干式空心電抗器模型結構減震控制試驗及數值分析

展猛 王社良 趙云

摘要：基于壓電陶瓷驅動器的工作原理以及形狀記憶合金（shape memory alloy，SMA）絲的力學性能特點，研發一種SMA壓電混合減震裝置，對其進行電一力學試驗，并在試驗數據的基礎上建立以速率符號、電壓和位移為神經元輸入的混合裝置BP網絡預測模型。最后將其安裝到一個相似比1：2的10kV干式空心電抗器結構模型中，其中壓電驅動器的激勵電壓采用T-S模糊邏輯輸出，對其進行無控、被動控制和混合控制時的模擬地震振動臺試驗和數值模擬，進而分析模型結構的動力特性變化規律和不同地震波時的地震響應抑制效果。結果表明：文中研制的SMA-壓電摩擦混合減震裝置性能穩定、構造合理，可以有效地降低電抗器結構的動力反應。一般地，被動控制時位移和加速度的減震率可達40%，混合控制時可達50%，且震后未見電抗器結構薄弱部位發生地震破壞，說明智能材料減震系統提高了電抗器結構的抗震可靠性，為電氣設備系統的減震控制保護提供了新途徑。另外，試驗與數值模擬結果吻合較好，表明BP神經網絡可以較好地跟蹤壓電SMA混合減震裝置的輸出力。

關鍵詞：減震;振動臺試驗;壓電陶瓷;形狀記憶合金;電抗器

中圖分類號：TU317⁺.1;TM47 文獻標志碼：A 文章編號：1004-4523（2020）01-0179-09

DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2020.01.020

1概述

空心電抗器作為電力運輸設備中的一員，由于自身重心高、長細比大，頭部質量大等結構特點，非常不利于抗震，常發生支柱絕緣子與電抗器組件被震壞的現象，如圖1所示。而隨著中國電網容量的大幅度增加以及電壓等級的不斷提高，電抗器設備的電壓等級及容量也不斷提升，使得設備整體高度大幅度增高，更易帶來抗震強度方面的安全隱患。近些年，電抗器設備的抗震性能研究已經受到了一些學者的重視，但主要是利用有限元軟件對其抗震性能進行分析，或從材料性能、加固措施等方面來提高電抗器設備的抗震能力。羅孟杰等對相問采用陶瓷柱和鋁柱硬連接的疊裝式空心電抗器的抗震強度進行了理論計算與試驗模態分析，并編制了用于疊裝式空心電抗器的電算程序。侯春明對干式空心電抗器總稱結構進行了地震分析，提出了計算依據與數學模型，給出了基本自振周期、地震力以及安全校核的實用計算公式。曹國旭等采用有限元分析法，分析了靜力作用下±800kV干式平波電抗器支柱式絕緣子支撐結構的內力與變形，并對結構進行了抗震性能評估。王黎明等利用ANsYs軟件建立了以3D梁單元為主的特高壓直流平波電抗器支撐結構模型，并通過反應譜法求得了混合支柱絕緣子的抗震響應。劉媛等應用ANSYS軟件對66kV干式空心并聯電抗器進行了三維有限元建模，在運用Block Lanczos法對電抗器結構進行模態分析的基礎上，采用振型分解法對電抗器結構進行了地震響應分析，結果表明：地震動作用下電抗器的垂直位移要比水平位移小一個數量級，支架部分特別是絕緣子部分，其許用應力較低，是結構抗震強度驗算的關鍵。范書立等對特高壓輸變電線路的電抗器抗震性能進行了振動臺動力模型試驗，研究了不同地震激勵下電抗器的動力特性及抗震能力，得到了電抗器關鍵部位在地震作用下的加速度、位移和應變反應及抗震薄弱部位，試驗結果表明，加速度響應在各層均有不同程度的放大，支柱絕緣子的根部和頂部是電抗器的抗震薄弱部位，豎向地震動對電抗器的動位移、加速度影響很小，對動應變影響較大。目前關于電抗器的減震分析和試驗研究還較少，因此引人振動控制技術，對電抗器設備進行減震控制試驗研究具有重要的理論意義和工程價值。

