近斷層地震動作用下變電站避雷器的地震響應分析

楊春俠，揭雙全，趙曉宇，曾楠，陳樹，吳艷謀，倪玉雙

（長沙理工大學土木工程學院，湖南長沙 410114）

0 引言

變電站是生命線工程的重要組成部分，一旦在地震中遭受破壞，將會嚴重威脅人民的生命和財產安全，給國民經濟和國家安全帶來巨大的損失。《電力設施抗震設計規范》（GB 50260—2013）對有關近斷層地震作用及其對電氣設施抗震設計的影響表述相對較少[1]。 隨著我國經濟社會的發展，研究近斷層脈沖型地震作用下電氣設備的響應及可能產生的不利影響，對變電站的地震防護有著十分重要的作用。

近幾年發生的近斷層大地震， 比如1994 年美國的Northridge 地 震、1995 年 日 本 的Kobe 地 震、1999 年 中 國 臺 灣 的Chi-Chi 地震、2008 年中國的汶川地震等獨特的運動特征及對工程結構的嚴重損害引起了工程界的廣泛關注[2]。近斷層地震動具有不同于遠場地震的一些特征，主要是上盤效應、破裂方向效應、長周期速度脈沖等。上盤效應指的是鑒于位于滑斷層上盤上面的場地總體上要比位于下盤相同的斷層距的場地更接近斷層，因而上盤產生的短周期地震動比下盤更強[3]。 破裂方向效應是由于斷層面上朝著一個觀測點傳播， 斷層破裂以接近剪切波速的速度向前傳播，在這個觀測點積聚大部分能量，該點記錄時顯示出明顯的大幅值、長周期脈沖特性[4]。 長周期速度脈沖是由破裂方向效應和“Fling step”效應兩種原因產生的，破裂方向效應產生的速度脈沖主要發生在垂直于斷層面的方向；“Fling step”效應產生的單向速度脈沖出現在近斷層的場地上，且與震中的位置無關[3]。

陳艷[5]采用有限元軟件分別建立了4 層鋼筋混凝土框架非隔震和隔震結構有限元分析模型，分析了它們在近斷層水平地震單獨作用和水平及豎向地震共同作用下的地震響應。 劉鵬[6]等人選擇了2 條近斷層地震波和1 條遠場地震波， 然后在0°～90°間按15°間隔計算了7 個輸入角時橋梁的地震響應。 包華[7]等人分析了基礎隔震結構在近斷層水平-豎向地震分量共同作用下的動力響應以及隔震支座的受力狀態。 薛棟楊[8]研究了近斷層地震動和遠場地震動作用下梁軌體系的內力和位移的變化規律。 根據目前相關資料可知，學者對建筑和橋梁在近斷層地震作用下的抗震性能研究較多， 對電氣設備在近斷層地震作用下的抗震性能研究很少，因此，研究電氣設備在近斷層地震作用下的抗震性能很有必要，對電氣設備今后的設計及研究有一定參考價值。

本文從太平洋地震工程研究中心數據庫中選取1999 年臺灣Chi-Chi 地震的地震波和1994 年美國的Northridge 地震的地震波，這些地震含有近斷層地震速度脈沖型和無速度脈沖型的地震記錄，對這些地震記錄單方向輸入時，對比分析了避雷器結構的動力響應。

1 實例概況

該避雷器型號為Y20W2—648/1491BC 型， 為某避雷器有限公司所生產，該避雷器由四節瓷套管和傘裙組成，瓷套彈性模量為100GPa，密度為2650kg/m3，法蘭的密度為7300kg/m3，法蘭彈性模量為150GPa，瓷套和法蘭泊松比為0.3，從上至下，第一、二節瓷套長度為1734.5mm，外徑為275mm，內徑為175mm，第三、四節瓷套長度為2496mm，外徑為375mm，內徑為275mm，瓷套重量分別為240kg、500kg，設備總重量為3050kg，結構的自振頻率為2.3Hz。

支架鋼材采用Q235B 鋼，鋼材的彈性模量為206GPa，密度為7850kg/m3， 泊松比為0.3， 避雷器支架采用的L 型鋼， 規格為L100×10、L45×5，支架高度為3.189m。

2 有限元模型的建立

本文采用ABAQUS 有限元分析軟件對750kV 避雷器設備進行有限元模擬，在進行有限元模型建立時，瓷套管、法蘭和支架選用三維梁單元模擬，均壓環和附屬結構采用集中質量點模擬。

建立法蘭的數值模型時，根據《電氣設施抗震設計規范》（GB 50260—13）[1]計算連接瓷套管法蘭的彎曲剛度，并用一個等效梁單元代替。

當法蘭與瓷套管膠裝時，彎曲剛度Kc可按下式計算：

式（1）中：Kc—彎曲剛度（N·m/rad）；dc—瓷套管膠裝部位外徑（m）；hc—瓷套管與法蘭膠裝高度（m）；te—法蘭與瓷套管之間的間隙距離（m）。

當法蘭與瓷套管用彈簧卡式連接時，其彎曲剛度可按下式計算：

式（2）中：h′c—彈簧卡式連接中心至法蘭底部的高度（m）。該梁單元的截面慣性矩Ic可按下式計算：

式（3）中：Ic—截面慣性矩（m4）；Lc—梁單元剛度（m），取單根瓷套管長度的1/20 左右；Ec—瓷套管的彈性模量（Pa）。

本文采用ABAQUS 有限元分析軟件對750kV 避雷器設備進行有限元模擬分析，在進行有限元模型的建立時，由于法蘭與瓷套管膠裝，其彎曲剛度按照式（1）計算，瓷套管、法蘭和支架選用三維梁單元B31 模擬，均壓環和附屬結構采用集中質量點模擬， 支架頂板采用S4R 殼單元模擬。 避雷器本體有限元模型和避雷器結構有限元模型如圖1所示。

