110 kV GIS抗震仿真分析

夏 拓，王 蕾，何榮濤，李憲普，曾 亮，許 歡

(1.廈門理工學院電氣工程與自動化學院,福建廈門361024; 2.許繼 (廈門)智能電力設備股份有限公司,福建廈門361024)

110 kV GIS抗震仿真分析

夏 拓1，王 蕾1，何榮濤2，李憲普2，曾 亮1，許 歡1

(1.廈門理工學院電氣工程與自動化學院,福建廈門361024; 2.許繼 (廈門)智能電力設備股份有限公司,福建廈門361024)

使用ANSYS Workbench有限元軟件，用反應譜法對ZF48－126型110 kV進出線氣體絕緣全封閉組合電器 （GIS）進行抗震計算研究.在模擬GIS正常運行條件下得到GIS整體結構的位移、速度、加速度動力響應及等效應力響應，分析了重心位置對GIS整體結構固有頻率的影響.結果表明：該型GIS設備滿足AG5（0.5g）抗震水平，但出線套管會產(chǎn)生相對劇烈顫動，不利于GIS安全運行，降低重心位置能有效避免共振，提高低階固有頻率.仿真結果與認證實驗數(shù)據(jù)具有一致性，可以為其他高壓電器產(chǎn)品的抗震設計提供借鑒.

GIS；有限元模型；反應譜法；地震響應

近年來我國地震頻發(fā),由地震引起的變電站停運給救援和震后重建工作帶來諸多不便［1］.高壓電器的抗震性能已成為國家電網(wǎng)和國內外電器生產(chǎn)企業(yè)極為重視的電器性能指標之一.在開關類設備中,氣體絕緣全封閉組合電器 (gas insulated enclosed combination switch,GIS)相比其他開關設備具有更好的抗震性能［2］,是地震多發(fā)地帶優(yōu)先選用的高壓電器設備形式［3－5］.GB/T 11022—2011、GB/T 13540—2009、IEEE Std 693—2005、《SF6高壓電器設計》第2版、第3版增加的抗震設計等章節(jié),為高壓電器產(chǎn)品的抗震設計提供了詳細的參考依據(jù)及多種計算方法.目前,對隔離開關、斷路器的模擬地震振動較多,但是GIS設備體積龐大,難以在振動臺上考核其抗震性能,且存在耗費高的問題,高壓電器企業(yè)普遍較少在前期設計環(huán)節(jié)對產(chǎn)品抗震評估.本文在Solid Works中將實體模型簡化后,通過ANSYS Workbench有限元軟件,按照GB/T 13540—2009標準對ZF48－126型三相共箱式小型化GIS進行抗震計算分析,計算結果可指導GIS結構優(yōu)化設計,評估設備抗震能力,提高安全裕度［6］.

1 GIS抗震計算方法

1.1 反應譜曲線

反應譜法首先根據(jù)地震波時程記錄構造反應譜,再依據(jù)反應譜計算結構各階振型的最大響應,最后通過模態(tài)合并算法計算總的最大響應［7］.地震頻譜是GIS整體結構抗震分析需要輸入的重要參數(shù)之一,本文的反應譜曲線選用GB/T 13540—2009標準中阻尼比2%所對應的AG5的反應頻譜(RRS),如圖1所示.

圖1 不同阻尼比對應的AG5的RRSFig.1 RRS of AG5 with different damping ratio

1.2 模態(tài)合并算法

模態(tài)分析就是求解有限個自由度的無阻尼彈性系統(tǒng)運動方程,其矩陣表達式為

式 (1)中：M為質量矩陣；K為剛度矩陣.

其解的形式為

將式 (2)代入式 (1)后,得到方程有非零解的條件是其系數(shù)行列式的值為零,即

求解式 (3)可得到其特征值及相應的特征向量,也即模態(tài)頻率和振型.

