±1 100 kV復(fù)合支柱絕緣子地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)

，，，

(中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京 100192)

0 引言

作為變電站、換流站內(nèi)重要的組成設(shè)備，支柱絕緣子起著支撐導(dǎo)線以及電氣絕緣的作用，因此保證地震作用下支柱絕緣子機(jī)械力學(xué)性能的完好，對(duì)電網(wǎng)的持續(xù)安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的意義。然而震害資料表明，我國(guó)廣泛應(yīng)用的瓷質(zhì)支柱絕緣子的地震易損性較高，地震作用下容易發(fā)生法蘭破壞、折斷等破壞現(xiàn)象[1-3]，其主要原因是瓷為脆性材料，塑性變形能力較差，且支柱絕緣子的固有頻率與地震波的卓越頻率相近，地震作用下容易發(fā)生共振。近年來(lái)，復(fù)合材料支柱絕緣子由于具有體積小、重量輕、便于運(yùn)輸和安裝、抗震性能好以及耐污閃等優(yōu)點(diǎn)[4]，被廣泛地用于替換傳統(tǒng)的瓷質(zhì)絕緣子，然而由于復(fù)合支柱絕緣子出現(xiàn)的時(shí)間相對(duì)較晚，其制作工藝、設(shè)計(jì)方法還在不斷發(fā)展[5-7]，對(duì)其力學(xué)行為的研究仍然較為缺乏。

先前的工作集中于研究準(zhǔn)靜態(tài)彎曲載荷以及循環(huán)往復(fù)加載條件下復(fù)合支柱絕緣子的響應(yīng)，并且研究對(duì)象主要是高度較小(<3 m)的單節(jié)支柱絕緣子，然而隨著電壓等級(jí)的升高，實(shí)際應(yīng)用的支柱絕緣子往往是由多根絕緣子通過法蘭組裝而成，高度通常大于10 m[14-16]，并且實(shí)際運(yùn)行中，支柱絕緣子主要承受的是大風(fēng)載荷以及地震載荷等隨機(jī)動(dòng)態(tài)載荷，尤其是地震載荷往往是造成支柱絕緣子損毀的主要原因，然而對(duì)多節(jié)復(fù)合支柱絕緣子在地震作用下響應(yīng)的研究卻十分稀少[16]，不利于復(fù)合支柱絕緣子抗震性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)，限制了其在電網(wǎng)中的大面積推廣及應(yīng)用。因此，本文對(duì)特高壓換流站用±1 100 kV復(fù)合支柱絕緣子進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，測(cè)試了其動(dòng)力特性，并分析了該支柱絕緣子的地震響應(yīng)，包括加速度響應(yīng)、位移響應(yīng)以及應(yīng)力響應(yīng)。本文的研究結(jié)果有助于研究人員進(jìn)一步理解復(fù)合支柱絕緣子的地震響應(yīng)，并為復(fù)合支柱絕緣子抗震性能的優(yōu)化提供參考。

1 試驗(yàn)建立

1.1 試件信息

±1 100 kV直流復(fù)合支柱絕緣子總長(zhǎng)15.66 m，總重3.7 t，圖1給出其裝配示意圖。該支柱絕緣子由6根單節(jié)絕緣子(從上至下依次標(biāo)注為A1、A2、A3、A4、A5、A6)組裝而成，相鄰兩節(jié)間通過法蘭盤連接，其中絕緣子A6長(zhǎng)2.56 m，重630 kg，其他絕緣子的信息見表1。各單節(jié)絕緣子均由直徑為300 mm的實(shí)心復(fù)合絕緣件構(gòu)成，絕緣件的兩端與法蘭(45號(hào)鋼)通過黏合劑膠裝連接。

(a)復(fù)合支柱絕緣子試件 (b)試驗(yàn)建立圖1 振動(dòng)臺(tái)上的復(fù)合支柱絕緣子試件和試驗(yàn)建立Fig.1 The composite post insulator specimen on the shaking table and test setup

