35 kV電容器成套裝置抗震性能的仿真分析

王健生，朱瑞元，謝強，2

(1.同濟大學建筑工程系，上海市，200092;2.土木工程防災國家重點實驗室(同濟大學)，上海市，200092)

0 引言

電力系統是生命線工程的重要組成部分，是維持國民經濟命脈、維持城市生命的關鍵環節。社會各個領域對電力系統的依賴程度越來越大，它的破壞將對整個社會造成極大的災害［1-3］。高壓電氣設備是電力系統重要組成部分，直接關系電力系統正常功能的實現，這種設備結構形式特殊，具有質量大、重心高、頂部質量大、阻尼比較小等特點，使得高壓電氣設備的結構形式不利于結構抗震。目前對這類特殊電氣設備的抗震研究還不夠深入［4］。

GB 50260—1996《電力設施抗震設計規范》規定:對高壓電器、高壓電瓷、管型母線、封閉母線及串聯補償裝置等構成的電氣設施應采用動力設計法，并推薦采用由5個正弦共振調幅波組成的調幅波串進行時程動力分析［5］。

美國電氣和電子工程師協會(Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE)制定了IEEE Std 693—2005標準，作為美國變電站電氣設備抗震設計與性能測試的主要參考文件。給出了高等水準(地震動加速度峰值為0.5 g)和中等水準(地震動加速度峰值為0.25 g)的需求反應譜(required response spectrum，RRS)，規定電氣設備通過與高等水準的需求反應譜相符的地震動時程作為輸入進行計算滿足要求時，稱其抗震性能滿足高等抗震水平;通過與中等水準的需求反應譜相符的地震動時程作為輸入進行計算滿足要求時，稱其抗震性能滿足中等抗震水平［6］。

有研究表明，對于電氣設備單體結構來說，正弦共振調幅五波的輸入，過高估計了設防標準下的地震作用，使結構抗震設計偏于保守，但不會對其抗震安全性帶來影響［7-8］。本文結合某35 kV電容器成套裝置的抗震性能分析，對2種抗震設計方法進行比較，以便更準確地了解高壓電氣設備的抗震能力，為工程實踐提供更確切、更具體的參考。

1 結構動力分析方法

對于一般大型電力電容器成套裝置，將其簡化為有限元計算模型，考慮一維地震動的輸入，由結構動力學基本原理［9］，可建立結構在地震動作用下的線性動力方程。

式中:M、C和K分別為結構體系的質量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣;u(t)、(t)和ü(t)分別為結構體系的相對位移、速度和加速度陣列;üg(t)為輸入的地震動加速度時程。

1.1 阻尼矩陣

本文只考慮由于結構材料的粘性而產生的阻尼，從而采用簡單的正交阻尼模型的一個特例——Rayleigh阻尼模型，其數學表達式為

式中:α、β為Rayleigh阻尼系數，由式(3)計算。

式中:ωi一般取第一階整體陣型的自振圓頻率;ωj則可取后幾階對結構振動貢獻較大的模態的圓頻率。

1.2 正弦調幅五波

正弦共振拍波包括5個正弦共振調幅4.5波組成的調幅波串。每2個相鄰調幅波串相隔2 s，即前一個調幅串結束后，2 s內的加速度均為0，然后啟動下一調幅波。

取一串調幅波進行計算分析時，作用在體系上地面運動最大水平加速度按下面規定確定。

當t≥4.5T時，

當0≤t＜4.5T時，a按式(5)確定，

式中:ω為體系某方向第一階固有圓頻率，即結構體系的基頻。

設計基本地震加速度取為0.2 g，即時程分析中加速度峰值取為a0=1.962 m/s2。

1.3 地震動時程

振動臺試驗中地震動時程的輸入是比較關鍵的，需要選取與需求反應譜相符的地震動時程，本次試驗基于IEEE Std 693—2005標準的RRS來選擇地震動。地震動輸入分別采用天然Elcentro波、人工波以及經過頻譜修正后的Landers波共3組。修正后的Landers波和數值人工波在1 Hz以上頻譜基本可以包絡IEEE Std 693—2005標準規定的需求設計譜。地震動時程如圖1所示。

