一种具备减震功能的海上支撑式换流阀裂间绝缘子

摘要

本发明公开了一种具备减震功能的海上支撑式换流阀裂间绝缘子，属于特高压电工技术领域。海上支撑式换流阀裂间绝缘子包括裂间绝缘子硅胶伞裙、质量块、绝缘导轨、螺旋绝缘弹簧、高阻尼橡胶垫和阻尼器组件。本发明在保证裂间绝缘子绝缘连接、增大爬电距离等基本功能的基础上，还可以发挥对海上支撑式换流阀塔的减震控制，能够对海浪和地震引起的振动表现出不同的减震效果。本发明安装简单、便于更换、无需受控塔体做出结构改变，同时具备良好的减震能力，能够有效降低海上支撑式换流阀塔的地震响应，并且能够保证海上支撑式换流阀塔在日常海浪荷载作用下的疲劳寿命。

权利要求

1.一种具备减震功能的海上支撑式换流阀裂间绝缘子，其布置在换流阀的顶层，用于代替裂间绝缘子(4)；其特征在于，该海上支撑式换流阀裂间绝缘子包括裂间绝缘子硅胶伞裙(8)、质量块(9)、绝缘导轨(14)、螺旋绝缘弹簧(10)、高阻尼橡胶垫(15)和阻尼器组件(11)；所述质量块(9)套于所述绝缘导轨(14)之上，质量块(9)沿着绝缘导轨(14)方向滑动，质量块与绝缘导轨(14)之间依靠润滑油润滑；所述绝缘导轨(14)连接于裂间绝缘子的两端；所述螺旋绝缘弹簧(10)嵌套于所述绝缘导轨(14)外周，分别固定于裂间绝缘子一端和所述高阻尼橡胶垫(15)一侧；所述高阻尼橡胶垫(15)依附于所述质量块(9)，所述质量块(9)的另一侧延伸连接所述阻尼器组件(11)的活塞(12)，所述阻尼器组件(11)一端固定于所属裂间绝缘子另一端；所述裂间绝缘子硅胶伞裙(8)将质量块(9)、绝缘导轨(14)、螺旋绝缘弹簧(10)、高阻尼橡胶垫(15)、阻尼器组件(11)和活塞(12)包裹于内。

2.根据权利要求1所述的具备减震功能的海上支撑式换流阀裂间绝缘子，其特征在于，所述的质量块(9)与所述阻尼器组件(11)的活塞12为一体结构，中空并套于所属绝缘导轨(14)之上。

3.根据权利要求1或2所述的具备减震功能的海上支撑式换流阀裂间绝缘子，其特征在于，所述的阻尼器组件(11)的集油盒位于阻尼器的端部。

4.根据权利要求1或2所述的具备减震功能的海上支撑式换流阀裂间绝缘子，其特征在于，所述的阻尼器组件(11)的阻尼比ξopt依据表达式(1)设计：式中，μ为质量块与海上支撑式换流阀塔的质量比；

螺旋绝缘弹簧的振动基频fs依据表达式(2)设计：式中，f1为海上支撑式换流阀塔的振动基频；ξ为阻尼器组件(11)的阻尼比，最优取值等于ξopt。

5.根据权利要求3所述的具备减震功能的海上支撑式换流阀裂间绝缘子，其特征在于，所述的阻尼器组件(11)的阻尼比ξopt依据表达式(1)设计：式中，μ为质量块与海上支撑式换流阀塔的质量比；

螺旋绝缘弹簧的振动基频fs依据表达式(2)设计：式中，f1为海上支撑式换流阀塔的振动基频；ξ为阻尼器组件(11)的阻尼比，最优取值等于ξopt。

6.根据权利要求1、2或5所述的具备减震功能的海上支撑式换流阀裂间绝缘子，其特征在于，所述的螺旋绝缘弹簧(10)的弹簧常数依据质量块质量和海上支撑式换流阀塔的振动基频确定。

