瓷柱式SF6高壓斷路器抗震性能分析1

尤紅兵 趙鳳新

（中國地震災害防御中心，北京，100029）

瓷柱式SF6高壓斷路器抗震性能分析1

尤紅兵 趙鳳新

（中國地震災害防御中心，北京，100029）

開展斷路器的抗震性能分析，研究鉛合金減震器的減震效果，對提高電氣設備的抗震能力有重要意義。利用ANSYS，建立了LW36-252 /T3150-40型瓷柱式SF6斷路器的有限元模型。并以IEEE Standard 693推薦時程和汶川地震典型時程作為地震輸入，分別計算了支架底部未安裝與安裝鉛合金減震器時斷路器的地震反應。分析了減震器的減震效果，對斷路器的抗震性能作了評定。鉛合金減震器有良好的減震效果，能有效提高設備的抗震能力，此斷路器可達到 IEEE Std 693-2005中等水準抗震水平。

斷路器 鉛合金減震器 IEEE std 693 減震效果 抗震性能

引言

汶川地震中，斷路器、隔離開關等含瓷套管的電氣設備破壞嚴重，損失巨大（于永清等，2008；尤紅兵等，2008）。其主要原因是這些設備的瓷件為脆性材料，塑性變形能力差，地震時易斷裂；同時瓷套管具有相當?shù)拈L度與重量，頭重腳輕易使設備損壞或傾倒。而利用減震器可有效降低設備的地震反應，提高設備的抗震能力。因此，開展斷路器的抗震性能分析，研究減震器的減震效果，具有重要的理論意義和工程應用價值。

美國、日本等國家十分重視電氣設備減震隔震技術的應用，開展了大量的研究工作，許多研究成果已被寫入相應的抗震規(guī)范（Saadeghvaziri等，2001；Selahattin Ersoy等，2001；IEEE Standard 693，2005；JEAG 5003，1998）。近年來，姚德康（2000）在國電華北電力設計院工程有限公司的資助下，開發(fā)研制了鉛合金減震器。李亞琦等（2002；2005）進行了LW11-252/Q瓷柱型六氟化硫斷路器振動臺試驗及有限元分析，研究了鉛合金減震器的動力特性及適用范圍。在其研究中，鉛合金減震器安裝在支持瓷柱與支架的連接處。相比較而言，減震器安裝在支架底部無需改變設備的原有設計，更方便設計和施工。同時，汶川地震的發(fā)生也進一步推動了電氣設備的抗震分析及減震、隔震技術的研究（文波等，2009；謝強等，2009；李旭等，2009）。但我國在電氣設備的減震、隔震方面的研究目前仍處在起步階段，對減震、隔震裝置的力學性能、消能減震理論的研究還有待進一步提高。

本文利用ANSYS，建立了LW36-252 /T3150-40型瓷柱式SF6斷路器的有限元模型。并以IEEE Standard 693推薦時程和汶川地震典型時程作為地震輸入，計算了支架底部未安裝與安裝鉛合金減震器時斷路器的地震反應。分析了減震器的減震效果，對斷路器的抗震性能作了評定。

1 有限元模型

1.1 斷路器及有限元模型

LW36-252/T 3150-40型瓷柱式SF6斷路器由北京北開電氣股份有限公司生產(chǎn)，適用于開斷重要負荷的場所。可作為發(fā)電廠、變電所等輸配電系統(tǒng)的控制和保護開關，亦可作為電力系統(tǒng)的控制和保護之用的聯(lián)絡斷路器。

斷路器總高為7.165m，實體圖片及利用ANSYS建立的LW36-252型瓷柱式SF6斷路器的有限元模型如圖1所示。底座支架采用梁單元，鋼板采用殼單元，瓷柱和法蘭采用體單元模擬。單元總數(shù)為1918個，節(jié)點數(shù)為3520。其中梁單元272個，殼單元277個，體單元1360個。斷路器的組成材料主要為鋼和瓷，鋼的彈性模量取2.1e11 N/m2、密度取7800kg/m3、泊松比取0.3；瓷套的彈性模量取1.2e11 N/m2、密度取4700kg/m3、泊松比取0.3。未安裝減震器時，阻尼比取0.039；安裝減震器時，阻尼比取0.045。

1.2 鉛合金減震器

鉛合金減震器利用鉛合金的塑性變形來吸收地震能量，能有效提高電氣設備的抗震能力，具有耐老化、耗能性能穩(wěn)定、造價低等優(yōu)點。根據(jù) LW36-252 /T3150-40型瓷柱式 SF6斷路器的特點，定制了相應的鉛合金減震器，并通過試驗測定了減震器的力學性能，拉壓滯回曲線及由滯洄環(huán)頂點的連線確定的骨架曲線如圖2所示。鉛合金減震器安裝在斷路器底座4個柱腳處，只允許柱腳作豎向震動。減震器采用COMBIN39彈簧單元模擬，本構(gòu)關系采用圖2所示的力-位移骨架曲線。

