2023高压直流电气设备抗震性能研究报告.docx
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1、电气直流设备抗震性能调研报告2023年5月目录 前言1二 直流设备抗震性能调研情况32.1 换流变压器抗震性能调研32.1.11100kV 换流变52.1.2 800kV 换流变62.1.3 500kV 换流变82.1.4 换流变压器抗震措施和性能92.2 换流阀122.2.11100kV 换流阀122.2.2800kV 换流阀132.2.3500kV 换流阀152.2.4 换流阀抗震措施和性能152.3 平波电抗器192.3.1 1100kV 平波电抗器202.3.2 800kV 平波电抗器202.3.3 500kV 平波电抗器212.3.4 平波电抗器抗震措施和性能222.4 直流滤波 C
2、1 电容器232.4.1 1100kV 直流滤波 C1 电容器232.4.2 800kV 直流滤波 C1 电容器242.4.3 500kV 直流滤波 C1 电容器252.5 直流穿墙套管262.5.1 1100kV 直流穿墙套管262.5.2 800kV 直流穿墙套管272.5.3 500kV 直流穿墙套管282.6 直流旁路开关282.6.11100kV 旁路开关292.6.2800kV 旁路开关302.7 直流隔离开关302.7.1 1100kV 直流隔离开关和接地开关302.7.2 800kV 直流隔离开关312.7.3 500kV 直流隔离开关322.8 直流避雷器332.8.1 11
3、00kV 直流避雷器332.8.2 800kV 直流避雷器342.8.3 500kV 直流避雷器342.9 直流分压器352.9.1 1100kV 直流分压器352.9.2 800kV 直流分压器352.9.3 500kV 直流分压器362.10 直流支柱绝缘子3612.10.1 1100kV 直流支柱绝缘子372.10.2 800kV 直流支柱绝缘子372.10.3 500kV 直流支柱绝缘子38三 直流设备抗震性能调研结论391 前言2008 年 5 月 12 日 14 时 28 分,四川省汶川县发生里氏 8.0 级地震,地震产生的地震波在 20 分钟之内传遍了全世界,我国除吉林、黑龙江两
4、省外均有震感。据有关部门的统计,地震给国家电网公司造成严重破坏,带来的直接经济损失超过 120 亿元。四川公司经营区域 23 个市地、110 个县的供电受到影响,其中四川成都、德阳、绵阳、广元 4 个地区和 10 个县受影响严重。据不完全统计,公司系统 110 千伏及以上变压器受损 88 台,断路器(含 GIS)受损 43 台(组),隔离开关损毁 39 组,母线损毁 9 段,电流互感器损毁 64 台,电压互感器损毁13 台,避雷器损毁 21 支。其中,500 千伏变压器损毁 4 台、220 千伏变压器损毁 18 台、110 千伏变压器损毁 66 台;220 千伏断路器损毁 19 台、110 千
5、伏断路器损毁 20 台。此外系统通信、安控及站内二次设备也有一定数量损毁。四川、甘肃、陕西、重庆 4 个省级电网累计停运 35 千伏以上变电站 245 座、10 千伏以上输电线路 3322 条;其中四川公司分别占 70.0和 83.4,甘肃公司分别占28.2和 12.7。此次灾害,四川省受灾最重,直接经济损失超过 106 亿元,并严重影响灾区的生产生活及救灾工作。四川电网在本次地震灾害中,变电站破坏比例很高,电气设备损毁严重,尤其是质量较重或含有大型瓷套管的高压设备,在地震中几乎被完全损坏。图 11安县 220kV 换流变压器位移 图 12映秀 220kV 变电站完全损毁2013 年 4 月
6、20 日 802 分,雅安芦山县龙门乡、宝胜乡、太平镇交界发生的里氏 7.0 级强烈地震,震源深度 13 公里。地震共造成 34 座 35 千伏及以上变电站全停,其中 220 千伏 2 座、110 千伏 10 座、35 千伏 22 座;500 千伏变电站3 台变压器损坏停运,其中承担雅安地区供电的 500 千伏雅安变电站 2 台主变损坏严重停运;各电压等级 626 台变电设备损坏;共 265 条 10 千伏及以上输配电线路停运,倒杆(塔)102 基,受损 1212 基,线路断线 83 条。图 13书室某 220kV 避雷器断裂套管破裂 图 14某 220kV 变压器调研过程中发现设备构支架损坏
