開關產品抗震性能設計

摘 要：近幾年我國及世界范圍的地震頻發，而電力作為生產生活的第一生命線，能否迅速從災害中恢復，成為各地方政府及電力部門自身建設的關注重點，所以開關作為重要的電氣設備，抗震性能一再被提至重要地位。其實早在上世紀50年代至80年代，日本、智利、美國、德國等開關制造的大型企業就曾相繼開始了開關的抗震性能研究[1]，但徹底改良的抗震型開關成本較高，并未得到廣泛推廣應用，而常規設計的改良型抗震結構卻普遍得以應用；主要的設計措施可大致分為抗震結構的穩定性設計、抗震結構的柔韌性設計及減震結構設計等三個方面，并且高強度瓷的應用，一定程度也提高了開關震害易損件的強度，使抗害能力的提高成為可能。

關鍵詞：開關產品；抗震性能；設計

1 開關產品在地震時最易損壞的結構

開關產品在地震中90%的損壞來自瓷件，其中敞開式隔離開關典型損壞為支柱絕緣子折斷及傾斜，位置主要在根部法蘭與瓷件接觸面附近；少油斷路器為套管根部折斷、漏油等為主，多油及空氣開關為套管折斷或漏油及傘裙碎裂等，SF6瓷柱式開關以滅弧室下支撐絕緣子根部折斷為主，罐式斷路器和GIS的損傷程度較小，也以充氣套管根部折裂及傘裙碎裂較為常見。另外還不同程度存在因地基沉降[2]、開裂等原因導致開關傾斜、倒伏、變形，應力局部集中導致的漏氣及電接觸不良等也較為普遍。當然，在運行時硬質連接母線，也會因永久變形或相鄰設備損毀，對設備產生強大破壞性拉力，產生瓷件根部斷裂等問題。

2 開關產品抗震結構設計

在各類開關產品的抗震設計中，最為重要的應是支撐設計；設備本身的穩定性和設備強震下的安全，主要取決于支撐類型；常見的產品鋼架支撐有一字形單立柱支撐、門形支撐、A字形支撐、方形支撐等；各類支撐在開關承重設計選型時，主要考慮強度及韌性兩個因素，一方面增加強度設計的余度可保證耐受強震能量；另一方面，如單點或多點一字形支撐，留有一定的韌性形變余度，如同木制房屋震后損毀程度遠小于磚石房屋震后損毀程度一樣，反而不易在震后產生永久變形，危及上端設備安全。

絕緣子支撐件在地震中為主要易損件，折斷部位通常為根部與金屬件連接部位，同樣道理，如果帶有一定錐度，根部的剪切強度將有望增加2.5～3.5倍，在開關產品設計時可作為抗震結構使用；其根部金屬件的結構設計可一方面多設加強筋，一方面加大上端面圓角設計，減少電暈，通過改善電場防止絕緣件根部老化及緩慢酸腐蝕等間接提高瓷件長期運行下的強度。

在各類開關中，因產品類型不同，重心的位置有高有低，而低位重心的產品類型抗震能力較佳；如GIS為多點落地布置，整個產品高度通常相對于長寬，近乎匍匐于地表，整體的抗震能力最強，罐式斷路器重心較低，支撐截面大，抗震穩定性僅次于GIS；而瓷柱式SF6斷路器、少油斷路器、敞開式隔離開關等開關類產品，因重心較高，且瓷件使用量大，抗震能力相對較差。

同類產品設計時，通過加大底座重量、降低支撐高度等，設法降低產品重心，減小設備在地震時的實際擺幅等，也可適當提高抗震能力。

開關產品的抗震能力除產品自身外，還與其安裝所在的預埋基礎、運行位置等有關，一方面，在強震中，預埋基礎的抗震能力直接決定了上端產品的抗震能力，使得產品的抗震能力、運行期間的固定方式等受到制約，合理設定預埋基礎的抗震設防等級和類型，也是開關抗震保護的重要環節。近幾年在電站就位安裝中，產品高位安裝的趨勢也不利于開關產品的抗震。

