具有加速度觸發機制的電力機柜隔震性能研究

紀金豹，張偉祺，胡宗祥

(北京工業大學工程抗震與結構診治北京市重點試驗室，北京 100124)

已有變電站相關的設備檢修與維護策略優化方法研究[1-2]，作為一種重要的變電站內電力設施，應確保電力機柜有足夠的抗震能力。目前關于電力機柜的抗震研究，主要集中在加強機柜構件與加裝隔震裝置兩方面。加強機柜構件截面后，在機柜遭遇超過設防烈度的地震作用時，容易出現設備損壞的情況[3-5]。加裝隔震裝置的機柜，結構地震響應大幅降低，可滿足機柜降低結構響應與減小結構變形的隔震要求，但無法減小正常使用狀態下外部振動的影響[6-8]。而用于電力機柜的隔震裝置，水平剛度一般較小，在正常使用狀態下，當電力機柜受到外部振動等因素影響時，易發生有害變位；若要減小外部振動影響，必須設計較大的隔震裝置水平剛度，但較大的隔震水平剛度不能取得很好的隔震效果。因此用于電力機柜的隔震裝置應當在正常使用狀態下處于鎖定狀態；在地震作用下迅速解鎖以發揮隔震作用。一種可行的方法是在隔震裝置中加入加速度觸發機制。Fujita等[9]研發了空氣支座隔震裝置，地震發生時，用地震預警系統探測地震波，判斷隔震裝置是否需要激活，若需要激活，空氣支座充滿壓縮空氣，發揮良好隔震效果，其本質是以地震波為觸發條件。Murai等[10]在隔震裝置上下板用插銷連接，可以阻止正常使用狀態下的隔震層位移，當地震作用達到一定強度時，插銷斷裂，隔震裝置啟動，實現解鎖觸發功能，本質也為力觸發控制。馬伯濤等[11]提供了一種慣性力式鎖定及解鎖的隔震觸發裝置，認識到了慣性力觸發的必要性。黃季陽等[12]提供了一種可調節鎖定裝置及解鎖的隔震觸發裝置的改進方法。其原理為利用慣性塊的傾覆觸發實現解鎖。趙呈陽[13]提出了一種構造非常復雜的用于隔震裝置的鎖定、解鎖、復位的方案，可實現解鎖、復位功能，但故障率較高。謝啟芳等[14]提出一種永磁質量塊的鎖定方案，此方案可以安裝到設備隔震裝置中，具有解鎖、復位的功能。Ricky等[15]用剪力銷固定隔震層，通過地震預警系統來探測地震波，當地震作用達到一定峰值后，解除剪力銷，隔震裝置發揮作用，實現隔震觸發的功能。

目前中外關于的觸發機制研究，有少量電觸發和力觸發的研究，缺少加速度觸發研究，由于地震時可能發生斷電，而加速度觸發機制不受斷電影響，因此需要對加入加速度觸發機制對隔震效果影響進行理論分析研究。鑒于此，介紹了加速度觸發機制，選取了典型帶有隔震裝置的電力機柜，建立了帶有加速度觸發機制的隔震電力機柜有限元模型，進行了數值模擬分析，研究了加速度觸發機制對隔震效率的影響，以期通過本研究驗證加速度觸發機制不會降低帶有隔震裝置的電力機柜的隔震性能，同時確定合理的加速度觸發限值。

1 加速度觸發機制

加速度觸發機制是在隔震裝置中設置觸發裝置，觸發裝置根據地面運動進行解鎖與鎖定狀態的切換，當觸發裝置在正常使用狀態和遭受小于觸發限值的地震加速度時處于鎖定狀態，減小外部振動影響；當地震加速度超過觸發限值時觸發裝置解鎖，快速釋放隔震裝置正常發揮隔震作用。根據研究現狀與加速度觸發控制的原理，對觸發裝置的提出以下特點：①被隔震結構受力時不會觸發鎖定器，確保正常使用條件下隔震裝置處于鎖定狀態；②地震發生時能夠感應地面的相對運動并快速釋放隔震器；③純機械構造，不需要供電，不使用電子元器件；④可重復使用，釋放隔震裝置后可以通過簡單設置快速恢復鎖定狀態；⑤體積小巧，可安裝于隔震裝置內部或周邊。

觸發機制包括加速度感知部分、傳力放大機構、附屬機構。如圖1所示，地震發生時，加速度感知部分感知地面運動加速度，當地震加速度超過觸發限值時，加速度感知部分產生解鎖力，傳力放大機構解鎖力，實現解鎖。

觸發裝置在地震作用下由鎖定切換到解鎖狀態，解鎖條件為地震波加速度絕對值達到加速度觸發限值，解鎖后，觸發裝置在地震作用結束之前都為解鎖狀態。即觸發裝置鎖定時，隔震位置處的水平總剛度為觸發裝置與隔震裝置的水平剛度之和；觸發裝置解鎖時，隔震位置處的水平總剛度為隔震裝置的水平剛度。

2 觸發參數影響分析

2.1 有限元模型與隔震參數選取

選取電力機柜作為研究對象，機柜的三維圖如圖2所示。機柜的組成部分為部基本框架、內部支撐系統、隔板、設備[16]。受力構件為內部隔板、加勁肋、內側支撐立柱，外側支撐立柱。隔板的作用為放置機箱等設備。質量分配情況為，設備重量均勻分到各個分層格上，每層50 kg，共200 kg。

