特高壓干式平波電抗器的抗震性能試驗研究＊

范書立，陳健云，李 靜

（1．大連理工大學海岸與近海工程國家重點實驗室，遼寧 大連 116024；2．大連理工大學建設(shè)工程學部，遼寧 大連 116024）

引 言

隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，為了適應大容量遠距離輸電的需要，世界上一些國家如俄羅斯、美國、日本、意大利、輸電網(wǎng)作為國家重大經(jīng)濟命脈，其局部的破壞都會給國家造成巨大的經(jīng)濟損失。地震是在設(shè)計電氣設(shè)備尤其是高壓、超高壓電氣設(shè)備時考慮的重要環(huán)境條件之一，國內(nèi)外歷次大地震的統(tǒng)計表明電力系統(tǒng)的地震易損性是極高的，抗震問題已經(jīng)被作為繼電、磁、熱、力之后，變壓器的第5項可靠性指標來考核［1］。西南地區(qū)是中國最大的水電基地，又是主要的高烈度地震區(qū)之一，作為“西電東送”主干線的向家壩－上海、溪洛渡左－株洲、溪洛渡右－浙西、錦屏－蘇州南線，都面臨抗震的問題。而且該地區(qū)電網(wǎng)線路多處于高山峽谷，地質(zhì)地形條件復雜，對于電網(wǎng)電力設(shè)施的抗震性能要求很高。因此，研究電力設(shè)施的抗震性能具有重要的理論和實際意義。

然而從“電力設(shè)施抗震設(shè)計規(guī)范”來看，電氣設(shè)備的抗震問題并沒有同發(fā)電設(shè)施，比如核電安全殼、擋水大壩那樣得到足夠的重視。從20世紀80年代開始，中國的一些學者才開展了對電氣設(shè)施的的抗震研究工作［2］。在電氣設(shè)施的振動臺模型試驗方面，李子國、郭振巖等對小型變壓器進行了振動臺試驗研究［1，3］。羅夢潔等對對疊裝式空心電抗器模型進行試驗模態(tài)分析［4］，并研究了共振情況下支柱的動應力。曹枚根等對大型變壓器及套管體系進行了振動臺試驗研究［5］，提出了三等級變壓器抗震能力考核水平的新概念。為了考察連接導線對所連接的設(shè)備的影響，謝強等進行了軟導線連接的220kV斷路器和隔離開關(guān)的數(shù)值分析和地震模擬振動臺實驗研究［6～8］。胡曉等對電抗器進行了現(xiàn)場原型動力試驗［9］，只是研究了特定安裝方式下電抗器的動力特性。

平波電抗器是特高壓直流換流站的重要設(shè)備之一，以其成本低、質(zhì)量輕、運輸方便、現(xiàn)場安裝簡單和運行維護費用低等特點，在多條輸電線路中得到應用［10］。平波電抗器與一般結(jié)構(gòu)最大的區(qū)別在于其頂部具有較大的質(zhì)量，而且由于處于頂部，對地震荷載更為敏感，由脆性瓷件作絕緣套管或承重立柱，抗震能力較低。本文針對平波電抗器本身的特點，設(shè)計了振動臺試驗模型，對其動力特性和關(guān)鍵部位的加速度、位移、應力或應變等地震響應特點進行了研究，分析其抗震能力薄弱環(huán)節(jié)。為改進特高壓平波電抗器的抗震設(shè)計，提高其抗震能力提供參考。

1 振動臺試驗概況

1．1 試驗模型相似比尺及設(shè)計

某超高壓輸變電線路平波電抗器，電抗器結(jié)構(gòu)上部結(jié)構(gòu)高4．22m，采用8根高強玻璃鋼支柱絕緣子支撐，支柱絕緣子總高12．27m，由5節(jié)元件總裝成柱。有機玻璃鋼絕緣子直徑為280mm，每節(jié)絕緣子之間用法蘭連接，結(jié)構(gòu)總重38t。

根據(jù)模型試驗的目的不同，可以提出不同的相似要求，對于高聳結(jié)構(gòu)需要考慮P－Δ效應，重力作用不容忽視［11］，故本文采用彈性力－重力相似進行模型設(shè)計。質(zhì)量相似比尺通過在模型上增加配重的方法滿足，模型與原型之間各物理量的相似比尺如表1所示。絕緣子及上部結(jié)構(gòu)按比尺制作，模型總高度2．08m，模型材料選用聚丙烯樹脂，質(zhì)量密度ρ＝1 224kg／m3，靜彈性模量Ej＝2 500MPa，動彈性模量Ed＝3 742MPa。模型底部通過底座與振動臺面連接，試驗模型見圖1。

