瓷柱式SF6高壓斷路器抗震性能分析1

尤紅兵 趙鳳新

（中國(guó)地震災(zāi)害防御中心，北京，100029）

瓷柱式SF6高壓斷路器抗震性能分析1

尤紅兵 趙鳳新

（中國(guó)地震災(zāi)害防御中心，北京，100029）

開展斷路器的抗震性能分析，研究鉛合金減震器的減震效果，對(duì)提高電氣設(shè)備的抗震能力有重要意義。利用ANSYS，建立了LW36-252 /T3150-40型瓷柱式SF6斷路器的有限元模型。并以IEEE Standard 693推薦時(shí)程和汶川地震典型時(shí)程作為地震輸入，分別計(jì)算了支架底部未安裝與安裝鉛合金減震器時(shí)斷路器的地震反應(yīng)。分析了減震器的減震效果，對(duì)斷路器的抗震性能作了評(píng)定。鉛合金減震器有良好的減震效果，能有效提高設(shè)備的抗震能力，此斷路器可達(dá)到 IEEE Std 693-2005中等水準(zhǔn)抗震水平。

斷路器 鉛合金減震器 IEEE std 693 減震效果 抗震性能

引言

汶川地震中，斷路器、隔離開關(guān)等含瓷套管的電氣設(shè)備破壞嚴(yán)重，損失巨大（于永清等，2008；尤紅兵等，2008）。其主要原因是這些設(shè)備的瓷件為脆性材料，塑性變形能力差，地震時(shí)易斷裂；同時(shí)瓷套管具有相當(dāng)?shù)拈L(zhǎng)度與重量，頭重腳輕易使設(shè)備損壞或傾倒。而利用減震器可有效降低設(shè)備的地震反應(yīng)，提高設(shè)備的抗震能力。因此，開展斷路器的抗震性能分析，研究減震器的減震效果，具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

美國(guó)、日本等國(guó)家十分重視電氣設(shè)備減震隔震技術(shù)的應(yīng)用，開展了大量的研究工作，許多研究成果已被寫入相應(yīng)的抗震規(guī)范（Saadeghvaziri等，2001；Selahattin Ersoy等，2001；IEEE Standard 693，2005；JEAG 5003，1998）。近年來(lái)，姚德康（2000）在國(guó)電華北電力設(shè)計(jì)院工程有限公司的資助下，開發(fā)研制了鉛合金減震器。李亞琦等（2002；2005）進(jìn)行了LW11-252/Q瓷柱型六氟化硫斷路器振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)及有限元分析，研究了鉛合金減震器的動(dòng)力特性及適用范圍。在其研究中，鉛合金減震器安裝在支持瓷柱與支架的連接處。相比較而言，減震器安裝在支架底部無(wú)需改變?cè)O(shè)備的原有設(shè)計(jì)，更方便設(shè)計(jì)和施工。同時(shí)，汶川地震的發(fā)生也進(jìn)一步推動(dòng)了電氣設(shè)備的抗震分析及減震、隔震技術(shù)的研究（文波等，2009；謝強(qiáng)等，2009；李旭等，2009）。但我國(guó)在電氣設(shè)備的減震、隔震方面的研究目前仍處在起步階段，對(duì)減震、隔震裝置的力學(xué)性能、消能減震理論的研究還有待進(jìn)一步提高。

本文利用ANSYS，建立了LW36-252 /T3150-40型瓷柱式SF6斷路器的有限元模型。并以IEEE Standard 693推薦時(shí)程和汶川地震典型時(shí)程作為地震輸入，計(jì)算了支架底部未安裝與安裝鉛合金減震器時(shí)斷路器的地震反應(yīng)。分析了減震器的減震效果，對(duì)斷路器的抗震性能作了評(píng)定。

1 有限元模型

1.1 斷路器及有限元模型

LW36-252/T 3150-40型瓷柱式SF6斷路器由北京北開電氣股份有限公司生產(chǎn)，適用于開斷重要負(fù)荷的場(chǎng)所。可作為發(fā)電廠、變電所等輸配電系統(tǒng)的控制和保護(hù)開關(guān)，亦可作為電力系統(tǒng)的控制和保護(hù)之用的聯(lián)絡(luò)斷路器。