表1 復(fù)合支柱絕緣子參數(shù)Table 1 Composite post insulator parameters

1.2 測(cè)點(diǎn)布置

試驗(yàn)在中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所的5 m×5 m三向地震模擬振動(dòng)臺(tái)上完成，該振動(dòng)臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷為30 t，滿載時(shí)X、Y、Z3個(gè)方向允許輸入的最大加速度分別為±1.0 g、±1.0 g、±0.7 g，振動(dòng)臺(tái)的工作頻率范圍0.5～40 Hz。見圖1(b)，復(fù)合支柱絕緣子通過圓柱形底座與振動(dòng)臺(tái)相連，底座剛度較大，高度較小(0.37 m)，其動(dòng)力放大效應(yīng)可以忽略。由于支柱絕緣子的對(duì)稱性，僅對(duì)X單方向(東—西方向)施加地震動(dòng)輸入。在A1—A6頂端分別布置加速度傳感器以及位移傳感器，用于測(cè)量各絕緣子頂端的加速度響應(yīng)(X、Y、Z3方向)以及位移響應(yīng)(X向)；在底座處布置加速度傳感器，用于測(cè)量底座的加速度響應(yīng)；振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)內(nèi)置加速度傳感器以及位移傳感器，可以給出地震臺(tái)實(shí)際輸出的加速度以及位移；在A1—A6的根部X、Y方向兩對(duì)側(cè)分別粘貼應(yīng)變片(各節(jié)絕緣子根部共4片應(yīng)變片)，測(cè)量絕緣子根部的應(yīng)變響應(yīng)，測(cè)點(diǎn)的具體布置見圖1(b)。

1.3 地震動(dòng)輸入

試驗(yàn)選取3條地震波進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，分別為人工合成地震波、EI Centro波[17-18]、Taft波。其中人工合成地震波是由人工標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜擬合生成，相比于其他時(shí)程波的頻譜特性，人工標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜的特征周期為0.9 s，幾乎可以包絡(luò)我國(guó)所有的場(chǎng)地類型，圖2、圖3分別給出了人工合成地震波的加速度時(shí)程曲線以及人工波的反應(yīng)譜。將地震波的時(shí)程曲線按比例縮放，其峰值對(duì)應(yīng)的加速度即為地震動(dòng)峰值加速度(peak ground acceleration,PGA)，試驗(yàn)中分別選取PGA為0.1 g、0.2 g、0.3 g以及0.4 g。

圖2 人工波加速度時(shí)程曲線，PGA=0.1 gFig.2 Acceleration time-history of the artificial wave,PGA=0.1 g

圖3 振動(dòng)臺(tái)輸出反應(yīng)譜與標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)普Fig.3 Shaking table output response spectrum and standard response spectrum

2 結(jié)果與討論

2.1 動(dòng)力特性

試驗(yàn)前首先輸入白噪聲激勵(lì)測(cè)試該復(fù)合支柱絕緣子的動(dòng)力特性，圖4給出白噪聲作用下A1頂端的加速度時(shí)程響應(yīng)，對(duì)A1頂端的加速度響應(yīng)進(jìn)行傅里葉變換，并利用變換后的峰值進(jìn)行歸一化，得到該絕緣子的歸一化傅里葉變換譜，見圖5。

圖4 白噪聲作用下支柱絕緣子頂端加速度響應(yīng)Fig.4 Acceleration response of the top of insulator under white noise test

圖5 歸一化傅里葉變換譜Fig.5 Normalized Fourier transform spectrum

根據(jù)圖5，該復(fù)合支柱絕緣子的前3階頻率即為歸一化傅里葉變換譜中曲線峰值所對(duì)應(yīng)的頻率，分別為0.63 Hz、3.90 Hz、10.75 Hz。根據(jù)設(shè)備自由振動(dòng)時(shí)的衰減情況得其阻尼比約為3.7%。對(duì)A2—A6頂端的加速度響應(yīng)做相同變換可以得到完全一致的結(jié)果。由此可見該支柱絕緣子的前3階頻率與地震波的卓越頻率(1～10 Hz)十分接近，地震作用下容易出現(xiàn)共振現(xiàn)象。

