170 kV中性點電抗器地震模擬振動臺試驗研究

孫宇晗， 程永鋒， 盧智成， 林 森， 張 謙， 高 坡

(中國電力科學研究院，北京 100055)

我國境內分布有多條斷裂帶，板殼活動活躍，屬于地震多發國家。近年來的汶川、玉樹、雅安等地震帶來了慘重的人員傷亡和巨大的經濟損失[1-2]。作為生命線工程的重要組成部分，變電站一旦在地震中破壞，將對人民生活和經濟建設造成嚴重影響[3-5]。

電抗器是變電站內的重要電氣設備，主要功能為限制短路電流、穩定電壓和無功補償等。電抗器依據絕緣介質可分為油浸式電抗器和干式電抗器。其中油浸式電抗器結構形式為充油箱體，其上方有進、出線套管和儲油柜等部件。如無特別說明，本文所提電抗器均為油浸式電抗器。

根據對汶川地震電抗器損壞情況的不完全統計，四川電網共有7臺500 kV并聯電抗器，1臺110 kV中性點電抗器損壞[6-7]。汶川地震中，四川電網受損的電抗器、變壓器類電氣設備中，因套管受損而失效的設備有80臺，占受損總量的67%[8]。瓷質套管已成為電抗器、變壓器類電氣設備抗震性能的薄弱環節。

造成套管地震易損性較大的因素有很多，主要包括：① 套管主體多為瓷質結構，強度低，且呈脆性破壞形式，變形能力較差；② 套管呈筒狀結構，通過法蘭固定在設備頂部或側面，自振頻率較低，在地震作用下易產生共振；③ 電抗器、變壓器本體對地震作用有放大作用，進一步增大了套管的地震響應。在地震作用下，套管根部承受彎曲作用，同時套管頂部受到導線的牽引作用，易產生根部斷裂、瓷件從法蘭拔出等現象，造成套管功能失效。對于電氣設備抗震性能的研究，國內外學者開展了大量工作，并從理論分析、數值仿真、試驗驗證等方面取得了豐碩成果[9-16]。但其中對于電抗器的抗震研究主要針對干式電抗器，對于油浸式電抗器相關研究較少。

隨著我國特高壓交直流輸電工程的大力推進，特高壓電氣設備因其“重、大、高、柔”的結構特點，抗震性能愈發受到科研人員的重視[17]。特高壓變電站內的中性點電抗器，接于變壓器或并聯電抗器中性點與地之間，用于限制電流和過電壓。其一旦在地震中發生破壞，將影響變壓器和并聯電抗器的正常運行，從而影響變電站整體的功能穩定。

本研究針對1臺擬應用于特高壓變電站的170 kV中性點電抗器真型設備進行地震模擬振動臺試驗，通過測定試件的動力特性及關鍵部位的地震響應評判其抗震性能，并結合試驗結果提出提高設備抗震性能的改進措施。

1 試驗設計

1.1 試件參數

本次試驗試件為特高壓變電站用170 kV中性點電抗器，試件為原型設備，內部充油，與實際應用狀態一致。試件通過連接板及螺栓固定于振動臺。該中性點電抗器高6 010 mm，箱底尺寸為2 100 mm×2 100 mm，總重約為12 100 kg。試件主要部件為高壓套管、中性點套管(3支)、儲油柜、器身等。試件安裝及各部件名稱如圖1所示。

圖1 170 kV中性點電抗器試件安裝圖

1.2 試驗輸入

依據國標和國家電網公司企業標準[18-19]，本次試驗采用白噪聲隨機波和標準時程波作為試驗輸入。

采用白噪聲隨機波對試件進行激勵，可得到設備的自振頻率和阻尼比。試驗采用的白噪聲隨機波頻率范圍為0.1～50 Hz，加速度峰值約為0.6 m/s2，持續時間為60 s，波形如圖2所示。

