CN114743796A - 一种特高压直流输电工程用抗地震的高压电容器组 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种特高压直流输电工程用抗地震的高压电容器组，包括高压塔、低压塔，所述高压塔、低压塔包括若干层电容器框架层，所述电容器框架层包括框架、若干电容器单元，所述框架包括六根承重槽钢、四根竖向的钢管，所述框架呈矩形框架结构，所述承重槽钢构成矩形框架结构的主体，所述钢管设置在矩形框架结构的四个角处，所述电容器单元安装在承重槽钢上，每层所述电容器框架层之间通过层间复合支柱绝缘子连接，所述层间复合支柱绝缘子与上下两层电容器框架层的钢管连接。通过本发明，以解决现有技术存在的高压电容器组在双塔的基础上，无法达到高塔层数、高抗地震水平加速度的问题。
Description
技术领域
本发明涉及抗震输电设备技术领域，具体地说涉及一种特高压直流输电工程用抗地震的高压电容器组。
背景技术
特高压直流输电是指±800kV及以上电压等级的输电工程，在特高压直流输电工程的换流站中需要用到大量高压电容器组，交流高压电容器组的额定电压在500kV及以上，直流高压电容器组的额定电压在±800kV及以上。特高压直流输电工程的送端换流站通常建设在内蒙、新疆等边远地区，也是地震多发地带，而因为电容器组的容量非常大，所以电容器组的高度高达10m以上、重量重达40吨以上，目前电容器组已有常规抗地震技术措施快接近技术瓶颈，而每条特高压直流输电工程都是国家能源输送大动脉，是国家重点项目，对设备运行安全性的要求非常高。因此，设计一种有效、可靠的高压电容器组抗震技术措施有较大工程价值。
特高压直流输电工程额定输送功率逐步8000MW升至12000MW，对应所需补偿的容性无功容量也逐步增大，而单个电容器的最大容量还维持在约600kvar，所以必然导致单个电容器的数量越来越多，对应电容器组所需层数越来越多，在地震多发的西北地区，特高压直流输电工程用高压电容器组现有抗震结构存在以下难题：1、抗地震水平加速度能做到0.4g，但电容器单元侧卧双塔层数却做不到27层；2、电容器单元侧卧可以做到双塔27层，但抗地震水平加速度只能做到0.317g；3、高压电容器组增加层数、提高抗震能力主要受限关键支撑部件瓷支柱绝缘子，目前成熟瓷支柱绝缘子的抗弯破坏强度约70Mpa~80Mpa，强度提升空间已经很小。
发明内容
本发明提供一种特高压直流输电工程用抗地震的高压电容器组，以解决现有技术存在的高压电容器组在双塔的基础上，无法达到高塔层数、高抗地震水平加速度的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种特高压直流输电工程用抗地震的高压电容器组，包括高压塔、低压塔，所述高压塔、低压塔包括若干层电容器框架层，所述电容器框架层包括框架、若干电容器单元，所述框架包括六根承重槽钢、四根竖向的钢管，所述框架呈矩形框架结构，所述承重槽钢构成矩形框架结构的主体，所述钢管设置在矩形框架结构的四个角处，所述电容器单元安装在承重槽钢上，还包括有复合支柱绝缘子，所述复合支柱绝缘子包括有层间复合支柱绝缘子、高压塔对地复合支柱绝缘子、低压塔对地复合支柱绝缘子，每层所述电容器框架层之间通过层间复合支柱绝缘子连接，所述层间复合支柱绝缘子与上下两层电容器框架层的钢管连接，所述高压塔底部设置有三层的高压塔对地复合支柱绝缘子，所述低压塔底部设置有一层的低压塔对地复合支柱绝缘子，所述高压塔与低压塔之间连接有连接管母线。
所述电容器单元主体呈矩形体，所述电容器单元的小侧面与承重槽钢贴合安装，每个所述框架上安装有两排平行的电容器单元，所述两排电容器单元的连接端子背对背分别朝向两侧。
所述电容器单元的小侧面上设置有抱箍结构，所述电容器单元通过抱箍结构、螺栓与承重槽钢连接。
所述框架的钢管上下两面设置有法兰支座。
所述框架外连接有一圈防晕环。
本发明带来的有益效果：本发明的特高压直流输电工程用抗地震的高压电容器组，电容器单元侧卧安装的高压电容器组的抗地震水平加速度能做到0.4g，同时双塔总层数可做到27层，整体抗地震能力强，层数做的高，在双塔的基础上可以安放更多的电容器单元，整体的高压电容器组的容量非常大。
附图说明
