145 kV交流接地开关数值分析及振动台试验

鞠升辉,张 任,李付永,赵梦坡,李 伟,候永威

(1. 河南平高电气股份有限公司,河南 平顶山 467000; 2. 北京航空航天大学 生物与医学工程学院,北京 100191)

0 引言

随着特高压网络的建设完善,电力系统的互联互通,高压电气设备一旦遭到破坏,其将造成波及范围广、破坏程度深的重大经济损失。地震作为不可抗力的自然灾害,是造成电力设施遭受严重破坏的情况之一[1-3],因此在工程设计时,应谨慎分析评估设备的抗震性能。

高压交流接地开关作为高压交流隔离开关的一种,其主要作用是在停电检修时可靠接地,特别适用于同塔双回路或临近平行布置的输电线路,可有效预防感应电荷对运维人员的伤害。高压交流接地开关广泛应用于环境条件恶劣的户外变电站,如高温、高湿、盐雾、冰冻、污秽和地震等自然条件。其中,地震所造成的高压开关瓷瓶的断裂[4-6],对电网和电力系统的破坏尤为严重,是产品设计时不可忽视的考量因素。

目前,开展高压电气设备抗震性能的主要手段为地震模拟振动台试验和数值仿真,其中振动台试验是检验电气设备抗震性能最为有效的方法与手段,能直观复现地震作用全过程[7]。张军等[8]进行了220 kV绝缘子及避雷器的振动研究。程永峰等[9]展开了避雷器与互感器的振动台抗震试验。柏文[10]开展了地震过程中软导线连接的瓷柱式开关设备振动台模拟地震试验。然而,大量的研究围绕通过数值仿真预测结构能否通过抗震试验的考验,以及围绕结构的动力学特性展开[11-15],固然,这些是研究的要点,需重点关注,而振动台试验对结构机械性能及寿命的影响,则关注较少。高压开关设备价格往往较高,若进行过地震模拟的振动台试验就将设备报废,则会产生高昂的经济费用。因此,对于能够通过振动台试验的设备,需对其进行有效评估,判断机械性能是否受到影响。

文中以145 kV三相机械联动瓷质绝缘子接地开关为研究对象,进行数值仿真并开展地震模拟振动台试验,讨论了在地震波作用下的频率特性,发现: A/B/C三相均会绕X、Y轴摆动,同时A/C相会围绕B相轴线旋转,B相无明显旋转,从而使3个底座处的应力分布产生一定差异;确定接地开关的易损部位、最大应力及抗震性能;对比分析数值仿真与振动台试验结果可知,在满足安全系数要求时,数值仿真结果可作为接地开关能否通过试验的初步判据。文中进一步提出一种用于评估振动台试验对设备机械性能及寿命影响的方案,进而分析振动台试验是否产生影响。

1 研究概况

本文研究4 000 mm×800 mm×5 260 mm(长×宽×高)的三相机械联动高压交流接地开关,总质量1.235 t,从上至下分别为接线端子、支柱绝缘子、底座及传动机构、地刀杆、纵梁以及钢支架。该高压交流接地开关结构示意如图1所示。从左至右分别为A/B/C三相,各相结构类似并固定在底座上,相邻两相之间通过相间连杆连接,从而实现三相机械联动。接线端子为铝合金板材,地刀杆为铝合金型材,支柱绝缘子为高强瓷,支柱绝缘子上下法兰为球墨铸铁,底座与传动机构、纵梁、钢支架的材料均为普通钢材,接地开关设备材料参数如表1所示。

图1 接地开关结构型式Fig. 1 Structural type of earthing switch

表1 材料参数Table 1 Material parameters

2 数值仿真

2.1 模态频率特性分析

瞬态动力学方程为:

(1)

