动，而阀塔的晃动又将对阀厅结构的振动产生影响；尤其是对于高烈度地区高端阀厅的结构选型，高端阀厅本身具有跨度大、高度高、荷载重的特点，而且厅内悬挂的换流阀塔也具有质量大、悬吊长度长的特点[10―11]。因此在对阀厅进行结构选型研究时，需同时考虑换流阀塔的抗震性能，并将阀厅和阀塔的结构动力特性和抗震性能共同作为阀厅选型的考虑因素。本文以高地震烈度区某换流站高端阀厅为例，从阀厅结构及其上悬吊阀塔的抗震安全角度考虑，对高端阀厅开展结构选型研究。
本文以滇西北至广东±800 kV特高压的送端新松换流站工程为背景展开研究。新松换流站为世界首个处于高海拔、高地震烈度区的±800 kV换流站，站内建构筑物抗震设计按照8度进行设防 (按9度采取抗震措施)，站内电气设备抗震设计按照9度进行设防。场地土类别为II类，特征周期为0.55 s，设计地震分组为第一组，高端阀厅抗震设防类别为乙类。根据电气设备布置要求，阀厅平面尺寸为86 m(长)×36 m(宽)，高度为 29 m(屋架下弦)，屋面采用梯形钢桁架(HW300×300×10×15)。鉴于该工程所处地区地震烈度高，本文主要针对全钢结构和钢-钢筋混凝土混合结构两种类型进行阀厅选型研究。混合结构阀厅的一侧布置钢柱-支撑体系，另一侧布置钢筋混凝土框架填充墙；全钢结构阀厅两侧布置钢柱-支撑体系，且钢结构与防火墙之间完全脱离，间距450 mm。
采用ANSYS进行模态分析和时程动力分析。换流阀是直流输电系统的心脏，通过悬吊绝缘子与阀厅下弦屋架的吊阀梁相连接，不同阀模块之间也通过悬吊绝缘子连接，阀塔顶部和底部分别有顶、底屏蔽罩。单组悬吊阀塔重 14 t，挂阀梁距地面高程29 m。换流阀悬吊绝缘子采用索单元模拟，阀模块和屏蔽罩采用shell181模拟，阀厅结构主要采用beam188单元模拟，防火墙采用shell181壳单元模拟。因悬吊式换流阀塔的存在，整体结构呈现明显的几何非线性[12]。混合结构和全钢结构阀厅的有限元模型分别如图1和图2所示。
图1 混合结构阀厅有限元模型
Fig.1 Finite element model of hybrid structure valve hall
图2 全钢结构阀厅有限元模型
Fig.2 Finite element model of full-steel structure valve hall
阀厅结构中采用的材料为 Q345B钢材及 C30钢筋混凝土，换流阀中阀模块主要为铝合金，悬吊绝缘子为环氧复合材料，材料具体参数详见表 1。动力时程计算的输入荷载包括自重和三向地震波荷载。对于两种阀厅结构分别采用 El Centro波、Taft波和人工波进行计算分析，三条波的水平加速度峰值调整为0.4g，x、y、z三向加速度峰值的比值为1∶0.85∶0.65。其中x向为阀厅短轴方向，y向为阀厅长轴方向，z向为竖直方向。结构阻尼比取0.02。
表1 材料参数
Table 1 Material parameters
对混合结构和全钢结构两种阀厅结构分别进行模态分析，混合结构阀厅的一阶振型为扭转，二阶振型为沿阀厅短轴x向的平动；而全钢结构阀厅的前两阶振型分别为沿阀厅短轴和长轴方向的平动；全钢结构的自振频率要高于混合结构的频率。不同结构阀厅内悬吊阀塔的基频均远小于阀厅结构的自振频率，约为0.173 Hz。图3和图4分别是混合结构阀厅和全钢结构阀厅的一阶振动频率及振型图。混合结构阀厅因沿长轴方向两个侧面的结构不对称，引起整体结构沿纵向刚度不对称，从而发生扭转变形。
图3 混合结构阀厅一阶振型(f1=1.56 Hz)
Fig.3 First mode shape of hybrid structure valve hall
图4 全钢结构阀厅一阶振型(f1=1.97 Hz)
Fig.4 First mode shape of full-steel structure valve hall
不同地震波作用下阀厅和悬吊阀塔的位移峰值如表2所示，可知，在不同地震波作用下，混合结构的阀厅及其内阀塔的位移大于全钢结构阀厅及阀塔的位移；对于同一个阀厅-阀塔整体结构而言，阀塔的位移明显大于阀厅的位移响应；而对于悬吊阀塔本身，阀塔底部位移大于顶部位移。
表2 不同部位的位移峰值列表
Table 2 Maximum displacement of different parts
表3是不同地震波作用下阀厅和阀塔加速度放大系数列表。可以看出混合结构阀厅的加速度放大系数大于全钢结构。阀厅顶部的加速度放大系数明显高于阀塔的加速度放大系数，这是因为悬吊式阀塔的基频较好地避开了地震波和阀厅结构的峰值频率，从而具有一定的隔震效果。表4给出了阀塔悬吊绝缘子的最大轴向拉应力以及阀厅钢结构的应力峰值结果，可以看出两种阀厅中阀塔悬吊绝缘子的轴线应力峰值相差较小，且均远小于绝缘子材料的抗拉强度值；而全钢结构阀厅的应力值要小于混合结构中钢材的应力值，安全度较高。
表3 不同部位加速度放大系数列表
Table 3 Acceleration amplification factors of different parts
注：放大系数为结构响应加速度与输入加速度的比值。
表4 不同构件的应力响应结果
Table 4 Table of stress response of different components
综合考虑2.1节模态分析的结果，从阀厅结构和厅内悬吊阀塔二者的动力响应结果可以看出，全钢结构阀厅的抗震性能优于混合结构。因此，对于高地震烈度地区高端换流站阀厅的结构选型而言，全钢结构相对于混合结构，是更为合适和可靠的选择。
本文以某高地震烈度区的换流站高端阀厅为例，通过模态分析和动力时程分析方法，分别对两种阀厅结构形式(混合结构和全钢结构)进行了比较分析，得到以下结论：
(1) 混合结构阀厅的基频低于全钢结构阀厅的基频，混合结构阀厅的一阶振型为扭转，而全钢结构阀厅的一阶振型为沿阀厅短轴方向的平动。
(2) 三条地震波的时程计算结果表明，混合结构阀厅及其内阀塔的位移和加速度响应，均大于全钢结构阀厅及阀塔的响应结果。两种阀厅中阀塔悬吊绝缘子的轴线应力峰值相差较小，全钢结构阀厅的应力值小于混合结构中钢支架的应力值，安全度较高。
(3) 综合考虑阀厅及其内阀塔动力响应的规律，全钢结构阀厅的抗震性能优于混合结构阀厅。因此对于高地震烈度地区换流站高端阀厅的结构选型，建议优先选择全钢结构阀厅。