斷路器總高為7.165m，實(shí)體圖片及利用ANSYS建立的LW36-252型瓷柱式SF6斷路器的有限元模型如圖1所示。底座支架采用梁?jiǎn)卧?，鋼板采用殼單元，瓷柱和法蘭采用體單元模擬。單元總數(shù)為1918個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為3520。其中梁?jiǎn)卧?72個(gè)，殼單元277個(gè)，體單元1360個(gè)。斷路器的組成材料主要為鋼和瓷，鋼的彈性模量取2.1e11 N/m2、密度取7800kg/m3、泊松比取0.3；瓷套的彈性模量取1.2e11 N/m2、密度取4700kg/m3、泊松比取0.3。未安裝減震器時(shí)，阻尼比取0.039；安裝減震器時(shí)，阻尼比取0.045。

1.2 鉛合金減震器

鉛合金減震器利用鉛合金的塑性變形來(lái)吸收地震能量，能有效提高電氣設(shè)備的抗震能力，具有耐老化、耗能性能穩(wěn)定、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù) LW36-252 /T3150-40型瓷柱式 SF6斷路器的特點(diǎn)，定制了相應(yīng)的鉛合金減震器，并通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定了減震器的力學(xué)性能，拉壓滯回曲線及由滯洄環(huán)頂點(diǎn)的連線確定的骨架曲線如圖2所示。鉛合金減震器安裝在斷路器底座4個(gè)柱腳處，只允許柱腳作豎向震動(dòng)。減震器采用COMBIN39彈簧單元模擬，本構(gòu)關(guān)系采用圖2所示的力-位移骨架曲線。

圖1 斷路器及有限元模型Fig. 1 Circuit-breaker and its finite element model

圖2 鉛合金減震器滯回曲線及骨架曲線Fig. 2 Hysteretic and skeleton curves of the lead alloy absorber

2 輸入時(shí)程

2.1 IEEE Std 693推薦時(shí)程

IEEE Std 693-2005《變電站抗震設(shè)計(jì)推薦規(guī)程》（IEEE Std 693，2005；尤紅兵等，2009）是美國(guó)現(xiàn)行變電所電氣設(shè)備抗震設(shè)計(jì)與性能測(cè)試的主要參考文件，對(duì)我國(guó)相關(guān)規(guī)范的制定和修改具有重要參考價(jià)值。

IEEE Std 693-2005定義了高、中、低3個(gè)基本抗震考核水平，加速度峰值分別為0.5g、0.25g、0.1g。并規(guī)定凡電氣設(shè)備通過(guò)與相應(yīng)水準(zhǔn)要求反應(yīng)譜（RRS）相符的地震動(dòng)時(shí)程，其抗震性才滿足相應(yīng)水準(zhǔn)抗震水平。為滿足客戶的更高要求，還定義了高、中2個(gè)抗震性能水平（Performance Level，簡(jiǎn)稱PL），反應(yīng)譜值為相應(yīng)RRS的2倍，加速度峰值分別為1.0g、0.5g。豎向加速度峰值為水平向加速度峰值的80%。

現(xiàn)在許多出口到美國(guó)的電氣設(shè)備，均需按IEEE Std 693 相關(guān)規(guī)定進(jìn)行抗震性能評(píng)定。為此，本文選擇IEEE Std 693-2005推薦的時(shí)程進(jìn)行分析計(jì)算，加速度時(shí)程及反應(yīng)譜（阻尼比5%）如圖3、圖4所示。該時(shí)程頻帶比較寬，反應(yīng)譜包絡(luò)相應(yīng)水準(zhǔn)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)譜（圖4）；持時(shí)大于20s；強(qiáng)度比達(dá)到60%；單自由度體系高振幅循環(huán)數(shù)分布較好，滿足IEEE Std 693-2005的所有要求（Shakhzod等，2005）。

圖3 輸入時(shí)程Fig. 3 The input time history

圖4 輸入時(shí)程加速度反應(yīng)譜Fig. 4 The acceleration response spectra of the input time history

2.2 汶川地震波

什邡八角臺(tái)站記錄了汶川地震主震的加速度，其 3個(gè)方向的最大加速度分別為 556.2 cm/s2、581.6 cm/s2、633.1cm/s2。廣元曾家臺(tái)站記錄的最大加速度幅值分別為：410.5cm/s2、424.5 cm/s2、183.3 cm/s2。加速度時(shí)程及反應(yīng)譜（阻尼比5%）如圖3、圖4所示。