圖2 白噪聲隨機波波形圖

采用標準時程波對試件進行激勵，可得到設備的地震響應。試驗采用的標準時程波是由人工標準反應譜生成的。相較于其他時程波的頻譜特性，人工標準反應譜的特征周期為0.1～0.9 s，幾乎可以包絡我國所有場地類型，卓越頻率段較寬且平坦，從而避免不同設備結構對地震波敏感程度不同而對試驗結果產生影響。峰值加速度為1.0 m/s2的標準時程波如圖3所示。人工時程波反應譜與人工標準反應譜譜值比較如圖4所示。

圖3 標準時程波波形圖

1.3 測點布置

通過對電抗器震害調研，電抗器易損構件為瓷質套管，據此在中性點電抗器高壓套管根部和中性點A相套管根部布置4向應變片，同時為研究儲油柜支撐構件抗震性能，在支撐構件根部布置4向應變片；為研究中性點電抗器不同部位的加速度放大效應，分別在臺面、器身頂部、高壓套管升高座頂部和儲油柜頂部布置加速度傳感器。電抗器傳感器布置說明及測點位置如表1及圖5所示。

圖4 標準時程波反應譜與人工標準反應譜對比

序號傳感器編號測點位置方向1加速度傳感器MA1臺面3向2加速度傳感器MA2器身頂部3向3加速度傳感器MA3高壓套管升高座頂部3向4加速度傳感器MA4儲油柜頂部3向5加速度傳感器MA5中性點套管頂部3向6加速度傳感器MA6高壓套管頂部3向7應變片MS1-18應變片MS1-29應變片MS1-310應變片MS1-411應變片MS2-112應變片MS2-213應變片MS2-314應變片MS2-415應變片MS3-116應變片MS3-217應變片MS3-318應變片MS3-4高壓套管根部中性點套管(A相)根部儲油柜支撐構件根部X+Y+X-Y-X+Y+X-Y-X+Y+X-Y-注:X,Y向如圖5所示

1.4 工況設計

為研究中性點電抗器弱軸向的抗震性能，首先通過動力特性測試結果判定設備的弱軸向，然后在弱軸向分別施加不同等級的標準時程波。試驗工況如表2所示。

圖5 傳感器布置圖

工況試驗輸入方向峰值加速度/(m·s-2)1白噪聲/0.62標準時程波弱軸1.53白噪聲/0.64標準時程波弱軸3.05白噪聲/0.66標準時程波弱軸4.07白噪聲/0.6

2 試驗結果

2.1 白噪聲工況試驗結果

白噪聲隨機波輸入下各工況試驗結果如表3所示。

表3 動力特性測試結果

2.2 標準時程波工況試驗結果

由動力特性測試結果可以看出，試件器身和主要部件Y向基頻低于X向基頻，Y軸向為試件弱軸向，故標準時程波施加方向為Y向。標準時程波輸入下各工況加速度結果如表4所示。

標準時程波輸入下各工況應變測試結果如表5所示，其中工況6中MS2-2、MS2-4測點應變時程曲線如圖6所示。

表4 設備加速度測試結果

表5 套管應變測試結果

(a) MS1-2(b) MS1-4

圖6 工況6應變時程曲線圖

Fig.6 Strain time history curve in condition 6

3 試驗結果分析

3.1 動力特性試驗結果分析

由表3可以看出，試件高壓套管、中性點套管和儲油柜Y向基頻分別為5.85 Hz、13.43 Hz和4.84 Hz，其中高壓套管和儲油柜的基頻處于地震動卓越頻率范圍內，表明設備具有較高的地震易損性。

工況1試件各部件Y向加速度快速傅里葉幅值譜如圖7所示。

3.2 地震響應試驗結果分析

由表3可以看出，試件各部件對臺面加速度有放大效應。定義各部件加速度最大值與臺面加速度最大值的比值為該部件的動力放大系數，則隨著臺面加速度等級的提升，各金屬部件動力放大系數曲線如圖8所示。