2.2 加速度響應(yīng)

X向地震波作用下，支柱絕緣子的Z向加速度響應(yīng)非常小，可以忽略不計(jì)，X向加速度響應(yīng)遠(yuǎn)大于Y向加速度響應(yīng)，為Y向加速度響應(yīng)的2～6倍。簡(jiǎn)潔起見，圖6僅給出人工波作用下A1—A6頂端X向加速度響應(yīng)峰值與PGA之間的關(guān)系，其中A7表示底座頂端的加速度響應(yīng)峰值。A7加速度響應(yīng)峰值隨PGA的增大線性升高，并且?guī)缀醪淮嬖趧?dòng)力放大效應(yīng)，因此可以認(rèn)為A7的加速度響應(yīng)與振動(dòng)臺(tái)實(shí)際輸出的加速度完全相同，其動(dòng)力放大效應(yīng)可以忽略。A1—A6頂端的加速度響應(yīng)峰值同樣隨PGA的增大線性升高，并且PGA相同時(shí)，A6頂端的加速度響應(yīng)峰值最小，A1頂端的加速度響應(yīng)峰值最大，但是A2—A5頂端的加速度響應(yīng)峰值比較接近，沒有呈現(xiàn)特定的規(guī)律。Taft波及EI Centro波作用下，各點(diǎn)的加速度響應(yīng)峰值隨PGA的變化具有相同的現(xiàn)象。

圖6 加速度響應(yīng)峰值與PGA之間的關(guān)系Fig.6 Relationship between peak acceleration response and PGA

定義絕緣子的動(dòng)力放大系數(shù)為各絕緣子頂端加速度響應(yīng)峰值與臺(tái)面輸出加速度峰值的比值，見圖7。圖7(a)給出人工波作用下A1—A6的動(dòng)力放大系數(shù)，圖7(b)給出不同地震動(dòng)輸入下A1—A6的動(dòng)力放大系數(shù)，曲線的誤差條考慮了PGA(0.1～0.4 g)的影響。

圖7 絕緣子動(dòng)力放大系數(shù)Fig.7 Insulator dynamic amplification factor

圖7(a)中，盡管PGA升高了4倍，但動(dòng)力放大系數(shù)變化相對(duì)較小(變化最大的為A5：PGA=0.4 g時(shí)，A5的動(dòng)力放大系數(shù)比PGA=0.1 g時(shí)減小了29%)，因此動(dòng)力放大系數(shù)對(duì)PGA的變化并不敏感(見圖7(b)，EI Centro波作用下曲線的誤差條非常小)。見圖7(b)，不同地震動(dòng)輸入下絕緣子的動(dòng)力放大系數(shù)略有不同，但是動(dòng)力放大系數(shù)沿支柱絕緣子高度的分布規(guī)律大致相同：從位于最下方的A6開始，動(dòng)力放大系數(shù)隨高度的升高而增大；從A4開始動(dòng)力放大系數(shù)隨高度的升高開始減小，其中EI Centro波作用下A2的動(dòng)力放大系數(shù)幾乎等于1(加速度響應(yīng)峰值等于PGA)；位于最上方的A1的動(dòng)力放大系數(shù)又迅速升高，遠(yuǎn)大于其他5節(jié)絕緣子。

2.3 位移響應(yīng)

