智利高地震烈度區(qū)高壓瓷瓶隔離開關(guān)的高等級抗震考核試驗(yàn)

王軍麗　吉堂付　翁　萱　楊　輝　朱云龍

智利高地震烈度區(qū)高壓瓷瓶隔離開關(guān)的高等級抗震考核試驗(yàn)

王軍麗吉堂付翁萱楊輝朱云龍

（蘇州電器科學(xué)研究院股份有限公司，江蘇蘇州 215104）

為獲取戶外高壓隔離開關(guān)的動態(tài)特性、研究瓷瓶破斷力與地震載荷的關(guān)系以及驗(yàn)證隔離開關(guān)的抗震性能，開展了相關(guān)的考核試驗(yàn)。依據(jù)IEEE 693—2005標(biāo)準(zhǔn)的要求，試驗(yàn)前進(jìn)行了應(yīng)變計的校準(zhǔn)試驗(yàn)、瓷瓶的彎曲破斷試驗(yàn)和隔離開關(guān)的抗震性能試驗(yàn)。經(jīng)過抗震試驗(yàn)，隔離開關(guān)完好無損且在抗震試驗(yàn)前后其共振頻率變化不大，瓷瓶破斷力大于地震載荷的2倍。結(jié)果表明隔離開關(guān)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，通過了抗震考核。

高壓隔離開關(guān)抗震試驗(yàn)彎曲破斷試驗(yàn)應(yīng)變計校核試驗(yàn)振動響應(yīng)探查要求響應(yīng)譜試驗(yàn)響應(yīng)譜

引言

變電站將發(fā)電廠的電能輸送到較遠(yuǎn)的樞紐站，以便工業(yè)生產(chǎn)和生活。變電站的安全關(guān)系民生，因此，用于變電站的電氣產(chǎn)品需進(jìn)行符合當(dāng)?shù)卦O(shè)防烈度的抗震考核試驗(yàn)。戶外高壓隔離開關(guān)將高壓配電裝置中需要停電部分和帶電部分進(jìn)行有效的隔離，對電路的正常運(yùn)行起到關(guān)鍵作用，是變電站的重要部件。

智利處于太平洋板塊和納斯卡板塊的交界處，地震頻發(fā)，每年由地震災(zāi)害帶來的經(jīng)濟(jì)損失至少1億美元。近20年來，智利發(fā)生多次8級以上的地震，如2010年2月發(fā)生里氏8.8級強(qiáng)烈地震（新華網(wǎng)，2010），2014年4月伊基克市西北部沿海發(fā)生8.2級地震（人民網(wǎng)，2014），2015年西部海岸又發(fā)生8.3級地震（搜狐新聞，2015），如此頻繁的地震嚴(yán)重威脅了智利國家人民的生命和財產(chǎn)安全。

呂寶龍（2007）利用有限元模型對2種高壓隔離開關(guān)進(jìn)行地震反應(yīng)分析，并評估了地震災(zāi)害對高壓隔離開關(guān)可能造成的影響；韓軍科等（2008）提出了高壓隔離開關(guān)可設(shè)置基底隔震層，減震效果顯著；黃峰等（2010）采用ANSYS方法建立GW7-252隔離開關(guān)模型，通過輸入共振調(diào)幅波，分析了隔離開關(guān)的抗震性能；謝強(qiáng)等（2012）依據(jù)IEEE標(biāo)準(zhǔn)對220kV雙柱高壓隔離開關(guān)進(jìn)行了抗震試驗(yàn)，分析了支架結(jié)構(gòu)型式和刀閘對瓷瓶響應(yīng)的影響；金松安等（2013）采用有限元對適用于高海拔的252kV隔離開關(guān)進(jìn)行了抗震分析；王海菠等（2018）開展特高壓氣體絕緣開關(guān)設(shè)備的振動臺試驗(yàn)，提出增大本體的剛度可降低套管的地震響應(yīng)的結(jié)論；朱全軍等（2018）針對電氣設(shè)施結(jié)構(gòu)支架動力放大系數(shù)，選取安全性的評估算法，對支架類電氣設(shè)備結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計方案進(jìn)行了評估。

