750kV電容式電壓互感器抗震性能研究

山東泰開互感器有限公司 郇正軍 李 磊 袁 剛 馬 飛 劉芳芳 吳光斌

地震是影響人類生活的自然災害之一。全球每年發(fā)生7級以上強烈地震十余次，造成嚴重的經濟損失和人員傷亡。我國是一個受地震災害嚴重影響的國家。20世紀以來我國地震死亡總人數已占全球地震死亡人數的1/2左右。2018年12月全球地震模型發(fā)布了全球地震災害與風險報告，指出中國是全球地震造成經濟損失第二大的國家，無論是準確的地震預報、災害評估還是及時高效的應急救援，都需要快速的聯動響應。

高壓套管是電力設備的關鍵部件之一，其運行狀況關系到一次設備的安全運行。利用電容分壓器的原理測量高壓，廣泛應用于特高壓和特高壓電力系統(tǒng)?？拐鹉芰κ谴_保生產企業(yè)在遭受地震自然災害時避免滲漏，減少對周邊環(huán)境破壞的關鍵。如何在設計階段就了解其結構弱點，進而采取相應的優(yōu)化改進措施是十分必要的。在給定設防烈度的地震條件下，可保證足夠的安全性和穩(wěn)定性。為實現這一抗震設防目標，需要根據初步設計方案，在正常工作和地震條件下對關鍵內部構件的強度進行檢查，以確定設計方案是否合理并提出改進方案。

1 電容式電壓互感器的特殊性

目前大部分電容式電壓互感器設備始終處于運行狀態(tài)，在電容式電壓互感器中，根據這些裝置對防護環(huán)境的需要，對機房電磁環(huán)境、等電位連接、機房與線路的屏蔽、加裝防雷設備等綜合防護措施有經過考慮?？拐窦夹g可顯著降低電氣設備設備結構的自然振動，通過適當的阻尼使設備結構的加速度響應大大降低。在發(fā)生地震時防震支架可使設備本身的變形很小，只發(fā)生很小的剛性變形。

電磁環(huán)境與室內綜合接地。在裝置的變流器四周一般設置有防雷帶、防雷裝置，而在室內設置“法拉第籠”。通過采取上述措施，可降低設備在遭受雷擊和其它強烈的電磁環(huán)境中的損害，從而確保設備的長時間、穩(wěn)定地工作。這些裝置一般都是要接地的，地線在室內被收集起來，然后與戶外等電位器相連。

走線架。一般設備的上走線架和下走線排同時使用需要防靜電地板，上走線架通常固定在設備上、下走線架通常固定在房屋地板上，由金屬支架支撐，鋪設防靜電地板。這使得不僅需要考慮設備，還需考慮用于室內抗振支撐的布線架。此外，承載能力、光照要求、溫濕度要求等特殊要求，使得設備的抗震軸承實施與其他行業(yè)有很大不同。還需要考慮通用性要求，如經濟性、安裝方便性等。

2 地震及減震相關

2.1 地震作用理論與有限元法

目前國內外的地震反應理論包括靜力理論、反應譜理論、時間過程理論等。靜力理論忽略了結構的動態(tài)性能，將其看作是絕對的剛性，并將其與地面的加速度相等。適合低層剛性結構，在高度上具有均勻的質量分布；利用時程分析原理，將多個真實的加速度記錄輸入到結構模型中，計算出各節(jié)點的位移、速度和加速度隨時間的變化；美國人在20世紀40年代提出了反應譜論，這一理論將地震過程中的地表因素考慮在內。結構的動態(tài)性能和自身的動態(tài)性能是當前結構抗震設計中使用最多的一種。

本文提出了一種利用單個顆粒體系在真實地震中的反應分析方法。在此基礎上，提出了在地震作用下粒子橫向地震作用的幅度及方向隨時間的推移，一般僅在地震作用下進行抗震設計。目前國內對變壓器結構應力的研究多是以有限元為基礎，基本思路是把連續(xù)模型分解成若干個以特定形式相互連接、相互耦合的有限元，再通過節(jié)點和單元的概念對結構狀態(tài)下的應力進行求解。本文利用有限元軟件對裝置的地震反應進行了分析，在有限元計算中，通常應用頻譜分析和暫態(tài)動態(tài)技術對結構進行地震響應分析。瞬態(tài)動態(tài)技術取決于輸入地震加速度的時間。目前這個工程還沒有任何地震加速度的特別紀錄，故本文運用頻譜分析技術進行了裝置的地震計算與分析。

