一种输电换流阀阀塔抗震结构的设计方法与流程

本发明具体涉及一种输电换流阀阀塔抗震结构的设计方法，属于电力设施抗震。

背景技术：

1、高压直流换流阀是高压直流输电系统的核心设备，是实现交直流电能互相转换的重要设备单元。安装换流阀的换流站常位于地震高烈度区，确保换流阀的抗震性能是保障电网安全可靠运行的必要条件。

2、目前的抗震设计中，主要单纯依靠构件自身强度进行地震作用力的承载，通过对构件进行规格选型以满足抗震要求。支撑式换流阀阀塔是主要采用的结构形式之一，支柱复合绝缘子是支撑式阀塔的关键承载构件，但其压杆稳定性较差，而随着电压等级提高，支柱复合绝缘子高度因绝缘要求快速增加，仍通过增加截面尺寸的方式提升抗震承载力将导致设计经济性大幅降低，且无法充分保障结构的抗震安全性。

3、此外，换流阀阀塔的主要承载构件包括金属梁、悬垂复合绝缘子和支柱复合绝缘子等，在对复合绝缘子构件的抗震承载力进行校核时常采用与金属构件相似的准则，即将构件最大应力响应与其许用强度应力值进行对比，但由于复合绝缘子构件材料不单一，且存在较为明显的压杆稳定效应，采用上述方式难以准确评估其承载性能。

4、另一方面，采用阻尼结构吸收地震能量的制振技术在抗震设计的安全性和经济性上具有显著优势，但在输电换流阀阀塔中鲜有应用，且缺乏相应的设计方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是：提供一种输电换流阀阀塔抗震结构的设计方法，利用结构自身形成一套基于制振技术的抗震结构体系，提升抗震性能，并解决相应设计方法缺乏、复合绝缘子强度校核方法不准确等问题。

2、为了达到上述目的，本发明的第一个技术方案是：一种输电换流阀阀塔抗震结构的设计方法，在换流阀阀塔的结构上构建抗震结构体系，所述换流阀阀塔结构包括外部主框架，以及设在外部主框架上且呈层状结构布置的内部阀模块，布置同一高度的两个阀模块构成一个阀层，共有 n层，

3、每个阀层的两侧与外部主框架之间均通过附加弹簧和附加阻尼器连接，同时阀层的顶部通过拉杆复合绝缘子悬吊于外部主框架顶部的支架上并形成悬吊阀层，

4、所述外部主框架为阀塔的主体结构，悬吊阀层构成主体结构的调谐质量阻尼器tmd，由主体结构与tmd共同构成了一套基于制振技术的抗震结构体系；

5、其创新点在于：所述抗震结构体系的设计方法包括以下步骤：

6、s1：换流阀阀塔结构的初步设计，

7、具体的，根据电气设计和构造要求确定阀塔的高度、阀层间距的几何尺寸，以及单个阀层的质量 m0和外部主框架质量 m；

8、s2：计算tmd的系统最优参数，

9、具体地，在基底随机激励下主体结构地震响应最小时的系统参数，根据以下公式计算：

10、，

11、，

12、，

13、其中， μ为质量比， fopt为最优频率比， ζopt为tmd最优阻尼比；

14、s3：确定tmd的设计参数，

15、具体的，基于所述最优频率比 fopt和最优阻尼比 ζopt，获取tmd设计参数，所述设计参数包括：附加弹簧刚度 kd和附加阻尼器阻尼系数 cd；

16、s4：基于所述设计参数，建立换流阀阀塔结构模型，所述结构模型包括阀塔结构的几何信息、材料属性，以及连接关系；

17、s5：获取地震加速度时程，并对换流阀阀塔结构模型进行地震时程分析，

18、具体的，确定工程场地的设计地震反应谱和设计地震加速度时程最大值，以此获取地震加速度时程作为输入载荷，对换流阀阀塔结构模型进行地震时程分析，以获取结构在地震作用下各部分的应力响应；

19、s6：对换流阀阀塔结构进行抗震强度验算，

20、具体的，其中金属材料构件采用材料的屈服强度进行校核，拉杆复合绝缘子采用其抗拉强度或拉伸承载力进行校核；若抗震强度不满足设计要求，则调整相应构件的规格并返回步骤s4；若抗震强度满足设计要求，则执行步骤s7；

