管母支撑滑动金具耦联体系抗震性能

王海菠， 程永锋， 卢智成， 朱祝兵， 章姝俊

(1.中国电力科学研究院有限公司， 北京 100192； 2.国网浙江省电力有限公司， 杭州 310007)

特高压换流站阀厅内各类金具起着传递机械、电气负荷和对主要设备进行电磁防护的作用。按照管型母线端是否可移动伸缩以及变换角度，可以分为管母固定型金具和管母滑动型金具。滑动管母金具通过滑动支座固定在支撑绝缘子上，不同的管母线连接方式采用不同的滑动支座，在支座上装有滑动支轴，这样、当管母线出现滑动位移时，支座上的滑动轴也随之移动。

变电站(换流站)的设备通过管母线或软母线连接，在地震作用下，设备与母线之间会产生相互作用力，使得设备与母线耦联体系的受力性能变得复杂。支撑式管母线多采用滑动金具与陶瓷支柱绝缘子连接，这种滑动金具具有阻尼耗能的效果，能够减小支柱绝缘子顶端的地震响应。近年来，复合绝缘子越来越多地被投入到工程中使用，它相较于陶瓷绝缘子具有强度高、抗冲击性能好等优点，但同时也存在刚度较小等缺点[1-6]。

围绕软母线连接设备的抗震分析已取得较多的成果，但关于管母线连接设备的研究多集中在带伸缩节的耦联体系等方面，对带有可滑移金具的管母线耦联体系的理论研究和试验研究相对较少[7-10]。即使考虑了滑动金具的限位功能，也只是将沿着管母的方向自由度释放，对于滑动金具在耦联体系中的抗震性能研究的较少。故此通过对管母支撑滑动金具开展低周反复加载试验，获得滑动金具滑动摩擦系数以及力-位移曲线。通过建立复合支柱绝缘子与管母线耦联体系有限元模型，分析不同地震加速度等级输入下绝缘子和滑动金具的地震响应，提出将滑动金具等效为非线性弹簧的计算方法，并得到滑动金具滑动槽长度的设计参考值。

1 滑动金具低周反复加载试验研究

1.1 试验试件

管母支撑滑动金具如图1所示，其主要组成部分包括连接板、支撑板、滑动槽、支撑轴和管母支撑块。实际工程中管母线与管母支撑块之间的连接采用焊接，支撑轴与管母支撑块可以沿着支撑轴转动，支撑轴安装于支撑板槽口内，可以沿着滑动槽滑动，支撑轴一侧套有不锈钢垫圈，一侧套有不锈钢垫圈和工程塑料轴套，滑动槽长度16 cm，连接板用于与绝缘子相连接。

图1 滑动金具试验件装配示意图Fig.1 Sliding fitting test piece assembly diagram

1.2 试验加载方案

滑动金具下部连接板通过螺杆夹紧固定在反力架钢梁上，上部管母支撑块由钢板加紧固定于作动缸上，作动缸作用力的方向与金具支撑块平面成90°夹角，试验装置布置如图2所示。试验中，管母的配重约为150 kg，作动器作用点位于滑动金具圆弧的圆心处，作动器的作用力方向与滑动槽方向一致。支撑板上有滑槽，滑槽长度为16 cm，取滑槽中间位置为低周反复加载试验的起始位置。

试验采用位移控制的加载制度。由0 mm处(即滑动槽中间位置)开始加载，每一级的位移增量是1 mm，每一级有8个循环，加载频率为0.5 Hz，加载位移为5 mm时的加载方案如图3所示。

1.3 试验结果分析

试验过程中，试验开始阶段位移较小，支撑杆还没有与滑槽端部接触，只与滑槽壁发生轻微摩擦。位移稍稍增大时，当支撑杆移动到靠近作动缸一端最大位移时，发出摩擦声。不锈钢垫圈磨损严重。当位移继续增大，支撑杆与滑槽壁出现接触并发生挤压。支撑杆发生弯曲变形。当弯曲变形过大而不能继续加载时金具破坏，试验结束，金具破坏如图4所示。

图2 滑动金具低周反复加载试验Fig.2 Sliding fittings low cycle repeated loading test

图3 滑动金具低周反复加载方案Fig.3 Sliding fittings low cycle repeated loading scheme

图4 试验破坏结果图Fig.4 Test damage result photo

试验结束后对试验数据进行处理后可知，滑动金具不同滑动位移时的力-位移曲线如图5所示。

当滑动金具滑动位移较小时，如图5(a)所示，此时滑动位移为30 mm，恢复力曲线近似为弹塑性模型，取位移为0时刻的恢复力分别为0.73 kN和-0.75 kN，因此取滑动金具滑动摩擦力为 0.74 kN，由于管母配重为150 kg，可得：

