基底隔震技術(shù)在高壓電氣設(shè)備中的應(yīng)用

張曉旭

摘 要：高壓電氣設(shè)備是電力系統(tǒng)運(yùn)行的重要組成部分，由瓷套管組成，但瓷屬于脆性材料，其抗彎性能較差，在地震時(shí)會(huì)受到嚴(yán)重破壞。為了有效提高高壓電氣設(shè)備在地震中的抗震性能，基底隔震技術(shù)在高壓電氣設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用。筆者就對(duì)隔震技術(shù)進(jìn)行了探討，并對(duì)基底隔震技術(shù)在高壓電氣設(shè)備中的應(yīng)用進(jìn)行了探討，分析了該技術(shù)在高壓電氣設(shè)備抗震體系中應(yīng)用的可行性。

關(guān)鍵詞：基底隔震技術(shù)；高壓電氣設(shè)備；隔震性能

中圖分類號(hào)：TM623 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

地震時(shí)，常會(huì)發(fā)生因高壓電氣設(shè)備破壞而引發(fā)高壓電網(wǎng)損壞的問(wèn)題，因此，需要切實(shí)加強(qiáng)高壓電氣設(shè)備的隔震性能，這樣才可以保障設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。高壓電氣設(shè)備主要包括斷路器、電流互感器、電壓互感器、避雷針等，提高這些設(shè)備的抗震性能主要是通過(guò)基底隔震技術(shù)。通過(guò)基底隔震技術(shù)，可以有效改善高壓電氣設(shè)備基底的隔震性能，從根本上解決高壓電氣設(shè)備不穩(wěn)定的問(wèn)題。

1.隔震技術(shù)

隔震技術(shù)屬于抗震技術(shù)的種類之一，即隔離地震。在建筑物上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)間設(shè)置隔震層，上部建筑層間設(shè)置隔震層，這樣一來(lái)，在地震時(shí)，就可以阻擋地震能量向上部結(jié)構(gòu)傳輸，降低上部結(jié)構(gòu)受地震的影響，達(dá)到隔震的目的。

經(jīng)過(guò)地震災(zāi)害數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)后，可以發(fā)現(xiàn)電力系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中極容易受到地震災(zāi)害的影響，極易發(fā)生地震損壞，進(jìn)而引起高壓電網(wǎng)系統(tǒng)破壞。由于高壓電氣設(shè)備多由瓷套管組成，在地震時(shí)，瓷套管的根部會(huì)承受非常大的彎矩，這樣一來(lái)，如果瓷套管強(qiáng)度不足就很容易發(fā)生套管斷裂，特別是在瓷套管與其他材料的連接處，極容易發(fā)生不協(xié)調(diào)變形，這樣會(huì)在很大程度上增加瓷套管的裂損。因此，隔震技術(shù)除了在建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，在電氣設(shè)備中也有廣泛的應(yīng)用。在隔震層對(duì)連接上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)的電氣設(shè)備軟件間連接處理，一般采用軟連接處理，通過(guò)軟連接，可以吸收大部分建筑物上下兩部分相對(duì)位移所產(chǎn)生的能量，這樣可以有效保護(hù)電氣設(shè)備的抗震能力，降低電氣設(shè)備在地震中的破壞程度。高壓電氣設(shè)備主要包括隔離開(kāi)關(guān)、電流互感器、電壓互感器等，這些設(shè)備在地震時(shí)極容易發(fā)生瓷柱脆性破壞，因此，需要對(duì)其瓷柱與支架進(jìn)行加固。然而處于高烈度區(qū)的變電站，如果僅僅強(qiáng)化高壓電氣設(shè)備的瓷套管及其支架的剛度，是無(wú)法從根本上解決高壓電氣設(shè)備的抗震問(wèn)題的，這時(shí)便需要對(duì)高壓電氣設(shè)備采用基底隔震技術(shù)，對(duì)設(shè)備的基底進(jìn)行加固，提高高壓電氣設(shè)備的抗震能力。

