500 kV 避雷器抗震性能振動臺試驗研究

孟憲政，代澤兵，盧智成，朱祝兵，高坡

(中國電力科學研究院，北京市102401)

500 kV 避雷器抗震性能振動臺試驗研究

孟憲政，代澤兵，盧智成，朱祝兵，高坡

(中國電力科學研究院，北京市102401)

通過500 kV避雷器設備的振動臺抗震試驗，研究標準時程波對避雷器設備抗震性能評估的適用性?？拐鹪囼炦^程中進行單向輸入和雙向輸入，輸入波形包括人工標準時程波、EL Centro地震波、Taft地震波和共振拍波。試驗結果表明，在相同地震等級的上述4種地震波的作用下，標準時程波激勵下的設備根部應力最大。由于標準時程波對應反應譜卓越頻率段較平緩，對于不同設備的試驗結果差異相對較小，因此標準時程波適用于500 kV避雷器的抗震性能評估。雙向激勵與單向激勵試驗結果對比表明，對于雙向軸對稱結構進行抗震性能評估時可以僅進行單向激勵振動臺試驗。

500 kV避雷器;振動臺試驗;抗震性能;卓越頻率

0 引言

電力系統是生命線工程的重要組成部分，是維持國民經濟命脈的關鍵環節。隨著社會經濟的發展，各領域對于電力的依賴程度越來越大。近幾十年，國內外多次地震災害對電力設施均造成了巨大破壞，嚴重影響到社會的正常秩序。

在電力公司大力發展高壓送電的同時，對于電氣設施抗震性能的要求也越來越高。500 kV避雷器作為電力系統的保護電器，在500 kV高壓輸電系統中得到了廣泛的應用，其抗震性能對于電網系統的安全運行是十分重要的。張軍等運用EL Centro波、Taft波及人工波對220 kV絕緣子及避雷器進行振動試驗研究并得出結論:由于避雷器設備相對于絕緣子設備高，自重大，在地震中反應更為劇烈，抗震能力比支柱絕緣差［1］。李秋熠等在對1 000 kV避雷器隔震性能的有限元分析中指出:對稱結構2個方向上的響應不耦合，雙向輸入避雷器結構2個方向上的地震響應幾乎相同，但合成后的地震響應比單向輸入大［2］。實際地震過程中2個方向的應力響應有可能沒有同時達到最大值，與計算結果相比較可能會有差異。

振動臺試驗過程中的輸入波形有人工波、實際地震波等多種波形，對于高壓電氣設備振動臺試驗輸入波形還沒有形成統一的標準。高壓電氣設備在同等級地震烈度的不同地震波作用下，其振動響應不同，給準確評估其抗震能力帶來了困難。

本文通過對某500 kV避雷器輸入多種地震時程波，研究不同地震波作用下設備根部應力的變化、單向激勵輸入與雙向激勵輸入設備應力響應的差異以及標準時程波對于高壓電氣設備的適用性。最后用有限元軟件進行數值仿真分析，得到設備在地震波作用下的應力，并與試驗結果進行對比，修正數值模型，驗證計算結果的合理性。

1 試驗概況

本次試驗是在國家建筑工程質量監督檢驗中心6 m×6 m模擬地震振動臺上進行的，振動臺系統的主要技術指標如下:工作頻率為0.1～50 Hz，標準負荷為60 t，最大傾覆力矩為1 800 kN·m，最大偏心力矩為600 kN·m，臺面最大加速度x方向為±4.0 g(空臺)和±1.5 g(標準負荷)，y方向為±2.5 g(空臺)和±1.0 g(標準負荷)，z方向為±3.0 g(空臺)和±0.8 g(標準負荷)。試驗試件為500 kV避雷器，避雷器高度約為5.7 m，質量約為1 200 kg，瓷瓶節數為3節，彈性模量為1.0×1011MPa，設備下端通過剛性支架與振動臺用螺栓連接。在避雷器每節瓷套根部的x向和y向對應位置粘貼應變片，在振動臺臺面和避雷器頂部以及每節瓷套的根部放置加速度計，共使用加速度計8個，應變片12個，設備測點布置圖如圖1所示。