采用Solidworks对接地开关进行三维建模并利用ANSYS Workbench进行数值仿真分析,材料属性如表1所示。其中,绝缘子采用六面体Solid186单元,法兰、钢支架采用六面体Solid185单元,其余零部件多为机加工和多种结构件焊接结构,采用四面体Solid187单元,固定接触面之间设置为绑定,钢支架下底板固定约束。分别得到设备的各阶振型与频率,前3阶振型如图2所示,第一阶振型绕Y轴(前后)摆动,第二阶振型为A/C相绕B相的旋转,第三阶振型为绕X轴(左右)摆动。由图2可知,三相机械联动的结构型式并不会影响结构在水平方向的摆动,但限制了A/B/C单相绕自身的旋转,新增边相A/C绕中间相B的旋转,从而使3个底座处的应力分布产生一定差异。进一步的分析发现,B相高应力区域前后或左右分布,A/C相则呈现一定扭曲变形,应力大小与分布在设备顶部接线端子结构型式及重量改变时变化较为明显,试验时数据采样需考虑该因素的影响。

图2 设备振型图Fig. 2 Vibration modes of the equipment

仿真分析发现,频率会随着支架底板采用不同的约束方式而上下浮动,本文尽可能模拟电站实际安装工况,并多次仿真取平均值。其中沿X方向上第一阶频率为7.0 Hz,沿Y方向上第一阶频率为10.2 Hz。

2.2 生成时程波

数值模拟所采用的地震动输入是根据规程[16-17]所推荐的标准反应谱[18](取2%阻尼比[19-21])所生成的加速度时程波,标准反应谱对应的地震影响系数曲线如图3所示,生成的加速度时程波如图4所示,时程波根据加载工况按比例缩放进行调整。

图4 试验用标准时程波Fig. 4 Standard time history wave for the test

2.3 地震响应分析

输入加速度峰值分别为0.4g(g=9.8 m/s2,下同)与0.5g的标准时程波,对接地开关进行动力学分析。由于绝缘子的破坏应力为70 MPa,远小于普通钢铁与球墨铸铁的许用应力,需对绝缘子根部的应力进行计算,校核其安全裕度。仿真发现绝缘子最大应力分布在最下方伞裙根部,确定绝缘子最大应力为18.98 MPa,安全系数3.69(安全系数=破坏应力或许用应力/计算应力,下同);下法兰最大应力44.56 MPa,安全系数6.51;底座最大应力77.05 MPa,安全系数3.05;均满足规范不小于1.67的要求[16]。

仿真计算得到的产品顶部接线板位移时程曲线如图5所示。

图5 设备顶部接线板位移时程曲线Fig. 5 Displacement of time history curve of terminal block at the top of the equipment

由图5可知,接地开关产品顶部接线板相对于振动台台面在X方向的最大位移为39.43 mm,在Y方向的最大位移为3.85 mm,由于变形较小,在进行电站的设计时,可以忽略位移对相邻电力设备的牵拉作用带来的影响;接地开关在不同方向的位移响应具有差异,在X方向的位移变化明显大于Y方向。

3 振动台抗震试验

3.1 振动台概况

试验系统为重庆大学振动台实验室MTS 6.1 m×6.1 m地震模拟振动台,标准负荷60 t,最大倾覆力矩1800 kN·m,最大偏心力矩600 kN·m,台面最大加速度:X方向±1.5g(标准负荷),Y方向±1.5g(标准负荷),Z方向±1.0g(标准负荷)。试品的试验数据采集系统为NI公司高速动态采集仪,其通道数为128,采样频率100～1000 kHz。加速度传感器为Lance加速度计(±5g)。应变测试采用带温度补偿的1/4桥路。

3.2 测点布置

试验所采用145 kV高压交流接地开关为某特高压电站所用产品,试验属于全尺寸真型试验,安装在振动台上的接地开关如图6所示(该产品与另一145 kV双柱水平旋转型隔离开关一起安装在振动试验台上)。

图6 安装于振动台上的接地开关Fig. 6 Earthing switch installed on shake table

对地震时主要承受弯矩的高压开关支柱类设备,最常见的破坏形式为套管根部开裂,故在绝缘子根部布置应变片MS_4-1～MS_4-3,同时,在主要受力零部件的关键位置支架根部、底座和法兰布置应变片。针对三相机械联动A/C边相底座出现的应力分布的扭曲现象,由于用于本次试验的结构型式的接地开关顶部接线板重量较小,此现象不是十分明显,故根据仿真结果在正常测点附近合理设置多个应变片即可获得最大应变。振动台台面上布置加速度计MA_1,用于测试振动台面的加速度输出情况,MA_2-1～MA_2-3布置在距离振动台台面1m处的钢支架上,应变片以及加速度计布置情况如图7所示。

