特高壓互連電氣設備減震方案探究

賈曉瑜 張雄波 李靜

【摘 ?要】近年來隨著我國科技水平提升，電能已成為推動經濟發展，科學技術進步的源動力，而確保供電穩定性和可靠性具有重要意義。壓互連電氣設備作為生命線工程中重要的關鍵部件，在國內外多次地震災害中均發生了嚴重的破壞，直接或間接給生命和財產帶來了巨大損失。目前，隨著特高壓工程的興建，電力設備電壓等級逐步提升，設備呈較高、較柔、較重、更易遭受破壞的趨勢，對經濟社會的發展影響更大。電氣設備發生破壞的原因有很多，其中一個重要原因是抗震能力不足所致。本文就特高壓互連電氣設備減震性能振動臺試驗展開探討。

【關鍵詞】特高壓互連電氣設備;互連耦合體系;振動臺試驗

引言

壓互連電氣設備是電力系統的關鍵部件，其運行狀態不僅影響供電質量，同時關乎電力系統穩定運行。在實際生產中，壓互連電氣設備運行環境特殊，抗震性能不足是壓互連電氣設備破壞的重要原因之一。在國內多次自然地震災害中均發生壓互連電氣設備嚴重破壞和故障現象，導致電力系統無法正常運行，從而帶來了一系列安全隱患。因此，需要通過設計減震方案使壓互連電氣設備抗震性能得到提升，避免抗震性能不足引起故障。

1試驗概況

1.1試驗設備

試驗選用我國特高壓1000kV避雷器和電容式電壓互感器。避雷器高度12.43m，質量為8500kg，瓷瓶節數為5節，避雷器支架高度為5.20m。互感器設備高度為12.71m，質量為5780kg，瓷瓶節數為5節，互感器支架高度5.02m。避雷器和互感器支架為格構式鋼結構支架。避雷器和互感器設備頂端通過鋁合金硬管母線連接，管母線截面尺寸為Ф200mm×10mm。管母線與避雷器設備之間通過固定金具連接，與互感器設備之間通過滑動金具連接，避雷器和互感器設備之間的跨度為8.5m。減震器采用中國電力科學研究院研發的鉛金屬減震器，安裝在設備與支架之間。由于設備之間跨度較大，采用雙振動臺進行試驗，避雷器和互感器設備分別位于兩個同步振動的振動臺上。互連設備沿管母線長度方向為振動臺試驗x向振動方向，垂直于管母線長度方向為振動臺y向振動方向。

1.2減震方案設計

電氣設備根據自身結構特點，大致可以分為3種：第1種為體形大、重心低且整體性好的設備，如GIS設備;第2種體形高大、重量大且重心較低的設備，如變壓器、電抗器等;第3種為體形細高、重心高且較重的設備，如敞開式避雷器、電壓互感器等。其中第1種如GIS設備是一種抗震性能十分好的設備，在國內外地震中很少出現破壞，因此一般不做減震方案設計，其他兩種設備根據其結構特點設計不同的減震方案：①第2種設備減震方案，這種結構重量較大，重心較低，如變壓器等設備，可以采用在基礎與設備本體之間設置隔震裝置的減震措施;②第3種設備減震方案，這種結構重心較高，地震作用下彎矩大的設備，如避雷器、隔離開關等設備，采用設置阻尼器（包括金屬滯回、磨擦型等減震阻尼器）的減震措施為主。而針對組合式電氣設備，既可采用設置隔震裝置的減震措施，也可考慮設置阻尼器的減震措施。

1.3試驗工況

本文先對不加減震裝置的抗震結構進行振動臺試驗，再對安裝減震裝置的減震結構進行振動臺試驗，以研究減震裝置對互連電氣設備的減震效果。對于抗震結構分別輸入加速度峰值為0.1g的x向和y向的地震波（試驗過程中抗震結構避雷器根部應變較大，為了防止設備損壞，故不再做更大地震等級的振動臺試驗）。對于減震結構分別輸入加速度峰值為0.1g、0.2g、0.4g的x向和y向的地震波。

