基于地震模擬振動臺的高壓斷路器抗震分析

陸 楊, 王 昊, 周 歡, 辛 軍, 韓春輝

(上海電力學(xué)院 能源與機械工程學(xué)院, 上海 200090)

在地震災(zāi)害中,作為生命線系統(tǒng)的電力系統(tǒng)在救援和援助因地震而受傷的行動中具有十分重要的意義[1-2]。在電力系統(tǒng)中,高壓斷路器具有重要的控制和保護作用。瓷柱式斷路器是比較常見的一種結(jié)構(gòu),應(yīng)用廣泛,但由于該設(shè)備較高且為脆性材質(zhì),故在地震災(zāi)害作用下容易發(fā)生損壞。如在2008年的四川汶川大地震中,四川電網(wǎng)累計有90座110 kV以上的變電站受損,停電用戶達246萬戶,給人們的生活和震后救災(zāi)工作帶來了極大的困難[3]。

20世紀80年代以來,世界各國都開始對斷路器進行研究。1989年,法國的THURIES E等人對不同結(jié)構(gòu)形式的斷路器進行了振動臺試驗和有限元分析,得出單極瓷柱式斷路器具有較好的抗震性能[4]。1998年,德國的MIRI A M等人對420 kV高壓斷路器進行了地震模擬振動臺試驗和有限元模擬分析,找出了斷路器的易破壞點在瓷柱和安裝平臺處[5]。

近年來我國也對斷路器的抗震性能進行了研究[6]。2007年,馮東等人對斷路器的可靠度進行了分析,驗證了隔震體系在不同條件下的效果差異[7]。2010年,尤紅兵等人對安裝鉛合金減震器的瓷柱式斷路器進行了有限元模擬,認為鉛合金減震器對斷路器的減震具有顯著效果,能夠提高其抗震能力[8]。2011年,張雪松等人對安裝新型鉛減震器的220 kV斷路器進行了振動臺試驗,結(jié)果表明:該減震器不僅能提供一定的初始剛度,而且還能減低斷路器頂部的位移和加速度,減低套管底部的應(yīng)力[9]。2013年,武勝斌等人對252 kV瓷柱式斷路器在Ag5條件下進行了有限元模擬分析,找出瓷柱式斷路器在地震中容易折斷的原因主要來自底部的支架[10]。

但目前國內(nèi)外對于地震模擬振動臺抗震還缺乏完善的規(guī)范,研究振動臺試驗相關(guān)的抗震內(nèi)容還很少,特別是對于地震模擬的測量信號的處理僅僅使用簡單的時域方法。本文對某220 kV單相瓷柱式六氟化硫斷路器進行了地震模擬振動臺試驗,并采用時域分析方法和頻域分析方法,以考察高壓斷路器的抗震性能。

1 試驗設(shè)計

1.1 地震模擬振動臺設(shè)備

本試驗在國內(nèi)某大學(xué)結(jié)構(gòu)與抗震實驗室完成。該實驗室采用MTS公司的三維六自由度地震模擬振動臺試驗系統(tǒng),主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 地震模擬振動臺主要技術(shù)指標(biāo)

本次測試采用LMS TEST.Lab數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng),通道包括:30個加速度通道,12個位移通道,32個應(yīng)變通道。在設(shè)備測試過程中,保證測點數(shù)目不超過上述通道數(shù)。

1.2 斷路器現(xiàn)場安裝圖

某220 kV單相瓷柱式斷路器安裝在地震模擬振動臺上,如圖1所示。該振動臺上同時安裝了4個設(shè)備,其中,左側(cè)最高的設(shè)備即為本文試驗研究的高壓斷路器。該斷路器自上而下由滅弧室(第1節(jié))、瓷柱(第2節(jié))、調(diào)整機構(gòu)及支架構(gòu)成。設(shè)備總質(zhì)量約為1.8 t,支架的主鋼材為Q235A角鋼,總高度約為7.032 m。

圖1 斷路器示意

1.3 斷路器測點布置

該斷路器本體部分包含兩節(jié),但由于斷路器頂部及兩節(jié)法蘭處位移過大和底部應(yīng)變過大均會導(dǎo)致斷路器受損,因此選擇了5個測點位置,具體如表2所示。

表2 斷路器各測點位置分布

1.4 試驗輸入地震波

地震波的輸入對于振動臺試驗至關(guān)重要。由于此類設(shè)備主要是在中國地區(qū)使用,因此本次試驗根據(jù)GB 50011—2010和GB 50260—2013的標(biāo)準要求反應(yīng)譜來選擇合適的地震波[11-12]。由于試驗選地與蘭州較為接近,所以選擇人工波(蘭州波),而El Centro波和Taft波是地震模擬振動試驗的常用波形,因此本文選用這3種波形作為地震模擬振動試驗的輸入波形。此外,為了進行白噪聲試驗,白噪聲也作為輸入地震波之一。在設(shè)備水平方向上加振,方向向西為正方向。各輸入地震波波形如圖2所示。

