170 kV中性点电抗器地震模拟振动台试验研究

2018-08-01孙宇晗程永锋卢智成

振动与冲击 2018年13期

孙宇晗，程永锋，卢智成，林森，张谦，高坡

(中国电力科学研究院，北京 100055)

我国境内分布有多条断裂带，板壳活动活跃，属于地震多发国家。近年来的汶川、玉树、雅安等地震带来了惨重的人员伤亡和巨大的经济损失[1-2]。作为生命线工程的重要组成部分，变电站一旦在地震中破坏，将对人民生活和经济建设造成严重影响[3-5]。

电抗器是变电站内的重要电气设备，主要功能为限制短路电流、稳定电压和无功补偿等。电抗器依据绝缘介质可分为油浸式电抗器和干式电抗器。其中油浸式电抗器结构形式为充油箱体，其上方有进、出线套管和储油柜等部件。如无特别说明，本文所提电抗器均为油浸式电抗器。

根据对汶川地震电抗器损坏情况的不完全统计，四川电网共有7台500 kV并联电抗器，1台110 kV中性点电抗器损坏[6-7]。汶川地震中，四川电网受损的电抗器、变压器类电气设备中，因套管受损而失效的设备有80台，占受损总量的67%[8]。瓷质套管已成为电抗器、变压器类电气设备抗震性能的薄弱环节。

造成套管地震易损性较大的因素有很多，主要包括：① 套管主体多为瓷质结构，强度低，且呈脆性破坏形式，变形能力较差；② 套管呈筒状结构，通过法兰固定在设备顶部或侧面，自振频率较低，在地震作用下易产生共振；③ 电抗器、变压器本体对地震作用有放大作用，进一步增大了套管的地震响应。在地震作用下，套管根部承受弯曲作用，同时套管顶部受到导线的牵引作用，易产生根部断裂、瓷件从法兰拔出等现象，造成套管功能失效。对于电气设备抗震性能的研究，国内外学者开展了大量工作，并从理论分析、数值仿真、试验验证等方面取得了丰硕成果[9-16]。但其中对于电抗器的抗震研究主要针对干式电抗器，对于油浸式电抗器相关研究较少。

随着我国特高压交直流输电工程的大力推进，特高压电气设备因其“重、大、高、柔”的结构特点，抗震性能愈发受到科研人员的重视[17]。特高压变电站内的中性点电抗器，接于变压器或并联电抗器中性点与地之间，用于限制电流和过电压。其一旦在地震中发生破坏，将影响变压器和并联电抗器的正常运行，从而影响变电站整体的功能稳定。

本研究针对1台拟应用于特高压变电站的170 kV中性点电抗器真型设备进行地震模拟振动台试验，通过测定试件的动力特性及关键部位的地震响应评判其抗震性能，并结合试验结果提出提高设备抗震性能的改进措施。

1 试验设计

1.1 试件参数

本次试验试件为特高压变电站用170 kV中性点电抗器，试件为原型设备，内部充油，与实际应用状态一致。试件通过连接板及螺栓固定于振动台。该中性点电抗器高6 010 mm，箱底尺寸为2 100 mm×2 100 mm，总重约为12 100 kg。试件主要部件为高压套管、中性点套管(3支)、储油柜、器身等。试件安装及各部件名称如图1所示。

图1 170 kV中性点电抗器试件安装图

1.2 试验输入

依据国标和国家电网公司企业标准[18-19]，本次试验采用白噪声随机波和标准时程波作为试验输入。

采用白噪声随机波对试件进行激励，可得到设备的自振频率和阻尼比。试验采用的白噪声随机波频率范围为0.1～50 Hz，加速度峰值约为0.6 m/s2，持续时间为60 s，波形如图2所示。

图2 白噪声随机波波形图

采用标准时程波对试件进行激励，可得到设备的地震响应。试验采用的标准时程波是由人工标准反应谱生成的。相较于其他时程波的频谱特性，人工标准反应谱的特征周期为0.1～0.9 s，几乎可以包络我国所有场地类型，卓越频率段较宽且平坦，从而避免不同设备结构对地震波敏感程度不同而对试验结果产生影响。峰值加速度为1.0 m/s2的标准时程波如图3所示。人工时程波反应谱与人工标准反应谱谱值比较如图4所示。

图3 标准时程波波形图

1.3 测点布置

通过对电抗器震害调研，电抗器易损构件为瓷质套管，据此在中性点电抗器高压套管根部和中性点A相套管根部布置4向应变片，同时为研究储油柜支撑构件抗震性能，在支撑构件根部布置4向应变片；为研究中性点电抗器不同部位的加速度放大效应，分别在台面、器身顶部、高压套管升高座顶部和储油柜顶部布置加速度传感器。电抗器传感器布置说明及测点位置如表1及图5所示。

