電瓷型高壓電氣設(shè)備的抗震試驗及有限元分析

張軍，齊立忠，李科文，陳大斌

(國網(wǎng)北京經(jīng)濟技術(shù)研究院，北京市，100052)

0 引言

我國地處世界上2個最活躍的地震帶之間，東瀕環(huán)太平洋地震帶，西部和西南部是歐亞地震帶所經(jīng)過的地區(qū)，是世界上多地震的國家之一。我國地震活動不僅頻度高，強度大，而且地震活動的范圍很廣［1］。自20世紀60年代以來，我國發(fā)生了10幾次對電氣設(shè)備造成較大震害的地震，特別是2008年5月12日，四川汶川發(fā)生的8.0級地震對電網(wǎng)設(shè)備、設(shè)施造成重大損失［2］。

震后調(diào)研情況顯示斷路器、避雷器、隔離開關(guān)、互感器等電瓷型高壓電氣設(shè)備的破壞率非常高，是變電站功能失效的主要因素;另外，這些破壞數(shù)量多，范圍廣，遍布各個電壓等級，十分典型。地震所造成的電氣設(shè)備損傷主要表現(xiàn)為絕緣瓷瓶斷裂、設(shè)備傾斜或跌落。目前國內(nèi)電氣設(shè)備抗震研究較少，因此對電瓷型高壓電氣設(shè)備進行振動試驗及有限元分析研究具有重要的現(xiàn)實意義。

1 振動臺試驗研究

通過典型結(jié)構(gòu)的足尺真型振動臺試驗，測定各個模型在不同地震作用下關(guān)鍵部位加速度、應(yīng)變等主要參數(shù)，以此來確定結(jié)構(gòu)本身的動力特性、抗震性能以及設(shè)備支架和上部設(shè)備連接處的受力性能，為綜合評定結(jié)構(gòu)的抗震性能和結(jié)構(gòu)設(shè)計方法提供參考［3］。此外，根據(jù)試驗得到的數(shù)據(jù)來驗證理論計算模型的正確性與合理性。

1．1 試驗對象的選取

本試驗選取了地震中損壞比較典型的220 kV絕緣子及避雷器設(shè)備。采用的絕緣子和避雷器均為實際工程中所用的產(chǎn)品，試驗屬于足尺寸真型試驗。支柱絕緣子采用的是干法工藝生產(chǎn)的高強瓷戶外棒型支柱絕緣子，型號為ZSW－252/10K－3，由西安西電高壓電瓷有限責(zé)任公司生產(chǎn)。220 kV氧化鋅避雷器型號為Y10W5－204/532W，由西安西電避雷器有限責(zé)任公司生產(chǎn)。

絕緣子和避雷器支架結(jié)構(gòu)分別采用φ250 mm×6 mm及φ300 mm×6 mm兩種不同直徑的鋼管，故試驗?zāi)Ｐ凸灿?個:JYZ－250、JYZ－300、BLQ－250、BLQ －300。

1．2 地震波的選取

地震加速度波形的特性常用三要素(加速度峰值、頻譜特性和持續(xù)時間)來描述。輸入不同性質(zhì)的地震加速度波形，結(jié)構(gòu)的時程反應(yīng)差別很大［4］。加速度曲線可直接選用強震記錄的地震數(shù)據(jù)曲線，也可按結(jié)構(gòu)擬建場地類別的反應(yīng)譜特性擬合的人工地震波。選用人工合成地震波時，持續(xù)時間不宜少于20 s［5］。

為了模擬多種場地條件，本次試驗選用3條地震波作為模擬地震振動臺臺面輸入波，分別為:EL-centro波(N-S)、Taft波(E-W)和上海人工地震波2(簡稱人工波)。

EL-centro波是1940年5月18日美國加州Imperial Valley地震記錄的加速度時程，持時53.73 s，適合Ⅱ類場地土，它是廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)試驗及地震反應(yīng)分析的經(jīng)典地震記錄。試驗中選取N-S分量作為臺面輸入，峰值加速度為341.7 cm/s2。

Taft波是1952年7月21日美國California地震記錄的加速度時程，持時54.38 s，場地土屬Ⅲ類，試驗中選取E-W分量作為臺面輸入，峰值加速度為175.9 cm/s2。