動力特性試驗工作頻率為0.5～50 Hz，加速度峰值為0.05 g，持續時間為120 s的白噪聲隨機波，通過關鍵部位的加速度反應得到設備的自振頻率及阻尼比。

抗震試驗選用的EL Centro波、Taft波是基于IEEE 693標準來選取的實際地震波［3-4］。EL Centro波是1940年5月18日美國Imperial山谷地震(M7.1)在EL Centro臺站記錄的加速度時程，它是廣泛應用于結構試驗及地震反應分析的經典地震記錄;Taft地震波是1952年7月21日發生的加利福尼亞州Kern縣的地震，在Taft Lincoln學校采集的記錄［5］。共振拍波是根據GB 50260—1996《電力設施抗震設計規范》中正弦共振調幅波公式生成的人工地震波［6-7］。人工標準時程波是根據人工標準反應譜擬合而來的。而人工標準反應譜是在對電氣設備相關抗震、減震課題研究的基礎上，結合高壓電氣設備自身的機械強度特點，為方便設備廠商的標準化生產以及電網工程中設備的選用，而提出的對電氣設備進行抗震性能評估時采用綜合方案和區劃圖方案相結合的建議譜。標準反應譜的特征周期為0.9 s，可以包絡所有類型場地［8］。各輸入時程波對應的加速度反應譜如圖2所示，各時程波的波形圖如圖3所示。

從圖2輸入時程波的加速度反應譜可以得知，EL Centro波和Taft波在1～10 Hz地震波卓越頻率范圍內波動較大，有差異較明顯的波峰和波谷值。這樣會造成對不同頻率的設備在EL Centro波和Taft波地震試驗中所得的測試結果有較大的差異。而共振拍波在共振頻率點的譜值達到最大，然后向兩側急速減小，而標準反應譜卓越頻率段較寬且平坦，對不同頻率的設備振動臺抗震能力評估差異較小。

2 試驗過程

振動臺輸入加速度峰值分為2個等級，分別為7度0.1 g、8度0.2 g，根據相關規范考慮支架動力放大系數為1.2［6］，實際臺面輸入加速度峰值為0.12 g和0.24 g。試驗前后輸入白噪聲測試試件的頻率和阻尼比。地震激勵分別沿x向和x+y向輸入試驗用地震動時程［9］，測得試件的應變、加速度等地震響應，試驗前后用白噪聲來測試設備的自振頻率，確保設備內部沒有損傷。

3 試驗結果

3.1 實測頻率和阻尼比

通過白噪聲試驗測得試驗前后設備的基頻和阻尼比變化如表1所示。從表1中數據可知試驗前后設備的頻率降低了6.02%，阻尼比增加了12.5%，可見設備在試驗過程中剛度和阻尼有所變化，設備呈現一定的非線性因素。導致這種因素的原因包括試驗過程中法蘭連接部位螺栓的松動、設備本身的材料特性等因素。通過對設備頂部加速度的功率譜分析，得出設備的二階頻率為20.6 Hz，在地震譜的卓越頻率之外，因此振動臺試驗設備的振動以一階振型為主。

3.2 振動臺單向波輸入試驗結果

振動臺試驗過程中，單方向輸入上述4種波形，得到設備根部應變時程結果。因振動臺輸出控制系統存在誤差，臺面輸出加速度時程波與輸入目標時程波有一定的差距，需要對試驗結果進行處理。標準反應譜按照臺面輸出反應譜與期望譜(目標譜)的容差在0～15%的要求調整試驗結果，本次試驗標準時程輸出譜與標準反應譜容差較大，考慮到設備以一階振型為主，調整的目標是將設備自振頻率附近的輸出譜調到目標譜之上，而EL Centro波、Taft波和共振拍波對應的設備應力以臺面輸出加速度時程峰值與實際輸入加速度峰值相等的原則進行調整，實測試驗結果和整理后的試驗結果如表2和表3所示。調整前后的反應譜曲線如圖4所示。

由圖4可以得到各地震波在設備一階頻率點和二階頻率點對應的加速度反應譜值如表4所示。

由表3、表4和圖4可以得出如下結論:

(1)當峰值加速度為0.12 g、0.24 g時，標準時程波、Taft波和EL Centro波作用下的臺面輸出加速度反應譜對應的卓越頻率范圍(1～10 Hz)在設備自振頻率附近相對于共振拍波比較平緩，設備應力由大到小依次為標準時程波、Taft波和EL Centro波，而且與設備自振頻率點的加速度反應譜大小順序對應。

