500 kV 避雷器抗震性能振動臺試驗(yàn)研究

孟憲政，代澤兵，盧智成，朱祝兵，高坡

(中國電力科學(xué)研究院，北京市102401)

500 kV 避雷器抗震性能振動臺試驗(yàn)研究

孟憲政，代澤兵，盧智成，朱祝兵，高坡

(中國電力科學(xué)研究院，北京市102401)

通過500 kV避雷器設(shè)備的振動臺抗震試驗(yàn)，研究標(biāo)準(zhǔn)時程波對避雷器設(shè)備抗震性能評估的適用性?？拐鹪囼?yàn)過程中進(jìn)行單向輸入和雙向輸入，輸入波形包括人工標(biāo)準(zhǔn)時程波、EL Centro地震波、Taft地震波和共振拍波。試驗(yàn)結(jié)果表明，在相同地震等級的上述4種地震波的作用下，標(biāo)準(zhǔn)時程波激勵下的設(shè)備根部應(yīng)力最大。由于標(biāo)準(zhǔn)時程波對應(yīng)反應(yīng)譜卓越頻率段較平緩，對于不同設(shè)備的試驗(yàn)結(jié)果差異相對較小，因此標(biāo)準(zhǔn)時程波適用于500 kV避雷器的抗震性能評估。雙向激勵與單向激勵試驗(yàn)結(jié)果對比表明，對于雙向軸對稱結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震性能評估時可以僅進(jìn)行單向激勵振動臺試驗(yàn)。

500 kV避雷器;振動臺試驗(yàn);抗震性能;卓越頻率

0 引言

電力系統(tǒng)是生命線工程的重要組成部分，是維持國民經(jīng)濟(jì)命脈的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各領(lǐng)域?qū)τ陔娏Φ囊蕾嚦潭仍絹碓酱?。近幾十年，國?nèi)外多次地震災(zāi)害對電力設(shè)施均造成了巨大破壞，嚴(yán)重影響到社會的正常秩序。

在電力公司大力發(fā)展高壓送電的同時，對于電氣設(shè)施抗震性能的要求也越來越高。500 kV避雷器作為電力系統(tǒng)的保護(hù)電器，在500 kV高壓輸電系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，其抗震性能對于電網(wǎng)系統(tǒng)的安全運(yùn)行是十分重要的。張軍等運(yùn)用EL Centro波、Taft波及人工波對220 kV絕緣子及避雷器進(jìn)行振動試驗(yàn)研究并得出結(jié)論:由于避雷器設(shè)備相對于絕緣子設(shè)備高，自重大，在地震中反應(yīng)更為劇烈，抗震能力比支柱絕緣差［1］。李秋熠等在對1 000 kV避雷器隔震性能的有限元分析中指出:對稱結(jié)構(gòu)2個方向上的響應(yīng)不耦合，雙向輸入避雷器結(jié)構(gòu)2個方向上的地震響應(yīng)幾乎相同，但合成后的地震響應(yīng)比單向輸入大［2］。實(shí)際地震過程中2個方向的應(yīng)力響應(yīng)有可能沒有同時達(dá)到最大值，與計(jì)算結(jié)果相比較可能會有差異。

振動臺試驗(yàn)過程中的輸入波形有人工波、實(shí)際地震波等多種波形，對于高壓電氣設(shè)備振動臺試驗(yàn)輸入波形還沒有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。高壓電氣設(shè)備在同等級地震烈度的不同地震波作用下，其振動響應(yīng)不同，給準(zhǔn)確評估其抗震能力帶來了困難。

本文通過對某500 kV避雷器輸入多種地震時程波，研究不同地震波作用下設(shè)備根部應(yīng)力的變化、單向激勵輸入與雙向激勵輸入設(shè)備應(yīng)力響應(yīng)的差異以及標(biāo)準(zhǔn)時程波對于高壓電氣設(shè)備的適用性。最后用有限元軟件進(jìn)行數(shù)值仿真分析，得到設(shè)備在地震波作用下的應(yīng)力，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，修正數(shù)值模型，驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的合理性。