7.根据权利要求3所述的具备减震功能的海上支撑式换流阀裂间绝缘子，其特征在于，所述的螺旋绝缘弹簧(10)的弹簧常数依据质量块质量和海上支撑式换流阀塔的振动基频确定。

8.根据权利要求4所述的具备减震功能的海上支撑式换流阀裂间绝缘子，其特征在于，所述的螺旋绝缘弹簧(10)的弹簧常数依据质量块质量和海上支撑式换流阀塔的振动基频确定。

说明书

一种具备减震功能的海上支撑式换流阀裂间绝缘子

技术领域

[0001] 本发明属于特高压电工技术领域，特别是涉及特高压电气设备振动控制技术，具体为一种具备减震功能的海上支撑式换流阀裂间绝缘子。

背景技术

[0002] 海上支撑式换流阀塔是我国海洋风电输电系统中的关键设备，是直流输电和交流输电互相转化的桥梁。塔体中放置的功率模块技术含量高，造价昂贵。

[0003] 海上支撑式换流阀塔通常安装在海洋平台上，外部则由阀厅进行封装。海上支撑式换流阀塔下部由多根底部支柱绝缘子作为支撑，上部由层间支柱绝缘子、框架横梁、绝缘
工字梁等形成支撑功率模块的框架，属于高度较大的柔直框架结构，在换流阀塔的两个单
塔之间通常依靠裂间绝缘子进行连接。换流阀塔在地震作用下，上部结构位移增大，极易发
生破坏，造成直接经济损失；另外海上支撑式换流阀塔作为特殊的电力转化设备，其顶部接
线端子需要与外部母线相接，地震作用下过大的顶部位移，极易造成母线的扯断，致使电力
系统瘫痪。目前在特高压电工技术领域，普通的裂间绝缘子仅起到绝缘连接、增大爬电距离
等作用，尚不具备减震功能。

[0004] 海上支撑式换流阀塔不同于陆上支撑式换流阀塔，除了表现在受到诸如海浪和地震等复杂环境荷载作用外，还需要考虑其下部海洋平台的滤波效应。

发明内容

[0005] 本发明考虑了海上支撑式换流阀塔的振动行为，提出了一种具备减震功能的海上支撑式换流阀裂间绝缘子，在保证裂间绝缘子绝缘连接、增大爬电距离等基本功能的基础
上，使其具备了减小海上支撑式换流阀塔在海浪及地震作用下动力响应的功能。

[0006] 本发明的技术方案：

[0007] 一种具备减震功能的海上支撑式换流阀裂间绝缘子，包括裂间绝缘子硅胶伞裙8、质量块9、绝缘导轨14、螺旋绝缘弹簧10、高阻尼橡胶垫15和阻尼器组件11；所述质量块9套
于所述绝缘导轨14之上，质量块9沿着绝缘导轨14方向滑动，质量块与绝缘导轨14之间依靠
润滑油润滑；所述绝缘导轨14连接于裂间绝缘子的两端；所述螺旋绝缘弹簧10嵌套于所述
绝缘导轨14外周，分别固定于裂间绝缘子一端和所述高阻尼橡胶垫15一侧；所述高阻尼橡
胶垫15依附于所述质量块9，所述质量块9的另一侧延伸连接所述阻尼器组件11的活塞12，
所述阻尼器组件11一端固定于所属裂间绝缘子另一端；所述裂间绝缘子硅胶伞裙8将上述
结构包裹于内。

[0008] 所述的质量块9与所述阻尼器组件11的活塞12为一体结构，中空并套于所属绝缘导轨14之上。

[0009] 所述的阻尼器组件11的集油盒位于阻尼器的端部。

[0010] 所述的海上支撑式换流阀裂间绝缘子布置在换流阀的顶层，在代替普通裂间绝缘子，除起到绝缘连接、增大爬电距离基本作用外，还能够减小换流阀的振动。

[0011] 所述的海上支撑式换流阀裂间绝缘子分别针对海上波浪荷载和地震作用做出区别设计，能够有效降低海上支撑式换流阀塔的地震响应，并且能够保证海上支撑式换流阀
塔在日常海浪荷载作用下的疲劳寿命。