(2)從臺面輸出加速度反應譜的平緩度來看，標準時程波是最穩定的，EL Centro波和Taft波在卓越頻率段設備自振頻率附近有較大的波峰波谷值，這會造成對不同頻率的設備在EL Centro波和Taft波地震試驗中所得的試驗測試結果有較大的差異。

(3)雖然共振拍波在設備的自振頻率點對應的加速度反應譜值最大，但是在自振頻率附近其反應譜幅值急速減小，而且設備自振頻率在試驗過程中是變化的，根據某一頻率值生成的共振拍波在試驗中并沒有與設備完全共振，這就可能造成雖然共振拍波對應的自振頻率點的加速度反應譜值最大，而設備應力卻不是最大的結果。

3.3 單向激勵與雙向激勵的試驗結果對比

試驗模型從雙方向輸入除共振拍波以外的上述3種波，所得試驗結果與單向工況下的試驗結果進行對比，得到設備的最大應力如表5所示。

雙向激勵時，首先對設備根部應力2個主軸方向同時刻的應力求矢量和，然后取其峰值作為雙向激勵作用下的設備最大應力值。從表5中數據可以看出:雙向軸對稱設備在單向地震波激勵作用下設備根部應力與雙向地震波激勵下的設備根部應力之比為0.84～1.21。除加速度峰值為0.12 g的Taft波工況下的單向激勵設備應力比雙向激勵設備應力大以外，其他工況下單向激勵設備應力均小于雙向激勵的設備應力。僅看單向激勵設備應力比雙向激勵設備應力大的工況，比值為0.84～1.0，均值為0.94，除去最小比值0.84，其比值范圍為0.93～1.0?？傮w上看，單向激勵與雙向激勵作用下設備的應力差異不大。因此在對雙向軸對稱的高壓電氣設備進行工程抗震評估時可以認為僅需進行單向激勵輸入的振動臺試驗。

4 數值模擬計算與試驗結果對比

根據GB 50260―1996《電力設施抗震設計規范》，按照等效彎曲剛度原則將法蘭等效成圓截面短梁，最終建立的避雷器設備數值模型如圖5所示，模型中采用Beam189單元模擬避雷器套管和法蘭，Mass21單元模擬均壓環及附屬結構的質量，約束結構最底端節點［10］。數值模擬計算所得的設備基頻為2.47 Hz，與試驗所測設備頻率吻合，仿真計算與試驗抗震結果分析對比如表6所示。

數值計算采用的時程為振動臺試驗臺面的輸出時程，阻尼比用試驗所測設備的阻尼比。由表6中數據可知:數值模擬計算所得設備應力與試驗結果的比值為0.94～1.67，總體上看計算結果普遍大于試驗結果，這可能是因為在試驗過程中，白噪聲激勵較小，所測阻尼比較小，設備實際振動中的阻尼比大于所測的阻尼比，設備整體耗能增加，導致試驗結果普遍小于計算結果。計算結果與試驗結果差異最大的是共振拍波，這是由于在振動臺試驗過程中，設備剛度減小，頻率減小，導致共振拍波與設備沒有產生共振，從而使試驗結果明顯小于計算結果。

5 結論

(1)設備在試驗前后自振頻率略微減小，阻尼比略微增大，設備在試驗過程中表現出一定的非線性因素。高壓電氣設備較柔，頻率較低，處于地震波卓越頻率范圍以內，而且阻尼較小，在地震中的響應比較大。

(2)當地震加速度峰值為0.12 g、0.24 g時，標準時程波對應的設備應力最大，Taft波和共振拍波其次，設備應力最小的是EL Centro波，設備應力大小與臺面加速度反應譜自振頻率點的譜值成正比關系。EL Centro波和Taft波的加速度反應譜卓越頻率段的設備自振頻率附近有較大的波峰波谷值，在使用EL Centro波和Taft波作為地震臺輸入時，對不同頻率的設備的地震作用會有較大差異。標準時程波的加速度反應譜在卓越頻率段比較穩定，對于不同頻率設備的地震作用差異較小，而且標準反應譜的試驗結果能夠包絡其他地震波，因此標準反應譜擬合而成的地震動的過程，適用于高壓電氣設備的振動臺試驗。