参考文献：
[1]刘爱国, 陆道纲, 温家良, 等. 直流换流阀抗震分析技术的研究[J]. 振动与冲击, 2011, 30(02): 226－232.Liu Aiguo, Lu Daogang, Wen Jialiang, et al. Seismic analysis technique of HVDC valves [J]. Journal of Vibration and Shock, 2011, 30(02): 226－232. (in Chinese)
[2]韦文兵, 吴轶, 蔡健, 等. 大型换流站阀厅结构地震响应弹塑性分析[J]. 地震工程与工程振动, 2011, 31(5):113－120.Wei Wenbing, Wu Yi, Cai Jian, et al. Elasto-plastic analysis of seismic responses of valve-hall structure with suspended valves of large-scale converter station [J].Journal of Earthquake Engineering and Engineering Vibration, 2011, 31(5): 113－120. (in Chinese)
[3]魏文晖, 张迪, 喻梦, 等. 带悬吊质量结构的多维地震反应[J]. 哈尔滨工业大学学报, 2014, 46(4): 98－104.Wei Wenhui, Zhang Di, Yu Meng, et al. Seismic response of structure with suspended mass [J]. Journal of Harbin Institute of Technology, 2014, 46(4): 98―104.(in Chinese)
[4]马勇杰. 换流站阀厅结构选型与抗震分析[J]. 电力建设, 2009, 30(2): 37－40.Ma Yongjie. Structural selection and anti-quake analysis of converter station valve hall [J]. Electric Power Construction, 2009, 30(2): 37－40. (in Chinese)
[5]张熠, 黄黎琴, 张弛. 大容量柔性直流换流站阀厅联合建筑结构选型及优化[J]. 福建建设科技, 2016(3): 13－16.Zhang Yi, Huang Liqin, Zhang Chi. Structure selection and optimization for valve hall joint building of large capacity flexible direct current converter station [J]. Fujian Construction Science and Technology, 2016(3): 13－16.(in Chinese)
[6]陈传新, 王静, 朱功辉, 等. ±800 kV 换流站阀厅和主控楼结构选型[J]. 南方电网技术, 2009, 3(5): 10－14.Chen Chuanxin, Wang Jing, Zhu Gonghui, et al.Structure form selection of the valve hall and control building of ±800 kV DC converter station [J]. Southern Power System Technology, 2009, 3(5): 10－14. (in Chinese)
[7]高湛, 朱银银, 李华. ±800 kV普洱换流站高端阀厅结构设计[J]. 建材世界, 2013, 34(2): 104－107.Gao Zhan, Zhu Yinyin, Li Hua. Structural design of high voltages side valve hall in Power converter station [J].The World of Building Materials, 2013, 34(2): 104―107.(in Chinese)
[8]余萍, 刘林超. 换流站阀厅结构抗震性能的ANSYS计算机仿真分析[J]. 水利与建筑工程学报, 2014, 12(4):196－199.Yu Ping, Liu Linchao. Analyzing the earthquake performance of inverter station valve hall by Ansys [J].Journal of Water Resources and Architectural Engineering, 2014, 12(4): 196－199. (in Chinese)
[9]顾群, 张咪, 张玉明, 等. ±800 kV换流站高端阀厅钢-钢筋混凝土抗震墙混合结构抗震性能分析[J]. 中国电力, 2016, 49(8): 36－40. (in Chinese)Gu Qun, Zhang Mi, Zhang Yuming, et al. Seismic performance analysis of steel-reinforced concrete combined shear wall structure of high voltage side valve hall in ±800 kV converter station [J]. Electric Power,2016, 49(8): 36－40. (in Chinese)
[10]Larder R A, Gallagher R P, Nilsson B. Innovative seismic design aspects of the intermountain power project converter stations [J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 1989, 4(3): 1708―1714.