(1)

式(1)中：f为滑动摩擦力；m为管母配重；g为重力加速度。由式(1)可知，滑动金具的滑动摩擦系数可取为0.5。

当滑动金具滑动位移增大到支撑轴与管母支撑块接触时，作动器作用力将明显增大，如图5(b)所示，当滑动金具滑动位移为70 mm时，此时作动器作用力最大值为17.5 kN，滑动金具支撑轴与支撑板发生接触，此时滑动金具在互联电气设备回路中起到限位和耗能的作用，由恢复力曲线可知：在带滑动金具的互联电气设备回路抗震性能计算中，可以定义一个较大的弹簧刚度等效成滑动金具的限位功能。

图5 滑动金具不同滑动位移时力-位移曲线Fig.5 Force-displacement curve of sliding fittings sliding different displacements

2 复合支柱绝缘子管母耦联体系抗震性能研究

2.1 仿真模型的建立

进一步研究支柱绝缘子耦联体系在不同地震作用下的动力响应，将滑动金具等效为非线性弹簧，非线性弹簧的相关参数通过滑动金具低周反复加载试验得出。

运用有限元结构分析软件ABAQUS，建立带支架复合材料绝缘子与管母线耦联体系数值模型。耦联体系包括两个格构式支架、两根复合支柱绝缘子、一根管母线，复合支柱绝缘子轴线间距离为 6 m，管母与支柱绝缘子通过滑动金具连接，管母线外直径为450 mm、壁厚为10 mm。

格构式支架高3.756 m，顶部连接法兰高 0.23 m，高度与钢管支架相同。主材截面直径 95 mm，厚6 mm，辅材截面直径40 mm，厚5 mm，支架分为4节。采用Q235钢材，弹性模量2.1×1011Pa。图6是绝缘子支架的设计图。

支柱绝缘子高度为6.26 m，图7为其装配示意图，由上下2节复合材料套管(从上至下依次标注为A1、A2)组装而成，其中A1长3.10 m，外直径 320 mm，壁厚10 mm；A2长3.16 m，外直径400 mm，壁厚21 mm，套管两端与法兰通过黏合剂胶装连接。复合材料绝缘子结构参数如表1所示。

采用ABAQUS软件建立复合支柱绝缘子与管母线耦联体系的有限元模型，如图8所示，模型材料参数如表2所示。以管母线轴线为Y方向，平面内垂直于Y方向为绝缘子竖直方向，X方向垂直于平面，管母线、绝缘子和支架均用B31梁单元模拟，对于绝缘子与管母连接的滑动金具采用Cylindrical单元连接，滑动位移与滑动摩擦通过非线性弹簧单元来模拟，该单元的力和位移曲线通过滑动金具低周反复加载试验所得，其中绝缘子从左至右依次标号为1号绝缘子、2号绝缘子。

图6 绝缘子支架Fig.6 Insulator bracket

图7 复合材料支柱绝缘子装配示意图Fig.7 Composite post insulator assembly schematic

表1 绝缘子结构参数

图8 复合支柱绝缘子与管母耦联模型Fig.8 Composite post insulator and tube mother coupling model

表2 模型材料参数

滑动金具的滑动摩擦系数以及滑动位移的限制成为计算中的难点，通常都是假设一个滑动摩擦系数和滑动金具达到滑动位移限制时所等效的弹簧刚度，由滑动金具低周反复加载试验结果可知，滑动金具的滑动摩擦系数可取为0.5。

Cylindrical单元为两节点间释放单向位移限制和单向转动限制的连接单元，与实际滑动金具支撑轴相符合，非线性弹簧模拟滑动金具支撑轴与支撑板的相对位移，在有限位移内刚度很小，根据相同位移做功相等的等效原则，可将滑动摩擦等效为一个刚度较小的弹簧，其关系为

(2)

式(2)中：μ为滑动金具滑动摩擦系数，根据低周反复加载试验可知取0.5；G为管母线的质量；L为滑移距离；K为滑移距离内的弹簧刚度。

通过滑动金具力-位移曲线可知：在带滑动金具的互联电气设备回路抗震性能计算中，可以定义一个较大的弹簧刚度等效成滑动金具的限位功能，该非线性弹簧曲线如图9所示。

图9 非线性弹簧模型Fig.9 Nonlinear spring model

2.2 抗震性能分析

在进行地震响应分析之前先对结构进行模态分析，模态分析是进行结构体系地震响应分析的基础，通过模态分析可以获得结构的动态特征，主要包括结构的固有频率和振型。将上述建立的模型命名为模型A，同时建立不考虑滑动位移的模型，将支柱绝缘子与管母线固定连接，将其命名为模型B。两种模型的频率如表3所示。