模態(tài)分析是抗震計算的前提,得出模態(tài)頻率和振型后,采用反應譜法分析抗震性能.根據(jù)GB 13540—2009對應力疊加過程的表述,在選用模態(tài)合并算法上,使用平方和開平方法 (SRSS)的模態(tài)疊加方式,SRSS法的表達式為

式 (4)中：Rmax為模態(tài)總體響應；ρij為耦合系數(shù)；m、n為參與疊加的模態(tài)數(shù)目；Ri,max為第i階模態(tài)最大響應；Rj,max為第j階模態(tài)最大響應.當ρij＝0時,不考慮各振型間的耦合,此時,可寫為

反應譜曲線反映了地震動特性,模態(tài)振型反映了結構的動態(tài)特性,因此基于反應譜法的抗震計算體現(xiàn)出地震動特性和結構動態(tài)特性對結構地震響應的影響［8］.

2 GIS建模與模態(tài)分析

本文研究的GIS結構整體模型尺寸為7.90 m×2.85 m×3.70 m,重心高度1.65 m,總質量3 946 kg.材料以鋁合金5A02為主,具體材料機械性能常數(shù)如表1所示.GIS結構包括斷路器、互感器、隔離開關和母線筒等部件,設備上端部安裝有3個高強瓷絕緣出線套管,出線套管長1.5 m,分別與水平面成45°傾斜向上.參考文獻 ［9］采用Solid188實體單元建模,與實際產(chǎn)品更加接近,將法蘭之間考慮為剛性連接無位移情況.

表1 模型中各種材料機械性能常數(shù)Table 1 Constants for mechanical properties of various materials

2.1 GIS幾何模型建立

建模是有限元仿真的重要步驟,直接關系到建模效率和結果的準確性,本文通過SolidWorks建模后導入ANSYS Workbench.由于SolidWorks所建立的真實模型較為復雜,需先做簡化處理.簡化主要有2個方面：1)簡化對仿真結果無影響的部分結構細節(jié),如盆式絕緣子、出線瓷套等,對出線瓷套的簡化應盡量保證簡化前后質量、體積、慣性矩的一致性,如圖2所示.2)對放置于GIS殼體內的繁雜剛性體 (如滅弧室和斷路器結構等)用等效質量剛體替代,主要通過改變質量密度保證各部件重量及重心的一致性,折算后各部件所采用的材料參數(shù)見表1.根據(jù)實體尺寸經(jīng)過必要簡化后的GIS整體結構模型如圖3所示.

圖2 高強瓷絕緣出線套筒簡化前后對比Fig.2 High鄄strength ceramic insulating sleeve qualify simplify before and after comparison

圖3 簡化后的GIS結構模型圖Fig.3 GIS structure model diagram simplified

2.2 靜載荷的確定

GB/T 13540—2009《高壓開關設備和控制設備的抗震要求》中規(guī)定地震應力應與其他運行載荷組合后作為確定開關設備和控制設備總的承載能力［10］.需附加靜載荷包括10 m·s－1風速、導線拉力、內部壓力等.根據(jù)GB 5009—2001《建筑結構荷載規(guī)范》算出敏感部件的靜態(tài)端子負荷,如表2所示,風載荷值取30 N.

表2 GIS開關設備導線拉力Table 2 GIS switchgear wire tension

2.3 GIS結構模態(tài)分析

采用ANSYS Workbench模態(tài)分析模塊,用自由網(wǎng)格劃分方法對模型進行剖分,節(jié)點數(shù)為268 226,單元數(shù)為134 323.根據(jù)GB 13540—2009要求,需對35 Hz以下的振型進行計算,分塊蘭索斯法 (block lanczos)計算精度高,速度很快,采用一組特征向量實現(xiàn)Lanczos迭代計算,其內部自動采用稀疏矩陣直接求解,當已知系統(tǒng)的頻率范圍時,該法是理想的選擇,所以指定Block Lanczos法對GIS三維簡化模型進行模態(tài)計算,得到其前9階固有頻率如表3所示,前2階振型圖如圖4所示.