形狀記憶合金和壓電陶瓷是工程結構減震控制常用的智能材料，國內外對兩者單獨減震的相關研究和工程應用已經很多，但利用SMA壓電混合裝置進行減震控制的研究還較少。戴納新利用SMA壓電混合摩擦阻尼器進行了鋼框架模型的隔震分析;Ozbulut等研究了SMA壓電混合裝置對-20層非線性Benchmark模型的地震響應控制效果;王社良等基于改進的遺傳算法，以多模態控制性能指標作為優化準則，利用設計的SMA-壓電摩擦混合阻尼器對一空問桿系結構進行了優化控制分析。本文基于壓電陶瓷驅動器的基本原理以及SMA絲的力學性能特點，研發了一種SMA壓電混合減震裝置，對其進行電一力學試驗，并在試驗數據的基礎上建立以速率符號、電壓和位移為神經元輸入的混合裝置BP網絡預測模型。最后將其安裝到相似比1：2的10kV干式空心電抗器結構模型中，其中壓電驅動器的激勵電壓采用T-S模糊邏輯輸出，對其進行無控、被動控制和混合控制時的模擬地震振動臺試驗和數值模擬，進而分析模型結構的動力特性變化規律和不同地震波時的地震響應抑制效果，驗證研發的SMA-壓電摩擦混合減震裝置的有效性，并探討對電抗器設備進行智能減震的可行性。

2SMA壓電混合減震裝置性能試驗

本文減震試驗所采用的混合減震裝置如圖2所示，主要由箱體、滑塊、滑板、滑槽、推拉桿、擋環、SMA絲和壓電驅動器組成。當推拉桿向左運動時，左擋環推著左擋板在向左移動，SMA絲3受拉耗能;當右擋環運動至滑塊右端時，滑塊和左擋板開始一起向左運動，此時SMA絲2、SMA絲3和壓電陶瓷驅動器同時耗能。當推拉桿向右運動時，右擋環頂住右擋板向右側運動，SMA絲3受拉耗能;當左擋環運動至滑塊左端時，滑塊和右擋板開始一起向右運動，此時SMA絲1、SMA絲3和壓電陶瓷驅動器同時耗能。該混合裝置的SMA單元和壓電單元依次工作，小震時SMA單獨工作;大震時，SMA先工作，而后SMA和壓電摩擦單元同時工作，且能實時調節控制力。

本次試驗所用形狀記憶合金絲化學成分為Ti-51%atNi，相變溫度如下：Mr為-42℃，Ms為-38℃，As為-6°C，Af為-2℃，因此該絲在常溫狀態下處于奧氏體狀態。在混合減震裝置試驗之前，首先對奧氏體SMA絲進行力學試驗，以確保SMA絲的性能滿足復合裝置的耗能要求，鑒于目前單純SMA絲試驗研究較多，這里就不再贅述，僅給出混合裝置的電力學試驗。其中，SMA絲直徑0.7mm，最大應變幅值7%;SMA絲3數量為2根，長度175mm，單獨工作位移5mm;SMA絲1和2為4根，長度100mm。矩形壓電陶瓷驅動器尺寸為10mm×10mm×36mm，電壓范圍0-150V，最大伸長量40um，理論最大出力3600N。初始摩擦力為200N。試驗設備采用臺灣弘達HT9711動靜材料試驗機。如圖3所示，試驗時采用位移控制，三角波加卸載，試驗中測量了位移幅值5，9，12mm，頻率0.05，0.1，0.2，0.3Hz，電壓O，40，80，120V時三角波激勵下控制力與位移的關系。限于篇幅，這里僅給出部分試驗結果。圖4給出了無激勵電壓和120V電壓時不同頻率下的控制力一位移曲線，可以看出，滯回曲線飽滿對稱，阻尼器性能穩定，受頻率的影響較小。圖5給出了0.1Hz下不同電壓時的控制力一位移曲線，可以看出，隨著電壓的增大，阻尼器的最大控制力逐漸提高，滯回環面積不斷增大，耗能能力逐漸增強。