圖2 電力機柜模型

機柜的基本參數及材料特性如表1所示。

表1 機柜基本參數

電力機柜的有限元模型使用ANSYS軟件進行建模。立柱、加勁肋、橫梁使用Beam188單元，隔板使用Shell181單元，配重使用Mass21單元。將設備視作放置在隔板和底板上的集中質量配重，每層50 kg，共200 kg，機柜自重200 kg。以機柜水平橫向為x軸方向、水平縱向為y軸方向、高度方向為z軸方向建立機柜模型。隔震單元使用Link11連桿單元，通過改變輸入的剛度K與阻尼系數C來控制隔震層剛度與阻尼比。由于觸發裝置處于鎖定狀態時給隔震裝置提供水平剛度較大，因此觸發單元用Link11連桿單元，輸入遠大于隔震單元的剛度來模擬觸發單元的鎖定狀態；觸發裝置在解鎖后，水平剛度為0，在ANSYS中通過單元生死功能，“殺死”觸發單元來模擬觸發裝置的解鎖。

將觸發裝置安裝到隔震裝置上，組成具有加速度觸發機制的隔震裝置，如圖3所示，整個系統由觸發裝置、隔震裝置、被隔震結構組成。

圖3 隔震觸發系統示意圖

如圖4所示，在電力機柜有限元模型底部分別建立兩個相連的連桿單元，分別模擬隔震裝置與觸發裝置，調整連桿單元的剛度和阻尼系數來改變隔震層參數。

圖4 隔震觸發電力機柜有限元模型

在進行隔震分析之前需要進行機柜動力特性分析與隔震層參數分析，機柜前三階的自振頻率為：一階19.05 Hz，二階19.11 Hz，三階21.21 Hz，由于機柜模型為對稱結構，因此自振頻率出現前兩階相似的情況，機柜的前兩階振型的方向均為水平向，質量參與系數分別為水平向87.76%、95.28%，說明機柜在水平向的易受地震影響，輸入地震波時應重點考慮此方向。

地震波選擇6條天然波加2條人工波，所選地震波覆蓋了4種場地類型，如表2所示，分析用到的地震波都為這8條波。

表2 地震波

將地震波加速度峰值調整為0.2g、0.4g、0.6g(g為重力加速度)，對不隔震狀態下進行時程分析，8條地震波作用下的機柜加速度峰值、位移峰值如表3所示。

表3 不隔震機柜加速度峰值、位移峰值

通過對不隔震狀態下的電力機柜時程分析可以看出，機柜的地震響應反應較大，會將地震波加速度放大1.5～4.5倍。

隔震結構體系的固有頻率應在0.85 Hz以下，由式(1)、式(2)計算得到隔震層剛度<9 398.91 N/m。阻尼比取0.1～0.3。

(1)

(2)

式中：ωn為隔震結構的固有頻率；K為隔震層剛度；M為上部結構總質量；ζ為阻尼比；C為阻尼系數。

修改隔震層剛度，調整隔震機柜頻率，用加速度峰值為0.2g、0.4g的El-centro波分別對不同隔震層參數下的電力機柜進行時程分析，得到機柜加速度峰值、隔震層位移峰值，對比分析得到最優隔震層參數。最終得到結論，隔震層參數在剛度取4 kN/m、阻尼比取0.20時，其隔震率最高，此時隔震機柜水平向的一階自振頻率為0.55 Hz。

2.2 觸發限值分析

觸發加速度限值太大，隔震裝置不能及時發揮作用，機柜容易受到損害；觸發加速度限值太小，則受到較小的環境激勵時觸發裝置解鎖，不能避免正常使用條件下的有害振動。需要進行觸發加速度的選擇。在實際情況中，機柜內置設備在受到較小的加速度或力作用時會發生震動，因此將加速度觸發限值取為0.1g。進行時程分析獲得機柜的加速度、位移響應，分析隔震率。地震波選用加速度峰值為0.2g、0.4g的El-centro波、Kobe波、Taft波。

定義隔震率λ為

(3)

觸發限值分析的計算結果如表4所示。從表4數據可以看出，0.1g的觸發加速度限值下，機柜在El-centro波、Taft波條件下隔震率較大，在Kobe波條件下隔震率較小，但也達40%。因此觸發加速度限值選擇為0.1g是合理的。

2.3 隔震效果分析

將有觸發與無觸發條件下的機柜動力響應進行對比，從而得出具有加速度觸發機制的隔震效果，觸發加速度限值同樣為0.1g。隔震率的定義同式(3)。隔震機柜分析結果如表5所示。

表5 隔震機柜動力響應

由表5數據可以得出，與不隔震機柜相比，隔震機柜在加速度峰值為0.2g、0.4g、0.6g地震波作用下的加速度響應大幅度降低。

隔震觸發機柜分析結果如表6所示。表7為隔震與隔震觸發機柜隔震率對比結果。

從表6、表7數據可以看出，機柜頂層加速度峰值與隔震狀態下較為接近，說明加入觸發裝置后，機柜的隔震性能依然可以達到較好的效果。機柜的隔震層位移結果與隔震狀態下也較為接近，說明隔震觸發狀態與無觸發隔震電力機柜隔震性能較接近。

表6 隔震觸發機柜的動力響應

表7 隔震與隔震觸發機柜隔震率對比

3 結論

對具有加速度觸發機制的隔震裝置進行分析，明確了加速度觸發機制的特點，通過有限元模擬，分析了具有加速度觸發機制的隔震裝置的隔震性能，得出以下結論。

(1)從隔震觸發限值的分析可以得出，使用0.2g、0.4g的El-centro波、Kobe波、Taft波，對觸發限值為0.1g的電力機柜動力響應進行分析，分析結果為觸發限值為0.1g時機柜的隔震率較高，觸發限值設置為0.1g時是合理的。

(2)從隔震觸發分析可以得出，隔震有觸發狀態下的隔震率與無觸發狀態下隔震率較為接近，平均隔震率為67.02%，在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類場地以及人工波的隔震率均在40%以上，隔震效果較為顯著，說明具有加速度觸發機制的電力機柜隔震性能良好。