近斷層地震動(dòng)作用下變電站避雷器的地震響應(yīng)分析

楊春俠，揭雙全，趙曉宇，曾楠，陳樹(shù)，吳艷謀，倪玉雙

（長(zhǎng)沙理工大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410114）

0 引言

變電站是生命線工程的重要組成部分，一旦在地震中遭受破壞，將會(huì)嚴(yán)重威脅人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全，給國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)家安全帶來(lái)巨大的損失?！峨娏υO(shè)施抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50260—2013）對(duì)有關(guān)近斷層地震作用及其對(duì)電氣設(shè)施抗震設(shè)計(jì)的影響表述相對(duì)較少[1]。 隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，研究近斷層脈沖型地震作用下電氣設(shè)備的響應(yīng)及可能產(chǎn)生的不利影響，對(duì)變電站的地震防護(hù)有著十分重要的作用。

近幾年發(fā)生的近斷層大地震， 比如1994 年美國(guó)的Northridge 地 震、1995 年 日 本 的Kobe 地 震、1999 年 中 國(guó) 臺(tái) 灣 的Chi-Chi 地震、2008 年中國(guó)的汶川地震等獨(dú)特的運(yùn)動(dòng)特征及對(duì)工程結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重?fù)p害引起了工程界的廣泛關(guān)注[2]。近斷層地震動(dòng)具有不同于遠(yuǎn)場(chǎng)地震的一些特征，主要是上盤(pán)效應(yīng)、破裂方向效應(yīng)、長(zhǎng)周期速度脈沖等。上盤(pán)效應(yīng)指的是鑒于位于滑斷層上盤(pán)上面的場(chǎng)地總體上要比位于下盤(pán)相同的斷層距的場(chǎng)地更接近斷層，因而上盤(pán)產(chǎn)生的短周期地震動(dòng)比下盤(pán)更強(qiáng)[3]。 破裂方向效應(yīng)是由于斷層面上朝著一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)傳播， 斷層破裂以接近剪切波速的速度向前傳播，在這個(gè)觀測(cè)點(diǎn)積聚大部分能量，該點(diǎn)記錄時(shí)顯示出明顯的大幅值、長(zhǎng)周期脈沖特性[4]。 長(zhǎng)周期速度脈沖是由破裂方向效應(yīng)和“Fling step”效應(yīng)兩種原因產(chǎn)生的，破裂方向效應(yīng)產(chǎn)生的速度脈沖主要發(fā)生在垂直于斷層面的方向；“Fling step”效應(yīng)產(chǎn)生的單向速度脈沖出現(xiàn)在近斷層的場(chǎng)地上，且與震中的位置無(wú)關(guān)[3]。

陳艷[5]采用有限元軟件分別建立了4 層鋼筋混凝土框架非隔震和隔震結(jié)構(gòu)有限元分析模型，分析了它們?cè)诮鼣鄬铀降卣饐为?dú)作用和水平及豎向地震共同作用下的地震響應(yīng)。 劉鵬[6]等人選擇了2 條近斷層地震波和1 條遠(yuǎn)場(chǎng)地震波， 然后在0°～90°間按15°間隔計(jì)算了7 個(gè)輸入角時(shí)橋梁的地震響應(yīng)。 包華[7]等人分析了基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)在近斷層水平-豎向地震分量共同作用下的動(dòng)力響應(yīng)以及隔震支座的受力狀態(tài)。 薛棟楊[8]研究了近斷層地震動(dòng)和遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)作用下梁軌體系的內(nèi)力和位移的變化規(guī)律。 根據(jù)目前相關(guān)資料可知，學(xué)者對(duì)建筑和橋梁在近斷層地震作用下的抗震性能研究較多， 對(duì)電氣設(shè)備在近斷層地震作用下的抗震性能研究很少，因此，研究電氣設(shè)備在近斷層地震作用下的抗震性能很有必要，對(duì)電氣設(shè)備今后的設(shè)計(jì)及研究有一定參考價(jià)值。