(a) 高壓套管

(b) 中性點套管

(c) 儲油柜

由圖8可以看出，隨著輸入加速度等級的提升，各部件動力放大系數變化趨勢不同，其中高壓套管升高座和儲油柜的動力放大系數隨著輸入加速度的增大而增大；而器身的動力放大系數隨著輸入加速度的增大而減小。表明隨著加速度等級的提高，設備非線性響應加大，造成這種現象的原因可能是振動過程中本體與振動臺及本體與升高座、儲油柜的連接部件松動，產生非線性影響。現行《電力設施抗震設計規范》(GB 50260—2013)規定，“安裝在變壓器、電抗器的本體上的部件，動力反應放大系數應取2.0”。在本研究中，器身本體動力放大系數滿足規范要求，但對于高壓套管，其輸入加速度由升高座提供，在工況6中，升高座動力放大系數大于2.0，不滿足規范要求。

為研究器身和高壓套管升高座動力放大效應與頻率的關系，分別做各工況器身和高壓套管升高座處的加速度反應譜，所得譜值與臺面輸出加速度反應譜譜值之比如圖9和圖10所示。

圖8 不同工況下各部件動力放大系數

圖9 各工況器身加速度反應譜放大系數

由圖9和圖10可以看出，頻域下相同部件各工況下的動力放大系數曲線類似，極值接近，且都出現在器身基頻點(13.27 Hz)附近。工況2、工況4和工況6中，器身的反應譜動力放大系數分別為3.51、3.26和3.26，高壓套管升高座的反應譜動力放大系數分別為6.30、5.91和6.31，均不滿足規范要求。

依據廠家資料，試件瓷質套管彈性模量為100 GPa，金屬構件彈性模量為206 GPa，則各工況下，試件應變測點處最大應力如表6所示。

圖10 各工況高壓套管升高座加速度反應譜放大系數

Fig.10 Dynamic amplification factor of acceleration response spectrum of the hoist seat of the high voltage bushing under different test conditions

表6 套管應力計算結果

由表6可以看出，高壓套管和中性點套管的最大應力低于瓷質材料破壞應力(50 MPa)，金屬構件最大應力低于材料屈服強度(235 MPa)，且安全裕度較大，設備具有充足的安全儲備。

通過加速度積分的方式得到工況6高壓套管、中性點套管和儲油柜頂端相對位移(頂部位移與臺面位移的差值)，相對位移時程曲線如圖11所示。

(a) 高壓套管

(b) 中性點套管

(c) 儲油柜

經比較圖3及圖11可以看出，試件各部件頂部相對位移時程曲線波形與輸入時程波相似，表明各部件位移均由加速度產生的慣性力造成。在峰值加速度為4.55 m/s2標準時程波作用下，高壓套管、中性點套管和儲油柜頂部最大相對位移分別為20.42 mm、2.68 mm和16.86 mm。對于高壓套管和儲油柜，在電氣設計階段，應預留充裕的連接母線冗余長度，從而避免地震作用下，設備因連接母線牽引而產生破壞。

4 結 論

(1) 170 kV中性點電抗器結構整體基頻為13.27 Hz，高壓套管和儲油柜基頻分別為5.85 Hz和4.84 Hz，具有較高的地震易損性。

(2) 中性點電抗器不同部件對加速度的放大效應不同，且隨著輸入加速度等級的變化，相同部位的加速度放大效應會發生變化。對于高壓套管升高座，其動力放大系數大于規范要求。

(3) 在頻域下，設備加速度反應譜放大效應更加明顯，且在設備基頻點處達到極值。

(4) 在峰值加速度為4.55 m/s2標準時程波作用下，設備高壓套管和中性點套管最大應力低于瓷質材料的破壞應力，且安全裕度較大。

(5) 在峰值加速度為4.55 m/s2標準時程波作用下，高壓套管和儲油柜的位移響應明顯，設計時應考慮連接母線的牽引影響。