一种基于ANSYS Mechanical 的柔性直流输电换流阀机械应力及抗震仿真分析方法

一种基于ANSYS Mechanical的柔性直流输电换流阀机械应力及抗震仿真分析方法

骆妮，苟锐锋，杨晓平，马志荣

（西安西电电力系统有限公司，西安市西三环西辅道2号，710075）

摘要：基于ANSYS Mechanical有限元软件，通过对柔性直流输电换流阀实体模型合理的简化和模拟，建立柔性直流输电换流阀阀塔的有限元模型；通过加重力载荷、地震响应谱及约束等边界条件，分别对柔性直流输电换流阀整机有限元模型进行机械应力计算和抗震性能分析。在分析计算中考虑结构的大变形效应，并考虑地震载荷和重力载荷的组合作用，对换流阀模型进行机械应力及抗震仿真计算，为换流阀的结构进一步优化设计和建造施工提供有力的技术手段支持。

关键词：柔性直流输电；梁单元；机械应力；抗震

1引言

随着人类对能源需求的不断增长和全球一次能源的逐渐枯竭，风能和太阳能等可再生能源发电已成为电力系统的发展方向。柔性直流输电系统具有经济、灵活和高可控性的特点，可以将这些分散以及远离主电网的清洁能源通过经济、环保的方式接入交流电网。与传统直流输电技术相比，柔性直流输电系统运行时交流系统无需提供电源，换流站有功无功独立控制，能够抑制电压波动、潮流波动、电压闪变等问题，极大地增强了输电的灵活性，可以降低可再生能源间歇性和波动性对系统的影响，提高并网效率和可靠性，满足大规模可再生资源并网需求，应用前景非常广阔[1][2]。

柔性直流输电是我国输电方式的发展趋势，换流阀机械应力计算及结构抗震性能分析直接影响整个换流阀系统结构的稳定性和地震安全性[2]。国内直流输电工程的建设，吸引了诸多专家学者在换流站抗震方面的研究。文献[3]、文献[4]等通过建立完整的换流站有限元模型仿真计算换流站的地震响应，文献[5]通过数值计算和实验检测的方法分析了阀厅的动态特性，并且他们都讨论了阀厅和阀塔的相互影响作用。但以上换流站抗震方面的研究仅限于传统直流输电换流阀，对柔性直流输电换流阀的机械应力及抗震性能分析目前未见报道。本文以±350kV柔性直流输电换流阀为例，基于ANSYS Mechanical有限元分析软件，建立精确的换流阀塔的有限元模型,通过模态分析计算结构的动态特性，分别对换流阀整机有限元模型进行机械应力计算和抗震性能分析，在分析计算中考虑结构的大变形效应,并考虑地震载荷和重力载荷的组合作用，从机械应力和抗震特性

两个方面对阀结构设计的合理性进行了准确、有效的论证。

2柔性直流输电换流阀结构特点

换流阀是柔性直流输电系统的核心设备，本文所举换流阀采用支撑式结构，阀塔以一定的布置方式支撑于阀厅内。每个阀塔4层，顶部和层间均装有防护屏蔽罩，每层由48个功率模块组成，层间由高强度复合材料螺栓连接。阀塔与地面由12串支柱绝缘子连接。层间各由12串绝缘子连接。阀塔总重350kN。阀塔结构如图2.1所示。

图2.1±350kV柔性直流输电换流阀结构

阀塔的屏蔽罩结构采用硬质铝材料，安装部件承重绝缘横梁和层间框架均采用结构钢材料，支柱绝缘子及层间绝缘子采用有机材料。换流阀各关键部件材料属性如表2.1所示：

表2.1换流阀各关键部件材料属性

部件名称密度（kg/m3）弹性模量（GPa）泊松比

绝缘子2000140.3

绝缘横梁1950210.3

屏蔽罩27707.10.33

其余部件78502000.3

3有限元模型建立与边界条件设定

3.1有限元模型建立

如图2.1所示，柔性直流输电换流阀机械结构庞大而复杂，有限元模型建立

时，如果采用实体单元，因为模型尺寸较大会导致有限元模型的节点数太多而占用大量的计算机资源，给仿真计算带来不便。由于柔性直流输电换流阀各关键结构件均由均质材料制成，其抗拉和抗压弹性模量相等，且绝缘横梁、绝缘子、层间框架等结构件的长度远大于厚度[6][7]，本文针对柔性直流输电换流阀的该结构特点，在不影响计算精度的前提下，采用梁单元建模方法可以大大减少有限元模型的节点数，从而节省资源，简化计算。

针对图2.1三维实体模型，在ANSYS15.0中建立阀塔的梁单元有限元模型,遵循以适度简化并尽可能模拟实际结构的原则,将电容、控制箱等功率模块全部用质量点代替。建模中坐标系为右手笛卡尔坐标系,水平横向为X轴,水平纵向为Y轴,竖直向为Z轴。对建立的梁单元模型进行网格剖分，建成后的有限元模型共8035个节点，9012个单元。柔性直流输电换流阀有限元模型如图3.1所示。

图3.1换流阀整机有限元模型

3.2机械应力边界条件设定

阀塔静力分析中比较关注整机的变形量与应力，所有部件均采用固结（bond）进行连接，形成一个整体。在静力作用下，换流阀仅在重力作用下发生变形，因此本文从安全的角度出发，载荷方式为考虑重力作用下，计算整机的强度和变形量。加载公式如式（3-1）所示：

G=mg（3-1）

式中G表示换流阀所受到的重力，m表示换流阀整机质量，g为重力加速度，本文取9.8N/kg。

阀塔支撑于阀厅中，因此其约束为固定约束，约束面为对地绝缘子12个底面。

3.3抗震分析边界条件设定

3.3.1反应谱

抗震分析计算方法包括静力法、反应谱法和时间历程法。在我国建筑抗震规范中推荐采用反应谱法和时间历程法。静力法不考虑结构的动态特性,现在已很少应用。时间历程法动态模拟较为准确,但其计算量大,且地震响应依赖于地震波的选取。反应谱法理论较为成熟,操作简单,并在工程抗震分析中应用较为广泛。文中采用反应谱法作为抗震分析的计算方法。

根据换流站设计技术规定换流阀厅建筑抗震设防类别为乙类[8]。地震影响系数曲线应根据烈度、场地类别、特征周期分区和结构自振周期按图3.2采用[10]。

图3.2地震影响系数曲线

图中，α—地震影响系数；

α—地震影响系数最大值；

max

T—结构自振周期；

T g—场地相关反应谱特征周期，按《建筑抗震设计规范》GB50011确定；

γ—曲线下降段的衰减指数

η—直线下降段的斜率；

1

η—阻尼调整系数。

2