图1是根据本发明实施例的特高压直流输电工程用抗地震的高压电容器组的主视图；
图2是根据本发明实施例的特高压直流输电工程用抗地震的高压电容器组的俯视图；
图3是根据本发明实施例的电容器框架层的俯视图；
图4是根据本发明实施例的框架的俯视图；
图5是根据本发明实施例的框架的主视图；
图6是根据本发明实施例的电容器单元的示意图；
图7是根据本发明实施例的承重槽钢的的示意图；
图8是根据本发明实施例的钢管的示意图；
图9是根据本发明实施例的复合支柱绝缘子的剖视图；
图10是根据本发明实施例的高压电容器组的有限元模型图；
图11是根据本发明实施例的高压电容器组的模态分析下结构的振型图；
图12是根据本发明实施例的高压电容器组的整体结构的位移云图；
其中，1-高压塔，2-低压塔，3-电容器框架层，4-框架，5-电容器单元，6-承重槽钢，7-钢管，8-层间复合支柱绝缘子，9-高压塔对地复合支柱绝缘子，10-低压塔对地复合支柱绝缘子，11-连接管母线，12-抱箍结构，13-法兰支座，14-防晕环。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步地详细说明。
一种特高压直流输电工程用抗地震的高压电容器组，包括高压塔1、低压塔2，所述高压塔1、低压塔2包括若干层电容器框架层3，所述电容器框架层3包括框架4、若干电容器单元5。
所述框架4包括六根承重槽钢6、四根竖向的钢管7，所述框架4呈矩形框架结构，四根承重槽钢6构成矩形框架结构的四条边，还有两根承重槽钢6设置在矩形框架结构中，与矩形框架结构的长边平行，所述钢管7设置在矩形框架结构的四个角处。矩形框架结构的长2700mm、宽1700mm，所述框架4的钢管7上下两面设置有法兰支座13。所述框架4外连接有一圈防晕环14。
所述电容器单元5安装在承重槽钢6上，所述电容器单元5主体呈矩形体，所述电容器单元5的小侧面与承重槽钢6贴合安装，这种安装方式叫侧卧安装。每个所述框架4上安装有两排平行的电容器单元5，所述两排电容器单元5的连接端子背对背分别朝向两侧。电容器单元5的连接端子采用多股软铜线连接。所述电容器单元5的小侧面上设置有抱箍结构12，所述电容器单元5通过抱箍结构12、螺栓与承重槽钢6连接。
电容器单元5起滤除系统谐波、补偿感性无功功率、提高功率因素等作用。电容器单元5制作材料包括聚丙烯薄膜、苄基甲苯、铝箔、不锈钢板和套管。
还包括有复合支柱绝缘子，所述复合支柱绝缘子包括有层间复合支柱绝缘子8、高压塔对地复合支柱绝缘子9、低压塔对地复合支柱绝缘子10，每层所述电容器框架层3之间通过4个层间复合支柱绝缘子8连接，所述层间复合支柱绝缘子8与上下两层电容器框架层3的法兰支座13连接，所述高压塔1底部设置有三层的高压塔对地复合支柱绝缘子9，每层有8个高压塔对地复合支柱绝缘子9设置在四个角上。所述低压塔2底部设置有一层的低压塔对地复合支柱绝缘子10，共计8个高压塔对地复合支柱绝缘子9设置在四个角上。所述高压塔1与低压塔2之间连接有连接管母线11。
单台电容器单元5的重量在60kg~120kg之间，每层框架4上安装12台~24台电容器单元5，每层框架4需要承载的重量在1400kg~3000kg之间。
具体的，本实施例高压塔1包括13层的电容器框架层3、低压塔2包括14层的电容器框架层3，双塔总层数27层。高压塔1的总重量达58吨，高度18.5m，低压塔2的总重量达59吨，高度17m。本发明的承重槽钢6高度h，腿宽b，钢管7内径D1，外径D2，复合支柱绝缘子的杆径d，控制上述参数之间的匹配，进而控制好本发明电容器组塔顶部的位移。钢管惯性矩按
计算，式中
为钢管的惯性矩，钢管7内径D1范围在140mm~360mm，钢管7外径D2范围在160mm~380mm。承重槽钢6惯性矩按
计算，式中
为承重槽钢6的惯性矩，承重槽钢6的高度h范围在80mm~180mm，承重槽钢6的宽度
范围在50mm~100mm。复合支柱绝缘子断面惯性矩按
计算，式中
为复合支柱绝缘子的惯性矩，
是绝缘子的杆径，层间复合支柱绝缘子杆径
范围在70mm~280mm，低压塔对地复合支柱绝缘子杆径
范围在140mm~320mm，高压塔对地复合支柱绝缘子杆径
范围在140mm~360mm，
是复合支柱绝缘子的高度，层间复合支柱绝缘子
范围在500mm~1050mm，低压塔对地复合支柱绝缘子