3 開關產品減震結構設計

開關產品的減震結構通常有加裝阻尼器及減震層等設計[1]，其中阻尼器可裝至支架上，適合各類敞開式開關使用；設計原理多樣；因成本低，滾球、吊球型阻尼結構經濟性較好；因地震擺幅頻率比鉛球雙向滾動頻率高，所以有一定質量的鉛球，會因慣性作用滯后滾動，起到一定的阻尼作用，同時運動也可消耗掉一部分地震能量，減少震害帶來的破壞性能量；鉛球的重量較大，易形成產品整體的中心下移，對抗震能起到一定作用。

4 抗震設計計算

地震設計時負載通常可按照載荷風速：V=10m/s、風壓：W=0.0625Kn/m3、以及結構阻尼比2%等設計；地震工況載荷可按照常風風載+導線拉力*0.7+自重+地震水平加速度+地震垂直加速度考慮。以瓷柱式開關為例：

負荷參數

水平方向地面加速度：AG5：ZPA=5m/s2（0.5g），阻尼比取2%。DASAPW計算地震響應譜時的輸出如下：

高地震水平（0.5g）所使用的IEEE693-2005規范地震響應譜公式如下：

f is in Hz

DASAPW軟件使用的地震響應譜計算的具體公式與步驟是：

求出結構的固有頻率及正則振型：

求出正則振型的個數，應滿足X、Y、Z三個方向的地震載荷參與質量大于90%的要求。

第j階振型{？準j}關于質量陣[M]歸一：{？準j}T[M]{？準j}=1，自然有{？準j}T[M]{？準j}=？棕2j。

對每階振型{？準j}，根據對應的固有頻率fj和阻尼，從地震反應譜曲線a（f）求出其地震動力放大系數？茁j=？琢（fj）/設計基本地震加速度a0。

j階振型D方向地震反應位移{uj}D：

（1）

式中：？棕j：第j階固有圓頻率=2？仔fj；a0：設計基本地震加速度（ms-2）；{？準j}T：第j階振型的轉置；[M]： 結構有限元質量矩陣（kg）；{E}：單位地震矢量。地震方向對應的線位移自由度對應行上的值為1，其余行為0；qD：地震響應的振型參與系數（即程序輸出中的參與系數）；qs：靜力解的振型參與系數。

若求出的最高階固有頻率超過33Hz，某個方向的地震載荷參與質量仍小于90%，對于高階截尾振型，使用靜力地震載荷考慮其地震響應貢獻。高階截尾振型靜力地震載荷為：endprint

（2）

所有振型D方向地震反應位移用平方和的平方根疊加：

（3）

式中i：結構位移矢量的第i個分量。

水平（X或Y）與豎直Z方向地震反應位移用平方和的平方根組合：

（4）

式中D：指（X和Z）或（Y和Z）。

應力計算

用第j階振型在D 方向的地震反應位移{uj}D，求出對應的應力■■S■■，其中N為某個結點，K 為某個應力分量。用平方和的平方根疊加所有振型的應力：

（5）

最后，將水平（X或Y）與豎直Z方向的地震應力用平方和的平方根組合總應力■■S：

（6）

式中： D：指（X和Z） 或（Y和Z）。

（X，Z）、（Y，Z）分別與其它載荷（風載、導線拉力、自重）產生的應力按絕對值求和組合應力，找出最大應力設計校核。

傳給基礎的地震力，用各點的mi·ai求合力與合力作用點，ai考慮高階截尾振型貢獻，即按公式（2）中刪掉各項中的因子矩陣[M]后的表達式為高階振型產生的加速度矢量。

GIS的計算也是類似，以共箱式145kV產品為例：

抗震敏感部件幾何特征尺寸

風速V=10m/s、基本風壓？棕0=V2/1600=0.0625kN/m2，地震地面水平方向加速度0.5g，豎直Z方向0.25g。

地震響應譜：

A：X+Z向地震+X向風載：

套管支架（梁單元直接算出的結果）：FX=1166N，FZ=4832N。

設備質心結點的加速度ax=9.58m/s2，az=5.132m/s2，質心高度Z=1.928m，質量M=5154kg，所以傳給基礎的水平剪力為FX=Max=49375N，豎直力FZ=Maz=26450N，彎矩MY=FX×1.928=95195Nm。保守起見分配到斷路器支架和避雷器支架。兩種支架的距離為4.07m。使用靜力平衡得出：