2.基底隔震技術(shù)在高壓電氣設(shè)備中應(yīng)用的基本理論

在高壓電氣設(shè)備中應(yīng)用基底隔震技術(shù)主要是通過(guò)降低傳入的地面輸入加速度，提高設(shè)備上部結(jié)構(gòu)與電氣單元安全性。由于高壓電氣設(shè)備的剛度較大，自振周期較短，這樣一來(lái)，即便輸入加速度大，但實(shí)際產(chǎn)生的位移還是比較小，這就要求在設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)盡可能地延長(zhǎng)周期，這樣反應(yīng)加速度才會(huì)產(chǎn)生較大的下降，增加位移反應(yīng)。在高壓電氣設(shè)備中應(yīng)用隔震裝置可以有效降低傳入的地面輸入加速度，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)物的周期，這樣一來(lái)，在地震時(shí)，地震所產(chǎn)生的能量變形便會(huì)集中在隔震裝置上，依靠隔震裝置吸收能量，這與傳統(tǒng)的借助上部構(gòu)件的較高強(qiáng)度與較低變形來(lái)吸收地震能量有很大區(qū)別。

2.1計(jì)算模型

為了更好地理解高壓電氣設(shè)備的隔震性能，采用數(shù)學(xué)近似法模擬真實(shí)物理系統(tǒng)，綜合考慮支管、瓷套管等構(gòu)件。瓷套管的π截面計(jì)算公式為：

I=π（d14-d24）/64

其中，d1為瓷套管的外直徑；d2為瓷套管的內(nèi)直徑。

法蘭連接的彎曲剛度計(jì)算公式為：

Kc=6.54*dch2c/tc

其中，Kc為瓷套管的彎曲程度，dc為瓷套管膠狀位置的外直徑，hc則是瓷套管與法蘭膠裝的高度，tc是瓷套管與法蘭膠裝間的間隙。

法蘭彎曲的截面慣性矩計(jì)算公式為：

Ic=KcLc /Ec

其中，Ic為截面慣性矩，Lc為梁?jiǎn)卧L(zhǎng)度，一般是單根瓷套管長(zhǎng)度的1/20左右，Ec為瓷套管的彈性模量。

基于以上3個(gè)公式，對(duì)瓷套管等構(gòu)件進(jìn)行有限元分析，盡可能地簡(jiǎn)化模型，使其更好地應(yīng)用于高壓電氣設(shè)備中。

2.2地震反應(yīng)分析方法

基底隔震技術(shù)在高壓電氣設(shè)備中的應(yīng)用需要以地震反應(yīng)分析為基礎(chǔ)，充分考慮高壓電氣設(shè)備在地震過(guò)程中的動(dòng)力反應(yīng)情況，現(xiàn)以時(shí)程分析對(duì)地震反應(yīng)進(jìn)行分析，輸入地震波為El-centro波與Taft波，根據(jù)地震反應(yīng)模型分析雙向地震作用對(duì)高壓電氣設(shè)備的影響。

3.模型狀態(tài)分析

3.1地震分析模型的建立

為分析基底隔震技術(shù)在高壓電氣設(shè)備中的應(yīng)用，采用對(duì)比分析方法，對(duì)比分析非隔震高壓隔離開(kāi)關(guān)與基底隔震高壓隔離開(kāi)關(guān)間的差異。按抗震設(shè)防烈度9級(jí)為基礎(chǔ)分析地震時(shí)程。相關(guān)的地震災(zāi)害調(diào)查結(jié)果顯示，高壓電氣設(shè)備在地震時(shí)最容易發(fā)生的便是絕緣瓷柱斷裂，這種絕緣瓷柱斷裂多是發(fā)生在瓷柱的根部位置，受強(qiáng)地震作用，高壓電氣設(shè)備的受力部位受到影響，進(jìn)而發(fā)生瓷柱斷裂，使高壓電氣設(shè)備發(fā)生傾斜，影響高壓電氣設(shè)備的正常運(yùn)行。現(xiàn)對(duì)絕緣瓷柱受力部位進(jìn)行分析，建立地震分析模型，用以探討基底隔震技術(shù)在高壓電氣設(shè)備中的應(yīng)用。

