110 kV GIS抗震仿真分析

夏 拓，王 蕾，何荣涛，李宪普，曾 亮，许 欢

(1.厦门理工学院电气工程与自动化学院,福建厦门361024; 2.许继 (厦门)智能电力设备股份有限公司,福建厦门361024)

110 kV GIS抗震仿真分析

夏 拓1，王 蕾1，何荣涛2，李宪普2，曾 亮1，许 欢1

(1.厦门理工学院电气工程与自动化学院,福建厦门361024; 2.许继 (厦门)智能电力设备股份有限公司,福建厦门361024)

使用ANSYS Workbench有限元软件，用反应谱法对ZF48－126型110 kV进出线气体绝缘全封闭组合电器 （GIS）进行抗震计算研究.在模拟GIS正常运行条件下得到GIS整体结构的位移、速度、加速度动力响应及等效应力响应，分析了重心位置对GIS整体结构固有频率的影响.结果表明：该型GIS设备满足AG5（0.5g）抗震水平，但出线套管会产生相对剧烈颤动，不利于GIS安全运行，降低重心位置能有效避免共振，提高低阶固有频率.仿真结果与认证实验数据具有一致性，可以为其他高压电器产品的抗震设计提供借鉴.

GIS；有限元模型；反应谱法；地震响应

近年来我国地震频发,由地震引起的变电站停运给救援和震后重建工作带来诸多不便［1］.高压电器的抗震性能已成为国家电网和国内外电器生产企业极为重视的电器性能指标之一.在开关类设备中,气体绝缘全封闭组合电器 (gas insulated enclosed combination switch,GIS)相比其他开关设备具有更好的抗震性能［2］,是地震多发地带优先选用的高压电器设备形式［3－5］.GB/T 11022—2011、GB/T 13540—2009、IEEE Std 693—2005、《SF6高压电器设计》第2版、第3版增加的抗震设计等章节,为高压电器产品的抗震设计提供了详细的参考依据及多种计算方法.目前,对隔离开关、断路器的模拟地震振动较多,但是GIS设备体积庞大,难以在振动台上考核其抗震性能,且存在耗费高的问题,高压电器企业普遍较少在前期设计环节对产品抗震评估.本文在Solid Works中将实体模型简化后,通过ANSYS Workbench有限元软件,按照GB/T 13540—2009标准对ZF48－126型三相共箱式小型化GIS进行抗震计算分析,计算结果可指导GIS结构优化设计,评估设备抗震能力,提高安全裕度［6］.

1 GIS抗震计算方法

1.1 反应谱曲线

反应谱法首先根据地震波时程记录构造反应谱,再依据反应谱计算结构各阶振型的最大响应,最后通过模态合并算法计算总的最大响应［7］.地震频谱是GIS整体结构抗震分析需要输入的重要参数之一,本文的反应谱曲线选用GB/T 13540—2009标准中阻尼比2%所对应的AG5的反应频谱(RRS),如图1所示.

图1 不同阻尼比对应的AG5的RRSFig.1 RRS of AG5 with different damping ratio

1.2 模态合并算法

模态分析就是求解有限个自由度的无阻尼弹性系统运动方程,其矩阵表达式为

式 (1)中：M为质量矩阵；K为刚度矩阵.

其解的形式为

将式 (2)代入式 (1)后,得到方程有非零解的条件是其系数行列式的值为零,即

求解式 (3)可得到其特征值及相应的特征向量,也即模态频率和振型.

模态分析是抗震计算的前提,得出模态频率和振型后,采用反应谱法分析抗震性能.根据GB 13540—2009对应力叠加过程的表述,在选用模态合并算法上,使用平方和开平方法 (SRSS)的模态叠加方式,SRSS法的表达式为

式 (4)中：Rmax为模态总体响应；ρij为耦合系数；m、n为参与叠加的模态数目；Ri,max为第i阶模态最大响应；Rj,max为第j阶模态最大响应.当ρij＝0时,不考虑各振型间的耦合,此时,可写为

反应谱曲线反映了地震动特性,模态振型反映了结构的动态特性,因此基于反应谱法的抗震计算体现出地震动特性和结构动态特性对结构地震响应的影响［8］.