斷路器支架：FX=0.5×49375=24688N，FZ=0.5×26450+95195/4.07=36614N

避雷器支架：FX=24688N，FZ=36614N

T型罐和隔離開關支架單獨計算：質心加速度ax=6.11m/s2，az=3.48m/s2，質心高度Z=0.82m。支架X方向跨度1.732m，T型罐和隔離開關質量M=670kg。

T型罐和隔離開關支架：ax=Max=670×6.11=4094N

FZ=2×{0.5×M×az+Fx×Z/1.732m}=6208N。

B：Y+Z向地震+Y向風載：

套管支架（梁單元直接算出的結果）：FY=5886N，FZ=932N。

設備質心5126結點的加速度ay=10.43m/s2，az=3.94m/s2，質心高度Z=1.928m，質量M=5154kg，所以傳給基礎的水平剪力為FY=May=53756N，豎直力FZ=Maz=20307N，彎矩MX=FY×1.928=103641Nm。保守起見分配到斷路器支架和避雷器支架，使用靜力平衡得出：

斷路器支架：FY=0.5×53756N=26878N

FZ=0.5×20307N+2×0.5×MX/0.536m

=10154N+193360N=203514N

避雷器支架：FY=0.5×53756N=26878N

FZ=0.5×20307N+2×0.5×MX/0.75m

=10154N+138188N=148342N

T型罐和隔離開關支架單獨計算：質心加速度ay=6.47m/s2，az=2.98m/s2，質心高度Z=0.82m。支架Y方向跨度0.827m，T型罐和隔離開關質量M=670kg。

T型罐和隔離開關支架：FY=M×ay=670×6.47=4335N，

FZ=2×{0.5×M×az+FY×Z/0.827m}=10594N。

5 結束語

盡管目前的產品設計，專門因抗震更改設計的不多見，且近幾年252kV及以上電壓等級的新站在強震中基本無開關損壞，可看出近幾年開關產品的抗震能力有所加強，但產品的優化設計還有很多工作可以完善，強度設計余度還可進一步放大，高強度電瓷產品及復合套管的應用等，也將有助于開關產品抗震能力的提高；抗震能力的計算、試驗也應更多的落實到各個產品中去，相信在未來還會有更多更好的抗震開關產品得到使用和推廣。

參考文獻

[1]關志成，劉瑛巖，周運翔.絕緣子及輸變電設備外絕緣（1版）[M].北京：清華大學出版社，2006，1.

[2]楊偉.電氣工程基礎（1版）[M].北京：國防工業出版社出版，2009，12.

作者簡介：劉英（1968，1-），女，碩士，正高工，西安西電開關電氣有限公司對外技術合作辦就職。endprint

（2）

所有振型D方向地震反應位移用平方和的平方根疊加：

（3）

式中i：結構位移矢量的第i個分量。

水平（X或Y）與豎直Z方向地震反應位移用平方和的平方根組合：

（4）

式中D：指（X和Z）或（Y和Z）。

應力計算

用第j階振型在D 方向的地震反應位移{uj}D，求出對應的應力■■S■■，其中N為某個結點，K 為某個應力分量。用平方和的平方根疊加所有振型的應力：

（5）

最后，將水平（X或Y）與豎直Z方向的地震應力用平方和的平方根組合總應力■■S：

（6）

式中： D：指（X和Z） 或（Y和Z）。

（X，Z）、（Y，Z）分別與其它載荷（風載、導線拉力、自重）產生的應力按絕對值求和組合應力，找出最大應力設計校核。

傳給基礎的地震力，用各點的mi·ai求合力與合力作用點，ai考慮高階截尾振型貢獻，即按公式（2）中刪掉各項中的因子矩陣[M]后的表達式為高階振型產生的加速度矢量。