本文從太平洋地震工程研究中心數(shù)據(jù)庫(kù)中選取1999 年臺(tái)灣Chi-Chi 地震的地震波和1994 年美國(guó)的Northridge 地震的地震波，這些地震含有近斷層地震速度脈沖型和無(wú)速度脈沖型的地震記錄，對(duì)這些地震記錄單方向輸入時(shí)，對(duì)比分析了避雷器結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)。

1 實(shí)例概況

該避雷器型號(hào)為Y20W2—648/1491BC 型， 為某避雷器有限公司所生產(chǎn)，該避雷器由四節(jié)瓷套管和傘裙組成，瓷套彈性模量為100GPa，密度為2650kg/m3，法蘭的密度為7300kg/m3，法蘭彈性模量為150GPa，瓷套和法蘭泊松比為0.3，從上至下，第一、二節(jié)瓷套長(zhǎng)度為1734.5mm，外徑為275mm，內(nèi)徑為175mm，第三、四節(jié)瓷套長(zhǎng)度為2496mm，外徑為375mm，內(nèi)徑為275mm，瓷套重量分別為240kg、500kg，設(shè)備總重量為3050kg，結(jié)構(gòu)的自振頻率為2.3Hz。

支架鋼材采用Q235B 鋼，鋼材的彈性模量為206GPa，密度為7850kg/m3， 泊松比為0.3， 避雷器支架采用的L 型鋼， 規(guī)格為L(zhǎng)100×10、L45×5，支架高度為3.189m。

2 有限元模型的建立

本文采用ABAQUS 有限元分析軟件對(duì)750kV 避雷器設(shè)備進(jìn)行有限元模擬，在進(jìn)行有限元模型建立時(shí)，瓷套管、法蘭和支架選用三維梁?jiǎn)卧M，均壓環(huán)和附屬結(jié)構(gòu)采用集中質(zhì)量點(diǎn)模擬。

建立法蘭的數(shù)值模型時(shí)，根據(jù)《電氣設(shè)施抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50260—13）[1]計(jì)算連接瓷套管法蘭的彎曲剛度，并用一個(gè)等效梁?jiǎn)卧妗?/p>

當(dāng)法蘭與瓷套管膠裝時(shí)，彎曲剛度Kc可按下式計(jì)算：

式（1）中：Kc—彎曲剛度（N·m/rad）；dc—瓷套管膠裝部位外徑（m）；hc—瓷套管與法蘭膠裝高度（m）；te—法蘭與瓷套管之間的間隙距離（m）。

當(dāng)法蘭與瓷套管用彈簧卡式連接時(shí)，其彎曲剛度可按下式計(jì)算：

式（2）中：h′c—彈簧卡式連接中心至法蘭底部的高度（m）。該梁?jiǎn)卧慕孛鎽T性矩Ic可按下式計(jì)算：

式（3）中：Ic—截面慣性矩（m4）；Lc—梁?jiǎn)卧獎(jiǎng)偠龋╩），取單根瓷套管長(zhǎng)度的1/20 左右；Ec—瓷套管的彈性模量（Pa）。

本文采用ABAQUS 有限元分析軟件對(duì)750kV 避雷器設(shè)備進(jìn)行有限元模擬分析，在進(jìn)行有限元模型的建立時(shí)，由于法蘭與瓷套管膠裝，其彎曲剛度按照式（1）計(jì)算，瓷套管、法蘭和支架選用三維梁?jiǎn)卧狟31 模擬，均壓環(huán)和附屬結(jié)構(gòu)采用集中質(zhì)量點(diǎn)模擬， 支架頂板采用S4R 殼單元模擬。 避雷器本體有限元模型和避雷器結(jié)構(gòu)有限元模型如圖1所示。