圖1 斷路器及有限元模型Fig. 1 Circuit-breaker and its finite element model

圖2 鉛合金減震器滯回曲線及骨架曲線Fig. 2 Hysteretic and skeleton curves of the lead alloy absorber

2 輸入時程

2.1 IEEE Std 693推薦時程

IEEE Std 693-2005《變電站抗震設計推薦規(guī)程》（IEEE Std 693，2005；尤紅兵等，2009）是美國現(xiàn)行變電所電氣設備抗震設計與性能測試的主要參考文件，對我國相關規(guī)范的制定和修改具有重要參考價值。

IEEE Std 693-2005定義了高、中、低3個基本抗震考核水平，加速度峰值分別為0.5g、0.25g、0.1g。并規(guī)定凡電氣設備通過與相應水準要求反應譜（RRS）相符的地震動時程，其抗震性才滿足相應水準抗震水平。為滿足客戶的更高要求，還定義了高、中2個抗震性能水平（Performance Level，簡稱PL），反應譜值為相應RRS的2倍，加速度峰值分別為1.0g、0.5g。豎向加速度峰值為水平向加速度峰值的80%。

現(xiàn)在許多出口到美國的電氣設備，均需按IEEE Std 693 相關規(guī)定進行抗震性能評定。為此，本文選擇IEEE Std 693-2005推薦的時程進行分析計算，加速度時程及反應譜（阻尼比5%）如圖3、圖4所示。該時程頻帶比較寬，反應譜包絡相應水準的規(guī)范標準譜（圖4）；持時大于20s；強度比達到60%；單自由度體系高振幅循環(huán)數(shù)分布較好，滿足IEEE Std 693-2005的所有要求（Shakhzod等，2005）。

圖3 輸入時程Fig. 3 The input time history

圖4 輸入時程加速度反應譜Fig. 4 The acceleration response spectra of the input time history

2.2 汶川地震波

什邡八角臺站記錄了汶川地震主震的加速度，其 3個方向的最大加速度分別為 556.2 cm/s2、581.6 cm/s2、633.1cm/s2。廣元曾家臺站記錄的最大加速度幅值分別為：410.5cm/s2、424.5 cm/s2、183.3 cm/s2。加速度時程及反應譜（阻尼比5%）如圖3、圖4所示。

選擇上述2個臺站的記錄作為計算輸入，一方面是考慮到加速度峰值較大，廣元曾家臺站的2個水平分量超過了0.4g，而什邡八角臺站的記錄接近0.6g，并且什邡八角臺站的豎向記錄最大為633.1cm/s2，超過了2個水平分量；另一方面，所選加速度的主頻接近斷路器自振頻率。什邡八角臺站記錄的反應譜平臺段較寬（圖4），2個水平分量在2.0—6.0Hz之間幅值較大，主頻約為3.4Hz；而廣元曾家臺站的2個水平記錄的主頻約為2.7Hz。

3 結(jié)果分析

3.1 自振特性

利用模態(tài)分析，得到了未安裝減震器和安裝減震器后斷路器的前6階自振頻率，如表1所示。從表1可以看出，安裝減震器能降低斷路器的自振頻率，并通過改變結(jié)構(gòu)的自振周期而降低設備的地震反應。同時，利用鉛合金的塑性變形來吸收地震能量，達到了減震的目的。為說明斷路器的振型特性，圖5給出了安裝減震器后斷路器的前6階模態(tài)振型。其中前4階振型以X、Y方向的彎曲振動為主，第5階振型以扭轉(zhuǎn)振動為主。

表1 斷路器自振頻率Table 1 Natural frequency of the circuit-breaker

圖5 斷路器前6階模態(tài)振型Fig. 5 The Circuit-breaker vibration models of the first six orders

斷路器的前4階自振頻率在1.8—8.3Hz之間，而IEEE Std 693-2005標準譜平臺段為1.1—8.0Hz，什邡八角臺站記錄的反應譜平臺段為 2.0—6.0Hz。由于大多地震動的卓越頻率均在1—10Hz之間，與斷路器自振頻率接近。因此，在地震波作用下，斷路器容易產(chǎn)生共振，發(fā)生破壞。斷路器的豎向一階頻率分別為56.514Hz（未減震）、43.157Hz（減震），頻率較高。一般情況下，豎向地震對斷路器的破壞較小。