中國相關(guān)規(guī)范規(guī)定在設(shè)計基本地震加速度0.05g及以上地區(qū)的電氣設(shè)備時，必須進(jìn)行抗震設(shè)計（中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，2010），驗(yàn)證抗震性能可采用分析、試驗(yàn)或兩者結(jié)合的驗(yàn)證原則，對電氣設(shè)施抗震性能的驗(yàn)證可采用靜力法、底部剪力法或時程法等（中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局等，2010；中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，2013）。近幾年，中國鮮有文獻(xiàn)通過試驗(yàn)方法研究智利地區(qū)地震對252kV高壓隔離開關(guān)設(shè)備的影響。為深入研究252kV隔離開關(guān)的抗震性能，本文通過試驗(yàn)方法，并依據(jù)IEEE 693—2005標(biāo)準(zhǔn)（IEEE，2006），采用美國高等級地震水平（0.5g）的反應(yīng)譜對某公司生產(chǎn)的252kV高壓瓷瓶開關(guān)樣品進(jìn)行抗震考核試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果對高壓電氣設(shè)備的抗震性能考核具有一定的借鑒意義。

1　試驗(yàn)條件

1.1　樣件描述

樣件為戶外使用的單相雙柱式高壓隔離開關(guān)，總高約3090mm，雙柱間距約3100mm，參數(shù)見表1，總裝圖見圖1。雙柱頂端有主刀連接，底端有地刀連接，并配有主刀和地刀的控制箱，抗震試驗(yàn)按照實(shí)際模型進(jìn)行。

表1 　樣件參數(shù)

1.2　試驗(yàn)方向與測點(diǎn)布置

定義南北向?yàn)闄M向、東西向?yàn)榭v向，與橫向、縱向正交的方向?yàn)榇瓜?，靠近北面的瓷柱為瓷?，靠近南面的瓷柱為瓷柱2。在樣件開關(guān)的規(guī)定測點(diǎn)位置布置加速度傳感器和應(yīng)變計（圖1）。測點(diǎn)T1為瓷柱1上部，測點(diǎn)T2為瓷柱1中部，測點(diǎn)T3為瓷柱2上部，測點(diǎn)T4為瓷柱2中部。每個瓷柱由上瓷瓶和下瓷瓶組成，在瓷柱底部和中部粘貼應(yīng)變片。應(yīng)變計S1、S3在瓷柱2中部縱向，應(yīng)變計S2、S4在瓷柱2中部橫向；應(yīng)變計S5、S7在瓷柱1中部縱向，應(yīng)變計S6、S8在瓷柱1中部橫向，應(yīng)變計S9、S11在瓷柱1下部縱向，應(yīng)變計S10、S12在瓷柱1下部橫向，應(yīng)變計S13、S15在瓷柱2下部縱向，應(yīng)變計S14、S16在瓷柱2下部橫向（圖1）。

2　應(yīng)變計校準(zhǔn)試驗(yàn)

為得到應(yīng)變計的力和應(yīng)變關(guān)系，需對應(yīng)變計進(jìn)行力-應(yīng)變校準(zhǔn)。用砂紙打磨瓷瓶根部后，粘貼電阻應(yīng)變片，采用半橋方式對應(yīng)變進(jìn)行采集，并使用靜態(tài)應(yīng)變分析儀記錄數(shù)據(jù)。

圖1　樣件總裝圖和應(yīng)變片位置示意圖

分別在瓷柱1和瓷柱2上施加砝碼力，橫向、縱向各施加1次。施加力依次為245N、490N、735N、980N、735N、490N、245N，應(yīng)變結(jié)果見表2。圖2、圖3分別為瓷柱1、瓷柱2的縱向和橫向力-應(yīng)變校驗(yàn)圖。