图7 接地开关测点布置图Fig. 7 Measuring points arrangement of the earthing switch

3.3 试验工况

试验依次交替输入白噪声随机波与标准时程波。标准时程波采用逐级加大的方式,依次输入峰值分别为0.2、0.4、0.5g的水平加速度,模拟地震试验前、各工况地震试验后均进行白噪声扫频(对应 1、4、 7、10工况),在台面X、Y、Z向输入频率范围0.5～50 Hz,加速度峰值为0.09g的白噪声随机波,测定试验前后的自振频率与阻尼比,用以评估设备是否在模拟地震试验中损坏,具体加载工况如表2所示。

表2 试验工况Table 2 Conditions of the test

振动台试验所采用的加速度时程波如图4所示,根据加载工况按比例缩放。

4 试验结果分析

4.1 模态频率分析

输入白噪声随机波,记录接地开关测点的加速度时程数据,通过接地开关在工况1、4、7、10时的动力特性探查设备的传递函数,进而获得接地开关的一阶自振频率如表3所示。试验后外观检查以及随后返厂拆解无损探伤均发现瓷瓶完好,钢支架、底座和法兰等均没有发生变形与破坏,接地开关可实现分合闸功能,故初步确认设备在振动台试验中没有遭到破坏。

表3 设备自振频率Table 3 Frequencies of the equipment

振动台试验采用工装固定方式,数值仿真模拟实际安装工况,故结果存在一定差异。接地开关Y方向为三相机械联动,存在细微的传动间隙,也会对频率产生微弱影响。

4.2 加速度响应分析

依据MA_4-2与MA_1记录的加速度时程数据,得到工况8、工况9时振动台试验加速度幅值谱如图8所示,设备顶部加速度幅值谱如图9所示。为了方便分析接地开关的地震响应,引入加速度放大系数,该系数是指所选取点处加速度峰值与台面加速度峰值的比值,可以反映结构对地震波的放大作用,台面处比值为1,设备不同部位关键测点的加速度放大系数如图10所示。

图8 输出谱与需求谱Fig. 8 Output spectrum and requirement spectrum

图9 加速度频谱特性曲线Fig. 9 Acceleration spectrum characteristic curve

由图可知,输出谱基本包络需求谱,满足试验的有效性;加速度放大系数最大的部位是绝缘子顶部,支架距离地面1 m处为1.2～1.8,绝缘子支座为1.6～3.9,绝缘子顶部为4.3～9.6。设备第一阶自振频率为6.5,处于地震波卓越频率(1～10 Hz)范围内,容易发生共振;随着输入地震动加速度峰值的增加,加速度放大系数均呈现增加趋势,但仅绝缘子顶部的变化尤为显著,其余部位为缓慢增加趋势,呈现非线性特征。

4.3 应变响应分析

大量高压开关设备的地震灾害表明,绝缘子根部在地震过程中承受较大的弯曲载荷而易发生断裂。因此在评估接地开关的抗震性能时,绝缘子根部的应力是重要的考虑因素。通过分布的应变片测点记录钢支架、底座、法兰与绝缘子根部关键点的应变时程数据,然后计算即可获得测点的应力,设备不同工况状态下的应变如图11所示。

图11 不同工况下关键测点应变最大值Fig. 11 Maximum strain of the key points in different working conditions

由图11可知:

1)接地开关的最大应变位于底座与绝缘子下法兰处,工况5时底座应变达到最大值128,工况9时绝缘子下法兰达到最大应变为186,根据应力计算公式σ=E·ε/λ,其中E为材料的弹性模量;ε为应变最大值;λ为谱修正系数,依据1.0×设备抗震试验应力+0.25×风荷载应力+1.0设备自重应力+1.0端子拉应力公式,确定底座、下法兰、绝缘子的应力如表4所示。

表4 仿真与振动台试验结果对比Table 4 Comparison of simulation and shaking table test results

由表4可知,绝缘子的仿真与试验结果基本一致,法兰与底座的仿真与试验结果存在一定偏差。法兰与底座的最大应力均分布在一片较小的区域内,应变片无法准确与其重合,所粘贴区域的仿真值与试验值基本吻合。