圖1 試驗中輸入的地面運動波形Fig.1 Ground motion waveforms in experiment

2 電容器裝置的鑒定改造

2.1 結構形式介紹

每套并聯電容器裝置原結構從下到上分別由4個槽鋼座、4個絕緣子、2個槽鋼架及其上的雙層框架組成，如圖2(a)所示。改進后每側增加1個絕緣瓷瓶，共6個絕緣瓷瓶，如圖2(b)所示。每套電容器裝置上共放置18個電容器單體(BAM211(12)－334－1W)，其中上下2層各放置9個，每個質量為73 kg。結構的總高度為1.58 m，其中支撐絕緣子高0.42 m。單層框架長1.5 m，寬1.4 m，高度為0.53 m，由不同規格型鋼焊接而成。

圖2 電容器結構立面Fig.2 Structure drawing of capacitors

2.2 結構的有限元模型

本文采用通用有限元程序ANSYS進行計算，結構系統的基礎假定為剛性，即電容器結構體系與地面剛性連接，不考慮地基的變形等影響。根據結構體系的特點，采用了Beam189梁單元來模擬各個框架柱、型鋼支架;每個電容器的質量轉化為集中質量加到節點上，用Mass21集中質量單元來模擬;槽鋼架采用Shell63單元模擬;支柱絕緣子與法蘭連接的彎曲剛度根據《電力設施抗震設計規范》采用等效梁單元來模擬。計算模型中共有1 394個單元，2 276個節點。結構改造后的有限元模型如圖3所示。

圖3 有限元模型Fig.3 Finite element model

2.3 結構自振特性

電容器裝置結構在改造前及改造后前10階自振頻率及自振周期如表1所示。

從表1可以看出，增加瓷瓶個數后，電容器裝置的自振頻率略有提高。改造前，前2階振型為局部振型，第3階振型為y方向的整體彎曲，其頻率為結構體系的基頻(f=10.98 Hz)，第7階振型為x方向的整體彎曲(f=14.18 Hz);改造后，前3階振型為局部振型，第4階振型為y方向的整體彎曲，其頻率為結構體系的基頻(f=11.91 Hz)，第8階振型為x方向的整體彎曲(f=15.58 Hz)。

表1 電容器前10階固有頻率及自振周期Tab.1 First ten natural frequencies and fundamental periods of the capacitor installation

2.4 結構地震響應結果分析

2.4.1 改造前

由結構體系自振頻率和振型特點可以分析得到，結構的第1階整體振型為y向的彎曲振型，因此把y向作為地震計算的控制方向。圖4和表2分別列出了改造前在不同動力時程輸入下瓷瓶根部的應力響應時程曲線和幅值。

圖4 改造前瓷瓶根部應變時程曲線Fig.4 Strain time-history curves at the bottom of porcelain before the transformation

表2 改造前電容器瓷瓶根部最大應力Tab.2 Maximum strain value at the bottom of capacitor porcelain before the transformation

計算結果顯示，在輸入峰值加速度為0.2g的Elcentro波、Landers波和人工波時，絕緣瓷瓶根部的最大應力為6.59 MPa，其安全系數滿足大于1.67的要求;當輸入正弦調幅五波時，瓷瓶根部的應力較大，不滿足《電力設施抗震設計規范》安全要求，需要加固改造。

2.4.2 改造后

鑒于電容器裝置的支柱瓷瓶的抗震能力不足，在每側雙拼槽鋼中部各增加1個絕緣瓷瓶。其抗震驗算的控制方向不變，圖5和表3分別為改造后不同動力時程輸入下瓷瓶根部的應力響應時程曲線和幅值。

?