2 GIS建模与模态分析

本文研究的GIS结构整体模型尺寸为7.90 m×2.85 m×3.70 m,重心高度1.65 m,总质量3 946 kg.材料以铝合金5A02为主,具体材料机械性能常数如表1所示.GIS结构包括断路器、互感器、隔离开关和母线筒等部件,设备上端部安装有3个高强瓷绝缘出线套管,出线套管长1.5 m,分别与水平面成45°倾斜向上.参考文献 ［9］采用Solid188实体单元建模,与实际产品更加接近,将法兰之间考虑为刚性连接无位移情况.

表1 模型中各种材料机械性能常数Table 1 Constants for mechanical properties of various materials

2.1 GIS几何模型建立

建模是有限元仿真的重要步骤,直接关系到建模效率和结果的准确性,本文通过SolidWorks建模后导入ANSYS Workbench.由于SolidWorks所建立的真实模型较为复杂,需先做简化处理.简化主要有2个方面：1)简化对仿真结果无影响的部分结构细节,如盆式绝缘子、出线瓷套等,对出线瓷套的简化应尽量保证简化前后质量、体积、惯性矩的一致性,如图2所示.2)对放置于GIS壳体内的繁杂刚性体 (如灭弧室和断路器结构等)用等效质量刚体替代,主要通过改变质量密度保证各部件重量及重心的一致性,折算后各部件所采用的材料参数见表1.根据实体尺寸经过必要简化后的GIS整体结构模型如图3所示.

图2 高强瓷绝缘出线套筒简化前后对比Fig.2 High鄄strength ceramic insulating sleeve qualify simplify before and after comparison

图3 简化后的GIS结构模型图Fig.3 GIS structure model diagram simplified

2.2 静载荷的确定

GB/T 13540—2009《高压开关设备和控制设备的抗震要求》中规定地震应力应与其他运行载荷组合后作为确定开关设备和控制设备总的承载能力［10］.需附加静载荷包括10 m·s－1风速、导线拉力、内部压力等.根据GB 5009—2001《建筑结构荷载规范》算出敏感部件的静态端子负荷,如表2所示,风载荷值取30 N.

表2 GIS开关设备导线拉力Table 2 GIS switchgear wire tension

2.3 GIS结构模态分析

采用ANSYS Workbench模态分析模块,用自由网格划分方法对模型进行剖分,节点数为268 226,单元数为134 323.根据GB 13540—2009要求,需对35 Hz以下的振型进行计算,分块兰索斯法 (block lanczos)计算精度高,速度很快,采用一组特征向量实现Lanczos迭代计算,其内部自动采用稀疏矩阵直接求解,当已知系统的频率范围时,该法是理想的选择,所以指定Block Lanczos法对GIS三维简化模型进行模态计算,得到其前9阶固有频率如表3所示,前2阶振型图如图4所示.

表3 气体绝缘金属封闭开关设备前9阶固有频率Table 3 Gas⁃insulated metal⁃enclosed switchgear natural frequency单位：Hz

图4 GIS整体结构前2阶振型图Fig.4 Former 2 step vibration of GIS overall structure

高压电器产品的固有振动频率随产品结构变化而不同,绝大多数产品基频都在1～7 Hz［11］,由表3可以看出该产品的固有频率为5.46 Hz,但仅有第一阶频率在地震动0.5～10 Hz的卓越频率的范围内,证实了在地震多发地区较适合安装GIS这种组合型的高压开关设备.根据图4振型图可以看出,下部支撑结构振动较为平稳,所受应力无显著变化,结构前部受振动影响较大且最大位移在出线套管顶端,符合大量高压电器产品的在地震中受损部位统计结果.

