孙珂珂， 姚灿江， 段晓辉, 魏建巍， 孙英杰， 熊萍萍

(平高集团有限公司，河南 平顶山，467001)

直流输电是目前作为解决高电压、大容量、长距离送电和不同额定频率或相同额定频率非同步运行交流系统之间联络的首选方式，具有输电距离远、调节性能好、过电压水平低、线路损耗小等优点，特别适用于远距离大功率输电、区间电网互联调峰、海缆输电等场合。采用特高压直流输电技术有利于提高输电效率，降低输电损耗，节约输电走廊资源[1-2]。直流旁路开关是超特高压直流及柔性直流输电工程的重要设备，当换流桥出现故障并临时退出运行时，直流旁路开关将换流桥短路，当换流桥投入运行时，将系统电流转移到换流桥中，因此，提高系统可靠性和利用率。中国地震带分布较为广泛，地震现象相对活跃，尤其是建设在地震带中的变电站，对高压电器类产品的抗震能力要求较高，而816 kV直流旁路开关是典型的“头重脚轻”柱式断路器，其抗震能力将直接影响系统的安全运行，因此，针对柱式断路器抗震性能的研究一直都是专家学者关注的热点。

丁璨等人基于地震响应谱分析对±500 kV混合式直流断路器进行抗震性能分析，得到混合式直流断路器的等效应力和方向位移云图，并通过局部改进设计，满足9级地震烈度的抗震需求[3]。赵明帅等人对某型号开关柜进行地震模拟振动台试验，得到了开关柜的结构的薄弱环节，并提出相应的优化改进措施[4]。范荣全等人针对不同地震输入下SF6断路器的加速度和应变响应，得出地震烈度在Ⅶ度以上地区的断路器主要有4种典型的震害型式，并提出相对应的抗震措施[5]。孟宪政等人对1 100 kV柱式断路器进行地震模拟振动台试验，得到复合套管的最大应变发生在支柱套管根部，且为断路器设备的易损部位[6]。武胜斌等人研究了252 kV瓷柱式断路器在AG5条件下的抗震性能，并讨论了底架对瓷柱断路器固有频率的影响。谢强等人针对号1 100 kV特高压气体绝缘开关设备瓷套管进行抗震试验研究，在峰值加速度为0.4 g的人工波作用下，瓷套管未出现损坏，且综合评估安全系数为3.0[7]。以上专家学者仅对柱式断路器进行抗震性能仿真或试验研究，得到了关于提升抗震性能的研究成果，缺乏柱式断路器机械、抗震和绝缘等性能的综合分析研究，由于816 kV直流旁路开关整体高度为17 m左右，其复合支柱套管高度约为14 m，是“头重脚轻”的典型代表，因此，以816 kV直流旁路开关支柱复合套管为研究对象，利用有限元仿真技术分析其受力及变形分布情况，并进行优化改进，然后开展整机抗震试验，评估816 kV直流旁路开关整机的抗震性能，并在抗震试验后，开展整机绝缘、机械寿命和密封试验，综合检验816 kV直流旁路开关支柱复合套管的各项性能指标，为816 kV直流旁路开关的优化改进及合理布置导电结构奠定基础。

1.1 816 kV直流旁路开关结构特点

816 kV直流旁路开关主要是由均压环、灭弧室装配、均压电容器、支柱装配、绝缘拉杆、三联箱装配、支架和液压碟簧机构组成，结构如图1所示，其中灭弧室套管和支柱套管均采用复合套管，其是承受机械载荷和电气绝缘的关键零部件。816 kV直流旁路开关整体采用“T”字型布局方案，液压碟簧机构利用自身的储能元件，将能量转换为直线运动，通过绝缘拉杆带动三联箱内部拐臂，达到90°运动转向，从而实现灭弧室的分合闸状态。

图1 816 kV直流旁路开关结构图Fig.1 Structure diagram of 816 kV DC bypass switch

1.2 支柱复合套管结构

复合套管主要由玻璃纤维缠绕管、硅橡胶伞裙、上下法兰等组成，玻璃纤维缠绕管要承受抗弯、拉伸、抗内压等机械作用。816 kV直流旁路开关支柱复合套管内径358 mm，外径410 mm，壁厚21 mm，单节支柱套管总高度2 930 mm，采用大小伞结构布置，大伞外径为546 mm，小伞外径为514 mm，其结构组成如图2所示。

图2 支柱复合套管结构图Fig.2 Structural diagram of pillar composite bushing

2.1 施加组合工况分析

816 kV直流旁路开关是典型的“头重脚轻”的“T”字形布置形式，分析816 kV直流旁路开关在静载荷、风载荷及覆冰载荷作用下，支柱复合套管的力学性能。静负载主要灭弧室套管两端的拉力及自身重力，其中灭弧室套管的静拉力3个方向分别为2 000 N、3 500 N和3 500 N，灭弧室总装重力为9 000 N。风载荷按照最大迎风面积进行核算，设计风速为34 m/s，覆冰厚度为20 mm[8-10]。