選擇上述2個(gè)臺(tái)站的記錄作為計(jì)算輸入，一方面是考慮到加速度峰值較大，廣元曾家臺(tái)站的2個(gè)水平分量超過(guò)了0.4g，而什邡八角臺(tái)站的記錄接近0.6g，并且什邡八角臺(tái)站的豎向記錄最大為633.1cm/s2，超過(guò)了2個(gè)水平分量；另一方面，所選加速度的主頻接近斷路器自振頻率。什邡八角臺(tái)站記錄的反應(yīng)譜平臺(tái)段較寬（圖4），2個(gè)水平分量在2.0—6.0Hz之間幅值較大，主頻約為3.4Hz；而廣元曾家臺(tái)站的2個(gè)水平記錄的主頻約為2.7Hz。

3 結(jié)果分析

3.1 自振特性

利用模態(tài)分析，得到了未安裝減震器和安裝減震器后斷路器的前6階自振頻率，如表1所示。從表1可以看出，安裝減震器能降低斷路器的自振頻率，并通過(guò)改變結(jié)構(gòu)的自振周期而降低設(shè)備的地震反應(yīng)。同時(shí)，利用鉛合金的塑性變形來(lái)吸收地震能量，達(dá)到了減震的目的。為說(shuō)明斷路器的振型特性，圖5給出了安裝減震器后斷路器的前6階模態(tài)振型。其中前4階振型以X、Y方向的彎曲振動(dòng)為主，第5階振型以扭轉(zhuǎn)振動(dòng)為主。

表1 斷路器自振頻率Table 1 Natural frequency of the circuit-breaker

圖5 斷路器前6階模態(tài)振型Fig. 5 The Circuit-breaker vibration models of the first six orders

斷路器的前4階自振頻率在1.8—8.3Hz之間，而IEEE Std 693-2005標(biāo)準(zhǔn)譜平臺(tái)段為1.1—8.0Hz，什邡八角臺(tái)站記錄的反應(yīng)譜平臺(tái)段為 2.0—6.0Hz。由于大多地震動(dòng)的卓越頻率均在1—10Hz之間，與斷路器自振頻率接近。因此，在地震波作用下，斷路器容易產(chǎn)生共振，發(fā)生破壞。斷路器的豎向一階頻率分別為56.514Hz（未減震）、43.157Hz（減震），頻率較高。一般情況下，豎向地震對(duì)斷路器的破壞較小。

3.2 減震效果分析

為研究減震器的減震效果，分別進(jìn)行了5種工況的計(jì)算：IEEE 693推薦時(shí)程，加速度幅值分別為0.25g、0.5g、1.0g；什邡八角波及廣元曾家波，加速度幅值均不調(diào)整。斷路器頂部的加速度反應(yīng)如圖6、圖7、圖8所示。斷路器頂部最大加速度和瓷套最大應(yīng)力統(tǒng)計(jì)如表2、表3所示。減震效果定義為未減震值與減震值的差除以未減震值。

表2 斷路器頂部最大加速度Table 2 Peak acceleration at the top of the circuit-breaker

表3 斷路器瓷套最大應(yīng)力Table 3 The maximum stress of the porcelain bushing

圖6 頂部加速度時(shí)程（IEEE 693 0.5g）Fig. 6 The top acceleration time history（IEEE 693 0.5g）

圖7 頂部加速度時(shí)程（什邡八角波）Fig. 7 The top acceleration time history（Shifang-Bajiao records）

圖8 頂部加速度時(shí)程（廣元曾家波）Fig. 8 The top acceleration time history（Guangyuan-Zengjia records）

從圖6—圖8及表2中可以看出，安裝鉛合金減震器能有效降低斷路器頂部的水平向加速度幅值，具有良好的減震效果。輸入加速度峰值越大，減震效果也相對(duì)越好。當(dāng)輸入IEEE693推薦時(shí)程、加速度幅值為0.25g時(shí)，X、Y向的減震效果分別為34.9%、22.6%；當(dāng)加速度幅值增大到1.0g時(shí)，X、Y向的減震效果分別達(dá)到了52.7%、48.2%，均顯著增大。輸入加速度的峰值影響鉛合金減震器的塑性變形，進(jìn)而影響減震效果。輸入加速度幅值越大，鉛合金減震器的塑性變形越大，吸收地震能量越多，減震效果也越好。綜合上述5種計(jì)算工況，斷路器頂部水平向加速度的平均減震效果為 40.7%。即安裝減震器后，頂部水平向加速度峰值平均降低了40.7%，最小為22.6%，最大達(dá)56.8%。但鉛合金減震器對(duì)豎向加速度的減震效果不明顯，一般低于20%，還有待進(jìn)一步改進(jìn)。