3振動臺試驗

3.1試驗模型

空心電抗器實體一般呈圓柱狀，由多層線圈組成，質量分布均勻，頂部留有用于連接上層電抗器實體的上星形鋼架，底部留有用于連接支柱絕緣子的下星形鋼架。支柱絕緣子一般由絕緣子和支撐組成，端部一般固定于混凝土底盤上，當有防震要求時，也可采用預埋底腳螺栓安裝。常用的支柱絕緣子類型主要有瓷瓶絕緣子、玻璃鋼絕緣子和混合絕緣子，由于電抗器結構的連接件需采用無磁性材料，支撐一般采用鋁柱支撐結構。根據電抗器的結構特點和使用要求，選擇10kV高式空心電抗器作為研究對象，其額定電抗率為6%，電容容量為2700kVar，安裝直徑為750mm，相問距離為315mm，支點個數為4個。同時設計制作了其相似比為1：2的結構模型，電抗器模型實體采用4層3mm的鐵皮圍成的圓柱體來模擬，外徑為50cm，高為30cm，質量為40kg;支柱絕緣子為4根，采用環氧樹脂玻璃纖維增強混合絕緣子，高為4cm，鋁柱支撐高為56cm，直徑18mm，壁厚1mm。限于振動臺質量限制條件，不再布置底盤，直接將鋁柱端部固定于臺面。

電抗器模型的振動控制主要是降低電抗器實體的加速度反應，減小地震力，防止絕緣子連接部位剪切破壞。減震裝置一般可在兩支柱絕緣子之問采用斜撐阻尼/作動桿件的方式進行安裝，其中減震桿件的一端與支柱絕緣子頂部相連的上星形架固定，另一端與另一支柱絕緣子的根部固定，這樣便可利用減震桿件的分力控制多維地震波作用。為便于安裝，文中的試驗模型采用支架平臺布置方式安裝減震裝置，將減震裝置固定在一支架平臺上，同時推拉桿與電抗器設備的下星形架相連接，只要支架的側向剛度大于支柱絕緣子的側向剛度，減震裝置即可有效地控制電抗器結構的地震響應。限于臺面尺寸，這里使推拉桿與圓柱體鐵皮下焊接的固定桿進行螺栓連接，如圖6所示。

3.2試驗裝置及設備

根據本次減震試驗的特點，西安建筑科技大學實驗室自主研發了其仿真控制系統。試驗結果表明，該仿真控制系統可以根據結構動力響應實時調整減震裝置的控制力大小，較好地實現了壓電摩擦單元的半主動控制，抑振效果明顯。試驗用到的儀器還有：EM1712S直流穩壓電源、大功率穩壓驅動電源、891型位移拾振器、941B型速度拾振器、PCB加速度傳感器、GF-300B型功率放大器、INV306S型智能信號數據采集儀、計算機動測信號分析系統等。部分儀器和設備如圖7所示。

3.3傳感器布置及試驗工況

3.3.1傳感器布置

振動臺臺面上分別布置速度傳感器、位移傳感器和加速度傳感器各一個，如圖8（a）所示，并且對速度傳感器采集到的信號進行微分得到加速度反應，然后與另一個加速度傳感器采集到的信號進行對比，以驗證微分的準確性。模型結構底部的星形架上分別布置一個速度傳感器和一個位移傳感器，如圖8（b）所示，且將速度傳感器采集到的信號作為仿真控制系統的輸入來調節減震裝置的控制力，加速度反應由速度反應微分得到。

3.3.2試驗工況

本次試驗原結構設計為8度設防，二類場地土。依據《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010）表5.1.4-2，特征周期Tg=0.35s。根據設計的假定場地條件及其動力特性，選取兩條天然波（E1Centro波和江油波）和一條人工波（上海波）作為試驗時的輸入地震激勵。上海波為《上海市建筑抗震設計規程》推薦的人工擬合的地震波，原場地類別Ⅳ類，經Seis-moSignal軟件轉化為Ⅱ類場地類別，其時程曲線如圖9所示，其持時為20s，間隔0.02s。

試驗時，首先采用50gal白噪聲對結構進行掃頻，測得其自振頻率。然后輸人不同地震波，加速度峰值分別調幅為600gal，進行無控、被動控制和混合控制時的振動臺試驗，測量不同工況下結構的動力響應，并進行對比分析。限于試驗條件，這里僅進行單向地震波激勵下的振動臺試驗。

3.4控制流程

整個實驗控制系統由模型結構、SMA壓電混合減震裝置、加速度傳感器、A/D轉換器、控制器、D/A轉換器和壓電陶瓷驅動穩壓電源組成，由T-S型模糊控制器確定施加電壓值的大小。其中，A/D轉換器、控制器、D/A轉換器這三部分由dSPACE實時仿真系統來完成。其過程為：通過振動臺產生地震動激勵，由布置在結構上的傳感器測量結構的速度反應，然后轉化為數字信號作為控制器的輸入，此時通過編譯好的控制算法計算出電壓值，利用驅動電源對壓電陶瓷驅動器施加電壓，從而實時改變SMA壓電混合減震裝置的輸出力來控制結構的反應。