2.2 力学性能分析

研究的816 kV直流旁路开关结构整体尺寸为6 200 mm×1 500 mm×17 040 mm，重心高度为11 360 mm，总质量为3 450 kg。材料以铝合金5A02、玻璃钢为主。仿真计算分析采用Solid188实体单元建模，与实际产品更加接近，将法兰之间考虑为刚性连接无位移情况[11-13]。

经有限元仿真分析可知，816 kV直流旁路开关整体变形如图3所示，其中支柱复合套管最大等效应力及变形分布云图如图4和5所示。从图5可知，支柱复合套管最大等效应力出现在玻璃钢筒与下法兰粘接处，最大等效应力为15.96 MPa，最大等效应力出现的位置与理论分析基本一致。由图4可知，支柱套管上法兰处变形量最大，其变形值为107.06 mm。

图3 816 kV直流旁路开关整体变形云图Fig.3 Overall deformation cloud diagram of 816 kV DC bypass switch

图4 支柱复合套管整体变形云图Fig.4 Cloud diagram of overall deformation of pillar composite bushing

图5 支柱复合套管整体应力云图Fig.5 Overall stress nephogram of strut composite casing

2.3 支柱复合套管拉力试验

为了验证816 kV直流旁路开关整机机械性能和仿真结果的准确性，在接线端子上分别施加纵向和横向拉力，拉力示意如图6所示，拉力值范围为500～5 000 N，并支柱套管底部为基准，利用全站仪测量支柱套管顶部偏移的距离。

FB为纵向合力；
FB1为纵向拉力；
FC为风载荷；

通过816 kV直流旁路开关整机拉力试验，得到支柱复合套管在不同拉力值时对应的不同偏移量，偏移量数值如图7所示，与仿真结果的误差为5.5%，验证了仿真结果的准确性。

图7 支柱复合套管偏移量Fig.7 Offset of pillar composite bushing

为检验816 kV直流旁路开关整机抗震性能，借助有限元仿真软件，对其进行抗震性能的分析。

816 kV直流旁路开关由支架、液压碟簧机构、复合支柱套管和复合灭弧室套管组成。地震工况载荷包含内部压力0.5 MPa，大风载荷、端子拉力载荷、自身重力和地震载荷。参照特高压电气设备抗震设计及减震装置安装与维护技术规程中地震影响系数曲线，如图8所示，选取阻尼比为2%，X、Y、Z3个方向的地面加速度分别为0.4 g、0.4 g、0.32 g，其共同组成地震输入载荷[14-18]。

图8 计算地震影响系数曲线Fig.8 Calculation of seismic influence coefficient curve

按照Q/GDW 11132-2013要求响应谱(RRS)，水平方向地面加速度：AG4：ZPA=4 m/s2(0.4 g)，分别使用X+Z向和Y+Z向两种情况进行响应谱分析。

支架、套管等简化为薄壳结构，使用高精度的位移三次多项式插值的DKT六节点板壳单元。机构、绝缘拉杆等简化为梁，使用6自由度的抗弯扭的两节点梁单元。梁单元和有关壳单元的连接均为刚性固连。支架与基础接触的结点按固定处理。

当使用X+Z向进行响应谱分析时，复合套管应力分布如图9所示。

图9 X+Z向地震响应谱+静载荷作用下套管应力云图Fig.9 Cloud diagram of bushing stress under X+Zseismic response spectrum and static load

通过使用X+Z向和Y+Z向两种情况进行响应谱分析，得到两种工况下816 kV直流旁路开关各零部件应力值，如表1所示。

表1 地震下各种零部件的最小安全系数Table 1 Minimum safety factors of various parts under earthquake

使用X+Z向和Y+Z向地震响应谱，地面水平方向加速度取0.4 g，竖直方向加速度取0.32 g，结构阻尼按2%计算。计算结果表明，无论使用哪种校核，叠加静力载荷的应力后，地震工况下的零部件破坏应力安全系数都大于1.67。所以816 kV直流旁路开关满足Q/GDW 11132-2013标准AG4(0.4 g)的要求。Q/GDW 11132-2013标准要求高于GB/T 13540-2009(IEC 62271-2:2003)标准，所以该产品也满足GB/T 13540-2009(IEC 62271-2:2003)标准ZPA=0.4 g的要求[19-22]。

4.1 试验对象

本次试验试品为816 kV直流旁路开关。该产品由带支架四支柱复合套管、三联箱、双灭弧室复合套管和双均压电容器组成，含支架总高17 040 mm，重量为3 450 kg。本次试验在重庆大学振动台实验室6.1 m×6.1 m地震模拟振动台上进行，系统主要技术指标如下：工作频率0.1～50 Hz，标准负荷60 t，最大倾覆力矩1 800 kN·m，最大偏心力矩600 kN·m，台面最大加速度：X方向±1.5 g(标准负荷)，Y方向±1.5 g(标准负荷)，Z方向±1.0 g(标准负荷)。

采用NI公司的数据采集系统进行试验数据的采集，数据传输通道为128个，采样频率为100 Hz～100 kHz。采用Lance型号的加速度计，量程±5 g；
应变采用1/4测试。

