500 kV 避雷器抗震性能振动台试验研究

孟宪政，代泽兵，卢智成，朱祝兵，高坡

(中国电力科学研究院，北京市102401)

500 kV 避雷器抗震性能振动台试验研究

孟宪政，代泽兵，卢智成，朱祝兵，高坡

(中国电力科学研究院，北京市102401)

通过500 kV避雷器设备的振动台抗震试验，研究标准时程波对避雷器设备抗震性能评估的适用性。抗震试验过程中进行单向输入和双向输入，输入波形包括人工标准时程波、EL Centro地震波、Taft地震波和共振拍波。试验结果表明，在相同地震等级的上述4种地震波的作用下，标准时程波激励下的设备根部应力最大。由于标准时程波对应反应谱卓越频率段较平缓，对于不同设备的试验结果差异相对较小，因此标准时程波适用于500 kV避雷器的抗震性能评估。双向激励与单向激励试验结果对比表明，对于双向轴对称结构进行抗震性能评估时可以仅进行单向激励振动台试验。

500 kV避雷器;振动台试验;抗震性能;卓越频率

0 引言

电力系统是生命线工程的重要组成部分，是维持国民经济命脉的关键环节。随着社会经济的发展，各领域对于电力的依赖程度越来越大。近几十年，国内外多次地震灾害对电力设施均造成了巨大破坏，严重影响到社会的正常秩序。

在电力公司大力发展高压送电的同时，对于电气设施抗震性能的要求也越来越高。500 kV避雷器作为电力系统的保护电器，在500 kV高压输电系统中得到了广泛的应用，其抗震性能对于电网系统的安全运行是十分重要的。张军等运用EL Centro波、Taft波及人工波对220 kV绝缘子及避雷器进行振动试验研究并得出结论:由于避雷器设备相对于绝缘子设备高，自重大，在地震中反应更为剧烈，抗震能力比支柱绝缘差［1］。李秋熠等在对1 000 kV避雷器隔震性能的有限元分析中指出:对称结构2个方向上的响应不耦合，双向输入避雷器结构2个方向上的地震响应几乎相同，但合成后的地震响应比单向输入大［2］。实际地震过程中2个方向的应力响应有可能没有同时达到最大值，与计算结果相比较可能会有差异。

振动台试验过程中的输入波形有人工波、实际地震波等多种波形，对于高压电气设备振动台试验输入波形还没有形成统一的标准。高压电气设备在同等级地震烈度的不同地震波作用下，其振动响应不同，给准确评估其抗震能力带来了困难。

本文通过对某500 kV避雷器输入多种地震时程波，研究不同地震波作用下设备根部应力的变化、单向激励输入与双向激励输入设备应力响应的差异以及标准时程波对于高压电气设备的适用性。最后用有限元软件进行数值仿真分析，得到设备在地震波作用下的应力，并与试验结果进行对比，修正数值模型，验证计算结果的合理性。

1 试验概况

本次试验是在国家建筑工程质量监督检验中心6 m×6 m模拟地震振动台上进行的，振动台系统的主要技术指标如下:工作频率为0.1～50 Hz，标准负荷为60 t，最大倾覆力矩为1 800 kN·m，最大偏心力矩为600 kN·m，台面最大加速度x方向为±4.0 g(空台)和±1.5 g(标准负荷)，y方向为±2.5 g(空台)和±1.0 g(标准负荷)，z方向为±3.0 g(空台)和±0.8 g(标准负荷)。试验试件为500 kV避雷器，避雷器高度约为5.7 m，质量约为1 200 kg，瓷瓶节数为3节，弹性模量为1.0×1011MPa，设备下端通过刚性支架与振动台用螺栓连接。在避雷器每节瓷套根部的x向和y向对应位置粘贴应变片，在振动台台面和避雷器顶部以及每节瓷套的根部放置加速度计，共使用加速度计8个，应变片12个，设备测点布置图如图1所示。