GIS的計算也是類似，以共箱式145kV產品為例：

抗震敏感部件幾何特征尺寸

風速V=10m/s、基本風壓？棕0=V2/1600=0.0625kN/m2，地震地面水平方向加速度0.5g，豎直Z方向0.25g。

地震響應譜：

A：X+Z向地震+X向風載：

套管支架（梁單元直接算出的結果）：FX=1166N，FZ=4832N。

設備質心結點的加速度ax=9.58m/s2，az=5.132m/s2，質心高度Z=1.928m，質量M=5154kg，所以傳給基礎的水平剪力為FX=Max=49375N，豎直力FZ=Maz=26450N，彎矩MY=FX×1.928=95195Nm。保守起見分配到斷路器支架和避雷器支架。兩種支架的距離為4.07m。使用靜力平衡得出：

斷路器支架：FX=0.5×49375=24688N，FZ=0.5×26450+95195/4.07=36614N

避雷器支架：FX=24688N，FZ=36614N

T型罐和隔離開關支架單獨計算：質心加速度ax=6.11m/s2，az=3.48m/s2，質心高度Z=0.82m。支架X方向跨度1.732m，T型罐和隔離開關質量M=670kg。

T型罐和隔離開關支架：ax=Max=670×6.11=4094N

FZ=2×{0.5×M×az+Fx×Z/1.732m}=6208N。

B：Y+Z向地震+Y向風載：

套管支架（梁單元直接算出的結果）：FY=5886N，FZ=932N。

設備質心5126結點的加速度ay=10.43m/s2，az=3.94m/s2，質心高度Z=1.928m，質量M=5154kg，所以傳給基礎的水平剪力為FY=May=53756N，豎直力FZ=Maz=20307N，彎矩MX=FY×1.928=103641Nm。保守起見分配到斷路器支架和避雷器支架，使用靜力平衡得出：

斷路器支架：FY=0.5×53756N=26878N

FZ=0.5×20307N+2×0.5×MX/0.536m

=10154N+193360N=203514N

避雷器支架：FY=0.5×53756N=26878N

FZ=0.5×20307N+2×0.5×MX/0.75m

=10154N+138188N=148342N

T型罐和隔離開關支架單獨計算：質心加速度ay=6.47m/s2，az=2.98m/s2，質心高度Z=0.82m。支架Y方向跨度0.827m，T型罐和隔離開關質量M=670kg。

T型罐和隔離開關支架：FY=M×ay=670×6.47=4335N，

FZ=2×{0.5×M×az+FY×Z/0.827m}=10594N。

5 結束語

盡管目前的產品設計，專門因抗震更改設計的不多見，且近幾年252kV及以上電壓等級的新站在強震中基本無開關損壞，可看出近幾年開關產品的抗震能力有所加強，但產品的優化設計還有很多工作可以完善，強度設計余度還可進一步放大，高強度電瓷產品及復合套管的應用等，也將有助于開關產品抗震能力的提高；抗震能力的計算、試驗也應更多的落實到各個產品中去，相信在未來還會有更多更好的抗震開關產品得到使用和推廣。

參考文獻

[1]關志成，劉瑛巖，周運翔.絕緣子及輸變電設備外絕緣（1版）[M].北京：清華大學出版社，2006，1.

[2]楊偉.電氣工程基礎（1版）[M].北京：國防工業出版社出版，2009，12.

作者簡介：劉英（1968，1-），女，碩士，正高工，西安西電開關電氣有限公司對外技術合作辦就職。endprint

（2）

所有振型D方向地震反應位移用平方和的平方根疊加：

（3）

式中i：結構位移矢量的第i個分量。

水平（X或Y）與豎直Z方向地震反應位移用平方和的平方根組合：

（4）

式中D：指（X和Z）或（Y和Z）。

應力計算

用第j階振型在D 方向的地震反應位移{uj}D，求出對應的應力■■S■■，其中N為某個結點，K 為某個應力分量。用平方和的平方根疊加所有振型的應力：

（5）

最后，將水平（X或Y）與豎直Z方向的地震應力用平方和的平方根組合總應力■■S：

（6）

式中： D：指（X和Z） 或（Y和Z）。

（X，Z）、（Y，Z）分別與其它載荷（風載、導線拉力、自重）產生的應力按絕對值求和組合應力，找出最大應力設計校核。

傳給基礎的地震力，用各點的mi·ai求合力與合力作用點，ai考慮高階截尾振型貢獻，即按公式（2）中刪掉各項中的因子矩陣[M]后的表達式為高階振型產生的加速度矢量。