斷路器瓷套的允許應(yīng)力為45MPa，底部瓷套在地震中受力最大，更容易破壞。下面以底部瓷套為例，說(shuō)明減震器的減震效果。從表3中可以看出，安裝鉛合金減震器能有效降低斷路器瓷套的最大應(yīng)力，具有良好的減震效果。當(dāng)輸入IEEE693推薦時(shí)程時(shí)，底部瓷套最大應(yīng)力的減震效果分別為17.3%（0.25g）、22.5%（0.5g）、38.5%（1.0g），輸入加速度幅值越大，減震效果也相對(duì)越好。當(dāng)未安裝減震器時(shí)，在 IEEE693（1.0g）和什邡八角波輸下，瓷套應(yīng)力超過(guò)了允許應(yīng)力，瓷套可能斷裂。安裝減震器后，瓷套應(yīng)力均未超過(guò)允許應(yīng)力，保證了斷路器的安全。

圖9給出了不同地震波輸入下，減震器的內(nèi)力-變形滯回曲線。從圖9可知，滯回曲線較飽滿，具有較好的耗能性能，從而有效降低了瓷套的應(yīng)力。另外，減震器產(chǎn)生的位移僅 4—6mm，對(duì)斷路器頂部的位移影響不大。

圖9 不同地震波輸入下減震器滯回曲線Fig. 9 The hysteretic curves of the lead alloy absorber for different input time history

3.3 斷路器抗震性能分析

根據(jù)IEEE Std 693-2005的相關(guān)規(guī)定，應(yīng)以振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果作為此斷路器抗震性能評(píng)定的依據(jù)。本文以計(jì)算結(jié)果給出的抗震性能分析，可作為抗震性能評(píng)定的參考。

IEEE Std 693-2005規(guī)定：瓷套所受應(yīng)力不超過(guò)允許應(yīng)力的50%。斷路器瓷套的允許應(yīng)力為45MPa，則瓷套的地震反應(yīng)不應(yīng)超過(guò)22.5MPa。表3中只有加速度幅值為0.25g時(shí)，瓷套的最大應(yīng)力為16.2MPa（未減震）小于22.5MPa。同時(shí)斷路器無(wú)其他破壞。通過(guò)了與中等水準(zhǔn)要求反應(yīng)譜（RRS）相符的地震動(dòng)時(shí)程檢驗(yàn)，可達(dá)到中等水準(zhǔn)抗震水平。

加速度幅值為0.5g、1.0g時(shí)，無(wú)論是減震還是未減震情況下，底部瓷套的最大應(yīng)力均超過(guò)了22.5MPa，不符合IEEE Std 693-2005要求。因此，LW36-252 /T3150-40型瓷柱式SF6斷路器達(dá)不到高等水準(zhǔn)抗震水平。

在什邡八角波作用下，瓷套未減震時(shí)的最大應(yīng)力為53.7MPa，大于允許應(yīng)力，瓷套破壞。這也是汶川地震中斷路器破壞嚴(yán)重的主要原因。若安裝減震器后，瓷套應(yīng)力為32.5MPa，小于允許應(yīng)力，瓷套可避免破壞。在廣元曾家波作用下，瓷套的最大應(yīng)力均小于允許應(yīng)力。若不考慮其他因素，斷路器是安全的。

4 結(jié)語(yǔ)

利用ANSYS，建立了LW36-252 /T3150-40型瓷柱式SF6斷路器的有限元模型。并以IEEE Standard 693推薦時(shí)程和汶川地震典型時(shí)程作為地震輸入，計(jì)算了支架底部未安裝與安裝鉛合金減震器時(shí)斷路器的地震反應(yīng)。同時(shí)分析了減震器的減震效果，對(duì)斷路器的抗震性能給出了以下初步評(píng)定。

（1）安裝鉛合金減震器能有效降低斷路器頂部的水平向加速度幅值以及底部瓷套的最大應(yīng)力，具有良好的減震效果。輸入加速度峰值越大，減震效果也相對(duì)越好，平均減震效果可達(dá)40%。

（2）鉛合金減震器對(duì)豎向加速度的減震效果不明顯，還有待進(jìn)一步改進(jìn)。

（3）按照IEEE Std 693-2005的相關(guān)要求，LW36-252 /T3150-40型瓷柱式SF6斷路器可達(dá)到中等水準(zhǔn)抗震水平，但達(dá)不到高等水準(zhǔn)抗震水平。

（4）應(yīng)進(jìn)一步開展電氣設(shè)備的減震、隔震研究工作，推廣減震、隔震技術(shù)的應(yīng)用。

李旭，鞠彥忠，李霞，2009. 高壓斷路器的抗震性能分析. 華東電力，37（4）：618—620.