1 試驗(yàn)概況

本次試驗(yàn)是在國家建筑工程質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心6 m×6 m模擬地震振動臺上進(jìn)行的，振動臺系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)如下:工作頻率為0.1～50 Hz，標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷為60 t，最大傾覆力矩為1 800 kN·m，最大偏心力矩為600 kN·m，臺面最大加速度x方向?yàn)椤?.0 g(空臺)和±1.5 g(標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷)，y方向?yàn)椤?.5 g(空臺)和±1.0 g(標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷)，z方向?yàn)椤?.0 g(空臺)和±0.8 g(標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷)。試驗(yàn)試件為500 kV避雷器，避雷器高度約為5.7 m，質(zhì)量約為1 200 kg，瓷瓶節(jié)數(shù)為3節(jié)，彈性模量為1.0×1011MPa，設(shè)備下端通過剛性支架與振動臺用螺栓連接。在避雷器每節(jié)瓷套根部的x向和y向?qū)?yīng)位置粘貼應(yīng)變片，在振動臺臺面和避雷器頂部以及每節(jié)瓷套的根部放置加速度計(jì)，共使用加速度計(jì)8個，應(yīng)變片12個，設(shè)備測點(diǎn)布置圖如圖1所示。

動力特性試驗(yàn)工作頻率為0.5～50 Hz，加速度峰值為0.05 g，持續(xù)時間為120 s的白噪聲隨機(jī)波，通過關(guān)鍵部位的加速度反應(yīng)得到設(shè)備的自振頻率及阻尼比。

抗震試驗(yàn)選用的EL Centro波、Taft波是基于IEEE 693標(biāo)準(zhǔn)來選取的實(shí)際地震波［3-4］。EL Centro波是1940年5月18日美國Imperial山谷地震(M7.1)在EL Centro臺站記錄的加速度時程，它是廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)試驗(yàn)及地震反應(yīng)分析的經(jīng)典地震記錄;Taft地震波是1952年7月21日發(fā)生的加利福尼亞州Kern縣的地震，在Taft Lincoln學(xué)校采集的記錄［5］。共振拍波是根據(jù)GB 50260—1996《電力設(shè)施抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中正弦共振調(diào)幅波公式生成的人工地震波［6-7］。人工標(biāo)準(zhǔn)時程波是根據(jù)人工標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜擬合而來的。而人工標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜是在對電氣設(shè)備相關(guān)抗震、減震課題研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合高壓電氣設(shè)備自身的機(jī)械強(qiáng)度特點(diǎn)，為方便設(shè)備廠商的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)以及電網(wǎng)工程中設(shè)備的選用，而提出的對電氣設(shè)備進(jìn)行抗震性能評估時采用綜合方案和區(qū)劃圖方案相結(jié)合的建議譜。標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜的特征周期為0.9 s，可以包絡(luò)所有類型場地［8］。各輸入時程波對應(yīng)的加速度反應(yīng)譜如圖2所示，各時程波的波形圖如圖3所示。

從圖2輸入時程波的加速度反應(yīng)譜可以得知，EL Centro波和Taft波在1～10 Hz地震波卓越頻率范圍內(nèi)波動較大，有差異較明顯的波峰和波谷值。這樣會造成對不同頻率的設(shè)備在EL Centro波和Taft波地震試驗(yàn)中所得的測試結(jié)果有較大的差異。而共振拍波在共振頻率點(diǎn)的譜值達(dá)到最大，然后向兩側(cè)急速減小，而標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜卓越頻率段較寬且平坦，對不同頻率的設(shè)備振動臺抗震能力評估差異較小。