表3 结构自振频率

通过模态分析可知，不考虑滑动金具滑动位移的模型，增加了结构刚度，结构频率增大较为明显。接下来对考虑滑动位移的复合支柱绝缘子与管母耦联模型进行地震响应分析。输入地震波由中国电力科学研究院和中国地震灾害防御中心根据特高压工程的特殊性，制定的相应抗震设计反应谱曲线，该曲线的特征周期为0.9 s，动力放大系数为3.17(2%阻尼比)[11-12]。加速度峰值为1.0g的标准时程波(记为S波)如图10所示，试验输入采用不同强度等级地震波激励时，按照比例对图10中的地震波进行放大或缩小。地震波的加载方向为Y轴方向，即沿着管母的方向。

改变输入地震波的地震加速度等级，分别研究了考虑滑动金具滑移的复合支柱绝缘子与管母耦联模型。当输入地震波加速度等级为0.2g、0.3g和0.4g时，得到了绝缘子根部应力、绝缘子顶端和底端加速度、绝缘子顶端相对位移、滑动金具内力与时间曲线、滑动金具位移与时间曲线、滑动金具内力和位移曲线、管母与滑动金具连接处加速度以及相对位移曲线。其中0.4g时绝缘子根部应力、滑动金具内力与时间曲线和滑动金具内力和位移曲线分别如图11～图13所示。

图10 1.0g标准时程波Fig.10 1.0g standard time course wave

图11 支柱绝缘子根部应力时程曲线Fig.11 Post insulator root stress time history curve

图12 滑动金具内力时程曲线Fig.12 Sliding fitting internal force time history curve

通过上述分析可知：不同地震加速度等级作用下，考虑滑动金具滑动位移的复合支柱绝缘子与管母耦联模型，绝缘子根部应力、顶端最大加速度和顶端相对位移分别如表4所示。

从表4中可知，当考虑滑动金具滑移时，绝缘子与管母支撑互联体系的地震响应在地震加速度等级较小时呈线性关系，当地震加速度等级增大时，非线性响应较为明显，绝缘子根部应力和绝缘子顶端加速度增大较为明显。

当不同地震加速度等级地震波作用下，滑动金具的地震响应如表5所示。

图13 滑动金具内力-位移曲线Fig.13 Sliding fitting internal force-displacement curve

表4 绝缘子地震响应

表5 滑动金具地震响应

从滑动金具力-位移曲线可以看出，当输入地震波为0.2g和0.3g时，滑动金具力-位移曲线为线性弹簧关系，此时滑动金具支撑轴并没有与支撑板发生碰撞，滑动金具通过摩擦力耗散能量，当输入地震波为0.4g时，滑动金具最大位移为50 mm，当滑动位移达到50 mm时，弹簧力显著增大，即滑动金具支撑轴与支撑板发生碰撞，导致金具内力急剧增大；同时从绝缘子地震响应可以看出，当输入地震波为0.4g时，由于滑动位移的限制，导致滑动金具支撑轴与支撑板发生碰撞，绝缘子顶端最大加速度和相对位移均突然增大，增大幅值较为明显。因此，实际计算时需考虑滑动金具的限制位移。

由表4和表5可知，滑动金具滑动槽长度不宜小于2(x1,max+x2,max)(x1,max和x2,max为分别为相互连接的两设备在地震作用下的最大位移)，以最大限度保证地震作用下滑动金具的滑动端不与滑动槽相撞，减小设备间的地震耦合效应。

将图5(b)与图13相比较可知，滑动金具力-位移曲线趋势是一致的，当支撑杆与滑动槽发生碰撞时，互联回路中设备地震响应非线性现象明显，对于滑动金具在互联设备回路中可简化为非线性弹簧来代替滑动金具在互联回路中的作用。

3 结论

(1)通过对滑动金具进行低周反复加载试验，可得出滑动金具的滑动摩擦系数和力-位移曲线，从而为进一步研究滑动金具在互联设备回路中的抗震性能提供指导。

(2)在对带滑动金具的互联电气设备回路抗震性能计算时，需要考虑滑动金具的滑动位移对电气设备回路抗震性能的影响，滑动金具的滑动位移对互联电气设备顶端的加速度响应影响较大，而通常计算中可将滑动金具等效为非线性弹簧，通过释放单向位移和单向转动的限制以模拟滑动金具在实际电气设备回路中与管母的连接。

(3)为减小地震作用下设备的耦合效应，滑动金具滑动槽长度不宜小于相连两设备在地震作用下位移之和的2倍，以最大限度保证地震作用下滑动金具的滑动端不与滑动槽相撞，减小设备间的地震耦合效应，其中，x1,max和x2,max分别为相互连接的两设备在地震作用下的最大位移，其值可通过抗震计算分析后得出。