[11]Enblom R, Coad J N O, Berggren S. Design of HVDC converter station equipment subject to severe seismic performance requirements [J]. Ieee Transactions on Power Delivery, 1993, 8(4): 1766―1772.
[12]杨振宇, 谢强, 何畅, 等. ±800 kV特高压直流换流阀地震响应分析. 中国电机工程学报, 2016, 36(7):1836―1841.Yang Zhenyu, Xie Qiang, He Chang, et al. Seismic response analysis of ±800 kV UHVDC converter valves[J]. Proceedings of the CSEE, 2016, 36(7): 1836―1841.(in Chinese)
RESEARCH ON SELECTION OF HIGH VOLTAGE SIDE VALVE HALL IN HIGH SEISMIC INTENSITY AREA BASED ON SEISMIC PERFORMANCE
ZHANG Li-hong1, HU Xiao1, ZENG Di1, ZHOU De-cai2, MAO Yu2, LÜ Wei1
(1. State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin，Beijing 100048, China;2. Southwest Electric Power Design Institute Co., Ltd., China Electric Power Engineering Consulting Group, Chengdu 610021, China)
Abstract:The valve hall of converter station is the main building in the ultra high voltage (UHV) power grid,and its seismic safety problem is especially prominent in high seismic intensity area. Based on the seismic safety of the valve hall structure and the internal suspension valve tower in it, taking the overall structure of the valve hall and the internal suspension valve tower as the research object, the structure selection of high voltage side valve hall of ±800 kV converter station in high seismic intensity area is studied in combination with an actual project. By using modal analysis and nonlinear dynamic time history analysis, two types of valve halls of hybrid structure and full-steel structure are compared and analyzed. Comparing the results of modal analysis and the time history analysis under different seismic waves, the seismic performance of the full-steel structure valve hall is found better than that of the hybrid structure valve hall. Therefore, the full-steel structure type should be selected for the high voltage side valve hall of converter station in high seismic intensity area.
Key words:UHV transmission; valve hall selection; hybrid structure; full-steel structure; seismic analysis
中图分类号：TM723; TU352.1+1
文献标志码：A
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2017.05.S061
文章编号：1000-4750(2018)Suppl-0320-05
收稿日期：2017-05-31；修改日期：2017-12-06
基金项目：国家自然科学基金项目(51679265)；中国水利水电科学研究院科研专项项目(EB0145B412016)
通讯作者：张立红(1984―)，女，保定人，工程师，博士，主要从事结构工程抗震方面的研究(E-mail: zhanglihong08@tsinghua.org.cn).
作者简介：胡 晓(1962―)，男，浙江人，教授级高工，硕士，博导，主要从事结构工程抗震方面的研究(E-mail: huxiao@iwhr.com);
曾 迪(1975―)，女，湖南人，高工，博士，主要从事结构工程抗震方面的研究(E-mail: zengdi@iwhr.com);
周德才(1980―)，男，四川人，高工，博士，主要从事电力系统及电气设备方面的研究(E-mail: 55530092@qq.com);
毛 宇(1984―)，男，四川人，高工，博士，主要从事电力系统及电气设备方面的研究(E-mail: 419334406@qq.com);
吕 玮(1990―)，女，武汉人，助理工程师，博士，主要从事结构工程抗震方面的研究(E-mail: lvw@iwhr.com).