2.4 重心位置对结构固有频率的影响

降低设备的重心和总高度以及降低设备的安装高度,是提高设备抗震能力的基本措施之一［11］.本文研究了改变重心位置对GIS设备固有频率的影响.电压互感器模块重量约400 kg,本文通过取消电压互感器支撑改变电压互感器高度,在不改变质量的前提下改变GIS整体设备重心位置,研究重心位置对结构固有频率的影响,图5为重心位置不同的2种结构模型图.

图5 重心位置不同的两种结构Fig.5 Two structures of different gravitational position

电压互感器去掉支撑后,重心高度由1 650 mm降低到1 636 mm,Y轴重心偏移不到1 mm(可忽略不计).当去掉支撑后重心下降14 mm,由图6可知1阶固有频率由5.46 Hz增至6.13 Hz,有支撑和无支撑结构分别前9阶和前8阶模态频率在0～35 Hz的频率内.由此证明,结构重心越低,其固有频率越大,在规定频率范围内出现的振型数目越少.

图6 两种结构的前11阶频率Fig.6 First 11 order frequencies of the two structures

3 地震响应谱分析

为了验证是否满足九度地震区抗震标准,设置水平 (X方向和Y方向)最大加速度为0.5g(g取10 m·s－2),竖直方向加速度为水平方向的50%,阻尼比为2%.分别在固定约束部分施加X＋Z向和Y＋Z向阻尼比为2%的RRS曲线.通过对多次地震后高压电器设备破坏情况进行分析得出套管因强度不足而易发生折断或裂损.出线套管顶部响应是抗震分析关注的敏感部位,原因是该处与导线相连,因此位移需控制在有效范围避免过大.

3.1 X＋Z向地震响应谱

X＋Z向地震响应谱作用下套管顶部最大响应和结构各主要部件应力 (计算应力取值为该部件上最大应力值)及安全系数见表4～5.

表4 X＋Z向地震响应谱＋静载荷共同作用下套管顶部最大响应Table 4 Maximum response of X＋Z earthquake response spectrum and static load

表5 各种材料的最小安全系数Table 5 Minimum safety factor of various materials

X＋Z轴方向得到计算应力最大误差为支撑部件,与郑州机械研究所仿真实验数据对比,误差为10.7 MPa,产生误差的主要原因为结构简化造成的结构重量和重心的偏移.出线壳体,瓷套等敏感部件模型与实体产品结构相似度高,所以误差最大不超过5%.

3.2 Y＋Z向地震响应谱

Y＋Z向地震响应谱作用下套管顶部最大响应和结构各主要部件应力及安全系数见表6～7.

表6 Y＋Z向地震响应谱＋静载荷共同作用下套管顶部最大响应Table 6 Maximum response of Y＋Z earthquake response spectrum and static load

表7 各种材料的最小安全系数Table 7 Minimum safety factor of various materials

结构的加速度放大系数可以反应结构对地震波的放大作用.输入的加速度X轴向与Y轴向均为5 m·s－2,Z轴为2.5 m·s－2.由表4、表6可以看出,该型GIS结构对地震作用的放大效果较为明显,对X轴、Y轴、Z轴各方向的地震激励,最大放大分别为2.31倍、4.33倍、5.4倍.位移变形、应力大小和安全系数是结构抗震能力验证的重要参数,由以上的分析可得到GIS整体结构在阻尼比为2%AG5的RRS作用下,X、Y、Z各方向上位移最大值分别为4.81 mm,18.01 mm,4.11 mm.结构各部件的应力均小于破坏应力.各种材料最小的安全系数均大于刚性安装在基础高压开关设备安全系数为1.67的GB/T 13540—2009抗地震要求,且具有很大的安全裕度.将敏感部件计算应力与郑州机械研究仿真实验数据进行比较,大部分误差在5%以内,说明该方法具有较高的准确性,适用于高压电器的前期结构设计.