2.2 減震隔震技術概述

隔震技術。電壓互感器隔離技術是利用隔震裝置將電壓互感器基礎與主體結構連接固定，一旦發(fā)生地震，電壓互感器基礎部分的地震波能力將被電壓互感器本體中的隔震裝置阻擋。除結構外，減少了地震波對電壓互感器主體結構的影響。

減震技術。是利用連接件將電壓互感器固定連接在一定位置。在地震中這些連接件會通過其結構和形狀的變化，如壓縮、彎曲、偏移等而被消耗。從電壓互感器基層傳輸的地震波冷鏈可減少地震波的影響壓在變壓器上部結構上，從而達到減少主體結構振動的目的。

總之，我們認為：子宮平滑肌瘤是多因素、多種生長因子共同作用的結果，降低性激素水平，阻斷WT-1基因位點，均能達到阻止肌瘤生長或使其萎縮甚至消失的目的。

目前，阻尼式電壓互感器阻尼技術占據了電壓互感器阻尼技術應用市場的85%。就像汽車中的減震器一樣，是通過減震器中的彈簧或液壓裝置本身的壓縮或變形來吸收地震發(fā)生時產生的能量。作為在美國長期從事軍事和航天研究的公司，美國泰勒公司很早就開始了阻尼式減震器在減少物體振動方面的積極作用的生產和開發(fā)過程，早在1950年代就開始嘗試阻尼式減振器在電壓互感器阻尼技術中的應用，尤其是在美國的大型或超大型橋梁和軍用電壓互感器等重要電壓互感器中，泰勒幾乎占據了60%以上的市場份額。根據阻尼裝置吸收和消耗外界能量的方式，可分為速度相關阻尼器、位移相關阻尼器和復合阻尼器。

2.3 抗震設計參數

設計參數。軸承材料參數及性能：Q235A，彈性模量210GPa，泊松比0.3，密度7800kg/m3，137MPa，許用剪應力84MPa；16MnDR，彈性模量198GPa，泊松比0.3，密度7850kg/m3，181MPa，許用剪應力109MPa；45鋼，彈性模量210GPa，泊松比0.3，密度7850kg/m3，166MPa，許用剪應力100MPa。

抗震設防目標。在8度地震烈度條件下，如果設備不移位或支架不損壞，即認為不會對外界造成破壞，達到預設的抗震設防目標。

2.4 有限元模擬分析

模型建立與簡化。用力學模型軟件建立并將其作為stp存儲，然后引入有限元軟件進行網格劃分和計算；網格劃分。為方便網格劃分加入不同的材料屬性，采用先建立構件再進行整體裝配。引入模型進行網格劃分，通常應遵守兩條基本原則：第一要有一個良好的單元形態(tài)，二是最小單元的數量。此外一般采用六面體的方法進行網格分割，既能保證計算精度又能降低計算工作量。

定義約束。在本文中將變流器和托架的觸頭作為滑動約束觸頭，而聯接塊的觸頭被設定為滑動約束觸頭，螺桿、頂出桿和聯接塊是不能滑動的結合觸頭；求解。在完成了以上的預處理設定后再進行求解，最終將靜態(tài)和頻譜分析相結合。在模態(tài)分析完成后，以地震加速度為頻譜類型確定激勵方向，并將加速度譜曲線添加到頻譜中進行頻譜分析。在頻譜分析結束后進行模式合并，將計算結果輸入數據庫，并將其與靜態(tài)分析結果結合起來得出最終的地震響應。

3 地震分析

在靜載荷作用下，抽取靜等應力、提取自振頻率和模態(tài)，并將其應用于相應的結構自振頻率，并將其與靜力分析結果結合起來。通過對其進行頻譜分析，得出了該結構的總當量應力。

3.1 地震荷載

8度地震加速度曲線。

3.2 地震分析。

3.2.1 預應力模態(tài)分析

提取自重下電壓互感器設備內部元件的前2個固有頻率，當勵磁響應譜頻率停留在5.973Hz和17.648Hz時，會出現相應的變形趨勢。

等效應力。在將8級地震響應譜應用于內部構件后，等效力云圖、連接塊等效力云圖、頂桿等效應力云圖、推桿等效應力云圖、推桿等效應力云圖的最前端的通道被抽出。最大根應力發(fā)生在套管的基部。由不同部位的應力變化趨勢可知，下部3個部位的應力差別很小，而上部3個部位的應力變化較大，表明下部3個部位的應力有明顯的差別。結構的受力更加合理，上部3個井筒整體設計的危險性較大，其危險性也較大。從整體構造來看下部套管對地震的損傷較大，上部套管的強度損失較大。

