基底隔震技術在高壓電氣設備中的應用

張曉旭

摘 要：高壓電氣設備是電力系統運行的重要組成部分，由瓷套管組成，但瓷屬于脆性材料，其抗彎性能較差，在地震時會受到嚴重破壞。為了有效提高高壓電氣設備在地震中的抗震性能，基底隔震技術在高壓電氣設備中得到了廣泛應用。筆者就對隔震技術進行了探討，并對基底隔震技術在高壓電氣設備中的應用進行了探討，分析了該技術在高壓電氣設備抗震體系中應用的可行性。

關鍵詞：基底隔震技術；高壓電氣設備；隔震性能

中圖分類號：TM623 文獻標識碼：A

地震時，常會發生因高壓電氣設備破壞而引發高壓電網損壞的問題，因此，需要切實加強高壓電氣設備的隔震性能，這樣才可以保障設備的穩定運行。高壓電氣設備主要包括斷路器、電流互感器、電壓互感器、避雷針等，提高這些設備的抗震性能主要是通過基底隔震技術。通過基底隔震技術，可以有效改善高壓電氣設備基底的隔震性能，從根本上解決高壓電氣設備不穩定的問題。

1.隔震技術

隔震技術屬于抗震技術的種類之一，即隔離地震。在建筑物上部結構與基礎間設置隔震層，上部建筑層間設置隔震層，這樣一來，在地震時，就可以阻擋地震能量向上部結構傳輸，降低上部結構受地震的影響，達到隔震的目的。

經過地震災害數據統計后，可以發現電力系統在運行過程中極容易受到地震災害的影響，極易發生地震損壞，進而引起高壓電網系統破壞。由于高壓電氣設備多由瓷套管組成，在地震時，瓷套管的根部會承受非常大的彎矩，這樣一來，如果瓷套管強度不足就很容易發生套管斷裂，特別是在瓷套管與其他材料的連接處，極容易發生不協調變形，這樣會在很大程度上增加瓷套管的裂損。因此，隔震技術除了在建筑結構中的應用，在電氣設備中也有廣泛的應用。在隔震層對連接上部結構與基礎的電氣設備軟件間連接處理，一般采用軟連接處理，通過軟連接，可以吸收大部分建筑物上下兩部分相對位移所產生的能量，這樣可以有效保護電氣設備的抗震能力，降低電氣設備在地震中的破壞程度。高壓電氣設備主要包括隔離開關、電流互感器、電壓互感器等，這些設備在地震時極容易發生瓷柱脆性破壞，因此，需要對其瓷柱與支架進行加固。然而處于高烈度區的變電站，如果僅僅強化高壓電氣設備的瓷套管及其支架的剛度，是無法從根本上解決高壓電氣設備的抗震問題的，這時便需要對高壓電氣設備采用基底隔震技術，對設備的基底進行加固，提高高壓電氣設備的抗震能力。

2.基底隔震技術在高壓電氣設備中應用的基本理論

在高壓電氣設備中應用基底隔震技術主要是通過降低傳入的地面輸入加速度，提高設備上部結構與電氣單元安全性。由于高壓電氣設備的剛度較大，自振周期較短，這樣一來，即便輸入加速度大，但實際產生的位移還是比較小，這就要求在設備設計時盡可能地延長周期，這樣反應加速度才會產生較大的下降，增加位移反應。在高壓電氣設備中應用隔震裝置可以有效降低傳入的地面輸入加速度，延長結構物的周期，這樣一來，在地震時，地震所產生的能量變形便會集中在隔震裝置上，依靠隔震裝置吸收能量，這與傳統的借助上部構件的較高強度與較低變形來吸收地震能量有很大區別。

