基于地震模拟振动台的高压断路器抗震分析

陆 杨, 王 昊, 周 欢, 辛 军, 韩春辉

(上海电力学院 能源与机械工程学院, 上海 200090)

在地震灾害中,作为生命线系统的电力系统在救援和援助因地震而受伤的行动中具有十分重要的意义[1-2]。在电力系统中,高压断路器具有重要的控制和保护作用。瓷柱式断路器是比较常见的一种结构,应用广泛,但由于该设备较高且为脆性材质,故在地震灾害作用下容易发生损坏。如在2008年的四川汶川大地震中,四川电网累计有90座110 kV以上的变电站受损,停电用户达246万户,给人们的生活和震后救灾工作带来了极大的困难[3]。

20世纪80年代以来,世界各国都开始对断路器进行研究。1989年,法国的THURIES E等人对不同结构形式的断路器进行了振动台试验和有限元分析,得出单极瓷柱式断路器具有较好的抗震性能[4]。1998年,德国的MIRI A M等人对420 kV高压断路器进行了地震模拟振动台试验和有限元模拟分析,找出了断路器的易破坏点在瓷柱和安装平台处[5]。

近年来我国也对断路器的抗震性能进行了研究[6]。2007年,冯东等人对断路器的可靠度进行了分析,验证了隔震体系在不同条件下的效果差异[7]。2010年,尤红兵等人对安装铅合金减震器的瓷柱式断路器进行了有限元模拟,认为铅合金减震器对断路器的减震具有显著效果,能够提高其抗震能力[8]。2011年,张雪松等人对安装新型铅减震器的220 kV断路器进行了振动台试验,结果表明:该减震器不仅能提供一定的初始刚度,而且还能减低断路器顶部的位移和加速度,减低套管底部的应力[9]。2013年,武胜斌等人对252 kV瓷柱式断路器在Ag5条件下进行了有限元模拟分析,找出瓷柱式断路器在地震中容易折断的原因主要来自底部的支架[10]。

但目前国内外对于地震模拟振动台抗震还缺乏完善的规范,研究振动台试验相关的抗震内容还很少,特别是对于地震模拟的测量信号的处理仅仅使用简单的时域方法。本文对某220 kV单相瓷柱式六氟化硫断路器进行了地震模拟振动台试验,并采用时域分析方法和频域分析方法,以考察高压断路器的抗震性能。

1 试验设计

1.1 地震模拟振动台设备

本试验在国内某大学结构与抗震实验室完成。该实验室采用MTS公司的三维六自由度地震模拟振动台试验系统,主要技术指标如表1所示。

表1 地震模拟振动台主要技术指标

本次测试采用LMS TEST.Lab数据采集及分析系统,通道包括:30个加速度通道,12个位移通道,32个应变通道。在设备测试过程中,保证测点数目不超过上述通道数。

1.2 断路器现场安装图

某220 kV单相瓷柱式断路器安装在地震模拟振动台上,如图1所示。该振动台上同时安装了4个设备,其中,左侧最高的设备即为本文试验研究的高压断路器。该断路器自上而下由灭弧室(第1节)、瓷柱(第2节)、调整机构及支架构成。设备总质量约为1.8 t,支架的主钢材为Q235A角钢,总高度约为7.032 m。

图1 断路器示意

1.3 断路器测点布置

该断路器本体部分包含两节,但由于断路器顶部及两节法兰处位移过大和底部应变过大均会导致断路器受损,因此选择了5个测点位置,具体如表2所示。

表2 断路器各测点位置分布

1.4 试验输入地震波

地震波的输入对于振动台试验至关重要。由于此类设备主要是在中国地区使用,因此本次试验根据GB 50011—2010和GB 50260—2013的标准要求反应谱来选择合适的地震波[11-12]。由于试验选地与兰州较为接近,所以选择人工波(兰州波),而El Centro波和Taft波是地震模拟振动试验的常用波形,因此本文选用这3种波形作为地震模拟振动试验的输入波形。此外,为了进行白噪声试验,白噪声也作为输入地震波之一。在设备水平方向上加振,方向向西为正方向。各输入地震波波形如图2所示。

1.5 试验工况

在本试验中,根据不同的地震加速度(0.1g,0.2g,0.4g),得出不同波形下的试验数据。按照X正负方向输入进行频域分析,考核断路器的抗震性能。

2 试验结果分析

2.1 试验测试

为了保证试验的准确性以及安全性,本次试验进行了白噪声测试。采用的是频率范围为0.1～50 Hz,加速度半峰值为0.03g,持续时间为120 s的白噪声输入。试验进行了4组白噪声模态测试,得出的第一阶固有频率如表3所示。

表3 4组试验得出的第一阶固有频率 Hz

由表3可以看出,在逐渐提高加载加速度的情况下,4次试验的第一阶固有频率逐渐减小,但仍保持在2.3 Hz左右,因此符合试验的实际情况。分析产生这种情况的原因,主要是由试验过程中连接处螺栓出现微小松动引起的。