动力特性试验工作频率为0.5～50 Hz，加速度峰值为0.05 g，持续时间为120 s的白噪声随机波，通过关键部位的加速度反应得到设备的自振频率及阻尼比。

抗震试验选用的EL Centro波、Taft波是基于IEEE 693标准来选取的实际地震波［3-4］。EL Centro波是1940年5月18日美国Imperial山谷地震(M7.1)在EL Centro台站记录的加速度时程，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;Taft地震波是1952年7月21日发生的加利福尼亚州Kern县的地震，在Taft Lincoln学校采集的记录［5］。共振拍波是根据GB 50260—1996《电力设施抗震设计规范》中正弦共振调幅波公式生成的人工地震波［6-7］。人工标准时程波是根据人工标准反应谱拟合而来的。而人工标准反应谱是在对电气设备相关抗震、减震课题研究的基础上，结合高压电气设备自身的机械强度特点，为方便设备厂商的标准化生产以及电网工程中设备的选用，而提出的对电气设备进行抗震性能评估时采用综合方案和区划图方案相结合的建议谱。标准反应谱的特征周期为0.9 s，可以包络所有类型场地［8］。各输入时程波对应的加速度反应谱如图2所示，各时程波的波形图如图3所示。

从图2输入时程波的加速度反应谱可以得知，EL Centro波和Taft波在1～10 Hz地震波卓越频率范围内波动较大，有差异较明显的波峰和波谷值。这样会造成对不同频率的设备在EL Centro波和Taft波地震试验中所得的测试结果有较大的差异。而共振拍波在共振频率点的谱值达到最大，然后向两侧急速减小，而标准反应谱卓越频率段较宽且平坦，对不同频率的设备振动台抗震能力评估差异较小。

2 试验过程

振动台输入加速度峰值分为2个等级，分别为7度0.1 g、8度0.2 g，根据相关规范考虑支架动力放大系数为1.2［6］，实际台面输入加速度峰值为0.12 g和0.24 g。试验前后输入白噪声测试试件的频率和阻尼比。地震激励分别沿x向和x+y向输入试验用地震动时程［9］，测得试件的应变、加速度等地震响应，试验前后用白噪声来测试设备的自振频率，确保设备内部没有损伤。

3 试验结果

3.1 实测频率和阻尼比

通过白噪声试验测得试验前后设备的基频和阻尼比变化如表1所示。从表1中数据可知试验前后设备的频率降低了6.02%，阻尼比增加了12.5%，可见设备在试验过程中刚度和阻尼有所变化，设备呈现一定的非线性因素。导致这种因素的原因包括试验过程中法兰连接部位螺栓的松动、设备本身的材料特性等因素。通过对设备顶部加速度的功率谱分析，得出设备的二阶频率为20.6 Hz，在地震谱的卓越频率之外，因此振动台试验设备的振动以一阶振型为主。

3.2 振动台单向波输入试验结果

振动台试验过程中，单方向输入上述4种波形，得到设备根部应变时程结果。因振动台输出控制系统存在误差，台面输出加速度时程波与输入目标时程波有一定的差距，需要对试验结果进行处理。标准反应谱按照台面输出反应谱与期望谱(目标谱)的容差在0～15%的要求调整试验结果，本次试验标准时程输出谱与标准反应谱容差较大，考虑到设备以一阶振型为主，调整的目标是将设备自振频率附近的输出谱调到目标谱之上，而EL Centro波、Taft波和共振拍波对应的设备应力以台面输出加速度时程峰值与实际输入加速度峰值相等的原则进行调整，实测试验结果和整理后的试验结果如表2和表3所示。调整前后的反应谱曲线如图4所示。

由图4可以得到各地震波在设备一阶频率点和二阶频率点对应的加速度反应谱值如表4所示。

由表3、表4和图4可以得出如下结论:

(1)当峰值加速度为0.12 g、0.24 g时，标准时程波、Taft波和EL Centro波作用下的台面输出加速度反应谱对应的卓越频率范围(1～10 Hz)在设备自振频率附近相对于共振拍波比较平缓，设备应力由大到小依次为标准时程波、Taft波和EL Centro波，而且与设备自振频率点的加速度反应谱大小顺序对应。