上海人工地震波2，由上海市建筑抗震設(shè)計規(guī)程提供，是適合上海Ⅳ類場地的人工擬合地震波。

各條原型地震波的加速度時程曲線見圖1～3所示。

圖3 原型人工波的加速度時程曲線Fig.3 Time-history curve of acceleration for prototype artificial wave

1．3 試驗分析

4個模型一起安裝到振動臺臺面上，對振動臺輸入振動波，震動烈度為7度多遇至9度罕遇，并將相近的情況進行歸并，加速度取值分別為:0.035 g、0.1 g、0.2 g、0.4 g、0.62 g，期間利用白噪聲進行掃頻檢查結(jié)構(gòu)內(nèi)部是否破壞。

在試驗過程中，隨著輸入地震波量級的增大，設(shè)備發(fā)生的晃動越來越明顯，但根據(jù)頻譜分析，模型的自振頻率變化不大，表明模型內(nèi)部剛度并未明顯下降。4個模型中避雷器模型的晃動較絕緣子明顯，其中以BLQ－250模型的反應(yīng)最為強烈。試驗進行到輸入的地震烈度達到9度罕遇Taft波時，BLQ－250模型從瓷座根部發(fā)生斷裂，故實際試驗只進行到此次工況為止。

2組模型在不同工況作用下，支架頂部加速度峰值的對比見圖4～5，可以看出輸入3條地震波各模型動力響應(yīng)趨勢一致，但每條波對應(yīng)的加速度峰值有所不同。

由試驗結(jié)果可以看出:采用φ250 mm×6 mm支架形式的電氣設(shè)備試驗時頂部的放大系數(shù)要比采用φ300 mm×6 mm支架形式大，前者約為后者的1.1～1.2倍，說明剛度較大，加速度放大系數(shù)較小。圖6為試驗的現(xiàn)場破壞現(xiàn)象。

圖4 JYZ－250和JYZ－300支架頂部加速度峰值對比Fig.4 Comparison between peak accelerations at top of JYZ－250 and JYZ－300 brackets

2 有限元分析

2．1 計算模型

利用ANSYS有限元程序，計算分析不同類型的電力設(shè)施在地震作用下的地震響應(yīng)，既是對試驗結(jié)果的對比驗證，也可由此提出合理有效的有限元分析模型，對其他類型的電力設(shè)施的抗震性能進行研究。

本文計算模型采用Beam188梁單元，Beam188單元適合于分析從細長到中等粗短的梁結(jié)構(gòu)，該單元基于鐵木辛哥梁結(jié)構(gòu)理論［6］，并考慮了剪切變形的影響。建立的220 kV避雷器的有限元模型同樣采用由西安西電避雷器有限責(zé)任公司生產(chǎn)，型號為Y10W5－204/532W的220 kV氧化鋅避雷器。如圖7所示，梁單元Beam188以實體的形式顯示，單元總數(shù)為50個。

圖7 220 kV避雷器有限元模型Fig.7 FE model of 220kV arrestor

2．2 動力特性分析

選取EL-centro波(南北)前30 s，然后根據(jù)所需的最大加速度值不同對 EL-centro波做出調(diào)整。220 kV避雷器支架結(jié)構(gòu)分別采用φ250 mm×6 mm及φ300 mm×6 mm兩種不同直徑的鋼管，故模型共有2個:BLQ－250、BLQ－300。

避雷器支架和設(shè)備頂部絕對加速度最大值詳見表1，避雷器下部瓷套管根部應(yīng)變最大值詳見表2。表中均有試驗對比數(shù)據(jù)。

表1 避雷器支架和設(shè)備頂部絕對加速度最大值與放大系數(shù)Tab.1 Absolute maximum acceleration and amplification coefficient at top of arrestor bracket and equipment