2.2 断路器顶部响应分析

选取断路器顶部位置作为主要观测点之一。为分析设备的地震响应,对不同的试验波形进行了比较分析。分别取加速度为0.1g,0.2g,0.4g,根据顶部测点位置,分析人工波、El Centro波和Taft波的顶部情况。不同工况下,断路器的顶部加速度、频率以及频谱峰值如表4所示。

放大系数是指所选取点处的某方向加速度最大值和底部输入该方向地震波的加速度最大值的比值[4,13]。引入放大系数作为反映结构对于地震波的放大作用,结果如表5所示。

由表4和表5可知,当以人工波作为输入地震波时,放大系数在3左右,明显小于El Centro波和Taft波,说明在分布较广的人工波情况下,设备更加稳定,不易发生损坏。

表4 不同工况下的顶部加速度、频率及频谱峰值

表5 不同工况下顶部的放大系数值

3种波形不同工况下的顶部位移、频率和频谱峰值如表6所示。

3种波形不同工况下顶部X方向位移如图3所示。

由表6和图3可以看出,人工波情况下的位移明显比其他两种波形的位移要小,随着输入加速度的增大,顶部位移明显。

当输入加速度为0.2g时,人工波位移为0.1g的1.981倍,El Centro波为0.1g的2.043倍,Taft波为0.1g的2.469倍;当输入加速度为0.4g时,人工波位移为0.1g的4.492倍,El Centro波为0.1g的4.644倍,Taft波为0.1g的5.069倍,呈逐渐增大趋势;当输入加速度为0.2g时,人工波频谱峰值为0.1g的1.261倍,El Centro波为0.1g的2.261倍,Taft波为0.1g的2.782倍;当输入加速度为0.4g时,人工波频谱峰值为0.1g的4.508倍,El Centro波为0.1g的3.666倍,Taft波为0.1g的8.126倍。

表6 不同工况下的顶部位移、频率以及频谱峰值

图3 不同工况下的顶部X方向位移

比较位移与频谱峰值的变化可以看出,频谱峰值随加速度的变化倍数而变化,与位移的变化倍数大致相近。但当加速度为0.4g时,El Centro波和Taft波的频谱峰值的变化倍数明显较大。该断路器在输入地震波的情况下未发生明显损坏,由此可知该断路器在国内多数地震情况下的抗震性能较好。

2.3 断路器底部响应分析

断路器底部减震位置是振动台试验中一个重要的因素,能真实反映结构的变形情况。选取加速度为0.1g,0.2g,0.4g的人工波、El Centro波和Taft波进行分析比较。断路器不同工况下的底部位移、频率以及频谱峰值如表7所示。不同工况下底部的放大系数如表8所示。

从表8与表5的对比可以看出,底部的放大系数为0.9～1.4,而顶部的放大系数为2.5～5.0,由此可以推断出支架的放大系数为1.4～2.5,符合抗震设计规范。

表7 不同工况下的底部加速度、频率及频谱峰值

表8 不同工况下底部的放大系数值

不同工况下设备抗震的应变结果如图4和图5所示。

图4 不同工况、不同方向下设备抗震的

实际设备瓷柱的弹性模量均为为100 GPa,图4和图5中的应变测点单位为无量纲,量级为10-6。

经过计算转化,可得到由应变转化得到的应力如图6所示。

图5 不同工况下设备抗震的应变测试结果

图6 各种工况下设备抗震的应力测试结果

由图4可以看出,在同一激励作用下,同一条轴线不同方向上的应变值并不相等,有的相差很大。由此可知,在地震激励下,断路器的受力状况很复杂。

由图5可以看出,大部分情况下断路器在人工波的应变要比其他波形下的应变要小,说明在人工波的情况下,断路器的抗震性能较好。在输入-X方向上的0.4g的Taft波激励时,断路器第2节法兰处的应变值最大,没有发生明显损坏。由此可知,此型号的断路器在强烈地震中是安全的,不易发生损坏。

当输入-X方向上的最大值为0.4g时,其支架底部的最大应力值为10.4 MPa,没有超过容许应力值,支架底部没有发生损坏。

3 结 论

结合现有的抗震设计规范与标准,笔者通过对瓷柱式六氟化硫断路器振动台的试验分析与研究,得出以下几点结论。

(1) 在断路器测试中,白噪声试验所得到的设备第一阶固有频率的变化符合正常变化规律,未发生明显改变。

(2) 试验中断路器顶部位移未发生较大偏移,在分布较广的人工波情况下,设备更加稳定,频谱峰值的变化与位移的变化接近。由此可以看出,在国内多数地震情况下,该断路器的抗震性能较好。

(3) 在El Centro波工况下,顶部为断路器易发生危险点的位置,容易造成设备倾倒;在Taft波工况下,第2节法兰处为断路器易发生危险点的位置,设备容易发生断裂、破损等危害。

(4) 从底部来说,在较低的加速度时,应变较小,而在更高的加速度时,应力增长远超加速度的增长比例,爆发性增大。在实际工程应用中,需要特别注意。

(5) 对于断路器各测点,若抗震效果不佳的,可以采用增加减震器的方法来实现。考虑实际应用中安全性和持久性的问题,建议采取减隔震的方法,这将在后续的研究中加以探讨。

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