表2 　力-應(yīng)變測量結(jié)果

圖2　瓷柱1縱向和橫向力-應(yīng)變校驗(yàn)圖

圖3　瓷柱2縱向和橫向力-應(yīng)變校驗(yàn)圖

從表2和圖2、圖3可以看出，隨著施加力的變化，瓷柱1和瓷柱2在橫向和縱向的應(yīng)變呈線性變化。

3　彎曲破斷試驗(yàn)

選擇8個絕緣子支柱樣品1—8，下端固定，上端在相互垂直的4個方向依次施加作用力。在前3個方向試驗(yàn)中，分別施加預(yù)期破斷力70%的力（5.6kN），各保持5s。在第4個方向試驗(yàn)中，當(dāng)作用力達(dá)到預(yù)期破斷力70%后，在30—90s內(nèi)將增加到100%的額定彎曲破壞力（8kN），最后將作用力繼續(xù)增加直至破壞，并記錄數(shù)據(jù)，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 　瓷瓶絕緣子支柱樣品的破斷力

4　抗震性能試驗(yàn)

4.1　振動響應(yīng)探查

在抗震性能試驗(yàn)前，首先在3種狀態(tài)下對開關(guān)樣件進(jìn)行振動響應(yīng)探查試驗(yàn)，3種狀態(tài)分別為：主刀合、地刀分；主刀分、地刀合；主刀分、地刀分。在3個正交軸上（橫向、縱向、垂向）分別施加正弦掃頻信號，掃頻頻率范圍為1—33Hz，加速度幅值0.1g，掃頻速率為0.6oct/min（oct為倍頻程）。采用傳遞函數(shù)可得到瓷柱開關(guān)的共振頻率，結(jié)果見表4、表5和表6。

表4　主刀合、地刀分狀態(tài)下振動響應(yīng)探查結(jié)果

表5　主刀分、地刀合狀態(tài)下振動響應(yīng)探查結(jié)果

表6　主刀分、地刀分狀態(tài)下振動響應(yīng)探查結(jié)果

由表4、表5和表6可見，瓷柱1在3種測試狀態(tài)下的縱向、橫向一階共振頻率均為3.5Hz，表明主刀和地刀的合、分對瓷柱1的動態(tài)特性沒有產(chǎn)生明顯影響；瓷柱2在主刀分、地刀合狀態(tài)下的橫向一階共振頻率（3.5Hz）大于縱向（3.0Hz），表明地刀合提高了瓷柱2的橫向剛度；瓷柱1和瓷柱2在垂直方向未產(chǎn)生共振，有很好的剛度。

4.2　抗震考核試驗(yàn)

4.2.1要求響應(yīng)譜的選取

電氣開關(guān)試驗(yàn)選擇的阻尼比為2%，水平加速度則選取1.1倍的美國IEEE 693—2005（IEEE，2006）高地震水平0.50g的要求響應(yīng)譜RRS（Required Response Spectrum）進(jìn)行試驗(yàn)。垂直向的加速度為水平向的0.8倍。水平向RRS如圖4所示。在主刀合、地刀分，主刀分、地刀合，主刀分、地刀分3種狀態(tài)下進(jìn)行抗震試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中不通電，但可做3種狀態(tài)的開關(guān)動作試驗(yàn)，為模擬均壓環(huán)的重量（7kg），在瓷瓶頂端施加68.6N的力。在0.5g的RRS考核試驗(yàn)后，再做1g的2倍RRS極限性能試驗(yàn)。

圖4 　水平向的要求響應(yīng)譜 Fig. 4 　Required response spectrum in horizontal direction

4.2.2試驗(yàn)監(jiān)測結(jié)果

IEEE（2006）要求隔離開關(guān)在經(jīng)受地震事件期間和震后不應(yīng)出現(xiàn)損壞和功能喪失。選取的樣品在輸入0.5gRRS響應(yīng)譜考核試驗(yàn)期間和試驗(yàn)后，開關(guān)結(jié)構(gòu)完好無損，開關(guān)動作正常。