21、s7：主体框架中支架与支柱绝缘子的强度匹配，

22、比较外部主框架中支柱复合绝缘子和支架的强度安全系数，若支架的强度安全系数大于支柱复合绝缘子的强度安全系数，则减小支架的截面尺寸并返回步骤s4，直至支架的强度安全系数小于或等于支柱复合绝缘子的强度安全系数，完成抗震结构的设计。

23、在上述第一个技术方案中，在步骤s3中，所述附加弹簧刚度 kd和附加阻尼器阻尼系数 cd的计算公式为：

24、，

25、，

26、其中， ω1为主体结构一阶固有圆频率， g为重力加速度， l为tmd等效悬挂长度，取为悬吊阀层质心到吊点的距离， h为附加弹簧到吊点的距离， ζ0为阀模块悬吊结构自身的阻尼比，在缺乏实测数据时 ζ0可取0.01~0.02。

27、在上述第一个技术方案中，步骤s3还包括以下分步骤：

28、s31：若所述附加阻尼器阻尼系数 cd的计算值大于其自身可调节范围的上限，则附加阻尼器的阻尼系数按可达到的最大值取值；

29、s32：若所述附加弹簧刚度 kd的计算值大于其自身可调节范围的上限，则增加固定约束的阀层数量并返回步骤s2；若所述附加弹簧刚度 kd的计算值小于其自身可调节范围的下限，则适当增加顶部支架到顶层阀层之间的距离从而增大 l,并重新执行步骤s3。

30、在上述第一个技术方案中，在步骤s4中，对于阀模块中的电气功能组件，可以通过简化块体方式建模，也可以通过附加质量或均布荷载的方式等效施加于换流阀阀塔的结构模型上，以达到提升建模与计算效率的目的。

31、在上述第一个技术方案中，在步骤s5中，应根据当地的抗震设计规范要求，基于抗震设防烈度、场地条件和结构阻尼比确定设计地震反应谱，并基于抗震设防烈度确定设计地震加速度时程最大值。

32、在上述第一个技术方案中，在步骤s5中，基于设计地震反应谱和设计地震加速度时程最大值，可通过实际强震记录选取或人工合成地震波两种方法获取地震加速度时程，所述地震加速度时程包括水平方向和竖直方向，水平方向又可分为相互垂直的主水平方向和次水平方向，上述不同方向的地震加速度时程应同时作为输入载荷，以计算结构在不同方向地震共同作用下的响应。

33、在上述第一个技术方案中，在步骤s6中，对所述换流阀阀塔结构进行抗震强度验算时，各承载构件的承载力应满足安全系数不小于1.67的要求。

34、在上述第一个技术方案中，在步骤s6中，若构件规格不易调整，也可采用隔震措施后返回步骤s4；所述隔震措施包括在换流阀阀塔具有的支座处安装隔震支座或消能减震装置。

35、为了达到上述目的，本发明的第二个技术方案是：一种输电换流阀阀塔抗震结构的设计方法，在换流阀阀塔的结构上构建抗震结构体系，所述换流阀阀塔结构包括外部主框架，以及设在外部主框架上且呈层状结构布置的内部阀模块，布置同一高度的两个阀模块构成一个阀层，共有 n层，

36、自下而上将 p个阀层与外部主框架上对应的支柱复合绝缘子设置成固定连接并形成固定阀层，其中1＜ p＜ n，上部剩余的 n- p个的每个阀层的两侧与外部主框架之间均通过附加弹簧和附加阻尼器连接，该部分阀层的顶部通过拉杆复合绝缘子悬吊于外部主框架顶部的支架上并形成悬吊阀层，

37、所述固定阀层与外部主框架组成阀塔的主体结构，所述悬吊阀层构成主体结构的调谐质量阻尼器tmd’，由主体结构与tmd’共同构成了一套基于制振技术的抗震结构体系；

38、其创新点在于：所述抗震结构体系的设计方法包括以下步骤：

39、s1：换流阀阀塔结构的初步设计，

40、具体的，根据电气设计和构造要求确定阀塔的高度、阀层间距的几何尺寸，以及单个阀层的质量 m0和外部主框架质量 m，并采用下式计算主体结构质量 m1和tmd’质量 md：