2 試驗(yàn)過程

振動臺輸入加速度峰值分為2個等級，分別為7度0.1 g、8度0.2 g，根據(jù)相關(guān)規(guī)范考慮支架動力放大系數(shù)為1.2［6］，實(shí)際臺面輸入加速度峰值為0.12 g和0.24 g。試驗(yàn)前后輸入白噪聲測試試件的頻率和阻尼比。地震激勵分別沿x向和x+y向輸入試驗(yàn)用地震動時程［9］，測得試件的應(yīng)變、加速度等地震響應(yīng)，試驗(yàn)前后用白噪聲來測試設(shè)備的自振頻率，確保設(shè)備內(nèi)部沒有損傷。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 實(shí)測頻率和阻尼比

通過白噪聲試驗(yàn)測得試驗(yàn)前后設(shè)備的基頻和阻尼比變化如表1所示。從表1中數(shù)據(jù)可知試驗(yàn)前后設(shè)備的頻率降低了6.02%，阻尼比增加了12.5%，可見設(shè)備在試驗(yàn)過程中剛度和阻尼有所變化，設(shè)備呈現(xiàn)一定的非線性因素。導(dǎo)致這種因素的原因包括試驗(yàn)過程中法蘭連接部位螺栓的松動、設(shè)備本身的材料特性等因素。通過對設(shè)備頂部加速度的功率譜分析，得出設(shè)備的二階頻率為20.6 Hz，在地震譜的卓越頻率之外，因此振動臺試驗(yàn)設(shè)備的振動以一階振型為主。

3.2 振動臺單向波輸入試驗(yàn)結(jié)果

振動臺試驗(yàn)過程中，單方向輸入上述4種波形，得到設(shè)備根部應(yīng)變時程結(jié)果。因振動臺輸出控制系統(tǒng)存在誤差，臺面輸出加速度時程波與輸入目標(biāo)時程波有一定的差距，需要對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理。標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜按照臺面輸出反應(yīng)譜與期望譜(目標(biāo)譜)的容差在0～15%的要求調(diào)整試驗(yàn)結(jié)果，本次試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)時程輸出譜與標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜容差較大，考慮到設(shè)備以一階振型為主，調(diào)整的目標(biāo)是將設(shè)備自振頻率附近的輸出譜調(diào)到目標(biāo)譜之上，而EL Centro波、Taft波和共振拍波對應(yīng)的設(shè)備應(yīng)力以臺面輸出加速度時程峰值與實(shí)際輸入加速度峰值相等的原則進(jìn)行調(diào)整，實(shí)測試驗(yàn)結(jié)果和整理后的試驗(yàn)結(jié)果如表2和表3所示。調(diào)整前后的反應(yīng)譜曲線如圖4所示。

由圖4可以得到各地震波在設(shè)備一階頻率點(diǎn)和二階頻率點(diǎn)對應(yīng)的加速度反應(yīng)譜值如表4所示。

由表3、表4和圖4可以得出如下結(jié)論:

(1)當(dāng)峰值加速度為0.12 g、0.24 g時，標(biāo)準(zhǔn)時程波、Taft波和EL Centro波作用下的臺面輸出加速度反應(yīng)譜對應(yīng)的卓越頻率范圍(1～10 Hz)在設(shè)備自振頻率附近相對于共振拍波比較平緩，設(shè)備應(yīng)力由大到小依次為標(biāo)準(zhǔn)時程波、Taft波和EL Centro波，而且與設(shè)備自振頻率點(diǎn)的加速度反應(yīng)譜大小順序?qū)?yīng)。

(2)從臺面輸出加速度反應(yīng)譜的平緩度來看，標(biāo)準(zhǔn)時程波是最穩(wěn)定的，EL Centro波和Taft波在卓越頻率段設(shè)備自振頻率附近有較大的波峰波谷值，這會造成對不同頻率的設(shè)備在EL Centro波和Taft波地震試驗(yàn)中所得的試驗(yàn)測試結(jié)果有較大的差異。

(3)雖然共振拍波在設(shè)備的自振頻率點(diǎn)對應(yīng)的加速度反應(yīng)譜值最大，但是在自振頻率附近其反應(yīng)譜幅值急速減小，而且設(shè)備自振頻率在試驗(yàn)過程中是變化的，根據(jù)某一頻率值生成的共振拍波在試驗(yàn)中并沒有與設(shè)備完全共振，這就可能造成雖然共振拍波對應(yīng)的自振頻率點(diǎn)的加速度反應(yīng)譜值最大，而設(shè)備應(yīng)力卻不是最大的結(jié)果。