計算結果表明，經過改造，電容器裝置的抗震性能有明顯的提升，在輸入設計地震基本加速度為0.2 g的正弦調幅五波以及峰值加速度為0.2 g的Elcentro波、Landers波和人工波時，瓷瓶根部的應力響應均有很大程度的減小，結果符合安全要求。

3 抗震設計方法對比

對于變電站設備的測試鑒定方法，不同的規范給出了不同的方法，我國的《電力設施抗震設計規范》推薦采用由5個正弦共振調幅波組成的調幅波串進行時程動力分析，美國的IEEE Std 693—2005標準建議采用RRS來選擇地震波。本文采用有限元軟件ANSYS，用2種不同的抗震鑒定設計方法對電容器裝置進行抗震性能測試分析，來討論2種方法的合理性與適用性，并對變電站設備的抗震測試方法提出合理的建議。

為了對2種抗震設計方法進行對比，分別輸入峰值加速度為0.5g的3種地震動時程，考查其抗震性能是否滿足IEEE規范規定的高等抗震水平的要求。表4與表5所示分別為輸入基本加速度為0.2g調幅五波、峰值加速度為0.2g、峰值加速度為0.5g地震動情況下位移與應力峰值響應。

?

?

定義反應比，把調幅五波輸入情況下設備的響應設為基準值，動力時程輸入情況下設備的響應與基準值的比值為反應比。如圖6、7所示，在地震波峰值加速度為0.2g的情況下，設備的響應遠小于正弦調幅五波的情況，設備頂端的位移反應比最大為0.55，瓷瓶根部應力反應比最大為0.57;在地震波峰值加速度為0.5g的情況下，Elcentro波和人工波的響應與正弦調幅五波的響應基本相當，反應比最小為0.94，最大為1.07，Landers波的響應較大，其反應比分別為1.41和1.46。

綜上所述，輸入基本加速度0.2g的正弦調幅五波時設備的響應與輸入峰值加速度為0.5g的Elcentro波、人工波時相當。

4 結論

本文利用通用有限元程序ANSYS對某種35 kV的電容器成套裝置進行了抗震驗算，在計算中分別輸入《電氣設備抗震設計規范》推薦的正弦調幅五波和符合IEEE Std 693—2005標準RRS要求的Elcentro波、Landers波和人工波，對2種抗震設計方法進行了對比分析，并對設備進行了必要的加固改造。通過增加2個絕緣瓷瓶使電容器裝置抗震性能滿足安全系數大于1.67的要求。輸入地震基本加速度為0.2g的正弦調幅五波與輸入峰值加速度為0.5g的Elcentro波及人工波時設備的響應相當，輸入Landers波時設備響應明顯大于另外2條地震波。電容器的抗震性能大于IEEE Std 693—2005標準定義的中等抗震水平，略小于高等抗震水平。本文建議在進行電氣設備抗震驗算時，以我國的《電氣設備抗震設計規范》推薦的正弦調幅五波法為主，以IEEE Std 693—2005標準建議的方法為輔。

［1］Xie Q，Zhu R Y.Damage to electric power grid infrastructure caused by natural disasters in China［J］.IEEE Power and Energy Magazine，2011，9(2):28-36.

［2］謝強.電力系統的地震災害研究現狀與應急響應［J］.電力建設，2008，29(8):1-6.

［3］謝強，王健生，楊雯，等.220 kV斷路器抗震性能地震模擬振動臺試驗［J］.電力建設，2011，32(10):86-90.

［4］李亞琦，李小軍，劉錫薈.電力系統抗震研究概述［J］.世界地震工程，2002，18(4):79-84.

［5］GB 50260—1996電力設施抗震設計規范［S］.北京:中國計劃出版社，1997.

［6］IEEE Std 693—2005 IEEE Recommended practice for seismic design of substations［S］.NJ:Piscataway，2006.

［7］樓夢麟，潘曦.電容器雙塔結構地震反應分析［J］.結構工程師，2009，25(6):84-88.

［8］樓夢麟，李長青.室外沖擊電壓發生器的抗震性能評價問題的討論［J］.結構工程師，2008，24(4):80-84.

［9］Clough R W，Penzen J.Dynamics of Structure［M］.New York:McGraw-Hill，1993.