GIS高壓電氣設(shè)備抗震性能試驗(yàn)研究

盧棟 楊前 劉壯

摘要：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電網(wǎng)建設(shè)也發(fā)展的越來(lái)越快，增加了大量變電站，這就對(duì)高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的品種和質(zhì)量提出了更為嚴(yán)格的要求。與此同時(shí)，由于城鄉(xiāng)建設(shè)發(fā)展，相對(duì)緊缺的土地資源，氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備（以下簡(jiǎn)稱GIS）依靠自身的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，已廣泛應(yīng)用于發(fā)電廠和變電站。GIS 高壓電氣設(shè)備具有優(yōu)質(zhì)的抗震性能，但其套管處加速度綜合放大系數(shù)及位移值均大于設(shè)備主體，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)，為了在套管處提高其抗震能力就要采取必要的加強(qiáng)措施，從而防止在地震激勵(lì)下破壞高壓電氣。

關(guān)鍵詞：GIS；高壓電氣；抗震性能

隨著我國(guó)電力事業(yè)的大力發(fā)展，我國(guó)越來(lái)越多地開(kāi)始研究高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的設(shè)計(jì)，高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備形式眾多，GIS是最適合在地震多發(fā)地區(qū)或國(guó)家使用的變電設(shè)備。研究GIS外體結(jié)構(gòu)的抗震性能，就要不斷發(fā)展深化抗震理論在GIS設(shè)備抗震性能分析中的應(yīng)用，為我國(guó)電力事業(yè)的發(fā)展提供結(jié)構(gòu)抗震領(lǐng)域方面技術(shù)上的支持。

1 GIS電氣設(shè)備簡(jiǎn)介

根據(jù)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)大量變電站設(shè)備地震后破壞程度的研究分析，發(fā)現(xiàn)GIS設(shè)備是最適合在地震多發(fā)地區(qū)或國(guó)家使用的變電設(shè)備，這種組合電器將斷路器、互感器、隔離開(kāi)關(guān)、接地開(kāi)關(guān)、避雷器、控制機(jī)關(guān)、母線及出線終端等部件全部封閉在金屬接地外殼中，并充入絕緣保護(hù)氣體SF6的電氣設(shè)備。GIS開(kāi)關(guān)設(shè)備使所有變電組件成為1個(gè)整體，擁有了較大的剛度，一定程度上避開(kāi)了地震卓越周期，在地震發(fā)生時(shí)可以有較好的抗震表現(xiàn)，除此之外，GIS設(shè)備更具有占地面積小、可以到達(dá)較高電壓、結(jié)構(gòu)容量大、結(jié)構(gòu)組成靈活及便于安裝等優(yōu)點(diǎn)，從而廣泛應(yīng)用在地震多發(fā)地區(qū)。

2 高壓電氣設(shè)備的抗震設(shè)計(jì)理論

抗震設(shè)計(jì)理論起初主要在建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用與發(fā)展，隨著城市化建設(shè)的發(fā)展與科技的進(jìn)步，抗震設(shè)計(jì)理論才逐漸開(kāi)始延伸到了其他學(xué)科的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中，日本、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家在這方面應(yīng)用已經(jīng)比較成熟。我國(guó)在高壓電氣設(shè)備結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)中，目前其行業(yè)規(guī)范對(duì)抗震設(shè)計(jì)方法的選用主要有以下兩個(gè)要求：（1）在較早版本的規(guī)范（《電力設(shè)施抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50260-1996）中規(guī)定，對(duì)電力設(shè)施中的電力構(gòu)筑物和電氣設(shè)備，可按規(guī)范中相應(yīng)的具體條款規(guī)定，分別采用底部剪力法、振型分解反應(yīng)譜法對(duì)其進(jìn)行抗震分析；但對(duì)于電氣設(shè)備也可以選用靜力設(shè)計(jì)法、動(dòng)力設(shè)計(jì)法或時(shí)程分析法進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算；（2）在最新的規(guī)范（《高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備的抗震要求》GB/T 13540—2009）中，第7章節(jié)主要給出了試驗(yàn)和分析綜合驗(yàn)證的相關(guān)規(guī)定，其中對(duì)數(shù)值分析、加速度時(shí)程數(shù)值分析、利用要求的響應(yīng)頻譜（RRS）的模型分析以及靜態(tài)系數(shù)分析均有所說(shuō)明。