7、的情况几乎没有,主要是建筑物的受损情况。变电站主控楼、设备室、保护小室和围墙是变电站最易受损的建筑物。在地震中,安县 220kV 变电站围墙倒塌,变电站设备室完全倒塌,室内设备全部毁坏,主控楼完全倒塌,室内设备全部毁坏。汶川地震和雅安地震给人民生命财产和国家电网造成了严重损失。而特高压直流输电在当今社会中具有重要的战略地位,特高压换流站无论从输变电能力还是投资额都远大于常规换流站,一旦遭遇大地震破坏,直接经济损失和对生产生活影响更大。换流站电气设备有“重、大、高、柔、多”的特点,换流站的设备多数是由变压器、支柱类设备、电容器或电抗器、建构筑物等电力设施组合成一个复杂的系统,这个系统包含电力设施
8、的电气、结构体型、工艺布置以及电力设施之间的连接方式等。电气瓷柱类设备的自振频率与地震波的卓越频率(1Hz 10Hz)十分接近,易发生共振或类共振,遭受地震破坏的威胁,从而导致其地震易损性高。如果地震造成特高压电气设备的损坏,除设备本身高昂的价值外, 还会导致数百万千瓦的电力缺口,影响范围大,并带来严重的次生损失,恢复重建的时间和成本也将是巨大的。为了有效地避免或减轻地震灾害对特高压换流站的破坏,保证电网安全和稳定运行,加强特高压换流站的抗震设计是当前迫切需要。因此,有必要针对现有设备开展抗震能力调研后确定采取相应的抗震设计和措施。本次调研主要采用现场收资和函调的方式,调研对象为国内主要电气设
9、备生产厂商,对换流区和直流场的直流高压电气设备的抗震性能进行调研。2 直流设备抗震性能调研情况2.1 换流变压器抗震性能调研换流变是换流站中最昂贵、最复杂,最重要的变电设施之一。如图 2.1-12 为换流变的典型外形图,换流变的结构特点是质量大,重心低,套管固定在换流变顶部且高度较大,成为一种底部柔度较大的高耸式结构,自振频率较低,易在地震中发生共振,产生较大的地震反应而破坏。同时,由于现代社会对于电力能源的大量需求,致使换流变电压等级越来越高,体积越来越大,加剧其地震易损性,其破坏后的影响范围和后果越来越大。鉴于此,抗震性能已经成为考核大型换流变的性能之一。41图 2.11换流变外形示意图(
10、阀侧套管水平布置)图 2.12换流变外形示意图(阀侧套管上下布置)2.1.1 1100kV 换流变目前 1100kV 直流工程仅有吉泉工程,因此以下将针对吉泉工程用 1100kV换流站进行调研。根据 1100kV 换流站,共提出 4 种设备,详见下表:表 2.1.1-1换流变参数一览表序号设备名称电压比(kV/ kV)容量(MVA)送端受端送端受端11100kV 换流变压器447.5/136.4294.5/131.8607.5587.12825kV 换流变压器447.5/236.2294.5/228.3607.5587.13550kV 换447.5/136.4606.2/131.8607.55
11、87.1流变压器4275kV 换流变压器447.5/236.2606.2/228.3607.5587.1设备厂家材质是否能满足 9度抗震烈度抗震试验结果/抗震设计换 流 变压器沈变复合否根据工程要求,水平峰值加速度 0.2g,竖向峰值加速度0.13g,安全系数1.67西变阀 侧 套管:复合, 网 侧 套管:瓷否根据工程要求,水平峰值加速度 0.2g,竖向峰值加速度0.13g,安全系数1.67保变复合否根据工程要求,水平峰值加速度 0.1g,竖向峰值加速度0.065g,安全系数1.67ABB复合否根据工程要求,水平峰值加速度 0.2g,竖向峰值加速度0.13g,安全系数1.67西门子复合否根据工
12、程要求,水平峰值加速度 0.2g,竖向峰值加速度0.13g,安全系数1.67通过主要换流变厂家的调研可知,1100kV 换流变抗震能力如下: 表 2.1.1-21100kV 换流变单体抗震性能表因目前仅有昌吉工程为1100kV 直流工程,因此厂家在研发设备时按工程要求(0.2g)设计,若需满足 9 度地震要求,还需加强结构并进一步研发。2.1.2 800kV 换流变针对 800kV 换流站用换流变压器,共提出 4 种设备,详见下表:表 2.1.2-1换流变参数一览表序号设备名称电压比(kV/ kV)容量(MVA)送端受端送端受端1800kV换流变压器306.0/99.2303.1/92.340
13、5.2376.62600kV换流变压器306.0/171.9303.1/159.8405.2376.63400kV换流变压器306.0/99.2303.1/92.3405.2376.64200kV换流变压器306.0/171.9303.1/159.8405.2376.6设备厂家材质是否能满足 9度抗震烈度抗震试验结果/抗震设计换流变压器沈变复合是水平峰值加速度 0.4g,竖向峰值加速度 0.26g, 安全系数1.67西变复合是水平峰值加速度 0.4g, 竖向峰值加速度 0.26g, 网侧套管安全系数 4.41,阀侧套管安全系数 4.0。保变复合是水平峰值加速度 0.4g, 竖向峰值加速度 0.