關鍵構件的位置偏移：在對等效作用力進行校核的同時也要考慮到關鍵部位的位移，確定了車架前端槽鋼的關鍵部位。觀測了不同方向時x、z方向的關鍵點的位移和振動頻率之間的關系。發(fā)現在激勵頻率低于220Hz的情況下，不管激勵方向是什么，代表點的位移在1.0E～15m左右；當激發(fā)頻率提高時，其變形量由開始逐漸增加到0，隨后快速上升；在所研究的頻域中，代表點x方向的最大位移為2.2E～09m，而z方向上的最大值為2.6E～09m。結果表明，不管激勵方向是什么，在接近150Hz的振動頻率時，代表點在x-方向和z方向上的位移最大；表示點x方向上的最大位移為0.05米，z方向的最大位移為0.004米左右。

3.3 結果評價

采用力學建模軟件進行等效建模，并采用有限元分析軟件對模型進行仿真分析。結果表明，在8度軸向地震條件下，無論激振方向如何設備初步設計都不合格，不滿足相應材料的許用應力要求。

4 防震方案的比選

抗震的實質是吸收振動引起的位移，在空間上可將其分解成垂直和水平方向，在同一水平面上，水平方向上的水平位移可劃分為橫向和縱向兩種。

4.1 整體性方案

將設備所處的房子地板作為一個單元，并鋪設多根縱梁和橫梁。在縱梁上安裝一塊能吸收縱向位移的橡膠并與地面連接；縱、橫兩根橫梁與四壁之間有一個限位裝置，它可在垂直方向上吸收位移，在橫向上作為一個固定的功能，在橫梁上設有一個縱向和橫向的導軌，在導軌上設有一個支撐裝置，該支撐裝置與設備和設備相連。為了方便設備和設備的分級接地，在抗震支架上設置走線槽，并與支架外側的接地母線相連。

4.2 分散性方案

裝置四個角落作為分散單元，每一個都有四個抗震支架。抗震支架與設備、設備可靠連接，接地端由電線連接?？拐鹬Ъ芏佳b有接地導線并與接地母線可靠地相連。為提高分散式抗震支座的整體和可靠性，采用鋼帶、鋼管等方式在支座的表面設置了連接接頭，并將四個支座聯接在一起。它的抗震作用是由一個獨立的支架組成的，每一個支架由上、下兩個部件組成，上部用于吸收橫向位移、下部用于吸收縱向位移，上部分橫向和縱向兩部分分別用于吸收橫向和縱向的位移。

4.3 上掛式方案

上部懸掛式抗震支座的設計主要由縱梁、橫梁、縱向固定裝置、橫向固定裝置組成，縱向橫梁的下部設有懸吊架與裝置裝置連接，從而將裝置吊在縱梁上。接地線等應按規(guī)范的安裝項目進行，上部懸掛式減震支架能吸收一切變形，它與地面式結構的區(qū)別在于它的主要承載力是向下的、而不是承載力，它的主要承載力是上部的縱向橫梁，它的受力形式是不同的，所以它吸收變形的主要部件是懸掛在上面的連接件。

4.4 分析與比選

整體式結構具有良好的抗震整合性，即使在較大的荷載下也能保持平穩(wěn)；在設備安裝過程中，后期不需要更換抗震支架；此外，縱、橫梁的布置還可與地網、室內接地連接預留部分等互相配合，對整體接地有一定的輔助作用。但整體方案的實施較困難，對住宅外形的要求比較高，與分散式方案相比缺乏靈活性。如室內需上下走線架同時使用，則會影響到走線架的走向，從而造成設備與設備間的距離增大而造成信息傳遞不夠快，造成設備利用率低等問題。且整體方案的成本相對于分散式方案來說要高，如后期不進行設備間的改建，將會產生很大的浪費。

與整體式結構相比，分散式結構具有更好的經濟效果，每增設一套裝置或者裝置就會添加一套抗震支架；支座即不需要對房子的外形進行設計，也不需要對房子的外形進行比較規(guī)范；安裝時無須對墻體進行任何改動，工作量更少；不會對下穿線框產生任何影響，可以按照傳統(tǒng)的方法進行。采用鋼帶和鋼管連接，提高了系統(tǒng)的整體可靠性，為增加接地的可靠性各支座必須單獨接地。與地表方案相比，采用上懸式方案，其橫向位移和縱向位移的吸收型結構較為簡便，不需采用多個結構組合，但因要架設縱橫梁而耗費大量的材料，而不需采用整體式結構。