采用電阻應(yīng)變片測出應(yīng)變值，RRS考核試驗(yàn)的應(yīng)變結(jié)果見表7，加速度監(jiān)測值見表8，坐標(biāo)軸相關(guān)系數(shù)見表9。

表7　RRS考核試驗(yàn)過程中應(yīng)變試驗(yàn)值

表8　RRS考核試驗(yàn)過程中加速度測量值

注：TT為臺面加速度。

從表7、表8可以看出，在主刀合、地刀分和主刀分、地刀分2種狀態(tài)下，瓷柱的縱向應(yīng)變小于橫向，縱向響應(yīng)加速度小于橫向；在主刀分、地刀合的狀態(tài)下，瓷柱的縱向應(yīng)變大于橫向，縱向響應(yīng)加速度大于橫向，表明地刀合增加了瓷柱在橫向的剛度；整體上瓷柱1的應(yīng)變小于瓷柱2，表明了瓷柱的個體差異。

4.2.3試驗(yàn)響應(yīng)譜的包絡(luò)結(jié)果

通過STEX軟件，將RRS響應(yīng)譜輸入系統(tǒng)，振動臺反饋得到試驗(yàn)響應(yīng)譜TRS（Test Response Spectrum），人工合成地震波加速度時程如圖5所示，3個方向的相關(guān)系數(shù)均小于0.3，試驗(yàn)持續(xù)30s，其中強(qiáng)震部分20s。

要求響應(yīng)譜在低頻有較高的加速度，則需要設(shè)備有較高的位移特性。由于液壓振動臺的能力限制，在人工合成地震波時可采用高通濾波措施，起始頻率小于或等于樣品最低自振頻率的70%，但不高于2Hz（國家核安全局，1995；IEEE，2006）。本次試驗(yàn)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，在1—33Hz的頻率范圍內(nèi)，TRS完全包絡(luò)了RRS，如圖6所示。

4.2.4極限性能試驗(yàn)結(jié)果

輸入2倍RRS響應(yīng)譜（1g）進(jìn)行極限性能試驗(yàn)（PE）期間，臺面反饋峰值加速度為橫向1.250g，縱向1.231g，垂向0.898g；測點(diǎn)T1反饋峰值加速度為橫向2.457g，縱向2.728g，垂向1.019g；測點(diǎn)T2反饋峰值加速度為橫向1.327g，縱向5.355g，垂向0.987g；測點(diǎn)T3反饋峰值加速度為橫向4.204g，縱向2.845g，垂向2.619g；測點(diǎn)T4反饋峰值加速度為橫向3.344g，縱向2.127g，垂向0.958g。

瓷柱1的測點(diǎn)T2在縱向承受2倍于測點(diǎn)T1的地震載荷，下部開關(guān)傳動機(jī)構(gòu)的傳動桿斷裂，但瓷瓶完好無損，表明傳動桿強(qiáng)度不夠，而瓷瓶經(jīng)受住了極限性能試驗(yàn)。

4.3 　抗震性能試驗(yàn)后的振動響應(yīng)探查

4.3.1主刀合、地刀分狀態(tài)

在主刀合、地刀分狀態(tài)下進(jìn)行抗震試驗(yàn)后的振動響應(yīng)探查，結(jié)果見表10。對比表10和表4可以看出，抗震試驗(yàn)后瓷柱1和瓷柱2的橫向一階共振頻率為3.0Hz，縱向一階共振頻率為3.5Hz，與抗震試驗(yàn)前相比，瓷柱1橫向一階共振頻率降低了0.5Hz，瓷柱2的橫向一階共振頻率未發(fā)生明顯變化，表明經(jīng)歷地震后瓷柱1橫向受到影響。

表10 　試后主刀合、地刀分狀態(tài)下振動響應(yīng)探查

4.3.2主刀分、地刀合狀態(tài)