圖1 三維有限元模型

3 地震波的選取

速度脈沖型運(yùn)動(dòng)在近斷層脈沖型地面運(yùn)動(dòng)中最為常見(jiàn)。 此類運(yùn)動(dòng)在地震的初始階段就給結(jié)構(gòu)輸入很高的能量，進(jìn)而引起結(jié)構(gòu)較大的損傷。 為了分析近斷層水平地震波作用下避雷器的抗震性能，選取地震波的原則[5]：（1）根據(jù)近斷層地震的定義，選取斷層距小于20km 的地震波；（2）根據(jù)近斷層地震不同于遠(yuǎn)場(chǎng)地震的強(qiáng)度特征， 選取震級(jí)MS≥5.5的地震波；（3）根據(jù)近斷層地震動(dòng)強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)的特性，選取峰值加速度PGA≥0.1g 的地震波。

本文的地震波輸入選取1999 年臺(tái)灣Chi-Chi 地震的2 條近斷層地震波TCU075（E）、TCU075（N）和1994 年美國(guó)Northridge-01 地震的兩條地震波Newhall-Fire Sta、Burbank-HowardRd，他們的斷層距分別為0.89km、0.89km、5.92km、16.88km， 如表1 所示。文中所選2 組脈沖型地震的加速度時(shí)程圖，如圖2 所示。 此兩組近斷層地震的脈沖效應(yīng)明顯， 特別是臺(tái)灣的Chi-Chi 地震（TCU075（E）臺(tái)站）和Newhall-Fire Sta 臺(tái)站記錄的地震波水平地震脈沖效應(yīng)比較明顯，加速度時(shí)程圖如圖2 所示。 TCU075（N）臺(tái)站和Burbank-Howard Rd 臺(tái)站記錄的地震為非脈沖型地震，加速度時(shí)程圖如圖2 所示。

表1 選取的近斷層地震的特征

圖2 地震波加速度時(shí)程曲線

4 數(shù)值分析

《電氣設(shè)施抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定，對(duì)于對(duì)稱結(jié)構(gòu)的電氣設(shè)備和電氣裝置，可只對(duì)一個(gè)方向進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。針對(duì)避雷器，在8 度罕遇地震下進(jìn)行時(shí)程分析，峰值加速度調(diào)整為400cm/s2。 本文對(duì)避雷器分別進(jìn)行水平地震輸入，分析結(jié)構(gòu)在水平地震作用下的響應(yīng)。

4.1 避雷器動(dòng)力特性分析

通過(guò)模態(tài)分析，可以得到避雷器本體的各階頻率，并對(duì)避雷器本體的動(dòng)力特性進(jìn)行初步了解。模態(tài)分析采取Lanczos 方法，避雷器設(shè)備頻率為2.3Hz，通過(guò)模態(tài)分析得到的頻率為2.13Hz，可以看到二者吻合得很好，相差不到10%，表明所建ABAQUS 有限元模型能夠反映真實(shí)設(shè)備的動(dòng)力特性。表2 為計(jì)算得出的避雷器本體及避雷器前10 階頻率值。

表2 避雷器本體及避雷器前10階自振頻率（Hz）

4.2 避雷器時(shí)程反應(yīng)分析

由國(guó)內(nèi)外變電站在實(shí)際地震中的震害情況可知，避雷器在震害中的破壞主要表現(xiàn)為瓷套管與瓷套管之間的法蘭連接處或最底下瓷套管與支架根部處因應(yīng)力過(guò)大導(dǎo)致的設(shè)備破壞。 所以，在考核避雷器的抗震性能時(shí)，瓷套管根部應(yīng)力是驗(yàn)證設(shè)備抗震能力的重要方式。