根据816 kV直流旁路开关结构特点，共布置10处加速度测量点，每个测量点均分为3个方向布置，共计30个加速度计；
应变片同样设置10处，共设置40个应变片，816 kV直流旁路开关布置各测量点简化图如图10所示。

图10 816 kV直流旁路开关测量点简化图Fig.10 Simplified diagram of measuring points of 816 kV DC bypass switch

4.2 加载工况

在进行地震试验时，先输入频率范围为0.25～50.00 Hz、加速度峰值0.075 g的白噪声进行扫描产品，判别产品安装是否牢固，然后参考输入特高压电气设备抗震设计及减震装置安装与维护技术规程和电力设施抗震设计规范中地震影响系数曲线，如图8所示，组成人工地震波作为输入载荷，其标准人工加速度时程波形如图11所示，考虑实际工况需求，对时程峰值进行调幅，且水平向与竖向时程峰值比1:0.8。具体加载工况如表2所示[23-27]。

图11 标准人工加速度时程波形图Fig.11 Time history waveform of standard artificial acceleration

4.3 抗震性能试验

4.3.1 应变响应分析

通过理论分析可知，816 kV直流旁路开关支柱套管承受的应力值最大，容易发生损坏[28-30]。利用局部粘贴应变片的测量方法，测得在组合地震工况下，各测量点的应变波形，如图12、13所示。

图12 不同工况下测量点应变值Fig.12 Strain values of measuring points under different working conditions

图13 不同工况下测量点应变值Fig. 13 Strain values of measuring points under different working conditions

根据各测量点应变测试结果，通过公式(1)进行应力计算：

(1)

式中：Ec为弹性模量；
εav为测量点实测应变值；
γ为谱修正系数；

按照0.25倍大风载荷、端子拉力载荷、自身重力、地震载荷和内压载荷共同确定816 kV直流旁路开关应力，其中复合套管最大应力值测点位于支柱套管底部。在输入工况14条件下，组合应力值为97.56 MPa，在输入工况16条件下，组合应力值为98.83 MPa，最小安全系数为1.72，满足电力设施抗震设计规范中最小安全系数大于1.67的要求。

4.3.2 位移响应分析

通过对816 kV直流旁路开关进行抗震试验，得到各测量点加速度时程曲线，并对加速度值进行数值运算，获得各测量点的位移响应，间接代表了各测量点的变形情况[29-32]，其中816 kV直流旁路开关各测量点在输入工况14和工况16的条件下，X轴、Y轴和Z轴的位移变化如图14、15所示。

图14 工况14条件下测量点位移值Fig.14 Displacement value of measuring point under working condition 14

图15 工况16条件下测量点位移值Fig.15 Displacement value of measuring point under working condition 16

由图14和图15可知，灭弧室复合套管顶端相对于模拟振动台的位移最大，X轴向最大位移为146.18 mm，Y轴向最大位移为168.21 mm，为816 kV直流旁路开关内部电气元件的变形和接线端子的设计提供参考依据。

抗震性能试验后，816 kV直流旁路开关外观良好。其通过了0.4 g工况下的抗震力学性能试验。

4.4 验证试验

在通过抗震试验后，为了进一步验证产品的电气及机械性能，开展816 kV直流旁路开关绝缘和密封试验。

4.4.1 绝缘试验

816 kV直流旁路开关在国家高压电器产品质量监督检验中心(河南)顺利通过了各项绝缘性能试验，具体试验参数包含额定短时工频耐受电压(断口/对地)1 420 kV/960 kV，额定操作冲击耐受电压(断口/对地)为2 075 kV/1 550 kV，额定雷电冲击耐受电压(断口/对地)为2 555 kV/2 100 kV，直流耐受电压为1 224 kV。试验状态如图16所示，未发现异常现象。

图16 816 kV直流旁路开关绝缘试验状态图Fig.16 Dielectric test of 816 kV DC bypass switch

4.4.2 密封试验

对816 kV直流旁路开关采用整体扣罩法检测其密封性能，产品在密封罩内静止24 h后，用检漏仪检测密封罩内SF6浓度，经检测，密封罩内SF6气体含量为0，由此说明，816 kV直流旁路开关整体密封性能良好。

1)通过输入组合工况条件下，816 kV直流旁路开关支柱复合套管最大等效应力出现在玻璃钢筒与下法兰粘接处，最大等效负荷为15.96 MPa，满足机械强度要求，支柱复合套管上法兰处最大偏移量107.06 mm，与拉力试验中，支柱复合套管偏移量数值的误差为5.5%，验证了仿真结果的准确性。

2)通过开展816 kV直流旁路开关样机模拟地震试验，测量得到支柱复合套管最大负荷为98.83 MPa，最小安全系数为1.72。并通过加速度计获得测量点相对于试验台面的位移，其中支柱复合套管顶部位移最大，最大值为168.21 mm，为816 kV直流旁路开关内部导电结构设计及外部接线空间布局奠定基础。

3)816 kV直流旁路开关在抗震试验后，顺利通过绝缘和密封试验试验，验证了其结构设计的合理性。

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