4 结论

1)GIS结构的主要振动模态频率在5.46 Hz以上,在震动的卓越频率范围内.但仅有第一频率在震动0.5～10 Hz的范围内,所以地震多发地区适合安装这种GIS组合型的高压开关.

2)从振型图来看,GIS的下部支撑结构振动较为平稳,所受应力无显著变化,且安全系数较高,可以保证支架支撑的断路器、互感器等其他部位正常工作.

3)出线瓷套会产生相对剧烈的颤动,不利于GIS结构整体的安全运行,应尽量降低结构重心高度,以达到增加低阶固有频率的目的,有效避免共振可能性,使GIS整体结构各阶模态频率尽可能远离地震波的卓越频率.

4)无论使用哪种校核叠加静力载荷的应力后,结构各部件破坏应力安全系数均大于1.67,结构各部件许用应力安全系数均大于1.所以该产品满足GB/T 13540—2009的AG5(0.5g)的要求,且具有很大的安全裕度.

［1］谢强，王亚非，魏思航.软母线连接的变电站开关设备地震破坏原因分析 ［J］.电力建设，2009，30（4）：10-14.

［2］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（9）：262-267.

［3］于永清，李光范，李鹏，等.四川电网汶川地震电力设施受灾调研分析 ［J］.电网技术，2008，32（11）：1-10.

［4］李亚琦，李小军，刘锡芸，等.电力系统抗震研究概况 ［J］.世界地震工程，2002，18（4）：79-84.

［5］曹文华.基于ANSYS的GIS结构抗震性能研究 ［D］.西安：西安建筑科技大学，2013.

［6］刘新，张刚.组合电器耐地震计算分析 ［J］.机械传动，2010，34（6）：65-67.

［7］杨穗华.规范反应谱理论介绍 ［J］.广东土木与建筑，2008（4）：23-25.

［8］吴小峰，孙启国，狄杰建，等.抗震分析反应谱法和时程分析法数值仿真比较 ［J］.西北地震学报，2011，33（3）：275-278.

［9］金松安，刘朝丰，武胜斌，等.高海拔隔离开关抗震分析研究 ［J］.高压电器，2013，49（10）：37-45.

［10］中国国家标准化管理委员会.高压开关设备和控制设备的抗震要求：GB/T 13540—2009［S］.北京：中国标准出版社，2010

［11］黎斌.SF6高压电器设计 ［M］.北京：机械工业出版社，2010.

Seismic Analysis of 110 kV GIS

XIA Tuo1，WANG Lei1，HE Rong-tao2，LI Xian-pu2，ZENG Liang1，XU huan1
（1.School of Electrical Engineering＆Automation，Xiamen University of Technology，Xiamen 361024，China；2.XJ（Xiamen）Intelligent Power Equipment Co.，Ltd.，Xiamen 361024，China）

In this paper，an anti-seismic ZF48－126 type 110kv inlet and outlet line of GIS was analyzed using the finite element analysis software and the response spectrum method.The statistics of the overall structure of GIS displacement，velocity，accelerating dynamic response and equivalent stress response under normal operating conditions were

，and the effect of gravity position on the overall structure of the natural frequency researched.Results of seismic evaluation show that this GIS type meets the GB/T 13540—2009 of AG5（0.5g）seismic levels.But the sleeve will produce relatively severe vibration，it is not conducive to the safe operation of GIS，and that lower center of gravity position can effectively avoid the possibility of resonance caused by the outlet line and improve the low-order natural frequency.They are consistent with the certified experimental data and make a reference to the design of relevant seismic products for a better practicability.

GIS；finite element；response spectrum；earthquake response

TM56

A

1673－4432（2015）05－0035－06

（责任编辑 李 宁）

2015－04－14

2015－05－09

国家自然科学基金项目 (51008262)；福建省高电压技术重点实验室项目

夏拓 (1987－),男,硕士研究生,研究方向为高电压与绝缘技术.通讯作者：王蕾 (1982－),女,副教授,博士,研究方向为低温等离子体水处理研究.E-mail：wangl＠xmut.edu.cn