范围在1200mm~2000mm，高压塔对地复合支柱绝缘子
范围在1800mm~5200mm。
本发明利用ANSYS软件对电容器组建立有限元模型，模型如图10所示，按9度地震烈度、水平加速度为0.4g、垂直加速度为0.32g进行抗震仿真受力和位移计算，地震作用时动力基本方程按
，式中M为质量矩阵，C为阻尼矩阵，K为刚度矩阵，
为地面运动加速度，
分别为节点位移、速度和加速度向量。使用振型分解法将上式解耦，变成n个独立的微分方程，进而采用反应谱法得到结构的地震响应。振型分解反应谱法是用来计算多自由度体系地震作用的一种方法。该法是利用单自由度体系的加速度设计反应谱和振型分解的原理，求解各阶振型对应的等效地震作用，然后按照一定的组合原则对各阶振型的地震作用效应进行组合，从而得到多自由度体系的地震作用效应。振型分解反应谱法先计算结构的自振振型，选取若干个振型分别计算各个振型的水平地震作用，将各振型水平地震作用于结构上，求其结构内力，最后将各振型的内力进行组合，得到地震作用下的结构内力和变形。其基本原理就是用“规范”反应谱，先求得各振型的对应的“最大”地震力，组合后得到结构的组合地震作用。承重槽钢6和钢管7的允许破坏应力为355MPa，承重槽钢6和钢管7的组合地震力须小于355MPa。复合支柱绝缘子的允许破坏应力为（150~250）MPa，由杆径和结构决定，复合支柱绝缘子的组合地震力须小于
MPa。电容器组模态分析下结构的振型如图11，电容器组整体结构的位移云图如图12。
螺栓的受力强度校验也是本发明的关键，采用法兰盘连接计算螺栓受力，同时承受拉力、弯矩和剪力的螺栓校核需满足
，式中Nt为螺栓最大拉力，Nt b为受拉承载力，Nv为螺栓最大拉力，Nv b为受剪承载力。
综上所述，本发明的特高压直流输电工程用抗地震的高压电容器组，电容器单元侧卧安装的高压电容器组的抗地震水平加速度能做到0.4g，同时双塔总层数可做到27层，整体抗地震能力强，层数做的高，在双塔的基础上可以安放更多的电容器单元，整体的高压电容器组的容量非常大。
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。
Claims (5)
1.一种特高压直流输电工程用抗地震的高压电容器组，其特征在于：包括高压塔（1）、低压塔（2），所述高压塔（1）、低压塔（2）包括若干层电容器框架层（3），所述电容器框架层（3）包括框架（4）、若干电容器单元（5），所述框架（4）包括六根承重槽钢（6）、四根竖向的钢管（7），所述框架（4）呈矩形框架结构，所述承重槽钢（6）构成矩形框架结构的主体，所述钢管（7）设置在矩形框架结构的四个角处，所述电容器单元（5）安装在承重槽钢（6）上，还包括有复合支柱绝缘子，所述复合支柱绝缘子包括有层间复合支柱绝缘子（8）、高压塔对地复合支柱绝缘子（9）、低压塔对地复合支柱绝缘子（10），每层所述电容器框架层（3）之间通过层间复合支柱绝缘子（8）连接，所述层间复合支柱绝缘子（8）与上下两层电容器框架层（3）的钢管（7）连接，所述高压塔（1）底部设置有三层的高压塔对地复合支柱绝缘子（9），所述低压塔（2）底部设置有一层的低压塔对地复合支柱绝缘子（10），所述高压塔（1）与低压塔（2）之间连接有连接管母线（11）。
2.如权利要求1所述的特高压直流输电工程用抗地震的高压电容器组，其特征在于，所述电容器单元（5）主体呈矩形体，所述电容器单元（5）的小侧面与承重槽钢（6）贴合安装，每个所述框架（4）上安装有两排平行的电容器单元（5），所述两排电容器单元（5）的连接端子背对背分别朝向两侧。
3.如权利要求2所述的特高压直流输电工程用抗地震的高压电容器组，其特征在于，所述电容器单元（5）的小侧面上设置有抱箍结构（12），所述电容器单元（5）通过抱箍结构（12）、螺栓与承重槽钢（6）连接。
4.如权利要求1所述的特高压直流输电工程用抗地震的高压电容器组，其特征在于，所述框架（4）的钢管（7）上下两面设置有法兰支座（13）。
5.如权利要求1所述的特高压直流输电工程用抗地震的高压电容器组，其特征在于，所述框架（4）外连接有一圈防晕环（14）。
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