特高压互连电气设备减震方案探究

贾晓瑜 张雄波 李静

【摘  要】近年来随着我国科技水平提升，电能已成为推动经济发展，科学技术进步的源动力，而确保供电稳定性和可靠性具有重要意义。压互连电气设备作为生命线工程中重要的关键部件，在国内外多次地震灾害中均发生了严重的破坏，直接或间接给生命和财产带来了巨大损失。目前，随着特高压工程的兴建，电力设备电压等级逐步提升，设备呈较高、较柔、较重、更易遭受破坏的趋势，对经济社会的发展影响更大。电气设备发生破坏的原因有很多，其中一个重要原因是抗震能力不足所致。本文就特高压互连电气设备减震性能振动台试验展开探讨。

【关键词】特高压互连电气设备;互连耦合体系;振动台试验

引言

压互连电气设备是电力系统的关键部件，其运行状态不仅影响供电质量，同时关乎电力系统稳定运行。在实际生产中，压互连电气设备运行环境特殊，抗震性能不足是压互连电气设备破坏的重要原因之一。在国内多次自然地震灾害中均发生压互连电气设备严重破坏和故障现象，导致电力系统无法正常运行，从而带来了一系列安全隐患。因此，需要通过设计减震方案使压互连电气设备抗震性能得到提升，避免抗震性能不足引起故障。

1试验概况

1.1试验设备

试验选用我国特高压1000kV避雷器和电容式电压互感器。避雷器高度12.43m，质量为8500kg，瓷瓶节数为5节，避雷器支架高度为5.20m。互感器设备高度为12.71m，質量为5780kg，瓷瓶节数为5节，互感器支架高度5.02m。避雷器和互感器支架为格构式钢结构支架。避雷器和互感器设备顶端通过铝合金硬管母线连接，管母线截面尺寸为Ф200mm×10mm。管母线与避雷器设备之间通过固定金具连接，与互感器设备之间通过滑动金具连接，避雷器和互感器设备之间的跨度为8.5m。减震器采用中国电力科学研究院研发的铅金属减震器，安装在设备与支架之间。由于设备之间跨度较大，采用双振动台进行试验，避雷器和互感器设备分别位于两个同步振动的振动台上。互连设备沿管母线长度方向为振动台试验x向振动方向，垂直于管母线长度方向为振动台y向振动方向。

1.2减震方案设计

电气设备根据自身结构特点，大致可以分为3种：第1种为体形大、重心低且整体性好的设备，如GIS设备;第2种体形高大、重量大且重心较低的设备，如变压器、电抗器等;第3种为体形细高、重心高且较重的设备，如敞开式避雷器、电压互感器等。其中第1种如GIS设备是一种抗震性能十分好的设备，在国内外地震中很少出现破坏，因此一般不做减震方案设计，其他两种设备根据其结构特点设计不同的减震方案：①第2种设备减震方案，这种结构重量较大，重心较低，如变压器等设备，可以采用在基础与设备本体之间设置隔震装置的减震措施;②第3种设备减震方案，这种结构重心较高，地震作用下弯矩大的设备，如避雷器、隔离开关等设备，采用设置阻尼器（包括金属滞回、磨擦型等减震阻尼器）的减震措施为主。而针对组合式电气设备，既可采用设置隔震装置的减震措施，也可考虑设置阻尼器的减震措施。

1.3试验工况

本文先对不加减震装置的抗震结构进行振动台试验，再对安装减震装置的减震结构进行振动台试验，以研究减震装置对互连电气设备的减震效果。对于抗震结构分别输入加速度峰值为0.1g的x向和y向的地震波（试验过程中抗震结构避雷器根部应变较大，为了防止设备损坏，故不再做更大地震等级的振动台试验）。对于减震结构分别输入加速度峰值为0.1g、0.2g、0.4g的x向和y向的地震波。

1.4减震计算分析

减震计算分析在整个减震设计中占据重要位置，是对减震设计进行验算，判断设备在不同情况变形系数的重要环节。具体分为三个阶段，包括：抗震承受力验算、作用力下变形验算、减震效率验算、抗震强度验算、结构强度验算等多个环节。第一阶段的验算中，需对减震装置的弹性变形以及压互连电气设备本体的抗震承载力进行验算。该阶段要求设备处于正常稳定的运行状态，地震作用下设备处于弹性状态下，主要功能不丧失，基本功能保持完好。第二阶段要在地震状态下进行减震效率验算，分析减震效果和设计方案的不足，为设计方案调整提供依据。第三阶段需要在瓷性设备部发生断裂的情况下，验算设备抗震强度，确定加装减震装置后能设备结构能达到的强度与高度，判断设备是否能保持正常运作，避免减震装置刚度不足影响设备运行安全和基本功能的发挥，确保设备运行稳定。

2试验结果分析

（1）动力特性分析。抗震结构试验前后设备的频率变化较小，互感器设备y向自振频率减小了2.4%;减震结构试验前后x向自振频率减小了8.4%，这是由于减震装置在经历较大地震波作用后产生了一定的塑性变形，略微减小了互连设备的整体刚度，造成设备频率降低;互连设备安装减震装置后，设备x向自振频率减小了9.3%，y向自振频率变化较小，减震装置对互连设备的整体刚度影响较小，基本不会影响设备本身的正常运行。结合试验结果，试验过程中避雷器设备最大应力为37.3MPa（弹性模量取值为设备拉伸和压缩时所测弹性模量的均值，故应变换算应力时取应变拉压峰值的均值），小于设备破坏应力55MPa;互感器设备最大应力25.4MPa，小于设备破坏应力45MPa。同时通过外观检查未发现设备瓷瓶出现裂缝，设备本身无损伤。（2）加速度响应。（a）同样采用线性计算得到0.4g峰值加速度地震波作用下抗震结构设备顶端加速度值，x方向设备顶端加速度减震系数避雷器为44.91%，互感器为36.60%;y方向设备顶端加速度减震系数避雷器为61.67%，互感器为16.59%。减震结构设备顶端加速度幅值有较大幅度的减小，减震器的耗能效果明显;避雷器和互感器设备的试验结果显示，安装减震器后易损设备避雷器顶端加速度减小幅度大于互感器设备，减震器较大地提升了易损设备避雷器的抗震能力，从而提升了互连结构系统的抗震性能。（b）减震器具有较大的屈服刚度，可以满足电气设备的抗风、端子力等力学性能要求;在地震波作用下，减震器进入屈服状态，增大结构阻尼比，产生耗能，保护电气设备在地震作用下不被损坏。

结语

高压电是现代电力工程发展的主流方向。但高压电对压互连电气设备有一点依赖性，若压互连电气设备发生故障，必然影响整个系统的运行安全。为降低故障率，确保设备在地震作用下仍保持正常运行，不丧失主要功能，必须采取有针对性的减震设计措施。

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（作者单位：国网河北省电力有限公司检修分公司）