[0012] 阻尼器组件11的阻尼比ξopt依据表达式(1)设计：

[0013]

[0014] 式中，μ为质量块与海上支撑式换流阀塔的质量比；

[0015] 螺旋绝缘弹簧的振动基频fs依据表达式(2)设计：

[0016]

[0017] 式中，f1为海上支撑式换流阀塔的振动基频；ξ为阻尼器组件11的阻尼比，最优取值等于ξopt

[0018] 螺旋绝缘弹簧10的弹簧常数依据质量块质量和振动基频确定。

[0019] 最后考虑了下部海洋平台的滤波效应，通过地震动力时程分析和波浪动力时程分析来观察该减震装置对海上支撑式换流阀塔动力响应的减震效果。

[0020] 本发明的有益效果：本发明提供的一种具备减震动能的海上支撑式换流阀裂间绝缘子，通过采用上述结构，能够实现在保证裂间绝缘子绝缘连接、增大爬电距离等基本功能
的基础上，使其具备了减小海上支撑式换流阀塔在海浪及地震作用下动力响应的功能。在
海浪和地震作用下，本发明中的质量块沿着绝缘导轨借助螺旋绝缘弹簧产生振动，同时带
动活塞在阻尼器件中的往复运动，进而达到耗能减震的目的。本发明中的各组成部件可以
针对不同荷载分别做出相应参数设计，达到了兼顾海浪和地震作用换流阀减震的效果。本
发明保证了换流阀各单塔之间绝缘、安全相连之外，还额外增加了换流阀塔体的安全性，成
本低，无需受控塔体做出结构改变，有利于震后维修更换，在有效降低海上支撑式换流阀塔
地震响应的同时，保证了塔体在日常波浪作用下的疲劳寿命。

附图说明

[0021] 图1是海上支撑式换流阀塔结构图；

[0022] 图2是海上支撑式换流阀塔及本发明的布置示意图；

[0023] 图3为图2的右视图；

[0024] 图4为本发明的海上支撑式换流阀裂间绝缘子外部结构图；

[0025] 图5为本发明的海上支撑式换流阀裂间绝缘子内部结构图；

[0026] 图6是地震作用下海上支撑式换流阀塔安装本发明的裂间绝缘子后顶部接线端子处的位移时程对比图；

[0027] 图7是波浪作用下海上支撑式换流阀塔安装本发明的裂间绝缘子后顶部接线端子处的位移时程对比图。

[0028] 图中：1底部支柱绝缘子；2拉杆绝缘子；3层间支柱绝缘子；4普通裂间绝缘子；5框架横梁；6绝缘工字梁；7本发明中具备减震功能的裂间绝缘子；8裂间绝缘子硅胶伞裙；9质
量块；10螺旋绝缘弹簧；11阻尼器组件；12活塞；13液压油；14绝缘导轨；15高阻尼橡胶垫。

具体实施方式

[0029] 以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

[0030] 一种具备减震功能的海上支撑式换流阀裂间绝缘子，其布置在海上支撑式换流阀塔两个单塔之间的顶层部位，该海上支撑式换流阀塔属于由底部支柱绝缘子1、拉杆绝缘子
2、层间支柱绝缘子3、普通裂间绝缘子4、框架横梁5、绝缘工字梁6、具备减震功能的裂间绝
缘子7组成的柔性框架结构。本发明中的裂间绝缘子沿着海上支撑式换流阀塔的短轴方向
布置在顶层，共计4个。其中两个裂间绝缘子中质量块、弹簧和阻尼的参数依据换流阀塔的
振动基频确定，布置在中间，另外两个结合海域波浪信息和海洋平台信息确定参数，布置在
两边。