表1 模型試驗相似比尺Tab．1 Scales of model similarity

圖1 電抗器振動臺試驗模型Fig．1 The model of reactor on shaking table

1．2 試驗設(shè)備及測點布置

試驗在大連理工大學振動與強度測試中心抗震試驗室地震模擬臺上進行，信號采集系統(tǒng)是由美國國家儀器公司（NI）的PXI－1044＋SCXI1001－1520型數(shù)據(jù)采集處理分析系統(tǒng)，主要利用由日本AR－5F型號加速度傳感器、日本東京測器的FLA－5－8型應變計以及美國MOI公司的Si425型光纖數(shù)據(jù)采集儀。

試驗中的加速度測點布置在結(jié)構(gòu)模型的各層，在結(jié)構(gòu)頂層和4層夾層布設(shè)AR－5F型單向加速度傳感器，另外，在臺面上均布置了AR－5F型加速度傳感器；加速度傳感器測點共有10個。

加速度傳感器從臺面到電抗器頂部布設(shè)，應變片均勻布置在支柱A和B的底部到支柱頂部（電抗器底部），每根支柱布設(shè)6個測點，其中支柱A和B分別與激振方向的夾角分別為15°和45°。

1．3 試驗方案

試驗首先采用單向白噪聲隨機波對結(jié)構(gòu)進行激振，測定結(jié)構(gòu)的頻率。白噪聲頻率范圍為0．5～50Hz，加速度幅值為（0．10～0．15）g，振動時間為30～60s。

本次振動臺試驗的主要目的是測試電抗器結(jié)構(gòu)的動力特性以及在8度地震條件下結(jié)構(gòu)的動力反應和抗震安全性，因此本次試驗分為隨機波、規(guī)范譜地震波輸入二部分。由隨機波輸入得到模型的各階振動頻率，以規(guī)范譜地震波輸入確定結(jié)構(gòu)的地震動響應及抗震安全性。

本項試驗研究遵照相應的規(guī)范［12，13］執(zhí)行。根據(jù)結(jié)構(gòu)動力特性，采用中軟場地土，根據(jù)規(guī)范反應譜生成地震波（以下簡稱規(guī)范譜地震波）進行結(jié)構(gòu)的地震動反應測試。地震波波形見圖2，模型試驗工況如表2所示。

表2 模型動力試驗采用的激勵工況Tab．2 Procedures of model test

圖2 模型試驗激振規(guī)范譜地震波Fig．2 Acceleration time history of input ground motions

2 主要試驗結(jié)果及結(jié)構(gòu)抗震安全評價

2．1 結(jié)構(gòu)模型動力特性

模型的第1階頻率為1．18Hz，第2階頻率約為21．19Hz，第3階頻率由于接近外界干擾噪聲的頻率，已經(jīng)很難分辨，在3次掃頻試驗中，自振頻率沒有發(fā)生變化，說明模型整體性能較穩(wěn)定。按比尺換算得到電抗器原型的基頻為0．42Hz，相對于中高壓電抗器，特高壓電抗器的基頻較低。

模型前兩階水平振型基本為剪切變形，第3階為水平振型，電抗器線圈整體出現(xiàn)微幅扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象，撐板也出現(xiàn)彎曲變形。

2．2 模型加速度響應

采用規(guī)范譜地震波輸入時，在各種激勵情況下，結(jié)構(gòu)的加速度反應見表3，放大系數(shù)沿結(jié)構(gòu)高度的分布見圖3。

模型加速度響應在各層均有不同程度的放大，頂層的放大作用最為明顯。在第1層撐板上放大系數(shù)約為1．14，第2層撐板上，放大系數(shù)約為1．42；第3層撐板上放大系數(shù)約為1．76；在4層撐板上放大系數(shù)約為2．08；到上部線圈結(jié)構(gòu)后，由于剛度較大，隨高度的增加，放大系數(shù)增加幅度較小，頂層放大系數(shù)為2．27。從圖3中還可以得出，放大系數(shù)并沒有隨著輸入地震動峰值的變化而發(fā)生變化，考慮豎向地震動的影響后，放大系數(shù)也沒有發(fā)生變化。

圖3 規(guī)范譜地震波激勵下模型的放大系數(shù)圖Fig．3 Distribution of acceleration amplification factor along the height of reactor model

在豎向地震動激勵下，結(jié)構(gòu)基本為整體平動，變形幅度很小，因此豎向地震動激勵對模型的水平向動力反應影響很小，考慮豎向地震波激勵僅與水平向地震動激勵相似，結(jié)構(gòu)的水平加速度分布以及峰值變化不大。