表3 氣體絕緣金屬封閉開關設備前9階固有頻率Table 3 Gas?insulated metal?enclosed switchgear natural frequency單位：Hz

圖4 GIS整體結構前2階振型圖Fig.4 Former 2 step vibration of GIS overall structure

高壓電器產(chǎn)品的固有振動頻率隨產(chǎn)品結構變化而不同,絕大多數(shù)產(chǎn)品基頻都在1～7 Hz［11］,由表3可以看出該產(chǎn)品的固有頻率為5.46 Hz,但僅有第一階頻率在地震動0.5～10 Hz的卓越頻率的范圍內,證實了在地震多發(fā)地區(qū)較適合安裝GIS這種組合型的高壓開關設備.根據(jù)圖4振型圖可以看出,下部支撐結構振動較為平穩(wěn),所受應力無顯著變化,結構前部受振動影響較大且最大位移在出線套管頂端,符合大量高壓電器產(chǎn)品的在地震中受損部位統(tǒng)計結果.

2.4 重心位置對結構固有頻率的影響

降低設備的重心和總高度以及降低設備的安裝高度,是提高設備抗震能力的基本措施之一［11］.本文研究了改變重心位置對GIS設備固有頻率的影響.電壓互感器模塊重量約400 kg,本文通過取消電壓互感器支撐改變電壓互感器高度,在不改變質量的前提下改變GIS整體設備重心位置,研究重心位置對結構固有頻率的影響,圖5為重心位置不同的2種結構模型圖.

圖5 重心位置不同的兩種結構Fig.5 Two structures of different gravitational position

電壓互感器去掉支撐后,重心高度由1 650 mm降低到1 636 mm,Y軸重心偏移不到1 mm(可忽略不計).當去掉支撐后重心下降14 mm,由圖6可知1階固有頻率由5.46 Hz增至6.13 Hz,有支撐和無支撐結構分別前9階和前8階模態(tài)頻率在0～35 Hz的頻率內.由此證明,結構重心越低,其固有頻率越大,在規(guī)定頻率范圍內出現(xiàn)的振型數(shù)目越少.

圖6 兩種結構的前11階頻率Fig.6 First 11 order frequencies of the two structures

3 地震響應譜分析

為了驗證是否滿足九度地震區(qū)抗震標準,設置水平 (X方向和Y方向)最大加速度為0.5g(g取10 m·s－2),豎直方向加速度為水平方向的50%,阻尼比為2%.分別在固定約束部分施加X＋Z向和Y＋Z向阻尼比為2%的RRS曲線.通過對多次地震后高壓電器設備破壞情況進行分析得出套管因強度不足而易發(fā)生折斷或裂損.出線套管頂部響應是抗震分析關注的敏感部位,原因是該處與導線相連,因此位移需控制在有效范圍避免過大.

3.1 X＋Z向地震響應譜

X＋Z向地震響應譜作用下套管頂部最大響應和結構各主要部件應力 (計算應力取值為該部件上最大應力值)及安全系數(shù)見表4～5.

表4 X＋Z向地震響應譜＋靜載荷共同作用下套管頂部最大響應Table 4 Maximum response of X＋Z earthquake response spectrum and static load

表5 各種材料的最小安全系數(shù)Table 5 Minimum safety factor of various materials

X＋Z軸方向得到計算應力最大誤差為支撐部件,與鄭州機械研究所仿真實驗數(shù)據(jù)對比,誤差為10.7 MPa,產(chǎn)生誤差的主要原因為結構簡化造成的結構重量和重心的偏移.出線殼體,瓷套等敏感部件模型與實體產(chǎn)品結構相似度高,所以誤差最大不超過5%.

3.2 Y＋Z向地震響應譜

Y＋Z向地震響應譜作用下套管頂部最大響應和結構各主要部件應力及安全系數(shù)見表6～7.