[0031] 本发明中的具备减震功能的裂间绝缘子由裂间绝缘子硅胶伞裙8、质量块9、螺旋绝缘弹簧10、阻尼器组件11、绝缘导轨14和高阻尼橡胶垫15构成。在无振动条件下，本发明
的裂间绝缘子内部各组件皆无运动，主要发挥绝缘连接、增大爬电距离等基本作用；在地震
作用下，依据结构基频设计的裂间绝缘子中的质量块9沿着绝缘导轨14在塔体的短轴方向
往复运动，惯性力通过螺旋绝缘弹簧10传递到裂间绝缘子端部，对受控塔体产生惯性力，进
而达到降低换流阀塔响应的目的。其中，阻尼器组件11通过与质量块9连接为一体的活塞12
在液压油13中往复运动，进而表现出耗能效果，高阻尼橡胶垫在此期间加大结构耗能。同
理，在日常波浪作用下结构海域波浪信息和海洋平台基频设计的裂间绝缘子，通过振动和
耗能，保证塔体的疲劳寿命。将裂间绝缘子中的组件分别进行参数优化设计可以实现对不
同荷载减震的优势互补。

[0032] 本发明结合某海上支撑式换流阀塔的相关信息，对该种具有减震功能的裂间绝缘子的各组件进行了最优参数设计，如表1所示；分别按技术方案中指定的位置进行布置，通
过有限元仿真分别对地震和波浪作用下的海上支撑式换流阀塔进行动力时程分析。提取海
上支撑式换流阀塔较为重视的顶部接线端子处的位移时程曲线，如图6和7所示。

[0033] 表1裂间绝缘子的各组件进行了最优参数设计

[0034]

[0035] 从图6可以看出，海上支撑式换流阀塔在安装了本发明的裂间绝缘子后，在同一地震波作用下，顶部接线端子处位移时程曲线明显减小，其顶部的最大位移从19.41cm减小到
12.36cm，峰值位移的减震率达到了36.32％。从峰值位移的减震效果来看，本发明的裂间绝
缘子对地震作用下的海上支撑式换流阀响应有明显的减震控制效果。

[0036] 从图7可以看出，海上支撑式换流阀塔在安装了本发明的裂间绝缘子后，在同一波浪荷载作用下，顶部接线端子处位移时程曲线维持在不采取任何措施的时程曲线附近，相
比于仅安装只依据结构基频设计的裂间绝缘子工况，位移的均方根减震率从‑12.83％变为
了‑4.40％(注：负号代表增大结构响应)。从位移的均方根减震效果来看，本发明的裂间绝
缘子能够基本保证在日常波浪作用下海上支撑式换流阀的疲劳寿命。

[0037] 本发明提出的一种具备减震功能的海上支撑式换流阀裂间绝缘子，采用上述结构，能够实现在保证裂间绝缘子绝缘连接、增大爬电距离等基本功能的基础上，使其具备了
减小海上支撑式换流阀塔在海浪及地震作用下动力响应的功能。在海浪和地震作用下，本
发明中的质量块沿着绝缘导轨借助螺旋绝缘弹簧产生振动，同时带动活塞在阻尼器件中的
往复运动，进而达到耗能减震的目的。本发明中的各组成部件可以针对不同荷载分别做出
相应参数设计，达到了兼顾海浪和地震作用换流阀减震的效果。通过对安装本发明的裂间
绝缘子后的海上支撑式换流阀塔在地震和波浪作用下的动力时程分析可以看到，本发明的
裂间绝缘子能够有效降低海上支撑式换流阀塔的地震响应，其减震效果可达36％左右，同
时能够基本保证在日常波浪作用下海上支撑式换流阀的疲劳寿命。本发明保证了换流阀各
单塔之间绝缘、安全相连、增大爬电距离之外，还额外增加了换流阀塔体的安全性，成本低，
无需受控塔体做出结构改变，有利于震后维修更换，在有效降低海上支撑式换流阀塔地震
响应的同时，保证了塔体在日常波浪作用下的疲劳寿命。