2)对于带支架的接地开关,底座和绝缘子下法兰为抗震的关键部位,同时由于绝缘子材料本身较脆弱,其根部也需要重点观测。随着输入加速度峰值的增加,接地开关应变响应呈现非线性变化。例如工况8与工况5相比,工况8输入峰值加速度为工况5的1.23倍,但底座的应变响应不仅没有增加,还有所减小。

3)不同方向接地开关关键部位的应变响应存在差异。绝缘子下法兰材料为QT500型球墨铸铁,各向同性,由于受接地开关的整体结构影响,其应变(MS_3)在Y轴方向随着输入加速度峰值的增加而增加,而在X轴方向,仅在一定范围内随着输入加速度峰值的增加而增加,超过该范围,随着输入加速度峰值的增加而减小。

4.4 机械性能分析

高压开关设备传动机构之间存在较严格的公差配合及间隙,该部分结构无论是在数值仿真阶段,还是振动台试验后的外观检查中,很难有效分析与及时发现问题,需进行机械性能试验评估。

该种结构型式的接地开关通过了KEMA认证的IEC62271—102标准条件下的5000次机械寿命试验,并获得型式试验报告。根据试验报告,该接地开关试验过程中,85%、100%、110%额定电压时,电机工作电流如表5所示,启动电流为最大值,工作电流为平均值。该电流范围为经试验验证的允许范围。

表5 不同电压下电机电流Table 5 Motor current under different voltages

依据高压开关设备行业标准,对振动台试验后的设备进行M0级(1000次)机械寿命试验并记录相关机械特性,与型式试验报告中的特性进行比对。设备驱动机构配备三相异步电机,根据电机原理中三相异步电机的电磁转矩与机械特性知,设备电动机构驱动力矩与电机电压的平方成正比,故85%额定电压为极限测试,此时力矩降低至正常的72%,验证极端条件下设备的机械性能。在电源电压不变时,电机电流的变化反映了输入功率的波动,而输入功率取决于负载大小,可间接反映机械特性。

本次机械寿命试验采用ACTAS P6开关机械特性测试仪,根据特性测试仪记录可得:额定电压下启动电流、工作电流分别为3.5～3.7A和0.6A,位于允许范围内;机械寿命试验后进行85%额定电压下的分合闸操作的分合闸特性曲线如图12所示,图12中曲线平滑无抖动,反映设备分合闸特性平稳。

图12 分合闸特性曲线Fig. 12 Opening and closing characteristic curve

跟踪发现,该样机从2018年投入运行至今,分合闸机械性能与没有进行地震模拟试验的产品无明显差异。

5 结论

1)三相机械联动的结构型式不会限制A/B/C三相沿水平X、Y方向摆动,但会使A/C相围绕B相轴线旋转,B相无明显旋转,从而使3个底座处的应力分布产生一定差异,应力大小与分布在设备顶部接线端子结构型式及重量改变时变化较为明显,数据采样需考虑该因素的影响,合理设置采样点。

2)底座与绝缘子下法兰是接地开关地震时应力最大的部位,在X方向目标加速度峰值为0.4g时,底座组合应力达到最大为69.6 MPa,安全系数为3.38;在Y方向目标加速度峰值为0.5g时,绝缘子下法兰组合应力达到最大为41.62 MPa,安全系数为6.97;结构的应变响应与输入加速度峰值呈现非线性变化的特征,且不同方向具有明显差异。绝缘子根部是易损部位,在目标加速度峰值为0.5g工况下,根部的最大组合应力为18.28 MPa,低于材料的破坏应力,安全系数为3.83。

3)振动台试验后依据高压开关设备行业标准对设备进行M0级机械寿命试验,电机电流需处于型式试验报告区间内;机械寿命试验后进行85%额定电压的极端条件下分合闸操作,其特性曲线平滑无抖动,反映设备分合闸特性平稳;满足以上条件时则认为地震模拟振动台试验对设备机械特性与寿命影响可忽略,可以继续用于电站。该试验方案为评估振动台试验对结构机械性能及寿命影响提拱了一个参考。