2．3 模型頂部位移變形

結(jié)構(gòu)的位移能夠真實反映結(jié)構(gòu)的變形情況，進而間接反映結(jié)構(gòu)內(nèi)力的大小。在各種地震波激勵下模型的頂部相對于結(jié)構(gòu)底部的變形見表3。

在水平和豎向地震動工作作用下，激振地震波加速度峰值為0．1g時，結(jié)構(gòu)頂部的水平向變形約4．80mm；峰值為0．2g時，結(jié)構(gòu)的變形為9．77mm；峰值為0．3g時，水平向變形為16．24mm。若不考慮豎向地震動的影響，頂部的位移略小，變化幅度在2%以內(nèi)。由模型變形結(jié)果按幾何比尺換算到原型，在地震輸入為0．1g（7度烈度）時，電抗器結(jié)構(gòu)頂部的水平地震變形為4cm，在地震輸入為0．2g（8度烈度）時，到達了7．8cm；而地震動輸入為0．3g時，則達到13．0cm，最大側(cè)移與高度比1／128，參照抗震規(guī)范的有關(guān)要求，電抗器整個系統(tǒng)滿足側(cè)移要求。

2．4 地震波輸入時模型的動應變響應

在輸入規(guī)范譜地震波對結(jié)構(gòu)模型進行激勵時，實測了各個激勵工況的模型支柱絕緣子關(guān)鍵部位的動應變見表4。各種情況下關(guān)鍵部位的動應變在電抗器支柱絕緣子上沿高度分布見圖4。

表3 各種工況下結(jié)構(gòu)的加速度響應及最大位移Tab．3 Acceleration and displacement response peak value in different cases

表4 各種工況下A支柱絕緣子各部位的最大動應變（με）Tab．4 Maximum strain value in different cases（με）

圖4 規(guī)范譜地震波激勵下各柱的最大應變響應Fig．4 Distribution of maximum strain along the height of reactor model

各試驗工況下，支柱絕緣子最大動應變響應出現(xiàn)A柱第一節(jié)支柱絕緣子根部法蘭與柱接觸的部位，其次是B柱第一節(jié)支柱絕緣子根部。在A和B柱的頂部法蘭與柱接觸部位也出現(xiàn)較大的動應變，其他各層的應變響應較小。

從表4中可以看出，考慮豎向地震動的影響后，支柱絕緣子各部位的動應變都有明顯的增大。地震動輸入為0．3g時，支柱絕緣子根部的動應變由868．8με增大為1 027．7με，增大了約18%，可見豎向地震動對絕緣子的動應變具有較大的影響。

2．5 結(jié)構(gòu)抗震安全評價

根據(jù)試驗結(jié)果計算得到支柱絕緣子各節(jié)在各種工況下的最大應力見表5。從表中可以看出，在規(guī)范譜地震波地震激勵下，換算到原型結(jié)構(gòu)后，當?shù)卣鸺铀俣确逯禐?．2g（8度地震烈度）時，最大應力出現(xiàn)在支柱絕緣子根部法蘭與玻璃鋼支柱接觸部位，約為6．69MPa；當?shù)卣鸺铀俣确逯禐?．3g時，最大應力值為9．86MPa，小于絕緣子的允許應力值為34MPa，滿足強度要求。

3 結(jié) 論

（1）本次模型抗震試驗制作的模型精度較高，試驗結(jié)果能夠較好地反映原型干式平波電抗器結(jié)構(gòu)的地震動力響應。

表5 各種工況下A支柱絕緣子各部位的最大最大應力（單位：MPa）Tab．5 Maximum stress value in different cases（Unit：MPa）

（2）在豎向地震動激勵下，結(jié)構(gòu)基本為整體平動，變形幅度很小，因此豎向地震動激勵對模型的水平向動力反應影響很小，考慮豎向地震波激勵與僅水平向地震動，結(jié)構(gòu)的位移、加速度分布變化不大，對動應變具有較大的影響，在電抗器抗震設(shè)計中需要考慮豎向地震的影響。

（3）干式平波電抗器結(jié)構(gòu)在規(guī)范譜波地震動作用下，結(jié)構(gòu)每節(jié)支柱絕緣子的應力均小于極限應力，安全系數(shù)大于1．67，可滿足8度地震烈度地區(qū)的抗震要求。