(3)由于設備具有雙向軸對稱性，雙向激勵與單向激勵作用下設備的根部應力差異不大，因此在對雙向軸對稱的設備進行抗震評估時，振動臺試驗過程中，可以僅進行單向激勵作用下的振動臺試驗，這樣有利于簡化高壓電氣設備的振動臺試驗過程，節約成本。

(4)數值計算結果和試驗結果有一定的差異，但總體上看數值計算結果與試驗結果吻合。設備本身具有一定的質量分布，在計算中可能未得到充分體現，而且法蘭剛度等效系數以及螺栓連接模擬也有待進一步研究。

(5)高壓避雷器設備一般為脆性材料，體型高且自重大，抗震能力弱。

［1］張軍，陳大斌，張子引，等.220 kV絕緣子及避雷器振動試驗研究［J］.電力技術經濟，2009，21(4):47-50.

［2］李秋熠，朱瑞元，孫琪，等.1 000 kV避雷器隔震性能的有限元分析［J］.電力建設，2013，34(2):22-27.

［3］Institute of Electrical and Electronics Engineers.IEEE Std 693—2005 recommended practice for seismic design of substations［S］.New York:IEEE Press，2006.

［4］謝強，朱瑞元，周勇，等.220 kV隔離開關地震模擬振動臺試驗［J］.電網技術，2012，36(09):262-267.

［5］張軍，齊立忠，李科文，等.電瓷型高壓電氣設備的抗震試驗及有限元分析［J］.電力建設，2011，32(7):6-10.

［6］GB 50260―1996電力設施抗震設計規范［S］.北京:中國計劃出版社，1997.

［7］尤紅兵，張郁山，趙鳳新.電氣設備振動臺試驗輸入的合理確定［J］.電網技術，2012，36(5):118-124.

［8］GB 50011―2010建筑抗震設計規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2010.

［9］劉陽，魏峰，聶志強，等.500 kV電容式電壓互感器抗震試驗［J］.電力電容器與無功補償，2010，31(4):42-46.

［10］張雪松，代澤兵，曹枚根，等.安裝新型鉛減震器的500 kV氧化鋅避雷器抗震［J］.武漢大學學報:工學版，2011，44(1):107-110.

(編輯:張媛媛)

Shaking Table Test for Seismic Performance of 500 kV Arrester

MENG Xianzheng，DAI Zebing，LU Zhicheng，ZHU Zhubing，GAO Po
(China Electric Power Research Institute，Beijing 102401，China)

This paper studied the application of artificial standard time history wave on the seismic performance evaluation of 500 kV arrester in shaking table test，in which artificial standard time history wave，EL Centro seismic wave，Taft seismic wave，Beat-Wave were inputted unidirectional or bidirectional.The test results show that，under above 4 kinds of seismic waves with the same seismic grade，the stress of the equipment root under the action of artificial standard time history wave is the largest.The difference of test results for the different equipment under the action of artificial standard time history wave should be relatively small because the dominant frequency segment of the response spectrum of time history waves is gentle，so artificial standard time history wave is applied to the seismic performance evaluation of 500 kV arrester.Comparison results under the action of unidirectional or bidirectional waves demonstrate that it can only carry out unidirectional excitation shaking table test for the seismic performance evaluation of two-dimensional axisymmetric structure.

500 kV arrester;shaking table test;seismic performance;dominant frequency

TM 862

A

1000－7229(2014)01－0035－05

10.3969/j.issn.1000－7229.2014.01.007［HT］

國家電網公司科技項目(GCB17201200084)。

2013-07-07

2013-08-23

孟憲政(1986)，男，本科，主要從事結構抗震、減震方面的研究工作，E-mail:mengxianzheng@epri.sgcc.com.cn;

代澤兵(1975)，男，博士，主要從事結構振動和防災減災方面的理論研究工作;

盧智成(1978)，男，博士，主要從事結構抗震、減震方面的研究工作;

朱祝兵(1982)，男，碩士，主要從事結構抗震、減震方面的研究工作;

高坡(1986)，男，本科，主要從事結構抗震、減震方面的研究工作。