41、，

42、。

43、s2：计算tmd’的系统最优参数，

44、具体地，在基底随机激励下主体结构地震响应最小时的系统参数，根据以下公式计算：

45、，

46、，

47、，

48、其中， μ'为质量比， f  'opt为最优频率比， ζ  'opt为tmd’最优阻尼比；

49、s3：确定tmd’的设计参数，

50、具体的，基于所述最优频率比 f  'opt和最优阻尼比 ζ  'opt，获取tmd’设计参数，所述设计参数包括：附加弹簧刚度 k'd和附加阻尼器阻尼系数 c'd；

51、s4：基于所述设计参数，建立换流阀阀塔结构模型，所述结构模型包括阀塔结构的几何信息、材料属性，以及连接关系；

52、s5：获取地震加速度时程，并对换流阀阀塔结构模型进行地震时程分析，

53、具体的，确定工程场地的设计地震反应谱和设计地震加速度时程最大值，以此获取地震加速度时程作为输入载荷，对换流阀阀塔结构模型进行地震时程分析，以获取结构在地震作用下各部分的应力响应；

54、s6：对换流阀阀塔结构进行抗震强度验算，

55、具体的，其中金属材料构件采用材料的屈服强度进行校核，拉杆复合绝缘子采用其抗拉强度或拉伸承载力进行校核，支柱复合绝缘子采用其压缩承载力进行校核；若抗震强度不满足设计要求，则调整相应构件的规格并返回步骤s4；若抗震强度满足设计要求，则执行步骤s7；

56、s7：主体框架中支架与支柱绝缘子的强度匹配，

57、比较外部主框架中支柱复合绝缘子和支架的强度安全系数，若支架的强度安全系数大于支柱复合绝缘子的强度安全系数，则减小支架的截面尺寸并返回步骤s4，直至支架的强度安全系数小于或等于支柱复合绝缘子的强度安全系数，完成抗震结构设计。

58、在上述第二个技术方案中，在步骤s3中，所述附加弹簧刚度 k'd和附加阻尼器阻尼系数 c'd的计算公式为：

59、，

60、，

61、其中， ω1为主体结构一阶固有圆频率， g为重力加速度， l为tmd’等效悬挂长度，取为悬吊阀层质心到吊点的距离， h为附加弹簧到吊点的距离， ζ0为阀模块悬吊结构自身的阻尼比，在缺乏实测数据时 ζ0可取0.01~0.02，

62、本发明所具有的积极效果是：采用本发明的输电换流阀阀塔抗震结构的设计方法后，由于本发明包括两种不同抗震结构体系，并分别给出了对应的设计方法，其中，第一种结构是，所述外部主框架上设有悬吊阀层，且外部主框架为阀塔的主体结构，悬吊阀层构成主体结构的调谐质量阻尼器tmd，由主体结构与tmd共同构成了一套基于制振技术的抗震结构体系，第二种结构是，所述外部主框架上设有固定阀层和悬吊阀层，且所述固定阀层与外部主框架组成阀塔的主体结构，所述悬吊阀层构成主体结构的调谐质量阻尼器tmd’，由主体结构与tmd’共同构成了一套基于制振技术的抗震结构体系，

63、不论是哪种抗震结构体系，均是将悬吊式阀层作为主体结构的调谐质量阻尼器的抗震结构体系引入了制振技术，并提出了相应的设计方法，与现有依靠结构自身的强度、刚度和延性来抵御地震作用的消极设计方法相比，提高了换流阀阀塔结构抗震设计的安全性和经济性，

64、本发明以主体结构地震响应最小为目标构建了调谐质量阻尼器系统最优参数的计算公式，并且以质量比等于0.5时作为分界点，纳入了大质量比即 质量比大于0.5的情况，使得结构设计有据可依且过程简洁，无需通过大量仿真计算确定关键参数，实现了更高的设计效率和精度，

65、本发明明确了包括复合绝缘子构件在内的各种主要部件的强度校核准则，提高了换流阀阀塔结构抗震性能评估的准确性与可靠性，

66、本发明提出了比较钢框架和支柱绝缘子强度安全系数的方法，匹配主要承载部分的强度设计裕度，使其符合强柱弱梁的抗震概念设计方法，进一步提升了设计的安全性和经济性。