（4）在地震波激勵作用的情況下，絕緣子根部和頂部處于復雜應力狀態(tài)，其動反應大于中間部位，是地震作用下電抗器設(shè)備的易損部位。

因受模型試驗尺寸的限制，本次試驗沒有詳細模擬支柱絕緣子和頂部線圈連接的匯流排、支架及法蘭等細部結(jié)構(gòu)，這些也將會是電抗器設(shè)備的抗震薄弱部位。

［1］ 郭振巖．變壓器抗地震性能的研究［J］．變壓器，2005，42（B08）：13—31．

Guo Zhenyan．Research on performances of transformer against seism ［J］．Transformer，2005，42（B08）：13—31．

［2］ 楊亞弟，李桂榮．電氣設(shè)施抗震研究概述［J］．世界地震工程，1996，（2）：20—22．

Yang Yadi，Li Guirong．An introduction to aseismic research on electric equipments ［J］．World Information on Earthquake Engineering，1996，（2）：20—22．

［3］ 李子國，景麗英．S7－200／10變型變壓器抗震分析［J］．地震工程與工程振動，1997，17（4）：100—106．

Li Ziguo，Jing Liying．Seismic response analysis for S7－200／10power transformer structure ［J］．Earthquake Engineering and Engineering Vibration，1997，17（4）：100—106．

［4］ 羅孟杰，丁旭．三相疊裝式空心電抗器模型動態(tài)試驗分析［J］．沈陽工業(yè)大學學報，1998，20（1）：7—10．

Luo Mengjie，Ding Xu．Analysis of the laminate hollow reactor modal testing ［J］．Journal of Shenyang Polytechnic University，1998，20（1）：7—10．

［5］ 曹枚根，周福霖，譚平，等．大型電力變壓器及套管振動臺抗震試驗研究［J］．振動與沖擊，2011，30（11）：122—129．

Cao Meigen，Zhou Fulin，Tan Ping，et al．Shaking table test on seismic performance of large power transformer with bushings［J］．Journal of Vibration and Shock，2011，30（11）：122—129．

［6］ 謝強，王亞非．軟母線連接變電站電氣設(shè)備的地震響應分析［J］．中國電機工程學報，2010，30（34）：86—92．

Xie Qiang，Wang Yafei．Seismic response analysis of substation equipment interconnected by flexible bus［J］．Proceedings of the CSEE，2010，30（34）：86—92．

［7］ 謝強，王亞非．軟母線連接電氣設(shè)備地震模擬振動臺試驗研究［J］．中國電機工程學報，2011，31（4）：112—118．

Xie Qiang，Wang Yafei．Shake－table test on earthquake simulation of substation equipment interconnected by flexible bus［J］．Proceedings of the CSEE，2011，31（4）：112—118．

［8］ 謝強，王健生，楊雯，等．220kV斷路器抗震性能地震模擬振動臺試驗［J］．電力建設(shè)，2011，32（10）：10—14．

Xie Qiang，Wang Jiansheng，Yang Wen，et al．Shake table test on seismic performance of 220kV circuit breaker［J］．Proceedings of the CSEE，2011，32（10）：10—14．

［9］ 胡曉，邢國良，王建惠．（BKK20000／66）干式空心并聯(lián)電抗器現(xiàn)場原型動力試驗研究［J］．工程抗震，2004，（4）：35—37．

Hu Xiao，Xing Guoliang，Wang Jianhui．Prototype dynamic test of dry parallel reactor［J］．Earthquake Resistant Engineering，2004，（4）：35—37．

［10］王清璞，李文平，王冰．±800kV的壓直流輸電用干式平波電抗器久研發(fā)［J］．電力設(shè)備，2006，7（12）：11—14．

Wang Qingpu，Li Wenping，Wang Bing．R ＆ D of dry type smoothing reactor for±800kV HVDC power transmission ［J］．Electrical Equipment，2006，7（12）：11—14．

［11］林皋，朱彤，林蓓．結(jié)構(gòu)動力模型試驗的相似技巧［J］．大連理工大學學報，2000，40（1）：1—8．

Lin Gao，Zhu Tong，Lin Pei．Similarity technique for dynamic structural model test［J］．Journal of Dalian University of Technology，2000，40（1）：1—8．

［12］GB 50260－96．電力設(shè)施抗震設(shè)計規(guī)范［S］．北京：中國計劃出版社，1996．

GB 50260－96．Code for design of seismic of electrical installations［S］．Beijing：China Plan Publishing Company，1996．

［13］GB／T 13540－92．高壓開關(guān)設(shè)備抗地震性能試驗［S］．北京：中國標準出版社，1992．

CB／T 13540－92．Anti－seismic characteristic test for high－voltage switchgear［S］．Beijing：China Standards Press，1992．