李亞琦，2002. 電瓷型高壓電氣設(shè)備體系抗震性能分析（博士論文）.北京：中國(guó)地震局地球物理研究所.

李亞琦，李小軍，劉錫薈，2005. 鉛合金減震的動(dòng)力特性及適用范圍. 地震學(xué)報(bào)，27（1）：86—95.

謝強(qiáng)，王亞非，魏思航，2009. 軟母線連接的變電站開關(guān)設(shè)備地震破壞原因分析. 電力建設(shè)，30（4）：10—14.

姚德康，李紹敏，周錫元，2000. 彎剪型鉛合金減震器，中國(guó)發(fā)明專利，CN2407179.

尤紅兵，田學(xué)民，趙鳳新等，2008. 汶川大地震及電力系統(tǒng)抗震研究. 動(dòng)力與電氣工程師，5（2）：27—30.

尤紅兵，趙鳳新，劉錫薈，2009. 美國(guó)《變電站抗震設(shè)計(jì)推薦規(guī)程》評(píng)介. 電力建設(shè)，30（6）：43—47.

于永清，李光范，李鵬等，2008. 四川電網(wǎng)汶川地震電力設(shè)施受災(zāi)調(diào)研分析. 電網(wǎng)技術(shù)，32（11）：1—6.

文波，牛荻濤，張俊發(fā)等，2009. 隔震技術(shù)在高壓電力設(shè)施中的應(yīng)用. 工業(yè)建筑，39（1）：36—41.

IEEE Standard 693, 2005. Recommended Practice for Seismic Design of Substations. Institute of Electrical and Electronic Engineers, USA.

JEAG 5003, 1998.《電氣設(shè)備抗震設(shè)計(jì)指南》. 日本.

Saadeghvaziri M.A. and Feng M., 2001. Experimental and Analytical Study of Base-Isolation for Electric Power Equipment, Research Progressand Accomplishment, State U. New York at Buffalo, U.S.

Selahattin Ersoy, M. Ala Saadeghvaziri, Gee-Yu Liu, 2001. Analytical and Experimental Seismic Studies of Transformer Isolated with Friction Pendulum System and Design Aspects. Earthquake Spectra, 17（4）：569—595.

Shakhzod M. Takhirov, Gregory L. Fenves, Fujisaki Eric, 2005. Ground Motions for Earthquake Simulator Qualification of Electrical Substation Equipment, PEER-2004/07, Pacific Earthquake Engineering Research Center, University of California, Berkeley, USA.

The Anti-seismic Performance Analysis of the Porcelain Knob Type SF6 High-Voltage Circuit-Breaker

You Hongbing and Zhao Fengxin
( China Earthquake Disaster Prevention Center, Beijing 100029, China)

Improving anti-seismic capacity of the electrical equipments is of great significance forthe performance analysis of circuit-breaker and seismic-reduced effect of the lead alloy absorber. Baesd on ANSYS, the finite element model of the LW36-252 /T3150-40 porcelain knob type SF6 high-voltage circuit-breaker is built. The recommended acceleration time history by IEEE Standard 693 and typical records of the Wenchuan 8.0 earthquake are selected for input motions. The seismic responses of circuit-breaker are calculated for uninstalling and installing lead alloy absorber at the bottom of the support respectively. The seismic-reduced effect of the lead alloy absorber and the antiseismic performance of the circuit-breaker are analyzed. The lead alloy absorber has good seismic-reduced effect and can effectively improve the anti-seismic capacity of the electrical equipments. This circuit-breaker is qualified to the moderate seismic level according to IEEE Std 693-2005.

Circuit-breaker; Lead alloy absorber; IEEE std 693; Seismic-reduced effect; Anti-seismic performance

尤紅兵，趙鳳新，2010. 瓷柱式SF6高壓斷路器抗震性能分析. 震災(zāi)防御技術(shù)，5（4）：418—427.

地震行業(yè)科研專項(xiàng)（工業(yè)電氣設(shè)備地震安全研究，編號(hào)：200708034）資助

2010-05-16

尤紅兵，男，生于1970年。副研究員。主要研究領(lǐng)域：地震工程。E-mail: hbyou@126.com