3 GIS電氣設(shè)備振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)研究對(duì)象為ZF33-126型GIS電氣設(shè)備，為方便后文對(duì)其進(jìn)行相關(guān)描述，在此對(duì)坐標(biāo)系方向進(jìn)行定義，并在實(shí)物圖上標(biāo)明。該設(shè)備主體高約4m，沿Y方向長(zhǎng)約4m，沿X方向長(zhǎng)約2.5m，材料以鋁合金為主。此外，設(shè)備上端部還安裝有3個(gè)陶瓷絕緣出線套筒，套筒長(zhǎng)約1.5m，分別與水平面成45°角傾斜向上。

3.2安裝固定及測(cè)點(diǎn)布置

振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面布置加速度傳感器獲得被測(cè)設(shè)備底部真實(shí)的輸入；GIS 電氣設(shè)備易發(fā)生破壞的套筒根部與法蘭連接處分別布置加速度傳感器；對(duì)于可能出現(xiàn)顯著位移、較大變形或應(yīng)力較大的設(shè)備外殼的頂部、套管頂部布置位移及加速度測(cè)點(diǎn)，并在套管根部的瓷件上布置應(yīng)變片，以測(cè)試其應(yīng)變響應(yīng)。

3.3 人工地震波的合成

結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的分析方法有三種：靜力法、反應(yīng)譜法以及時(shí)程分析法。時(shí)程分析法是對(duì)結(jié)構(gòu)或其力學(xué)模型直接輸入實(shí)際地震動(dòng)記錄或者人工地震波，從抗震設(shè)計(jì)理論上將等效靜力分析過(guò)渡到直接動(dòng)力分析，在設(shè)計(jì)中更真實(shí)的描述整個(gè)時(shí)間歷程中結(jié)構(gòu)在任意時(shí)刻的地震反應(yīng)，同時(shí)，時(shí)程分析法還可對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性的動(dòng)力分析，彌補(bǔ)了反應(yīng)譜法分析的不足之處，是地震反應(yīng)分析方法的一次飛躍。作為生命線工程，電力系統(tǒng)中高壓電氣設(shè)備的使用功能特殊而又重要，采用動(dòng)態(tài)時(shí)程分析法研究結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)與實(shí)際的震害現(xiàn)象更加符合。而對(duì)于時(shí)程分析方法，合理的選擇適宜的地震波是最關(guān)鍵的。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 動(dòng)力特性

采用半功率法求解結(jié)構(gòu)阻尼，結(jié)構(gòu)設(shè)備的自振頻率可通過(guò)結(jié)構(gòu)響應(yīng)與輸入信號(hào)間的傳遞函數(shù)而求得，即結(jié)構(gòu)受簡(jiǎn)諧振動(dòng)的干擾時(shí)所產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)與干擾的比值。

4.2 加速度時(shí)程響應(yīng)分析

試驗(yàn)中測(cè)試了隔離開(kāi)關(guān) GIS 設(shè)備在人工地震動(dòng)及 El-centro地震波兩種工況下各測(cè)點(diǎn)的加速度時(shí)程曲線。分別測(cè)得設(shè)備關(guān)鍵部位測(cè)點(diǎn)分別在 X、 Y 向地震動(dòng)輸入下的加速度反應(yīng)峰值及其放大系數(shù)。以及X、Y 單向地震動(dòng)輸入時(shí)，部分測(cè)點(diǎn)的加速度時(shí)程曲線。

4.3 位移時(shí)程分析

隨著輸入地震動(dòng)幅值的增大，設(shè)備各部分所產(chǎn)生的位移值越大；在相同地震輸入下，套管頂部的位移值均大于設(shè)備主體外殼頂部的位移；輸入幅值與波形相同時(shí)，設(shè)備在X 向激勵(lì)下產(chǎn)生的變形比Y向大的多，說(shuō)明動(dòng)力放大效應(yīng)在X 方向表現(xiàn)更顯著。

4.4 應(yīng)變時(shí)程響應(yīng)分析

大量震害實(shí)例表明，隔離開(kāi)關(guān)等電氣設(shè)備在地震中的破壞主要表現(xiàn)為電瓷瓶的中部或者根部截面處因應(yīng)力過(guò)大而導(dǎo)致斷裂失效，尤其是瓷瓶與法蘭連接的部位。因此在 GIS設(shè)備的抗震能力考核中，考核套管根部的應(yīng)變或應(yīng)力是驗(yàn)證設(shè)備抗震性能的重要方式。

綜上所述，作為電力系統(tǒng)抗震的薄弱環(huán)節(jié)，高壓電氣設(shè)備在地震中容易發(fā)生破壞，一旦設(shè)備遭受破壞，不但會(huì)給電力系統(tǒng)帶來(lái)直接損失，還會(huì)危害國(guó)民經(jīng)濟(jì)，對(duì)社會(huì)造成沖擊，因此對(duì)高壓電氣設(shè)備的抗震性能進(jìn)行研究具有重要的意義。

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