表6 Y＋Z向地震響應譜＋靜載荷共同作用下套管頂部最大響應Table 6 Maximum response of Y＋Z earthquake response spectrum and static load

表7 各種材料的最小安全系數(shù)Table 7 Minimum safety factor of various materials

結構的加速度放大系數(shù)可以反應結構對地震波的放大作用.輸入的加速度X軸向與Y軸向均為5 m·s－2,Z軸為2.5 m·s－2.由表4、表6可以看出,該型GIS結構對地震作用的放大效果較為明顯,對X軸、Y軸、Z軸各方向的地震激勵,最大放大分別為2.31倍、4.33倍、5.4倍.位移變形、應力大小和安全系數(shù)是結構抗震能力驗證的重要參數(shù),由以上的分析可得到GIS整體結構在阻尼比為2%AG5的RRS作用下,X、Y、Z各方向上位移最大值分別為4.81 mm,18.01 mm,4.11 mm.結構各部件的應力均小于破壞應力.各種材料最小的安全系數(shù)均大于剛性安裝在基礎高壓開關設備安全系數(shù)為1.67的GB/T 13540—2009抗地震要求,且具有很大的安全裕度.將敏感部件計算應力與鄭州機械研究仿真實驗數(shù)據(jù)進行比較,大部分誤差在5%以內,說明該方法具有較高的準確性,適用于高壓電器的前期結構設計.

4 結論

1)GIS結構的主要振動模態(tài)頻率在5.46 Hz以上,在震動的卓越頻率范圍內.但僅有第一頻率在震動0.5～10 Hz的范圍內,所以地震多發(fā)地區(qū)適合安裝這種GIS組合型的高壓開關.

2)從振型圖來看,GIS的下部支撐結構振動較為平穩(wěn),所受應力無顯著變化,且安全系數(shù)較高,可以保證支架支撐的斷路器、互感器等其他部位正常工作.

3)出線瓷套會產(chǎn)生相對劇烈的顫動,不利于GIS結構整體的安全運行,應盡量降低結構重心高度,以達到增加低階固有頻率的目的,有效避免共振可能性,使GIS整體結構各階模態(tài)頻率盡可能遠離地震波的卓越頻率.

4)無論使用哪種校核疊加靜力載荷的應力后,結構各部件破壞應力安全系數(shù)均大于1.67,結構各部件許用應力安全系數(shù)均大于1.所以該產(chǎn)品滿足GB/T 13540—2009的AG5(0.5g)的要求,且具有很大的安全裕度.

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Seismic Analysis of 110 kV GIS

XIA Tuo1，WANG Lei1，HE Rong-tao2，LI Xian-pu2，ZENG Liang1，XU huan1
（1.School of Electrical Engineering＆Automation，Xiamen University of Technology，Xiamen 361024，China；2.XJ（Xiamen）Intelligent Power Equipment Co.，Ltd.，Xiamen 361024，China）

In this paper，an anti-seismic ZF48－126 type 110kv inlet and outlet line of GIS was analyzed using the finite element analysis software and the response spectrum method.The statistics of the overall structure of GIS displacement，velocity，accelerating dynamic response and equivalent stress response under normal operating conditions were

，and the effect of gravity position on the overall structure of the natural frequency researched.Results of seismic evaluation show that this GIS type meets the GB/T 13540—2009 of AG5（0.5g）seismic levels.But the sleeve will produce relatively severe vibration，it is not conducive to the safe operation of GIS，and that lower center of gravity position can effectively avoid the possibility of resonance caused by the outlet line and improve the low-order natural frequency.They are consistent with the certified experimental data and make a reference to the design of relevant seismic products for a better practicability.

GIS；finite element；response spectrum；earthquake response

TM56

A

1673－4432（2015）05－0035－06

（責任編輯 李 寧）

2015－04－14

2015－05－09

國家自然科學基金項目 (51008262)；福建省高電壓技術重點實驗室項目

夏拓 (1987－),男,碩士研究生,研究方向為高電壓與絕緣技術.通訊作者：王蕾 (1982－),女,副教授,博士,研究方向為低溫等離子體水處理研究.E-mail：wangl＠xmut.edu.cn