3.2 減震效果分析

為研究減震器的減震效果，分別進行了5種工況的計算：IEEE 693推薦時程，加速度幅值分別為0.25g、0.5g、1.0g；什邡八角波及廣元曾家波，加速度幅值均不調(diào)整。斷路器頂部的加速度反應如圖6、圖7、圖8所示。斷路器頂部最大加速度和瓷套最大應力統(tǒng)計如表2、表3所示。減震效果定義為未減震值與減震值的差除以未減震值。

表2 斷路器頂部最大加速度Table 2 Peak acceleration at the top of the circuit-breaker

表3 斷路器瓷套最大應力Table 3 The maximum stress of the porcelain bushing

圖6 頂部加速度時程（IEEE 693 0.5g）Fig. 6 The top acceleration time history（IEEE 693 0.5g）

圖7 頂部加速度時程（什邡八角波）Fig. 7 The top acceleration time history（Shifang-Bajiao records）

圖8 頂部加速度時程（廣元曾家波）Fig. 8 The top acceleration time history（Guangyuan-Zengjia records）

從圖6—圖8及表2中可以看出，安裝鉛合金減震器能有效降低斷路器頂部的水平向加速度幅值，具有良好的減震效果。輸入加速度峰值越大，減震效果也相對越好。當輸入IEEE693推薦時程、加速度幅值為0.25g時，X、Y向的減震效果分別為34.9%、22.6%；當加速度幅值增大到1.0g時，X、Y向的減震效果分別達到了52.7%、48.2%，均顯著增大。輸入加速度的峰值影響鉛合金減震器的塑性變形，進而影響減震效果。輸入加速度幅值越大，鉛合金減震器的塑性變形越大，吸收地震能量越多，減震效果也越好。綜合上述5種計算工況，斷路器頂部水平向加速度的平均減震效果為 40.7%。即安裝減震器后，頂部水平向加速度峰值平均降低了40.7%，最小為22.6%，最大達56.8%。但鉛合金減震器對豎向加速度的減震效果不明顯，一般低于20%，還有待進一步改進。

斷路器瓷套的允許應力為45MPa，底部瓷套在地震中受力最大，更容易破壞。下面以底部瓷套為例，說明減震器的減震效果。從表3中可以看出，安裝鉛合金減震器能有效降低斷路器瓷套的最大應力，具有良好的減震效果。當輸入IEEE693推薦時程時，底部瓷套最大應力的減震效果分別為17.3%（0.25g）、22.5%（0.5g）、38.5%（1.0g），輸入加速度幅值越大，減震效果也相對越好。當未安裝減震器時，在 IEEE693（1.0g）和什邡八角波輸下，瓷套應力超過了允許應力，瓷套可能斷裂。安裝減震器后，瓷套應力均未超過允許應力，保證了斷路器的安全。

圖9給出了不同地震波輸入下，減震器的內(nèi)力-變形滯回曲線。從圖9可知，滯回曲線較飽滿，具有較好的耗能性能，從而有效降低了瓷套的應力。另外，減震器產(chǎn)生的位移僅 4—6mm，對斷路器頂部的位移影響不大。

圖9 不同地震波輸入下減震器滯回曲線Fig. 9 The hysteretic curves of the lead alloy absorber for different input time history

3.3 斷路器抗震性能分析

根據(jù)IEEE Std 693-2005的相關規(guī)定，應以振動臺試驗結(jié)果作為此斷路器抗震性能評定的依據(jù)。本文以計算結(jié)果給出的抗震性能分析，可作為抗震性能評定的參考。

IEEE Std 693-2005規(guī)定：瓷套所受應力不超過允許應力的50%。斷路器瓷套的允許應力為45MPa，則瓷套的地震反應不應超過22.5MPa。表3中只有加速度幅值為0.25g時，瓷套的最大應力為16.2MPa（未減震）小于22.5MPa。同時斷路器無其他破壞。通過了與中等水準要求反應譜（RRS）相符的地震動時程檢驗，可達到中等水準抗震水平。

加速度幅值為0.5g、1.0g時，無論是減震還是未減震情況下，底部瓷套的最大應力均超過了22.5MPa，不符合IEEE Std 693-2005要求。因此，LW36-252 /T3150-40型瓷柱式SF6斷路器達不到高等水準抗震水平。

在什邡八角波作用下，瓷套未減震時的最大應力為53.7MPa，大于允許應力，瓷套破壞。這也是汶川地震中斷路器破壞嚴重的主要原因。若安裝減震器后，瓷套應力為32.5MPa，小于允許應力，瓷套可避免破壞。在廣元曾家波作用下，瓷套的最大應力均小于允許應力。若不考慮其他因素，斷路器是安全的。

4 結(jié)語

利用ANSYS，建立了LW36-252 /T3150-40型瓷柱式SF6斷路器的有限元模型。并以IEEE Standard 693推薦時程和汶川地震典型時程作為地震輸入，計算了支架底部未安裝與安裝鉛合金減震器時斷路器的地震反應。同時分析了減震器的減震效果，對斷路器的抗震性能給出了以下初步評定。