同樣，在主刀分、地刀合狀態(tài)下進(jìn)行抗震試驗(yàn)后的振動響應(yīng)探查，結(jié)果見表11。對比表11和表5可以看出，抗震試驗(yàn)后瓷柱1和瓷柱2的橫向一階共振頻率為3.0Hz，縱向一階共振頻率為3.5Hz，與抗震試驗(yàn)前相比，橫向一階共振頻率均降低了0.5Hz，表明在經(jīng)歷地震后，瓷柱1和瓷柱2的橫向均受到影響，而縱向剛性較好。

表11　試后主刀分、地刀合狀態(tài)下振動響應(yīng)探查

4.3.3主刀分、地刀分狀態(tài)

主刀分、地刀分狀態(tài)下的抗震試驗(yàn)后振動響應(yīng)探查結(jié)果見表12，對比表12和表6可以看出，抗震試驗(yàn)后瓷柱1和瓷柱2的橫向一階共振頻率為3.0Hz，縱向一階共振頻率為3.5Hz，與抗震試驗(yàn)前相比，瓷柱1橫向一階共振頻率降低了0.5Hz，瓷柱2的橫向一階共振頻率未發(fā)生明顯變化，表明經(jīng)歷地震后瓷柱1的橫向受到影響。

表12試后主刀分、地刀分狀態(tài)下振動響應(yīng)探查

Table13 　The first order resonance frequency from vibration response detecting after seismic with the main cutter off and the ground cutter off

4.3.4抗震試驗(yàn)前、后共振頻率對比

對比抗震試驗(yàn)前、后的傳遞函數(shù)（圖7），可以看出共振頻率變化不大。瓷柱1的橫向共振頻率從3.5Hz降為3.0Hz，變化14%，小于IEEE（2006）規(guī)定的20%。

圖7　抗震試驗(yàn)前、后測點(diǎn)T1的傳遞函數(shù)對比Fig. 7 　Comparison of transfer function of T1 at three points before and after seismic test

5　抗震試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

根據(jù)高壓隔離開關(guān)抗震考核試驗(yàn)的應(yīng)變測量值，通過應(yīng)變計校準(zhǔn)試驗(yàn)的力-應(yīng)變關(guān)系曲線反推得到隔離開關(guān)頂部的地震載荷，再由瓷瓶破斷力試驗(yàn)結(jié)果得到瓷瓶的破斷力。根據(jù)IEEE（2006）要求，瓷柱的破斷力應(yīng)大于2倍地震載荷，則隔離開關(guān)合格。

5.1　地震載荷FS計算

在比較地震載荷與破斷力時，采用瓷柱中部應(yīng)變對應(yīng)的地震載荷進(jìn)行計算。

根據(jù)RRS抗震考核試驗(yàn)得到的瓷柱中部的應(yīng)變，反推得到相應(yīng)的瓷柱頂部的地震載荷，即S6—S8、S10—S12對應(yīng)瓷柱1橫向力，S5—S7、S9—S11對應(yīng)瓷柱1縱向力，S2—S4、S14—S16對應(yīng)瓷柱2橫向力，S1—S6、S13—S15對應(yīng)瓷柱2縱向力。根據(jù)表2和表7，通過線性插值或外推計算出3種狀態(tài)下0.5g RRS地震輸入時的地震載荷S，見表13。

表13　地震載荷計算

由表13可見，在狀態(tài)1（主刀合、地刀分）時，瓷柱的地震載荷最小，而在狀態(tài)2（主刀分、地刀合）時，瓷柱的地震載荷最大，達(dá)到1578N。因此，采用1578N地震載荷對瓷柱的破斷力進(jìn)行校核。