1.5 試驗工況

在本試驗中,根據(jù)不同的地震加速度(0.1g,0.2g,0.4g),得出不同波形下的試驗數(shù)據(jù)。按照X正負方向輸入進行頻域分析,考核斷路器的抗震性能。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 試驗測試

為了保證試驗的準確性以及安全性,本次試驗進行了白噪聲測試。采用的是頻率范圍為0.1～50 Hz,加速度半峰值為0.03g,持續(xù)時間為120 s的白噪聲輸入。試驗進行了4組白噪聲模態(tài)測試,得出的第一階固有頻率如表3所示。

表3 4組試驗得出的第一階固有頻率 Hz

由表3可以看出,在逐漸提高加載加速度的情況下,4次試驗的第一階固有頻率逐漸減小,但仍保持在2.3 Hz左右,因此符合試驗的實際情況。分析產(chǎn)生這種情況的原因,主要是由試驗過程中連接處螺栓出現(xiàn)微小松動引起的。

2.2 斷路器頂部響應(yīng)分析

選取斷路器頂部位置作為主要觀測點之一。為分析設(shè)備的地震響應(yīng),對不同的試驗波形進行了比較分析。分別取加速度為0.1g,0.2g,0.4g,根據(jù)頂部測點位置,分析人工波、El Centro波和Taft波的頂部情況。不同工況下,斷路器的頂部加速度、頻率以及頻譜峰值如表4所示。

放大系數(shù)是指所選取點處的某方向加速度最大值和底部輸入該方向地震波的加速度最大值的比值[4,13]。引入放大系數(shù)作為反映結(jié)構(gòu)對于地震波的放大作用,結(jié)果如表5所示。

由表4和表5可知,當(dāng)以人工波作為輸入地震波時,放大系數(shù)在3左右,明顯小于El Centro波和Taft波,說明在分布較廣的人工波情況下,設(shè)備更加穩(wěn)定,不易發(fā)生損壞。

表4 不同工況下的頂部加速度、頻率及頻譜峰值

表5 不同工況下頂部的放大系數(shù)值

3種波形不同工況下的頂部位移、頻率和頻譜峰值如表6所示。

3種波形不同工況下頂部X方向位移如圖3所示。

由表6和圖3可以看出,人工波情況下的位移明顯比其他兩種波形的位移要小,隨著輸入加速度的增大,頂部位移明顯。

當(dāng)輸入加速度為0.2g時,人工波位移為0.1g的1.981倍,El Centro波為0.1g的2.043倍,Taft波為0.1g的2.469倍;當(dāng)輸入加速度為0.4g時,人工波位移為0.1g的4.492倍,El Centro波為0.1g的4.644倍,Taft波為0.1g的5.069倍,呈逐漸增大趨勢;當(dāng)輸入加速度為0.2g時,人工波頻譜峰值為0.1g的1.261倍,El Centro波為0.1g的2.261倍,Taft波為0.1g的2.782倍;當(dāng)輸入加速度為0.4g時,人工波頻譜峰值為0.1g的4.508倍,El Centro波為0.1g的3.666倍,Taft波為0.1g的8.126倍。

表6 不同工況下的頂部位移、頻率以及頻譜峰值

圖3 不同工況下的頂部X方向位移

比較位移與頻譜峰值的變化可以看出,頻譜峰值隨加速度的變化倍數(shù)而變化,與位移的變化倍數(shù)大致相近。但當(dāng)加速度為0.4g時,El Centro波和Taft波的頻譜峰值的變化倍數(shù)明顯較大。該斷路器在輸入地震波的情況下未發(fā)生明顯損壞,由此可知該斷路器在國內(nèi)多數(shù)地震情況下的抗震性能較好。

2.3 斷路器底部響應(yīng)分析

斷路器底部減震位置是振動臺試驗中一個重要的因素,能真實反映結(jié)構(gòu)的變形情況。選取加速度為0.1g,0.2g,0.4g的人工波、El Centro波和Taft波進行分析比較。斷路器不同工況下的底部位移、頻率以及頻譜峰值如表7所示。不同工況下底部的放大系數(shù)如表8所示。

從表8與表5的對比可以看出,底部的放大系數(shù)為0.9～1.4,而頂部的放大系數(shù)為2.5～5.0,由此可以推斷出支架的放大系數(shù)為1.4～2.5,符合抗震設(shè)計規(guī)范。

表7 不同工況下的底部加速度、頻率及頻譜峰值

表8 不同工況下底部的放大系數(shù)值

不同工況下設(shè)備抗震的應(yīng)變結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 不同工況、不同方向下設(shè)備抗震的