3.5試驗結果與分析

3.5.1動力特性分析

將白噪聲掃頻得到的加速度信號，通過離散傅里葉（FFT）變換到頻域，即可得到無控結構和有控結構的傳遞函數，如圖10所示。由傳遞函數可得到結構的自振頻率，并由半功率帶寬法可求得其阻尼比。電抗器模型的結構參數如表1所示。可以看出，安裝SMA-壓電摩擦混合減震裝置后，由于SMA絲的作用，結構的頻率和剛度略有增大，而阻尼比則增加兩倍，抗震能力顯著提高。

3.5.2動力反應分析

表2給出了不同地震波激勵下電抗器結構無控、被動控制和混合控制時的相對位移反應峰值和相對加速度反應峰值。可以看出，E1Centro波和上海波激勵時，層位移和層加速度被動控制的減震率都約為40%，混合控制減震率約為50%;江油波相對能量較大，減震效果也相對更好。被動控制時，位移減震率為55.72%，加速度減震率為39.41%，混合控制時，兩者都約為60%。相對被動控制，混合控制減震率可提高約10%，雖增加了能量輸入和控制算法，但電力設備的安全運行直接關乎著人民的經濟生活和國家的生產建設，因此混合控制技術的應用仍是值得的。同時還可以看出，不同地震激勵時的被動控制的動力反應和混合控制動力反應相差都不是很大，而減震率的不同主要體現在無控反應上，這主要是因為結構模型質量較小，相應的地震力也較小，而SMA絲1或SMA絲2和壓電摩阻力介人后，其動力反應很難再增加，同時也問接地說明了小震時，SMA絲3即可積極消耗地震能量，減小地震反應。

圖11-13給出了不同地震激勵時結構無控、被動控制和混合控制時的動力反應時程對比曲線。可以看出，由于壓電摩擦耗能單元的介入，混合控制時的減震效果優于被動控制。圖14給出了三種地震動激勵下混合控制時的電壓時程曲線。可以看出，壓電摩擦單元的阻尼力可以根據結構的動力反應實時調整，并與SMA絲被動耗能單元結合，實現電抗器結構模型的混合半主動控制。

3.5.3試驗結果與數值模擬對比

BP網絡預測模型可綜合考慮多種因素，較好地跟蹤復雜因素下減震裝置的輸出力，且便于在MATLAB仿真中實現，為此，文中基于課題組前期的研究，建立了以速率符號、電壓和位移為神經元輸人的混合裝置BP網絡預測模型，網絡結構如圖15所示。同時以T-S模糊邏輯來判斷電壓值的大小，因此，對于具有n個自由度的剪切型結構模型，在其結構上安裝p個減震裝置，當受到一維地震作

4結論

研發了一種新型SMA壓電混合減震裝置，進行了相應的電一力學試驗。設計制作了一個相似比1：2的10kV干式空心電抗器模型，對其進行了無控、被動控制和混合控制時的模擬地震振動臺試驗和數值模擬，分析了El Centro波、江油波和上海波時的結構動力反應及其減震效果。主要結論如下：

（1）混合減震裝置的SMA和壓電單元依次工作，當小震時SMA單獨工作，當大震時，SMA先工作，而后SMA和壓電單元同時工作，是一種構造合理，性能穩定，耗能能力好的減震裝置。

（2）在被動控制的基礎上，SMA-壓電混合減震裝置可以根據結構的動力反應實時改變壓電單元阻尼力的大小，進一步降低電抗器模型結構的地震響應。一般地，被動控制時，位移和加速度減震率可達40%，混合控制可達50%，且震后未見電抗器結構薄弱部位發生地震破壞，說明智能材料減震系統提高了電抗器結構的抗震可靠性，為電氣設備系統的減震控制保護提供了新途徑。

（3）基于減震裝置的試驗數據，以速率符號、電壓和位移為神經元輸人的BP網絡對減震裝置的輸出力進行跟蹤，利用T-S模糊邏輯來調整壓電單元激勵電壓的大小，建立了電抗器結構SMA-壓電混合減震控制仿真模型，結果表明，仿真結果與試驗結果吻合較好，表明BP神經網絡可以較好地跟蹤壓電SMA混合減震裝置的輸出力。