表2 瓷套管根部應(yīng)變最大值Tab.2 Maximum strains at foot of porcelain pipe

通過有限元計算分析與試驗數(shù)據(jù)對比，認為選取的模型及分析方法是合理的，所得的結(jié)果是可靠的，同樣可適用于其他類型的電氣設(shè)備。

通過有限元計算與試驗結(jié)果的對比，發(fā)現(xiàn)存在誤差，經(jīng)分析原因如下:首先，由于有限元法是一種近似的數(shù)值分析方法，模型的精度直接影響結(jié)果的精確度，而僅考慮結(jié)構(gòu)的整體反應(yīng)，因此在建模的時候做了一定簡化，而且模型中各種材料的參數(shù)均為理想材料參數(shù)，與試驗中的真實材料可能存在差別;其次，針對每種設(shè)備，振動臺1次只能對1臺設(shè)備進行試驗，其結(jié)果的普遍意義有局限性;設(shè)備在生產(chǎn)加工過程中的缺陷，材料特性分布不均勻以及振動臺試驗設(shè)備條件的限制，都可能使試驗結(jié)果有所偏差，從而造成與有限元結(jié)果產(chǎn)生誤差。

電氣設(shè)備共采用220 kV支柱絕緣子、220 kV避雷器、500 kV斷路器、750 kV避雷器和750 kV電壓互感器3個電壓等級4種設(shè)備類型的原型結(jié)構(gòu)進行有限元計算分析。這些設(shè)備的主要計算數(shù)據(jù)如表3～4所示，表中含試驗對比數(shù)據(jù)。

表3 220 kV絕緣子和避雷器試驗和有限元數(shù)據(jù)Tab.3 Results of 220 kV insulator and arrestor and FEA

表4 500和750 kV設(shè)備的有限元數(shù)據(jù)Tab.5 FEA results of 500 kV and 750 kV equipment

經(jīng)有限元計算分析，其中220 kV絕緣子和避雷器支架直徑為250 mm時，其動力放大系數(shù)大于直徑為300 mm的支架，前者約是后者的1.1倍，與試驗結(jié)果基本一致。

GB 50260—96《電力設(shè)施抗震規(guī)范》［7］中規(guī)定，當(dāng)僅對電氣設(shè)備本體進行抗震設(shè)計，彎矩、剪力及水平加速度均應(yīng)乘以支承結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)放大系數(shù)，對安裝在室外的電氣設(shè)備，其設(shè)備支架動力放大系數(shù)取1.0～1.2。

由試驗數(shù)據(jù)與有限元計算分析可以發(fā)現(xiàn)，500 kV斷路器、750 kV避雷器和互感器，自振頻率低(0.86～1.58 Hz)，設(shè)備重量大，其支架的動力放大系數(shù)為2.26～2.49，與規(guī)范建議的取值相差較大。

220 kV絕緣子和避雷器自振頻率較高(3.8～7.5 Hz)，設(shè)備重量小，在按照規(guī)范5.4.4條要求輸入人工合成地震波時，4個試件的動力放大系數(shù)為1.23～1.56，均大于規(guī)范取值1.2;且在EL-centro波和Taft波形下，試驗及計算動力放大系數(shù)為1.5～2.25，與規(guī)范5.2.6條規(guī)定的1.0～1.2仍存在較大差距。

通過對電氣設(shè)備應(yīng)力應(yīng)變分析，可知220 kV絕緣子和避雷器，在7～9度地震作用時，基本處于安全狀態(tài)。綜合各項分析數(shù)據(jù)，建議絕緣子支架取φ250 mm×6 mm，避雷器支架取φ300 mm×6 mm;500 kV斷路器、750 kV避雷器和互感器在8度罕遇(0.4 g)及其以上地震作用時，材料處于接近或超過屈服極限狀態(tài)，設(shè)備有發(fā)生破壞的可能。

3 結(jié)論

(1)電瓷型高壓電氣設(shè)備的抗震性能較差，電壓等級越高越明顯。在高烈度地震區(qū)建議采用罐式斷路器或GIS(gas insulated metal-enclosed switchgear)設(shè)備，降低設(shè)備高度，提高抗震能力。

(2)真型試驗與理論計算均表明，支架對其上部電瓷型高壓電氣設(shè)備的動力放大系數(shù)波動范圍很大，且往往遠大于1.2。GB 50260—96《電力設(shè)施抗震設(shè)計規(guī)范》中設(shè)備支架動力放大系數(shù)的規(guī)定偏小，建議支架、電氣設(shè)備本體整體計算。

(3)電瓷型高壓電氣設(shè)備一般為體形細高且呈脆性的瓷件作為絕緣套管或承重立柱，抗彎性能很差。提高瓷套管強度，在基礎(chǔ)上采用減震、隔震措施均可有效提高其抗震性能。

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