人工波作用下A1—A6頂端的位移響應(yīng)明顯大于Taft波以及EI Centro波作用下的結(jié)果，簡(jiǎn)潔起見，圖8僅給出人工波以及Taft波作用下A1—A6頂端相對(duì)于振動(dòng)臺(tái)的X向位移與PGA之間的關(guān)系，其中人工波作用下當(dāng)PGA≥0.3 g時(shí)，A1、A2頂端位移響應(yīng)峰值超過位移計(jì)量程(500 mm)，因此圖8(a)中未給出相關(guān)結(jié)果，但A1、A2頂端位移響應(yīng)峰值(PGA≥0.3 g)可以根據(jù)PGA<0.3 g時(shí)絕緣子的相對(duì)位移響應(yīng)分布規(guī)律進(jìn)行估算(見下節(jié)所述)。見圖8，A1—A6頂端相對(duì)位移響應(yīng)峰值幾乎隨PGA的增大線性升高(PGA<0.4 g)，當(dāng)PGA=0.4 g時(shí)，位于頂端的A1—A5相對(duì)位移響應(yīng)峰值出現(xiàn)非線性，且隨著測(cè)點(diǎn)位置的升高，非線性逐漸增強(qiáng)。EI Centro波作用下也可以得到類似結(jié)果。

圖8 相對(duì)位移響應(yīng)峰值與PGA之間的關(guān)系Fig.8 Relationship between peak relative displacement response and PGA under

圖9給出了A1—A6頂端相對(duì)位移響應(yīng)峰值Dmax的分布，曲線已用A6頂端的相對(duì)位移響應(yīng)峰值Dmax_6進(jìn)行了歸一化，其中曲線的誤差條描述了PGA的影響(PGA=0.1-0.4 g，其中人工波作用下A1的相對(duì)位移不包含PGA=0.3-0.4 g的結(jié)果，A2的相對(duì)位移不包含PGA=0.4 g的結(jié)果)。圖9中，不同地震波輸入造成頂部絕緣子間Dmax/Dmax_6產(chǎn)生略微差別，然而相同地震波作用下PGA對(duì)Dmax/Dmax_6的影響較小。盡管EI Centro波作用下PGA的變化引起A1—A3絕緣子Dmax/Dmax_6產(chǎn)生較大波動(dòng)(誤差條較大，見圖9)，然而并沒有發(fā)現(xiàn)Dmax/Dmax_6與PGA存在單調(diào)關(guān)系，因此可以認(rèn)為Dmax/Dmax_6對(duì)PGA的變化并不敏感。于是可以根據(jù)A6的相對(duì)位移響應(yīng)(圖8(a))以及Dmax/Dmax_6的分布規(guī)律(圖9)，估算人工波作用下PGA分別為0.3 g、0.4 g時(shí)A1、A2頂端的相對(duì)位移響應(yīng)峰值：人工波作用下，PGA=0.3 g時(shí)，A1頂端相對(duì)位移響應(yīng)峰值約為523.2±9.0 mm；PGA=0.4 g時(shí)，A1頂端相對(duì)位移響應(yīng)峰值約為(670.8±11.5) mm，A2頂端相對(duì)位移響應(yīng)峰值約為(492.0±19.9) mm。

圖9 相對(duì)位移響應(yīng)峰值分布Fig.9 Distribution of peak relative displacement response

2.4 應(yīng)力響應(yīng)

試驗(yàn)過程中支柱絕緣子的應(yīng)變響應(yīng)較小，處于線彈性范圍，因此可以根據(jù)絕緣子的應(yīng)變響應(yīng)及其彈性模量計(jì)算絕緣子的應(yīng)力響應(yīng)。人工波作用下，支柱絕緣子根部的應(yīng)力響應(yīng)明顯大于Taft波以及EI Centro波作用時(shí)的情況，并且由于A1—A4的根部應(yīng)力明顯小于絕緣子A5、A6，簡(jiǎn)潔起見，圖10僅給出人工波作用下A5、A6根部應(yīng)力響應(yīng)峰值分布的雷達(dá)圖。圖10中，由于是X向單方向激勵(lì)，絕緣子X向應(yīng)力響應(yīng)峰值明顯大于Y向應(yīng)力響應(yīng)峰值，并且應(yīng)力響應(yīng)峰值隨PGA的增大線性升高。人工波作用下，A6根部的應(yīng)力響應(yīng)峰值在X方向關(guān)于東—西對(duì)稱，在Y方向關(guān)于南—北對(duì)稱，而A5根部的應(yīng)力響應(yīng)峰值在X方向上東側(cè)應(yīng)力峰值明顯大于西側(cè)應(yīng)力峰值，在Y方向上北側(cè)應(yīng)力峰值明顯大于南側(cè)應(yīng)力峰值，并且A5的最大應(yīng)力明顯高于A6，Taft波以及EI Centro波作用下也有相同的現(xiàn)象。