1個瓷柱由2個瓷瓶構(gòu)成，設(shè)1個瓷瓶的長度為，則瓷柱的長度為2。若頂部作用力為，瓷柱底部的力矩=2，而瓷柱中部的力矩=，因此，瓷柱根部的彎矩是中部的2倍，而應(yīng)變（或應(yīng)力）與彎矩成正比，因此根部應(yīng)變也是中部的2倍。應(yīng)變與施加力成線性變化，即正比關(guān)系，因此根部的應(yīng)變應(yīng)為中部的2倍，故根部的最大應(yīng)變?yōu)?578N×2=3156N。根據(jù)表7，根部應(yīng)變測量的最大值是233.60×10-6（S13—15），再根據(jù)表2，利用外推法，得到頂部地震載荷為1819N。保守地取2個數(shù)值的較大者，即頂部最大地震載荷為3156N。

5.2 　破斷力計算

對瓷瓶破斷力試驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和破斷力計算，結(jié)果見表14。

表14　瓷瓶絕緣子支柱樣品的破斷力（kN）

續(xù)表

表15　K值與樣品數(shù)關(guān)系

5.3　驗(yàn)算

6　總結(jié)

本文通過對戶外高壓隔離開關(guān)的高地震區(qū)抗震性能檢測，獲取其在抗震試驗(yàn)過程中的加速度和應(yīng)變，得到以下結(jié)論：

（1）試驗(yàn)滿足IEEE（2006）的要求，在抗震試驗(yàn)前分別開展了應(yīng)變計的校準(zhǔn)試驗(yàn)、瓷瓶的彎曲破斷試驗(yàn)和隔離開關(guān)的抗震性能試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中和試驗(yàn)后開關(guān)完好無損，滿足瓷瓶破斷力大于等于2倍地震載荷的要求。

（2）戶外高壓隔離開關(guān)的完整性在抗震性能檢測中得到了保證?？拐鹪囼?yàn)前、后樣件的共振頻率變化不大，小于20%，證明隔離開關(guān)結(jié)構(gòu)未損壞，經(jīng)受住了抗震性能考驗(yàn)。

（3）在1g輸入載荷的極限抗震試驗(yàn)中，盡管瓷瓶結(jié)構(gòu)完好，但下部傳動連桿斷裂，建議將連桿的直徑加粗為原來的1.5倍（截面積增加1倍）。

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朱全軍，高政國，陳應(yīng)祿等，2018. 基于隨機(jī)反應(yīng)譜理論的支柱類電氣設(shè)備抗震性能評估方法研究. 地震工程與工程振動，38（2）：194—200.

IEEE, 2006. IEEE 693—2005 IEEE recommended practice for seismic design of substations. New York: IEEE.

High Level Seismic Qualification Test of High Voltage Porcelain Insulator Disconnector in Chile High Earthquake Intensity Area

Wang Junli, Ji Tangfu, Weng Xuan, Yang Hui and Zhu Yunlong

(Suzhou Electric Apparatus Science Research Academy Co., Ltd., Suzhou 215104, Jiangsu, China)

In order to obtain the dynamic characteristics of the outdoor high voltage disconnector and the relationship between the breaking force of the porcelain insulator and the earthquake load, and to verify the seismic performance of the disconnector, the calibration test of the strain gauge is carried out before the seismic test, the bending breaking test of the porcelain insulator is carried out on the basis of the requirements of the IEEE 693—2005 standard. Then the seismic performance test of the disconnector is conducted. After seismic testing, the disconnector is intact, and the resonance frequency of the porcelain insulator does not changed before and after the seismic test. The breaking force of the porcelain insulator is 2 times greater than that of the earthquake load. The result shows that the structure of the disconnector is stable to bear the seismic assessment.

High voltage porcelain insulator disconnector; Seismic test; Breaking test; Calibration strain gauges; Vibration response research; Required response spectrum; Test response spectrum

10.11899/zzfy20190206

2018-06-22

王軍麗，女，生于1987年。工程師。主要從事抗震性能檢測工作。E-mail：15162484351@126.com

王軍麗，吉堂付，翁萱，楊輝，朱云龍，2019．智利高地震烈度區(qū)高壓瓷瓶隔離開關(guān)的高等級抗震考核試驗(yàn)．震災(zāi)防御技術(shù)，14（2）：314—327．