2.1計算模型

為了更好地理解高壓電氣設備的隔震性能，采用數學近似法模擬真實物理系統，綜合考慮支管、瓷套管等構件。瓷套管的π截面計算公式為：

I=π（d14-d24）/64

其中，d1為瓷套管的外直徑；d2為瓷套管的內直徑。

法蘭連接的彎曲剛度計算公式為：

Kc=6.54*dch2c/tc

其中，Kc為瓷套管的彎曲程度，dc為瓷套管膠狀位置的外直徑，hc則是瓷套管與法蘭膠裝的高度，tc是瓷套管與法蘭膠裝間的間隙。

法蘭彎曲的截面慣性矩計算公式為：

Ic=KcLc /Ec

其中，Ic為截面慣性矩，Lc為梁單元長度，一般是單根瓷套管長度的1/20左右，Ec為瓷套管的彈性模量。

基于以上3個公式，對瓷套管等構件進行有限元分析，盡可能地簡化模型，使其更好地應用于高壓電氣設備中。

2.2地震反應分析方法

基底隔震技術在高壓電氣設備中的應用需要以地震反應分析為基礎，充分考慮高壓電氣設備在地震過程中的動力反應情況，現以時程分析對地震反應進行分析，輸入地震波為El-centro波與Taft波，根據地震反應模型分析雙向地震作用對高壓電氣設備的影響。

3.模型狀態分析

3.1地震分析模型的建立

為分析基底隔震技術在高壓電氣設備中的應用，采用對比分析方法，對比分析非隔震高壓隔離開關與基底隔震高壓隔離開關間的差異。按抗震設防烈度9級為基礎分析地震時程。相關的地震災害調查結果顯示，高壓電氣設備在地震時最容易發生的便是絕緣瓷柱斷裂，這種絕緣瓷柱斷裂多是發生在瓷柱的根部位置，受強地震作用，高壓電氣設備的受力部位受到影響，進而發生瓷柱斷裂，使高壓電氣設備發生傾斜，影響高壓電氣設備的正常運行。現對絕緣瓷柱受力部位進行分析，建立地震分析模型，用以探討基底隔震技術在高壓電氣設備中的應用。

3.2計算模型

假設高壓隔離開關的個體高度為2.72 m，支柱絕緣子部分由兩節瓷瓶組成，瓷瓶的長度與直徑不同，上節瓷瓶的長度為1050 mm，直徑為120 mm，下節瓷瓶長度為1050 mm，直徑140 mm。高壓隔離開關的底座由型鋼組成，支架由混凝土構成，4010 mm，在設計隔震支架時需要使其高度處于同一標注高度，設計6個隔震支架，將隔離開關基底設計為連梁基礎，橫截面積800×600 mm，這樣可以有效保證隔離開關與支架能夠同時工作，避免其中一方出現故障而引起另一方故障。此外，在連梁部分還需要澆注100 mm厚的混凝土板，并在此面板上進行綠化，這樣可以有效保障變電站綠化達到要求。

3.3模擬狀態的分析

對模擬狀態進行分析，發現基底隔震開關在3個階段的自振時長較非隔震隔離開關的3個階段自振時長更長，這說明基底隔震能夠有效延長內部結構的振動時長，未采用隔震技術的隔離開關在振動形狀上呈上大下小，采用基底隔震技術的隔離開關的振動呈整體系統性振動，這種振動模式能夠有效避免地震能量對高壓電氣設備的集中破壞。

3.4時程響應分析

通過模擬分析，可以發現高壓電氣設備在地震過程中受到的損害多集中在高壓隔離開關上，高壓電氣設備的支柱瓷瓶根部或上半段瓷瓶根部斷裂，這是由于電氣設備的高壓隔離開關屬于柱式結構，在地震過程中，上下瓷瓶的根部受地震作用力過大，根部會發生一定位移，導致瓷瓶間相互碰撞，最終導致瓷瓶破裂。將基底隔震技術應用到高壓電氣設備中，這樣可以有效調整高壓隔離開關的頂部結構位移，使其可以滿足9級地震博峰值與速度，降低高壓電氣設備受地震作用的影響。

結語

高壓電氣設備是電力系統運行的重要組成部分，其抗震能力直接關系到整個電力系統的運行安全性。利用基地隔震技術，可以有效延長系統的周期，降低地震作用，使隔震層上部結構的水平位移集中在隔震層，降低基底的剪力與加速度，這樣一來，整個電力系統就呈平動型，在很大程度上降低了電力系統的應力與內力，實現了高壓電氣設備的設計優化。高壓電氣設備在設計時需要注重抗震設計，盡可能地采用基底隔震技術，優化電氣設備的抗震能力，使其可以在地震過程中仍保持正常運行。

參考文獻

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