GIS的計算也是類似，以共箱式145kV產品為例：

抗震敏感部件幾何特征尺寸

風速V=10m/s、基本風壓？棕0=V2/1600=0.0625kN/m2，地震地面水平方向加速度0.5g，豎直Z方向0.25g。

地震響應譜：

A：X+Z向地震+X向風載：

套管支架（梁單元直接算出的結果）：FX=1166N，FZ=4832N。

設備質心結點的加速度ax=9.58m/s2，az=5.132m/s2，質心高度Z=1.928m，質量M=5154kg，所以傳給基礎的水平剪力為FX=Max=49375N，豎直力FZ=Maz=26450N，彎矩MY=FX×1.928=95195Nm。保守起見分配到斷路器支架和避雷器支架。兩種支架的距離為4.07m。使用靜力平衡得出：

斷路器支架：FX=0.5×49375=24688N，FZ=0.5×26450+95195/4.07=36614N

避雷器支架：FX=24688N，FZ=36614N

T型罐和隔離開關支架單獨計算：質心加速度ax=6.11m/s2，az=3.48m/s2，質心高度Z=0.82m。支架X方向跨度1.732m，T型罐和隔離開關質量M=670kg。

T型罐和隔離開關支架：ax=Max=670×6.11=4094N

FZ=2×{0.5×M×az+Fx×Z/1.732m}=6208N。

B：Y+Z向地震+Y向風載：

套管支架（梁單元直接算出的結果）：FY=5886N，FZ=932N。

設備質心5126結點的加速度ay=10.43m/s2，az=3.94m/s2，質心高度Z=1.928m，質量M=5154kg，所以傳給基礎的水平剪力為FY=May=53756N，豎直力FZ=Maz=20307N，彎矩MX=FY×1.928=103641Nm。保守起見分配到斷路器支架和避雷器支架，使用靜力平衡得出：

斷路器支架：FY=0.5×53756N=26878N

FZ=0.5×20307N+2×0.5×MX/0.536m

=10154N+193360N=203514N

避雷器支架：FY=0.5×53756N=26878N

FZ=0.5×20307N+2×0.5×MX/0.75m

=10154N+138188N=148342N

T型罐和隔離開關支架單獨計算：質心加速度ay=6.47m/s2，az=2.98m/s2，質心高度Z=0.82m。支架Y方向跨度0.827m，T型罐和隔離開關質量M=670kg。

T型罐和隔離開關支架：FY=M×ay=670×6.47=4335N，

FZ=2×{0.5×M×az+FY×Z/0.827m}=10594N。

5 結束語

盡管目前的產品設計，專門因抗震更改設計的不多見，且近幾年252kV及以上電壓等級的新站在強震中基本無開關損壞，可看出近幾年開關產品的抗震能力有所加強，但產品的優化設計還有很多工作可以完善，強度設計余度還可進一步放大，高強度電瓷產品及復合套管的應用等，也將有助于開關產品抗震能力的提高；抗震能力的計算、試驗也應更多的落實到各個產品中去，相信在未來還會有更多更好的抗震開關產品得到使用和推廣。

參考文獻

[1]關志成，劉瑛巖，周運翔.絕緣子及輸變電設備外絕緣（1版）[M].北京：清華大學出版社，2006，1.

[2]楊偉.電氣工程基礎（1版）[M].北京：國防工業出版社出版，2009，12.

作者簡介：劉英（1968，1-），女，碩士，正高工，西安西電開關電氣有限公司對外技術合作辦就職。endprint