(2)从台面输出加速度反应谱的平缓度来看，标准时程波是最稳定的，EL Centro波和Taft波在卓越频率段设备自振频率附近有较大的波峰波谷值，这会造成对不同频率的设备在EL Centro波和Taft波地震试验中所得的试验测试结果有较大的差异。

(3)虽然共振拍波在设备的自振频率点对应的加速度反应谱值最大，但是在自振频率附近其反应谱幅值急速减小，而且设备自振频率在试验过程中是变化的，根据某一频率值生成的共振拍波在试验中并没有与设备完全共振，这就可能造成虽然共振拍波对应的自振频率点的加速度反应谱值最大，而设备应力却不是最大的结果。

3.3 单向激励与双向激励的试验结果对比

试验模型从双方向输入除共振拍波以外的上述3种波，所得试验结果与单向工况下的试验结果进行对比，得到设备的最大应力如表5所示。

双向激励时，首先对设备根部应力2个主轴方向同时刻的应力求矢量和，然后取其峰值作为双向激励作用下的设备最大应力值。从表5中数据可以看出:双向轴对称设备在单向地震波激励作用下设备根部应力与双向地震波激励下的设备根部应力之比为0.84～1.21。除加速度峰值为0.12 g的Taft波工况下的单向激励设备应力比双向激励设备应力大以外，其他工况下单向激励设备应力均小于双向激励的设备应力。仅看单向激励设备应力比双向激励设备应力大的工况，比值为0.84～1.0，均值为0.94，除去最小比值0.84，其比值范围为0.93～1.0。总体上看，单向激励与双向激励作用下设备的应力差异不大。因此在对双向轴对称的高压电气设备进行工程抗震评估时可以认为仅需进行单向激励输入的振动台试验。

4 数值模拟计算与试验结果对比

根据GB 50260―1996《电力设施抗震设计规范》，按照等效弯曲刚度原则将法兰等效成圆截面短梁，最终建立的避雷器设备数值模型如图5所示，模型中采用Beam189单元模拟避雷器套管和法兰，Mass21单元模拟均压环及附属结构的质量，约束结构最底端节点［10］。数值模拟计算所得的设备基频为2.47 Hz，与试验所测设备频率吻合，仿真计算与试验抗震结果分析对比如表6所示。

数值计算采用的时程为振动台试验台面的输出时程，阻尼比用试验所测设备的阻尼比。由表6中数据可知:数值模拟计算所得设备应力与试验结果的比值为0.94～1.67，总体上看计算结果普遍大于试验结果，这可能是因为在试验过程中，白噪声激励较小，所测阻尼比较小，设备实际振动中的阻尼比大于所测的阻尼比，设备整体耗能增加，导致试验结果普遍小于计算结果。计算结果与试验结果差异最大的是共振拍波，这是由于在振动台试验过程中，设备刚度减小，频率减小，导致共振拍波与设备没有产生共振，从而使试验结果明显小于计算结果。

5 结论

(1)设备在试验前后自振频率略微减小，阻尼比略微增大，设备在试验过程中表现出一定的非线性因素。高压电气设备较柔，频率较低，处于地震波卓越频率范围以内，而且阻尼较小，在地震中的响应比较大。

(2)当地震加速度峰值为0.12 g、0.24 g时，标准时程波对应的设备应力最大，Taft波和共振拍波其次，设备应力最小的是EL Centro波，设备应力大小与台面加速度反应谱自振频率点的谱值成正比关系。EL Centro波和Taft波的加速度反应谱卓越频率段的设备自振频率附近有较大的波峰波谷值，在使用EL Centro波和Taft波作为地震台输入时，对不同频率的设备的地震作用会有较大差异。标准时程波的加速度反应谱在卓越频率段比较稳定，对于不同频率设备的地震作用差异较小，而且标准反应谱的试验结果能够包络其他地震波，因此标准反应谱拟合而成的地震动的过程，适用于高压电气设备的振动台试验。