（1）安裝鉛合金減震器能有效降低斷路器頂部的水平向加速度幅值以及底部瓷套的最大應力，具有良好的減震效果。輸入加速度峰值越大，減震效果也相對越好，平均減震效果可達40%。

（2）鉛合金減震器對豎向加速度的減震效果不明顯，還有待進一步改進。

（3）按照IEEE Std 693-2005的相關要求，LW36-252 /T3150-40型瓷柱式SF6斷路器可達到中等水準抗震水平，但達不到高等水準抗震水平。

（4）應進一步開展電氣設備的減震、隔震研究工作，推廣減震、隔震技術的應用。

李旭，鞠彥忠，李霞，2009. 高壓斷路器的抗震性能分析. 華東電力，37（4）：618—620.

李亞琦，2002. 電瓷型高壓電氣設備體系抗震性能分析（博士論文）.北京：中國地震局地球物理研究所.

李亞琦，李小軍，劉錫薈，2005. 鉛合金減震的動力特性及適用范圍. 地震學報，27（1）：86—95.

謝強，王亞非，魏思航，2009. 軟母線連接的變電站開關設備地震破壞原因分析. 電力建設，30（4）：10—14.

姚德康，李紹敏，周錫元，2000. 彎剪型鉛合金減震器，中國發(fā)明專利，CN2407179.

尤紅兵，田學民，趙鳳新等，2008. 汶川大地震及電力系統(tǒng)抗震研究. 動力與電氣工程師，5（2）：27—30.

尤紅兵，趙鳳新，劉錫薈，2009. 美國《變電站抗震設計推薦規(guī)程》評介. 電力建設，30（6）：43—47.

于永清，李光范，李鵬等，2008. 四川電網(wǎng)汶川地震電力設施受災調(diào)研分析. 電網(wǎng)技術，32（11）：1—6.

文波，牛荻濤，張俊發(fā)等，2009. 隔震技術在高壓電力設施中的應用. 工業(yè)建筑，39（1）：36—41.

IEEE Standard 693, 2005. Recommended Practice for Seismic Design of Substations. Institute of Electrical and Electronic Engineers, USA.

JEAG 5003, 1998.《電氣設備抗震設計指南》. 日本.

Saadeghvaziri M.A. and Feng M., 2001. Experimental and Analytical Study of Base-Isolation for Electric Power Equipment, Research Progressand Accomplishment, State U. New York at Buffalo, U.S.

Selahattin Ersoy, M. Ala Saadeghvaziri, Gee-Yu Liu, 2001. Analytical and Experimental Seismic Studies of Transformer Isolated with Friction Pendulum System and Design Aspects. Earthquake Spectra, 17（4）：569—595.

Shakhzod M. Takhirov, Gregory L. Fenves, Fujisaki Eric, 2005. Ground Motions for Earthquake Simulator Qualification of Electrical Substation Equipment, PEER-2004/07, Pacific Earthquake Engineering Research Center, University of California, Berkeley, USA.

The Anti-seismic Performance Analysis of the Porcelain Knob Type SF6 High-Voltage Circuit-Breaker

You Hongbing and Zhao Fengxin
( China Earthquake Disaster Prevention Center, Beijing 100029, China)

Improving anti-seismic capacity of the electrical equipments is of great significance forthe performance analysis of circuit-breaker and seismic-reduced effect of the lead alloy absorber. Baesd on ANSYS, the finite element model of the LW36-252 /T3150-40 porcelain knob type SF6 high-voltage circuit-breaker is built. The recommended acceleration time history by IEEE Standard 693 and typical records of the Wenchuan 8.0 earthquake are selected for input motions. The seismic responses of circuit-breaker are calculated for uninstalling and installing lead alloy absorber at the bottom of the support respectively. The seismic-reduced effect of the lead alloy absorber and the antiseismic performance of the circuit-breaker are analyzed. The lead alloy absorber has good seismic-reduced effect and can effectively improve the anti-seismic capacity of the electrical equipments. This circuit-breaker is qualified to the moderate seismic level according to IEEE Std 693-2005.

Circuit-breaker; Lead alloy absorber; IEEE std 693; Seismic-reduced effect; Anti-seismic performance

尤紅兵，趙鳳新，2010. 瓷柱式SF6高壓斷路器抗震性能分析. 震災防御技術，5（4）：418—427.

地震行業(yè)科研專項（工業(yè)電氣設備地震安全研究，編號：200708034）資助

2010-05-16

尤紅兵，男，生于1970年。副研究員。主要研究領域：地震工程。E-mail: hbyou@126.com