电瓷型高压电气设备的抗震试验及有限元分析

2011-04-03张军齐立忠李科文陈大斌

电力建设 2011年7期

张军，齐立忠，李科文，陈大斌

(国网北京经济技术研究院，北京市，100052)

0 引言

我国地处世界上2个最活跃的地震带之间，东濒环太平洋地震带，西部和西南部是欧亚地震带所经过的地区，是世界上多地震的国家之一。我国地震活动不仅频度高，强度大，而且地震活动的范围很广［1］。自20世纪60年代以来，我国发生了10几次对电气设备造成较大震害的地震，特别是2008年5月12日，四川汶川发生的8.0级地震对电网设备、设施造成重大损失［2］。

震后调研情况显示断路器、避雷器、隔离开关、互感器等电瓷型高压电气设备的破坏率非常高，是变电站功能失效的主要因素;另外，这些破坏数量多，范围广，遍布各个电压等级，十分典型。地震所造成的电气设备损伤主要表现为绝缘瓷瓶断裂、设备倾斜或跌落。目前国内电气设备抗震研究较少，因此对电瓷型高压电气设备进行振动试验及有限元分析研究具有重要的现实意义。

1 振动台试验研究

通过典型结构的足尺真型振动台试验，测定各个模型在不同地震作用下关键部位加速度、应变等主要参数，以此来确定结构本身的动力特性、抗震性能以及设备支架和上部设备连接处的受力性能，为综合评定结构的抗震性能和结构设计方法提供参考［3］。此外，根据试验得到的数据来验证理论计算模型的正确性与合理性。

1．1 试验对象的选取

本试验选取了地震中损坏比较典型的220 kV绝缘子及避雷器设备。采用的绝缘子和避雷器均为实际工程中所用的产品，试验属于足尺寸真型试验。支柱绝缘子采用的是干法工艺生产的高强瓷户外棒型支柱绝缘子，型号为ZSW－252/10K－3，由西安西电高压电瓷有限责任公司生产。220 kV氧化锌避雷器型号为Y10W5－204/532W，由西安西电避雷器有限责任公司生产。

绝缘子和避雷器支架结构分别采用φ250 mm×6 mm及φ300 mm×6 mm两种不同直径的钢管，故试验模型共有4个:JYZ－250、JYZ－300、BLQ－250、BLQ －300。

1．2 地震波的选取

地震加速度波形的特性常用三要素(加速度峰值、频谱特性和持续时间)来描述。输入不同性质的地震加速度波形，结构的时程反应差别很大［4］。加速度曲线可直接选用强震记录的地震数据曲线，也可按结构拟建场地类别的反应谱特性拟合的人工地震波。选用人工合成地震波时，持续时间不宜少于20 s［5］。

为了模拟多种场地条件，本次试验选用3条地震波作为模拟地震振动台台面输入波，分别为:EL-centro波(N-S)、Taft波(E-W)和上海人工地震波2(简称人工波)。

EL-centro波是1940年5月18日美国加州Imperial Valley地震记录的加速度时程，持时53.73 s，适合Ⅱ类场地土，它是广泛应用于结构试验及地震反应分析的经典地震记录。试验中选取N-S分量作为台面输入，峰值加速度为341.7 cm/s2。

Taft波是1952年7月21日美国California地震记录的加速度时程，持时54.38 s，场地土属Ⅲ类，试验中选取E-W分量作为台面输入，峰值加速度为175.9 cm/s2。

上海人工地震波2，由上海市建筑抗震设计规程提供，是适合上海Ⅳ类场地的人工拟合地震波。

各条原型地震波的加速度时程曲线见图1～3所示。

图3 原型人工波的加速度时程曲线Fig.3 Time-history curve of acceleration for prototype artificial wave

1．3 试验分析

4个模型一起安装到振动台台面上，对振动台输入振动波，震动烈度为7度多遇至9度罕遇，并将相近的情况进行归并，加速度取值分别为:0.035 g、0.1 g、0.2 g、0.4 g、0.62 g，期间利用白噪声进行扫频检查结构内部是否破坏。

在试验过程中，随着输入地震波量级的增大，设备发生的晃动越来越明显，但根据频谱分析，模型的自振频率变化不大，表明模型内部刚度并未明显下降。4个模型中避雷器模型的晃动较绝缘子明显，其中以BLQ－250模型的反应最为强烈。试验进行到输入的地震烈度达到9度罕遇Taft波时，BLQ－250模型从瓷座根部发生断裂，故实际试验只进行到此次工况为止。

2组模型在不同工况作用下，支架顶部加速度峰值的对比见图4～5，可以看出输入3条地震波各模型动力响应趋势一致，但每条波对应的加速度峰值有所不同。

由试验结果可以看出:采用φ250 mm×6 mm支架形式的电气设备试验时顶部的放大系数要比采用φ300 mm×6 mm支架形式大，前者约为后者的1.1～1.2倍，说明刚度较大，加速度放大系数较小。图6为试验的现场破坏现象。