(3)由于设备具有双向轴对称性，双向激励与单向激励作用下设备的根部应力差异不大，因此在对双向轴对称的设备进行抗震评估时，振动台试验过程中，可以仅进行单向激励作用下的振动台试验，这样有利于简化高压电气设备的振动台试验过程，节约成本。

(4)数值计算结果和试验结果有一定的差异，但总体上看数值计算结果与试验结果吻合。设备本身具有一定的质量分布，在计算中可能未得到充分体现，而且法兰刚度等效系数以及螺栓连接模拟也有待进一步研究。

(5)高压避雷器设备一般为脆性材料，体型高且自重大，抗震能力弱。

［1］张军，陈大斌，张子引，等.220 kV绝缘子及避雷器振动试验研究［J］.电力技术经济，2009，21(4):47-50.

［2］李秋熠，朱瑞元，孙琪，等.1 000 kV避雷器隔震性能的有限元分析［J］.电力建设，2013，34(2):22-27.

［3］Institute of Electrical and Electronics Engineers.IEEE Std 693—2005 recommended practice for seismic design of substations［S］.New York:IEEE Press，2006.

［4］谢强，朱瑞元，周勇，等.220 kV隔离开关地震模拟振动台试验［J］.电网技术，2012，36(09):262-267.

［5］张军，齐立忠，李科文，等.电瓷型高压电气设备的抗震试验及有限元分析［J］.电力建设，2011，32(7):6-10.

［6］GB 50260―1996电力设施抗震设计规范［S］.北京:中国计划出版社，1997.

［7］尤红兵，张郁山，赵凤新.电气设备振动台试验输入的合理确定［J］.电网技术，2012，36(5):118-124.

［8］GB 50011―2010建筑抗震设计规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2010.

［9］刘阳，魏峰，聂志强，等.500 kV电容式电压互感器抗震试验［J］.电力电容器与无功补偿，2010，31(4):42-46.

［10］张雪松，代泽兵，曹枚根，等.安装新型铅减震器的500 kV氧化锌避雷器抗震［J］.武汉大学学报:工学版，2011，44(1):107-110.

(编辑:张媛媛)

Shaking Table Test for Seismic Performance of 500 kV Arrester

MENG Xianzheng，DAI Zebing，LU Zhicheng，ZHU Zhubing，GAO Po
(China Electric Power Research Institute，Beijing 102401，China)

This paper studied the application of artificial standard time history wave on the seismic performance evaluation of 500 kV arrester in shaking table test，in which artificial standard time history wave，EL Centro seismic wave，Taft seismic wave，Beat-Wave were inputted unidirectional or bidirectional.The test results show that，under above 4 kinds of seismic waves with the same seismic grade，the stress of the equipment root under the action of artificial standard time history wave is the largest.The difference of test results for the different equipment under the action of artificial standard time history wave should be relatively small because the dominant frequency segment of the response spectrum of time history waves is gentle，so artificial standard time history wave is applied to the seismic performance evaluation of 500 kV arrester.Comparison results under the action of unidirectional or bidirectional waves demonstrate that it can only carry out unidirectional excitation shaking table test for the seismic performance evaluation of two-dimensional axisymmetric structure.

500 kV arrester;shaking table test;seismic performance;dominant frequency

TM 862

A

1000－7229(2014)01－0035－05

10.3969/j.issn.1000－7229.2014.01.007［HT］

国家电网公司科技项目(GCB17201200084)。

2013-07-07

2013-08-23

孟宪政(1986)，男，本科，主要从事结构抗震、减震方面的研究工作，E-mail:mengxianzheng@epri.sgcc.com.cn;

代泽兵(1975)，男，博士，主要从事结构振动和防灾减灾方面的理论研究工作;

卢智成(1978)，男，博士，主要从事结构抗震、减震方面的研究工作;

朱祝兵(1982)，男，硕士，主要从事结构抗震、减震方面的研究工作;

高坡(1986)，男，本科，主要从事结构抗震、减震方面的研究工作。