GIS高壓電氣設備抗震性能試驗研究

盧棟 楊前 劉壯

摘要：隨著我國經濟的發展，電網建設也發展的越來越快，增加了大量變電站，這就對高壓開關設備的品種和質量提出了更為嚴格的要求。與此同時，由于城鄉建設發展，相對緊缺的土地資源，氣體絕緣金屬封閉開關設備（以下簡稱GIS）依靠自身的特點和優勢，已廣泛應用于發電廠和變電站。GIS 高壓電氣設備具有優質的抗震性能，但其套管處加速度綜合放大系數及位移值均大于設備主體，因此，在設計時，為了在套管處提高其抗震能力就要采取必要的加強措施，從而防止在地震激勵下破壞高壓電氣。

關鍵詞：GIS；高壓電氣；抗震性能

隨著我國電力事業的大力發展，我國越來越多地開始研究高壓開關設備的設計，高壓開關設備形式眾多，GIS是最適合在地震多發地區或國家使用的變電設備。研究GIS外體結構的抗震性能，就要不斷發展深化抗震理論在GIS設備抗震性能分析中的應用，為我國電力事業的發展提供結構抗震領域方面技術上的支持。

1 GIS電氣設備簡介

根據國內外學者對大量變電站設備地震后破壞程度的研究分析，發現GIS設備是最適合在地震多發地區或國家使用的變電設備，這種組合電器將斷路器、互感器、隔離開關、接地開關、避雷器、控制機關、母線及出線終端等部件全部封閉在金屬接地外殼中，并充入絕緣保護氣體SF6的電氣設備。GIS開關設備使所有變電組件成為1個整體，擁有了較大的剛度，一定程度上避開了地震卓越周期，在地震發生時可以有較好的抗震表現，除此之外，GIS設備更具有占地面積小、可以到達較高電壓、結構容量大、結構組成靈活及便于安裝等優點，從而廣泛應用在地震多發地區。

2 高壓電氣設備的抗震設計理論

抗震設計理論起初主要在建筑結構領域得以廣泛應用與發展，隨著城市化建設的發展與科技的進步，抗震設計理論才逐漸開始延伸到了其他學科的結構設計當中，日本、美國等發達國家在這方面應用已經比較成熟。我國在高壓電氣設備結構的抗震設計中，目前其行業規范對抗震設計方法的選用主要有以下兩個要求：（1）在較早版本的規范（《電力設施抗震設計規范》GB50260-1996）中規定，對電力設施中的電力構筑物和電氣設備，可按規范中相應的具體條款規定，分別采用底部剪力法、振型分解反應譜法對其進行抗震分析；但對于電氣設備也可以選用靜力設計法、動力設計法或時程分析法進行設計計算；（2）在最新的規范（《高壓開關設備和控制設備的抗震要求》GB/T 13540—2009）中，第7章節主要給出了試驗和分析綜合驗證的相關規定，其中對數值分析、加速度時程數值分析、利用要求的響應頻譜（RRS）的模型分析以及靜態系數分析均有所說明。

3 GIS電氣設備振動臺試驗

3.1 試驗設備

試驗研究對象為ZF33-126型GIS電氣設備，為方便后文對其進行相關描述，在此對坐標系方向進行定義，并在實物圖上標明。該設備主體高約4m，沿Y方向長約4m，沿X方向長約2.5m，材料以鋁合金為主。此外，設備上端部還安裝有3個陶瓷絕緣出線套筒，套筒長約1.5m，分別與水平面成45°角傾斜向上。

3.2安裝固定及測點布置

振動臺臺面布置加速度傳感器獲得被測設備底部真實的輸入；GIS 電氣設備易發生破壞的套筒根部與法蘭連接處分別布置加速度傳感器；對于可能出現顯著位移、較大變形或應力較大的設備外殼的頂部、套管頂部布置位移及加速度測點，并在套管根部的瓷件上布置應變片，以測試其應變響應。

3.3 人工地震波的合成

結構地震反應的分析方法有三種：靜力法、反應譜法以及時程分析法。時程分析法是對結構或其力學模型直接輸入實際地震動記錄或者人工地震波，從抗震設計理論上將等效靜力分析過渡到直接動力分析，在設計中更真實的描述整個時間歷程中結構在任意時刻的地震反應，同時，時程分析法還可對結構進行彈塑性的動力分析，彌補了反應譜法分析的不足之處，是地震反應分析方法的一次飛躍。作為生命線工程，電力系統中高壓電氣設備的使用功能特殊而又重要，采用動態時程分析法研究結構的地震反應與實際的震害現象更加符合。而對于時程分析方法，合理的選擇適宜的地震波是最關鍵的。

4 試驗結果分析

4.1 動力特性

采用半功率法求解結構阻尼，結構設備的自振頻率可通過結構響應與輸入信號間的傳遞函數而求得，即結構受簡諧振動的干擾時所產生的穩態響應與干擾的比值。

4.2 加速度時程響應分析

試驗中測試了隔離開關 GIS 設備在人工地震動及 El-centro地震波兩種工況下各測點的加速度時程曲線。分別測得設備關鍵部位測點分別在 X、 Y 向地震動輸入下的加速度反應峰值及其放大系數。以及X、Y 單向地震動輸入時，部分測點的加速度時程曲線。

4.3 位移時程分析

隨著輸入地震動幅值的增大，設備各部分所產生的位移值越大；在相同地震輸入下，套管頂部的位移值均大于設備主體外殼頂部的位移；輸入幅值與波形相同時，設備在X 向激勵下產生的變形比Y向大的多，說明動力放大效應在X 方向表現更顯著。

4.4 應變時程響應分析

大量震害實例表明，隔離開關等電氣設備在地震中的破壞主要表現為電瓷瓶的中部或者根部截面處因應力過大而導致斷裂失效，尤其是瓷瓶與法蘭連接的部位。因此在 GIS設備的抗震能力考核中，考核套管根部的應變或應力是驗證設備抗震性能的重要方式。

綜上所述，作為電力系統抗震的薄弱環節，高壓電氣設備在地震中容易發生破壞，一旦設備遭受破壞，不但會給電力系統帶來直接損失，還會危害國民經濟，對社會造成沖擊，因此對高壓電氣設備的抗震性能進行研究具有重要的意義。

參考文獻：

[1]楊濤，王社良，劉偉，李彬彬.GIS高壓電氣設備抗震性能試驗研究[J].世界地震工程，2016，01：146-155.

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