圖10 人工波作用下根部應(yīng)力峰值分布Fig.10 Peak bottom stress distribution under artificial wave

相鄰兩根絕緣子之間通過法蘭螺栓連接，見圖11，受壓側(cè)法蘭除了受到螺栓提供的反力，還會(huì)受到下方連接物(地面、法蘭盤等)的提供的向上的反力，而受拉側(cè)法蘭受到的約束相對(duì)較弱——僅受到螺栓的反力，這種拉壓側(cè)約束的不對(duì)稱可能是導(dǎo)致絕緣子柱拉壓應(yīng)力不對(duì)稱的原因之一。另外設(shè)備安裝過程中無(wú)法保證所有螺栓具有相同的預(yù)緊力，因此單方向地震動(dòng)激勵(lì)下，支柱絕緣子的響應(yīng)并非僅沿X方向運(yùn)動(dòng)，還會(huì)出現(xiàn)繞根部固定端的轉(zhuǎn)動(dòng)，于是絕緣子Y方向上的應(yīng)力響應(yīng)并不等于零，甚至還會(huì)出現(xiàn)Y方向的應(yīng)力峰值與X方向應(yīng)力峰值相當(dāng)?shù)那闆r(見圖10(b)，北側(cè)應(yīng)力響應(yīng)峰值與西側(cè)應(yīng)力響應(yīng)峰值相差不大，甚至PGA<0.3 g時(shí)兩處應(yīng)力響應(yīng)峰值大小相同)。另外螺栓連接以及法蘭膠裝引入的非線性使得設(shè)備的應(yīng)力響應(yīng)更加復(fù)雜，出現(xiàn)A5根部的最大應(yīng)力高于A6根部的最大應(yīng)力的現(xiàn)象，因此A5的根部，尤其是X方向上的東側(cè)，是整個(gè)支柱絕緣子的危險(xiǎn)部位，地震作用較強(qiáng)時(shí)此處可能首先發(fā)生破壞。

圖11 法蘭受力狀態(tài)示意圖Fig.11 Force acted on the flange

3 結(jié)論

對(duì)±1 100 kV復(fù)合材料支柱絕緣子進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，研究了該支柱絕緣子的地震響應(yīng)，試驗(yàn)得到的主要結(jié)論如下：

1)通過白噪聲測(cè)試得到±1 100 kV復(fù)合材料支柱絕緣子的阻尼比約為3.7%，前3階頻率分別為0.63 Hz、3.90 Hz、10.75 Hz，與地震波的卓越頻率相近。

2)支柱絕緣子各點(diǎn)的加速度響應(yīng)峰值隨PGA的增大線性升高，然而支柱絕緣子的動(dòng)力放大系數(shù)對(duì)PGA的變化并不敏感；不同地震動(dòng)輸入可能導(dǎo)致動(dòng)力放大系數(shù)不同，但是對(duì)動(dòng)力放大系數(shù)沿支柱絕緣子的分布規(guī)律影響較小。

3)PGA<0.4 g時(shí)，支柱絕緣子各點(diǎn)的相對(duì)位移響應(yīng)峰值隨PGA的增大線性增大，而相對(duì)位移響應(yīng)峰值沿支柱絕緣子的分布規(guī)律對(duì)PGA的變化并不敏感。

4)X單方向激勵(lì)下，支柱絕緣子X方向的應(yīng)力響應(yīng)峰值明顯大于Y方向上的應(yīng)力響應(yīng)峰值，然而由于螺栓連接引入的非線性，支柱絕緣子還會(huì)出現(xiàn)繞固定端的轉(zhuǎn)動(dòng)，并且最大應(yīng)力沒有出現(xiàn)在支柱絕緣子根部，A5的根部是該設(shè)備的薄弱部位。