1.4減震計算分析

減震計算分析在整個減震設計中占據重要位置，是對減震設計進行驗算，判斷設備在不同情況變形系數的重要環節。具體分為三個階段，包括：抗震承受力驗算、作用力下變形驗算、減震效率驗算、抗震強度驗算、結構強度驗算等多個環節。第一階段的驗算中，需對減震裝置的彈性變形以及壓互連電氣設備本體的抗震承載力進行驗算。該階段要求設備處于正常穩定的運行狀態，地震作用下設備處于彈性狀態下，主要功能不喪失，基本功能保持完好。第二階段要在地震狀態下進行減震效率驗算，分析減震效果和設計方案的不足，為設計方案調整提供依據。第三階段需要在瓷性設備部發生斷裂的情況下，驗算設備抗震強度，確定加裝減震裝置后能設備結構能達到的強度與高度，判斷設備是否能保持正常運作，避免減震裝置剛度不足影響設備運行安全和基本功能的發揮，確保設備運行穩定。

2試驗結果分析

（1）動力特性分析。抗震結構試驗前后設備的頻率變化較小，互感器設備y向自振頻率減小了2.4%;減震結構試驗前后x向自振頻率減小了8.4%，這是由于減震裝置在經歷較大地震波作用后產生了一定的塑性變形，略微減小了互連設備的整體剛度，造成設備頻率降低;互連設備安裝減震裝置后，設備x向自振頻率減小了9.3%，y向自振頻率變化較小，減震裝置對互連設備的整體剛度影響較小，基本不會影響設備本身的正常運行。結合試驗結果，試驗過程中避雷器設備最大應力為37.3MPa（彈性模量取值為設備拉伸和壓縮時所測彈性模量的均值，故應變換算應力時取應變拉壓峰值的均值），小于設備破壞應力55MPa;互感器設備最大應力25.4MPa，小于設備破壞應力45MPa。同時通過外觀檢查未發現設備瓷瓶出現裂縫，設備本身無損傷。（2）加速度響應。（a）同樣采用線性計算得到0.4g峰值加速度地震波作用下抗震結構設備頂端加速度值，x方向設備頂端加速度減震系數避雷器為44.91%，互感器為36.60%;y方向設備頂端加速度減震系數避雷器為61.67%，互感器為16.59%。減震結構設備頂端加速度幅值有較大幅度的減小，減震器的耗能效果明顯;避雷器和互感器設備的試驗結果顯示，安裝減震器后易損設備避雷器頂端加速度減小幅度大于互感器設備，減震器較大地提升了易損設備避雷器的抗震能力，從而提升了互連結構系統的抗震性能。（b）減震器具有較大的屈服剛度，可以滿足電氣設備的抗風、端子力等力學性能要求;在地震波作用下，減震器進入屈服狀態，增大結構阻尼比，產生耗能，保護電氣設備在地震作用下不被損壞。

結語

高壓電是現代電力工程發展的主流方向。但高壓電對壓互連電氣設備有一點依賴性，若壓互連電氣設備發生故障，必然影響整個系統的運行安全。為降低故障率，確保設備在地震作用下仍保持正常運行，不喪失主要功能，必須采取有針對性的減震設計措施。

參考文獻：

[1]李亞琦，李小軍，劉錫薈.電力系統抗震研究概況[J].世界地震工程，2017，18（4）：79-84.

[2]程永鋒，朱祝兵，邱寧.特壓互連電氣設備抗震試驗共振拍波適用性及合理地震動輸入研究[J].高電壓技術，2015，05：1753-1759.

[3]鐘珉，盧智成，魯先龍.1000kV特高壓交流電氣設備抗震研究進展與展望[J].高電壓技術，2015，05：1732-1739.

[4]張文強，郝際平.國內外電瓷型壓互連電氣設備瓷套管連接設計比較研究[J].電瓷避雷器，2015，02：15-20.

[5]程永鋒，朱全軍，盧智成.變電站電力設施抗震措施研究現狀與發展趨勢[J].電網技術，2017，32（22）：84-89

（作者單位：國網河北省電力有限公司檢修分公司）