實際設(shè)備瓷柱的彈性模量均為為100 GPa,圖4和圖5中的應(yīng)變測點單位為無量綱,量級為10-6。

經(jīng)過計算轉(zhuǎn)化,可得到由應(yīng)變轉(zhuǎn)化得到的應(yīng)力如圖6所示。

圖5 不同工況下設(shè)備抗震的應(yīng)變測試結(jié)果

圖6 各種工況下設(shè)備抗震的應(yīng)力測試結(jié)果

由圖4可以看出,在同一激勵作用下,同一條軸線不同方向上的應(yīng)變值并不相等,有的相差很大。由此可知,在地震激勵下,斷路器的受力狀況很復(fù)雜。

由圖5可以看出,大部分情況下斷路器在人工波的應(yīng)變要比其他波形下的應(yīng)變要小,說明在人工波的情況下,斷路器的抗震性能較好。在輸入-X方向上的0.4g的Taft波激勵時,斷路器第2節(jié)法蘭處的應(yīng)變值最大,沒有發(fā)生明顯損壞。由此可知,此型號的斷路器在強烈地震中是安全的,不易發(fā)生損壞。

當(dāng)輸入-X方向上的最大值為0.4g時,其支架底部的最大應(yīng)力值為10.4 MPa,沒有超過容許應(yīng)力值,支架底部沒有發(fā)生損壞。

3 結(jié) 論

結(jié)合現(xiàn)有的抗震設(shè)計規(guī)范與標(biāo)準,筆者通過對瓷柱式六氟化硫斷路器振動臺的試驗分析與研究,得出以下幾點結(jié)論。

(1) 在斷路器測試中,白噪聲試驗所得到的設(shè)備第一階固有頻率的變化符合正常變化規(guī)律,未發(fā)生明顯改變。

(2) 試驗中斷路器頂部位移未發(fā)生較大偏移,在分布較廣的人工波情況下,設(shè)備更加穩(wěn)定,頻譜峰值的變化與位移的變化接近。由此可以看出,在國內(nèi)多數(shù)地震情況下,該斷路器的抗震性能較好。

(3) 在El Centro波工況下,頂部為斷路器易發(fā)生危險點的位置,容易造成設(shè)備傾倒;在Taft波工況下,第2節(jié)法蘭處為斷路器易發(fā)生危險點的位置,設(shè)備容易發(fā)生斷裂、破損等危害。

(4) 從底部來說,在較低的加速度時,應(yīng)變較小,而在更高的加速度時,應(yīng)力增長遠超加速度的增長比例,爆發(fā)性增大。在實際工程應(yīng)用中,需要特別注意。

(5) 對于斷路器各測點,若抗震效果不佳的,可以采用增加減震器的方法來實現(xiàn)?？紤]實際應(yīng)用中安全性和持久性的問題,建議采取減隔震的方法,這將在后續(xù)的研究中加以探討。

參考文獻：

[1] ZAREEI S A,HOSSEINI M,GHAFORY-ASHTIANY M.The role of equipment in seismic risk of power substations[J].Proceedings of the Institution of Civil Engineers-energy,2017,170(4):150-162.

[2] ALESSANDRI S,GIANNINI R,PAOLACCI F,et al.Seismic retrofitting of an HV circuit breaker using base isolation with wire ropes.Part 2:Shaking-table test validation[J].Engineering Structures,2015,98(3):263-274.

[3] BAI W,DAI J,ZHOU H,et al.Experimental and analytical studies on multiple tuned mass dampers for seismic protection of porcelain electrical equipment[J].Earthquake Engineering and Engineering Vibration,2017,16(4):803-813.

[4] THURIES E,GIRODET A,SERRES E,et al.Seismic behavior of ‘candle’ type SF/sub 6/ outdoor circuit breakers and associated SF/sub 6/ insulated current transformers[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2002,4(4):2100-2108.

[5] MIRI A M,KUHNER A,REINHARDT P,et al.Seismic qualification of high-voltage substations(420 kV circuit breaker with coupled poles)[C]//Proceedings of the 6th International Conference on Optimization of Electrical and Electronic Equipments,Brasov,Romania,2002:225-230.

[6] 謝強,王健生,楊雯,等.220 kV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.

[7] 馮東,陳玲俐,葉志明.高壓斷路器隔震體系抗震可靠度分析[J].世界地震工程,2007,23(3):98-103.

[8] 尤紅兵,趙鳳新.瓷柱式SF 6高壓斷路器抗震性能分析[J].震災(zāi)防御技術(shù),2010,5(4):418-427.

[9] 張雪松,代澤兵,曹枚根,等.安裝新型鉛減震器的220 kV斷路器振動臺試驗[J].高壓電器,2011,47(8):14-17.

[10] 武勝斌,金松安,陳剛,等.252 kV瓷柱式斷路器在Ag5條件下的抗震研究[J].高壓電器,2013,49(8):96-101.

[11] 王亞勇,戴國瑩.《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》的發(fā)展沿革和最新修訂[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報,2010,31(6):7-16.

[12] 田利,李宏男.基于《電力設(shè)施抗震設(shè)計規(guī)范》的地震動隨機模型參數(shù)研究[J].防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報,2010,30(1):17-22.

[13] 毛天爾,曾雙雙,欒極,等.抗震設(shè)計反應(yīng)譜的動力放大系數(shù)[J].土木工程與管理學(xué)報,2012,29(1):89-92.