图4 标准时程波反应谱与人工标准反应谱对比

序号传感器编号测点位置方向1加速度传感器MA1台面3向2加速度传感器MA2器身顶部3向3加速度传感器MA3高压套管升高座顶部3向4加速度传感器MA4储油柜顶部3向5加速度传感器MA5中性点套管顶部3向6加速度传感器MA6高压套管顶部3向7应变片MS1-18应变片MS1-29应变片MS1-310应变片MS1-411应变片MS2-112应变片MS2-213应变片MS2-314应变片MS2-415应变片MS3-116应变片MS3-217应变片MS3-318应变片MS3-4高压套管根部中性点套管(A相)根部储油柜支撑构件根部X+Y+X-Y-X+Y+X-Y-X+Y+X-Y-注:X,Y向如图5所示

1.4 工况设计

为研究中性点电抗器弱轴向的抗震性能，首先通过动力特性测试结果判定设备的弱轴向，然后在弱轴向分别施加不同等级的标准时程波。试验工况如表2所示。

图5 传感器布置图

工况试验输入方向峰值加速度/(m·s-2)1白噪声/0.62标准时程波弱轴1.53白噪声/0.64标准时程波弱轴3.05白噪声/0.66标准时程波弱轴4.07白噪声/0.6

2 试验结果

2.1 白噪声工况试验结果

白噪声随机波输入下各工况试验结果如表3所示。

表3 动力特性测试结果

2.2 标准时程波工况试验结果

由动力特性测试结果可以看出，试件器身和主要部件Y向基频低于X向基频，Y轴向为试件弱轴向，故标准时程波施加方向为Y向。标准时程波输入下各工况加速度结果如表4所示。

标准时程波输入下各工况应变测试结果如表5所示，其中工况6中MS2-2、MS2-4测点应变时程曲线如图6所示。

表4 设备加速度测试结果

表5 套管应变测试结果

(a) MS1-2(b) MS1-4

图6 工况6应变时程曲线图

Fig.6 Strain time history curve in condition 6

3 试验结果分析

3.1 动力特性试验结果分析

由表3可以看出，试件高压套管、中性点套管和储油柜Y向基频分别为5.85 Hz、13.43 Hz和4.84 Hz，其中高压套管和储油柜的基频处于地震动卓越频率范围内，表明设备具有较高的地震易损性。

工况1试件各部件Y向加速度快速傅里叶幅值谱如图7所示。

3.2 地震响应试验结果分析

由表3可以看出，试件各部件对台面加速度有放大效应。定义各部件加速度最大值与台面加速度最大值的比值为该部件的动力放大系数，则随着台面加速度等级的提升，各金属部件动力放大系数曲线如图8所示。

(a) 高压套管

(b) 中性点套管

由图8可以看出，随着输入加速度等级的提升，各部件动力放大系数变化趋势不同，其中高压套管升高座和储油柜的动力放大系数随着输入加速度的增大而增大；而器身的动力放大系数随着输入加速度的增大而减小。表明随着加速度等级的提高，设备非线性响应加大，造成这种现象的原因可能是振动过程中本体与振动台及本体与升高座、储油柜的连接部件松动，产生非线性影响。现行《电力设施抗震设计规范》(GB 50260—2013)规定，“安装在变压器、电抗器的本体上的部件，动力反应放大系数应取2.0”。在本研究中，器身本体动力放大系数满足规范要求，但对于高压套管，其输入加速度由升高座提供，在工况6中，升高座动力放大系数大于2.0，不满足规范要求。

为研究器身和高压套管升高座动力放大效应与频率的关系，分别做各工况器身和高压套管升高座处的加速度反应谱，所得谱值与台面输出加速度反应谱谱值之比如图9和图10所示。

图8 不同工况下各部件动力放大系数

图9 各工况器身加速度反应谱放大系数

由图9和图10可以看出，频域下相同部件各工况下的动力放大系数曲线类似，极值接近，且都出现在器身基频点(13.27 Hz)附近。工况2、工况4和工况6中，器身的反应谱动力放大系数分别为3.51、3.26和3.26，高压套管升高座的反应谱动力放大系数分别为6.30、5.91和6.31，均不满足规范要求。

依据厂家资料，试件瓷质套管弹性模量为100 GPa，金属构件弹性模量为206 GPa，则各工况下，试件应变测点处最大应力如表6所示。

图10 各工况高压套管升高座加速度反应谱放大系数

Fig.10 Dynamic amplification factor of acceleration response spectrum of the hoist seat of the high voltage bushing under different test conditions

表6 套管应力计算结果

由表6可以看出，高压套管和中性点套管的最大应力低于瓷质材料破坏应力(50 MPa)，金属构件最大应力低于材料屈服强度(235 MPa)，且安全裕度较大，设备具有充足的安全储备。

通过加速度积分的方式得到工况6高压套管、中性点套管和储油柜顶端相对位移(顶部位移与台面位移的差值)，相对位移时程曲线如图11所示。

(a) 高压套管

(b) 中性点套管

经比较图3及图11可以看出，试件各部件顶部相对位移时程曲线波形与输入时程波相似，表明各部件位移均由加速度产生的惯性力造成。在峰值加速度为4.55 m/s2标准时程波作用下，高压套管、中性点套管和储油柜顶部最大相对位移分别为20.42 mm、2.68 mm和16.86 mm。对于高压套管和储油柜，在电气设计阶段，应预留充裕的连接母线冗余长度，从而避免地震作用下，设备因连接母线牵引而产生破坏。