图4 JYZ－250和JYZ－300支架顶部加速度峰值对比Fig.4 Comparison between peak accelerations at top of JYZ－250 and JYZ－300 brackets

2 有限元分析

2．1 计算模型

利用ANSYS有限元程序，计算分析不同类型的电力设施在地震作用下的地震响应，既是对试验结果的对比验证，也可由此提出合理有效的有限元分析模型，对其他类型的电力设施的抗震性能进行研究。

本文计算模型采用Beam188梁单元，Beam188单元适合于分析从细长到中等粗短的梁结构，该单元基于铁木辛哥梁结构理论［6］，并考虑了剪切变形的影响。建立的220 kV避雷器的有限元模型同样采用由西安西电避雷器有限责任公司生产，型号为Y10W5－204/532W的220 kV氧化锌避雷器。如图7所示，梁单元Beam188以实体的形式显示，单元总数为50个。

图7 220 kV避雷器有限元模型Fig.7 FE model of 220kV arrestor

2．2 动力特性分析

选取EL-centro波(南北)前30 s，然后根据所需的最大加速度值不同对 EL-centro波做出调整。220 kV避雷器支架结构分别采用φ250 mm×6 mm及φ300 mm×6 mm两种不同直径的钢管，故模型共有2个:BLQ－250、BLQ－300。

避雷器支架和设备顶部绝对加速度最大值详见表1，避雷器下部瓷套管根部应变最大值详见表2。表中均有试验对比数据。

表1 避雷器支架和设备顶部绝对加速度最大值与放大系数Tab.1 Absolute maximum acceleration and amplification coefficient at top of arrestor bracket and equipment

表2 瓷套管根部应变最大值Tab.2 Maximum strains at foot of porcelain pipe

通过有限元计算分析与试验数据对比，认为选取的模型及分析方法是合理的，所得的结果是可靠的，同样可适用于其他类型的电气设备。

通过有限元计算与试验结果的对比，发现存在误差，经分析原因如下:首先，由于有限元法是一种近似的数值分析方法，模型的精度直接影响结果的精确度，而仅考虑结构的整体反应，因此在建模的时候做了一定简化，而且模型中各种材料的参数均为理想材料参数，与试验中的真实材料可能存在差别;其次，针对每种设备，振动台1次只能对1台设备进行试验，其结果的普遍意义有局限性;设备在生产加工过程中的缺陷，材料特性分布不均匀以及振动台试验设备条件的限制，都可能使试验结果有所偏差，从而造成与有限元结果产生误差。

电气设备共采用220 kV支柱绝缘子、220 kV避雷器、500 kV断路器、750 kV避雷器和750 kV电压互感器3个电压等级4种设备类型的原型结构进行有限元计算分析。这些设备的主要计算数据如表3～4所示，表中含试验对比数据。

表3 220 kV绝缘子和避雷器试验和有限元数据Tab.3 Results of 220 kV insulator and arrestor and FEA

表4 500和750 kV设备的有限元数据Tab.5 FEA results of 500 kV and 750 kV equipment

经有限元计算分析，其中220 kV绝缘子和避雷器支架直径为250 mm时，其动力放大系数大于直径为300 mm的支架，前者约是后者的1.1倍，与试验结果基本一致。

GB 50260—96《电力设施抗震规范》［7］中规定，当仅对电气设备本体进行抗震设计，弯矩、剪力及水平加速度均应乘以支承结构动力反应放大系数，对安装在室外的电气设备，其设备支架动力放大系数取1.0～1.2。

由试验数据与有限元计算分析可以发现，500 kV断路器、750 kV避雷器和互感器，自振频率低(0.86～1.58 Hz)，设备重量大，其支架的动力放大系数为2.26～2.49，与规范建议的取值相差较大。

220 kV绝缘子和避雷器自振频率较高(3.8～7.5 Hz)，设备重量小，在按照规范5.4.4条要求输入人工合成地震波时，4个试件的动力放大系数为1.23～1.56，均大于规范取值1.2;且在EL-centro波和Taft波形下，试验及计算动力放大系数为1.5～2.25，与规范5.2.6条规定的1.0～1.2仍存在较大差距。

通过对电气设备应力应变分析，可知220 kV绝缘子和避雷器，在7～9度地震作用时，基本处于安全状态。综合各项分析数据，建议绝缘子支架取φ250 mm×6 mm，避雷器支架取φ300 mm×6 mm;500 kV断路器、750 kV避雷器和互感器在8度罕遇(0.4 g)及其以上地震作用时，材料处于接近或超过屈服极限状态，设备有发生破坏的可能。