3.3 單向激勵與雙向激勵的試驗(yàn)結(jié)果對比

試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛷碾p方向輸入除共振拍波以外的上述3種波，所得試驗(yàn)結(jié)果與單向工況下的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，得到設(shè)備的最大應(yīng)力如表5所示。

雙向激勵時，首先對設(shè)備根部應(yīng)力2個主軸方向同時刻的應(yīng)力求矢量和，然后取其峰值作為雙向激勵作用下的設(shè)備最大應(yīng)力值。從表5中數(shù)據(jù)可以看出:雙向軸對稱設(shè)備在單向地震波激勵作用下設(shè)備根部應(yīng)力與雙向地震波激勵下的設(shè)備根部應(yīng)力之比為0.84～1.21。除加速度峰值為0.12 g的Taft波工況下的單向激勵設(shè)備應(yīng)力比雙向激勵設(shè)備應(yīng)力大以外，其他工況下單向激勵設(shè)備應(yīng)力均小于雙向激勵的設(shè)備應(yīng)力。僅看單向激勵設(shè)備應(yīng)力比雙向激勵設(shè)備應(yīng)力大的工況，比值為0.84～1.0，均值為0.94，除去最小比值0.84，其比值范圍為0.93～1.0?？傮w上看，單向激勵與雙向激勵作用下設(shè)備的應(yīng)力差異不大。因此在對雙向軸對稱的高壓電氣設(shè)備進(jìn)行工程抗震評估時可以認(rèn)為僅需進(jìn)行單向激勵輸入的振動臺試驗(yàn)。

4 數(shù)值模擬計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果對比

根據(jù)GB 50260―1996《電力設(shè)施抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，按照等效彎曲剛度原則將法蘭等效成圓截面短梁，最終建立的避雷器設(shè)備數(shù)值模型如圖5所示，模型中采用Beam189單元模擬避雷器套管和法蘭，Mass21單元模擬均壓環(huán)及附屬結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，約束結(jié)構(gòu)最底端節(jié)點(diǎn)［10］。數(shù)值模擬計(jì)算所得的設(shè)備基頻為2.47 Hz，與試驗(yàn)所測設(shè)備頻率吻合，仿真計(jì)算與試驗(yàn)抗震結(jié)果分析對比如表6所示。

數(shù)值計(jì)算采用的時程為振動臺試驗(yàn)臺面的輸出時程，阻尼比用試驗(yàn)所測設(shè)備的阻尼比。由表6中數(shù)據(jù)可知:數(shù)值模擬計(jì)算所得設(shè)備應(yīng)力與試驗(yàn)結(jié)果的比值為0.94～1.67，總體上看計(jì)算結(jié)果普遍大于試驗(yàn)結(jié)果，這可能是因?yàn)樵谠囼?yàn)過程中，白噪聲激勵較小，所測阻尼比較小，設(shè)備實(shí)際振動中的阻尼比大于所測的阻尼比，設(shè)備整體耗能增加，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果普遍小于計(jì)算結(jié)果。計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果差異最大的是共振拍波，這是由于在振動臺試驗(yàn)過程中，設(shè)備剛度減小，頻率減小，導(dǎo)致共振拍波與設(shè)備沒有產(chǎn)生共振，從而使試驗(yàn)結(jié)果明顯小于計(jì)算結(jié)果。

5 結(jié)論

(1)設(shè)備在試驗(yàn)前后自振頻率略微減小，阻尼比略微增大，設(shè)備在試驗(yàn)過程中表現(xiàn)出一定的非線性因素。高壓電氣設(shè)備較柔，頻率較低，處于地震波卓越頻率范圍以內(nèi)，而且阻尼較小，在地震中的響應(yīng)比較大。