14、26g, 网侧套管安全系数 1.85,阀侧套管安全系数 2.20。ABB复合是水平峰值加速度 0.4g, 竖向峰值加速度 0.26g,安全系数1.67西门子复合是水平峰值加速度 0.4g,竖向峰值加速度 0.26g,通过主要换流变厂家的调研可知,800kV 换流变抗震能力如下: 表 2.1.2-2800kV 换流变单体抗震性能表网侧套管安全系数 1.85,阀侧套管安全系数 2.20。2.1.3 500kV 换流变针对 500kV 换流站用换流变压器,共提出 4 种设备,详见下表:表 2.1.3-1换流变参数一览表参数名称安装方式变压器型式或型号单相、双绕组、有载调压换流变采用钢筋混凝土基础,
15、安装采用直接焊接或者地脚螺栓额定容量 MVA297.5/317.6额定电压kV网侧500/3阀侧210.4/3设备厂 家材质是否能满足9 度抗震烈度抗震试验结果/抗震设计换 流 变压器沈变复合是水平峰值加速度 0.4g,竖向峰值加速度 0.26g, 安全系数1.67西变阀侧套管: 复合,网侧套管:瓷否水平峰值加速度 0.2g, 竖向峰值加速度 0.26g, 安全系数1.67保变复合是水平峰值加速度 0.4g, 竖向峰值加速度 0.26g, 网侧套管安全系数 8.73,阀侧套管安全系数 11.2。ABB复合是水平峰值加速度 0.4g, 竖向峰值加速度 0.26g,安全系数1.67通过主要换流变厂
16、家的调研可知,500kV 换流变抗震能力如下: 表 2.1.3-2500kV 换流变单体抗震性能表西门子复合是水平峰值加速度 0.4g,竖向峰值加速度 0.26g, 安全系数1.672.1.4 换流变压器抗震措施和性能(1) 换流变的抗震薄弱点1) 换流变压器箱体基础安装形式由于变压器质量大,在地震动作用下,会在其底部产生较大的剪力,故其需要较大的抗侧力体系才能完全约束住其刚体位移,且该抗侧力体系应安全可靠, 满足一定的强度、刚度要求。若变压器采用焊接方式安装后,其抗侧力体系仅仅由点焊的限位装置提供,点焊的角焊缝强度明显小于其限位板材的剪切强度,故在地震动作用下,该限位装置不能提供可靠的约束与
17、侧向力,可能由于底部剪力过大而发生破坏,从而是换流变压器出现移位、掉台等震害。且由于插入深度均较浅,而变压器箱体重心较高,限位装置无法提供有效可靠的拉力,从而使换流变压器可能出现掉台、倾覆等破坏。2) 换流变压器套管换流变压器网侧套管与其他普通特高压交流变压器套管类似,且由于其制造材料为电气设备中的陶瓷材料,故其脆性较大,在地震动作用下已发生无预兆性质的断裂。阀侧套管与网侧套管由于其套管升高座较高,箱壁上加劲肋布置过少,在地震动作用下由于箱壁的扭摆以套管升高座的弯曲变形对输入的地震动产生放大与滤波作用。对地震动的放大作用使套管根部输入的地震动加速度峰值大于地面加速度峰值,从而使套管较箱体受到更
18、加强烈的地震作用;且由于套管与器箱的共同作用,器箱及升高座会对输入的地震波进行滤波,使套管受到的加速度更加接近系统的卓越周期,从而使套管在地震动作用下出现更高的易损性。另外,由于阀侧套管需要穿过阀厅隔墙而与换流阀连接,在地震动作用下, 由于套管会产生弯曲位移,使之可能与隔墙封堵发生碰撞,使阀侧套管或者隔墙受到损坏,使阀侧套管出现裂缝漏油等问题。情况严重时,甚至可能使阀侧套管发生折断。3) 油枕及散热器油枕及散热其本体由于其结构形式的特点,在地震动作用下一般不会发生破坏。但根据现场调研情况可知,不论何种型号的换流变压器,其油枕以及散热器支架的刚度较低,在地震动作用下可能由于其刚度不够而出现失稳,
19、使散热器或油枕出现掉落,倾斜的破坏。由于支架刚度较低,且在变压器箱体上存在动力放大作用,故油枕及散热器本体的位移可能较大,从而使其与连接管道脱开或者使管道发生锻炼而发生漏油等现象。另外,当换流变压器油枕中储油量较高时,其质量大,能显著升高变压器箱体的整体重心,易使变压器出现刚体位移而发生破坏。由于油枕的偏心布置,在地震动作用下可能引起箱体发生显著的扭转作用,进而进一步放大套管等部件根部输入的动力作用,而使其他部件在地震动作用下发生破坏。(2) 换流变抗震改进建议1) 换流变压器箱体基础安装形式在变压器安装调试过程中,可以使用轮轨小车,已方便将换流变压器布置在合适的位置。但建议在换流变压器安装到
20、位后,不能使用预埋件焊接固定方式或者是小车限位装置固定的方式,而是要使用高强度的地脚螺栓将换流变压器箱体与基础安全可靠的连接,使其具有有效的抗侧力以及抗拉力功能,防止变压器箱体的掉台、移位等问题。2) 换流变压器套管对于安装于升高座上的套管,建议采取有效措施加强变压器箱体的面外刚度以及升高座的弯曲刚度,如增加箱体上加劲肋密度,在升高座根部设置合理的加劲肋等,以减小箱体以及升高座的动力放大作用,减小套管的根部输入,以提高换流变压器整体的抗震性能。由于高端换流变阀侧套管较长,在换流变阀侧套管根部加钢结构支撑架能有效的提高换流变阀侧套管的抗震性能,如图 4.12 所示。可以考虑将换流变压器安装位置更
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