圖3 避雷器頂部位移時(shí)程曲線

避雷器結(jié)構(gòu)在不同地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)如圖3、圖4 及圖5 所示，根據(jù)以上時(shí)程分析結(jié)果可知，避雷器支架頂部在近斷層地震無(wú)速度脈沖效應(yīng)的地震波Burbank-Howard Rd 和TCU075（N）作用下，加速度最大值分別為4.33m/s2和4.2m/s2。在近斷層地震有脈沖效應(yīng)的地震波Newhall-Fire Sta 和TCU075（E）作用下，其加速度最大值分別為4.6m/s2和4.2m/s2。 瓷套管根部在近斷層地震無(wú)速度脈沖效應(yīng)的地震波Burbank-Howard Rd 和TCU075（N）作用下，其最大應(yīng)力分別為31.86MPa 和20.49MPa，在近斷層地震有脈沖效應(yīng)的地震波Newhall-Fire Sta 和TCU075 （E） 作用下，其最大應(yīng)力分別為42.72MPa 和29.28MPa。 避雷器在近斷層地震無(wú)速度脈沖效應(yīng)的地震波Burbank-Howard Rd 和TCU075（N）作用下，其頂部位移最大值分別為128mm 和76mm，在近斷層地震有脈沖效應(yīng)的地震波Newhall-Fire Sta 和TCU075（E）作用下，其頂部位移最大值分別為165mm 和111mm。

圖4 支架頂部加速度時(shí)程曲線

圖5 避雷器瓷套管根部應(yīng)力時(shí)程曲線

根據(jù)分析結(jié)果可知，Northridge-01 地震中Newhall-Fire Sta地震動(dòng)的速度脈沖對(duì)結(jié)構(gòu)支架的加速度影響較大，Chi-Chi 地震中地震動(dòng)的速度脈沖對(duì)結(jié)構(gòu)支架的加速度影響較小。從避雷器頂部位移來(lái)看， 地震動(dòng)的速度脈沖對(duì)避雷器頂部的位移影響很顯著。 而對(duì)于瓷套管根部應(yīng)力的影響，Northridge-01 地震中含有速度脈沖的近斷層地震作用下的應(yīng)力比不含速度脈沖近斷層地震作用下的應(yīng)力要大得多，應(yīng)力大小增加了34%，Chi-Chi 地震中含有速度脈沖的近斷層地震作用下的應(yīng)力比不含速度脈沖的近斷層地震作用下應(yīng)力增加了約43%。 因此，在對(duì)避雷器進(jìn)行設(shè)計(jì)及抗震性能分析時(shí)，應(yīng)考慮近斷層含有速度脈沖的地震對(duì)避雷器的影響，對(duì)于距斷層較近的工程要特別注意近斷層的速度脈沖對(duì)避雷器結(jié)構(gòu)的影響。

5 結(jié)論

本文利用ABAQUS 有限元分析軟件建立了750kV 變電站避雷器的三維有限元模型，進(jìn)行了模態(tài)分析，并輸入有速度脈沖和無(wú)速度脈沖的近斷層地震記錄對(duì)其進(jìn)行了動(dòng)力時(shí)程分析，得到以下結(jié)論：

（1） 對(duì)避雷器本體進(jìn)行了動(dòng)力特性分析，發(fā)現(xiàn)設(shè)備頻率相差不到10%，表明所建避雷器有限元模型符合要求；

（2） 含有速度脈沖的近斷層地震對(duì)避雷器頂端位移的影響比較大；瓷套管根部在Northridge-01 地震有速度脈沖的近斷層地震作用下的應(yīng)力比無(wú)速度脈沖近斷層地震動(dòng)作用下應(yīng)力增加了34%，在Chi-Chi 地震下則增加了43%；從加速度分析結(jié)果來(lái)看，含有速度脈沖的近斷層地震動(dòng)對(duì)支架頂部的加速度響應(yīng)不是十分顯著；

（3） 應(yīng)力分析結(jié)果和位移分析結(jié)果規(guī)律上是一致的，均對(duì)速度脈沖比較敏感；

（4） 在對(duì)避雷器進(jìn)行設(shè)計(jì)及抗震性能的分析時(shí)，應(yīng)考慮近斷層地震脈沖效應(yīng)的影響，盡量選擇含有速度大脈沖的近斷層地震對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行抗震性能分析。