(2)當(dāng)?shù)卣鸺铀俣确逯禐?.12 g、0.24 g時，標(biāo)準(zhǔn)時程波對應(yīng)的設(shè)備應(yīng)力最大，Taft波和共振拍波其次，設(shè)備應(yīng)力最小的是EL Centro波，設(shè)備應(yīng)力大小與臺面加速度反應(yīng)譜自振頻率點(diǎn)的譜值成正比關(guān)系。EL Centro波和Taft波的加速度反應(yīng)譜卓越頻率段的設(shè)備自振頻率附近有較大的波峰波谷值，在使用EL Centro波和Taft波作為地震臺輸入時，對不同頻率的設(shè)備的地震作用會有較大差異。標(biāo)準(zhǔn)時程波的加速度反應(yīng)譜在卓越頻率段比較穩(wěn)定，對于不同頻率設(shè)備的地震作用差異較小，而且標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜的試驗(yàn)結(jié)果能夠包絡(luò)其他地震波，因此標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜擬合而成的地震動的過程，適用于高壓電氣設(shè)備的振動臺試驗(yàn)。

(3)由于設(shè)備具有雙向軸對稱性，雙向激勵與單向激勵作用下設(shè)備的根部應(yīng)力差異不大，因此在對雙向軸對稱的設(shè)備進(jìn)行抗震評估時，振動臺試驗(yàn)過程中，可以僅進(jìn)行單向激勵作用下的振動臺試驗(yàn)，這樣有利于簡化高壓電氣設(shè)備的振動臺試驗(yàn)過程，節(jié)約成本。

(4)數(shù)值計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果有一定的差異，但總體上看數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合。設(shè)備本身具有一定的質(zhì)量分布，在計(jì)算中可能未得到充分體現(xiàn)，而且法蘭剛度等效系數(shù)以及螺栓連接模擬也有待進(jìn)一步研究。

(5)高壓避雷器設(shè)備一般為脆性材料，體型高且自重大，抗震能力弱。

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(編輯:張媛媛)

Shaking Table Test for Seismic Performance of 500 kV Arrester

MENG Xianzheng，DAI Zebing，LU Zhicheng，ZHU Zhubing，GAO Po
(China Electric Power Research Institute，Beijing 102401，China)

This paper studied the application of artificial standard time history wave on the seismic performance evaluation of 500 kV arrester in shaking table test，in which artificial standard time history wave，EL Centro seismic wave，Taft seismic wave，Beat-Wave were inputted unidirectional or bidirectional.The test results show that，under above 4 kinds of seismic waves with the same seismic grade，the stress of the equipment root under the action of artificial standard time history wave is the largest.The difference of test results for the different equipment under the action of artificial standard time history wave should be relatively small because the dominant frequency segment of the response spectrum of time history waves is gentle，so artificial standard time history wave is applied to the seismic performance evaluation of 500 kV arrester.Comparison results under the action of unidirectional or bidirectional waves demonstrate that it can only carry out unidirectional excitation shaking table test for the seismic performance evaluation of two-dimensional axisymmetric structure.

500 kV arrester;shaking table test;seismic performance;dominant frequency

TM 862

A

1000－7229(2014)01－0035－05

10.3969/j.issn.1000－7229.2014.01.007［HT］

國家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目(GCB17201200084)。

2013-07-07

2013-08-23

孟憲政(1986)，男，本科，主要從事結(jié)構(gòu)抗震、減震方面的研究工作，E-mail:mengxianzheng@epri.sgcc.com.cn;

代澤兵(1975)，男，博士，主要從事結(jié)構(gòu)振動和防災(zāi)減災(zāi)方面的理論研究工作;

盧智成(1978)，男，博士，主要從事結(jié)構(gòu)抗震、減震方面的研究工作;

朱祝兵(1982)，男，碩士，主要從事結(jié)構(gòu)抗震、減震方面的研究工作;

高坡(1986)，男，本科，主要從事結(jié)構(gòu)抗震、減震方面的研究工作。