3.2計(jì)算模型

假設(shè)高壓隔離開(kāi)關(guān)的個(gè)體高度為2.72 m，支柱絕緣子部分由兩節(jié)瓷瓶組成，瓷瓶的長(zhǎng)度與直徑不同，上節(jié)瓷瓶的長(zhǎng)度為1050 mm，直徑為120 mm，下節(jié)瓷瓶長(zhǎng)度為1050 mm，直徑140 mm。高壓隔離開(kāi)關(guān)的底座由型鋼組成，支架由混凝土構(gòu)成，4010 mm，在設(shè)計(jì)隔震支架時(shí)需要使其高度處于同一標(biāo)注高度，設(shè)計(jì)6個(gè)隔震支架，將隔離開(kāi)關(guān)基底設(shè)計(jì)為連梁基礎(chǔ)，橫截面積800×600 mm，這樣可以有效保證隔離開(kāi)關(guān)與支架能夠同時(shí)工作，避免其中一方出現(xiàn)故障而引起另一方故障。此外，在連梁部分還需要澆注100 mm厚的混凝土板，并在此面板上進(jìn)行綠化，這樣可以有效保障變電站綠化達(dá)到要求。

3.3模擬狀態(tài)的分析

對(duì)模擬狀態(tài)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)基底隔震開(kāi)關(guān)在3個(gè)階段的自振時(shí)長(zhǎng)較非隔震隔離開(kāi)關(guān)的3個(gè)階段自振時(shí)長(zhǎng)更長(zhǎng)，這說(shuō)明基底隔震能夠有效延長(zhǎng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的振動(dòng)時(shí)長(zhǎng)，未采用隔震技術(shù)的隔離開(kāi)關(guān)在振動(dòng)形狀上呈上大下小，采用基底隔震技術(shù)的隔離開(kāi)關(guān)的振動(dòng)呈整體系統(tǒng)性振動(dòng)，這種振動(dòng)模式能夠有效避免地震能量對(duì)高壓電氣設(shè)備的集中破壞。

3.4時(shí)程響應(yīng)分析

通過(guò)模擬分析，可以發(fā)現(xiàn)高壓電氣設(shè)備在地震過(guò)程中受到的損害多集中在高壓隔離開(kāi)關(guān)上，高壓電氣設(shè)備的支柱瓷瓶根部或上半段瓷瓶根部斷裂，這是由于電氣設(shè)備的高壓隔離開(kāi)關(guān)屬于柱式結(jié)構(gòu)，在地震過(guò)程中，上下瓷瓶的根部受地震作用力過(guò)大，根部會(huì)發(fā)生一定位移，導(dǎo)致瓷瓶間相互碰撞，最終導(dǎo)致瓷瓶破裂。將基底隔震技術(shù)應(yīng)用到高壓電氣設(shè)備中，這樣可以有效調(diào)整高壓隔離開(kāi)關(guān)的頂部結(jié)構(gòu)位移，使其可以滿足9級(jí)地震博峰值與速度，降低高壓電氣設(shè)備受地震作用的影響。

結(jié)語(yǔ)

高壓電氣設(shè)備是電力系統(tǒng)運(yùn)行的重要組成部分，其抗震能力直接關(guān)系到整個(gè)電力系統(tǒng)的運(yùn)行安全性。利用基地隔震技術(shù)，可以有效延長(zhǎng)系統(tǒng)的周期，降低地震作用，使隔震層上部結(jié)構(gòu)的水平位移集中在隔震層，降低基底的剪力與加速度，這樣一來(lái)，整個(gè)電力系統(tǒng)就呈平動(dòng)型，在很大程度上降低了電力系統(tǒng)的應(yīng)力與內(nèi)力，實(shí)現(xiàn)了高壓電氣設(shè)備的設(shè)計(jì)優(yōu)化。高壓電氣設(shè)備在設(shè)計(jì)時(shí)需要注重抗震設(shè)計(jì)，盡可能地采用基底隔震技術(shù)，優(yōu)化電氣設(shè)備的抗震能力，使其可以在地震過(guò)程中仍保持正常運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

[1]安影，楊濤，李七軍，等.高壓電氣設(shè)備對(duì)于基底隔震技術(shù)的應(yīng)用探討[J].黑龍江科技信息，2014（26）：114-118.

[2]韓軍科，朱全軍，楊風(fēng)利，等.基底隔震技術(shù)在高壓電氣設(shè)備中的應(yīng)用[J].電網(wǎng)技術(shù)，2007（S2）：69-71.