圖1 三維有限元模型

3 地震波的選取

速度脈沖型運動在近斷層脈沖型地面運動中最為常見。 此類運動在地震的初始階段就給結構輸入很高的能量，進而引起結構較大的損傷。 為了分析近斷層水平地震波作用下避雷器的抗震性能，選取地震波的原則[5]：（1）根據近斷層地震的定義，選取斷層距小于20km 的地震波；（2）根據近斷層地震不同于遠場地震的強度特征， 選取震級MS≥5.5的地震波；（3）根據近斷層地震動強地面運動的特性，選取峰值加速度PGA≥0.1g 的地震波。

本文的地震波輸入選取1999 年臺灣Chi-Chi 地震的2 條近斷層地震波TCU075（E）、TCU075（N）和1994 年美國Northridge-01 地震的兩條地震波Newhall-Fire Sta、Burbank-HowardRd，他們的斷層距分別為0.89km、0.89km、5.92km、16.88km， 如表1 所示。文中所選2 組脈沖型地震的加速度時程圖，如圖2 所示。 此兩組近斷層地震的脈沖效應明顯， 特別是臺灣的Chi-Chi 地震（TCU075（E）臺站）和Newhall-Fire Sta 臺站記錄的地震波水平地震脈沖效應比較明顯，加速度時程圖如圖2 所示。 TCU075（N）臺站和Burbank-Howard Rd 臺站記錄的地震為非脈沖型地震，加速度時程圖如圖2 所示。

表1 選取的近斷層地震的特征

圖2 地震波加速度時程曲線

4 數值分析

《電氣設施抗震設計規范》中規定，對于對稱結構的電氣設備和電氣裝置，可只對一個方向進行驗證試驗。針對避雷器，在8 度罕遇地震下進行時程分析，峰值加速度調整為400cm/s2。 本文對避雷器分別進行水平地震輸入，分析結構在水平地震作用下的響應。

4.1 避雷器動力特性分析

通過模態分析，可以得到避雷器本體的各階頻率，并對避雷器本體的動力特性進行初步了解。模態分析采取Lanczos 方法，避雷器設備頻率為2.3Hz，通過模態分析得到的頻率為2.13Hz，可以看到二者吻合得很好，相差不到10%，表明所建ABAQUS 有限元模型能夠反映真實設備的動力特性。表2 為計算得出的避雷器本體及避雷器前10 階頻率值。

表2 避雷器本體及避雷器前10階自振頻率（Hz）

4.2 避雷器時程反應分析

由國內外變電站在實際地震中的震害情況可知，避雷器在震害中的破壞主要表現為瓷套管與瓷套管之間的法蘭連接處或最底下瓷套管與支架根部處因應力過大導致的設備破壞。 所以，在考核避雷器的抗震性能時，瓷套管根部應力是驗證設備抗震能力的重要方式。

圖3 避雷器頂部位移時程曲線

避雷器結構在不同地震作用下的動力響應如圖3、圖4 及圖5 所示，根據以上時程分析結果可知，避雷器支架頂部在近斷層地震無速度脈沖效應的地震波Burbank-Howard Rd 和TCU075（N）作用下，加速度最大值分別為4.33m/s2和4.2m/s2。在近斷層地震有脈沖效應的地震波Newhall-Fire Sta 和TCU075（E）作用下，其加速度最大值分別為4.6m/s2和4.2m/s2。 瓷套管根部在近斷層地震無速度脈沖效應的地震波Burbank-Howard Rd 和TCU075（N）作用下，其最大應力分別為31.86MPa 和20.49MPa，在近斷層地震有脈沖效應的地震波Newhall-Fire Sta 和TCU075 （E） 作用下，其最大應力分別為42.72MPa 和29.28MPa。 避雷器在近斷層地震無速度脈沖效應的地震波Burbank-Howard Rd 和TCU075（N）作用下，其頂部位移最大值分別為128mm 和76mm，在近斷層地震有脈沖效應的地震波Newhall-Fire Sta 和TCU075（E）作用下，其頂部位移最大值分別為165mm 和111mm。

圖4 支架頂部加速度時程曲線

圖5 避雷器瓷套管根部應力時程曲線

根據分析結果可知，Northridge-01 地震中Newhall-Fire Sta地震動的速度脈沖對結構支架的加速度影響較大，Chi-Chi 地震中地震動的速度脈沖對結構支架的加速度影響較小。從避雷器頂部位移來看， 地震動的速度脈沖對避雷器頂部的位移影響很顯著。 而對于瓷套管根部應力的影響，Northridge-01 地震中含有速度脈沖的近斷層地震作用下的應力比不含速度脈沖近斷層地震作用下的應力要大得多，應力大小增加了34%，Chi-Chi 地震中含有速度脈沖的近斷層地震作用下的應力比不含速度脈沖的近斷層地震作用下應力增加了約43%。 因此，在對避雷器進行設計及抗震性能分析時，應考慮近斷層含有速度脈沖的地震對避雷器的影響，對于距斷層較近的工程要特別注意近斷層的速度脈沖對避雷器結構的影響。

5 結論

本文利用ABAQUS 有限元分析軟件建立了750kV 變電站避雷器的三維有限元模型，進行了模態分析，并輸入有速度脈沖和無速度脈沖的近斷層地震記錄對其進行了動力時程分析，得到以下結論：

（1） 對避雷器本體進行了動力特性分析，發現設備頻率相差不到10%，表明所建避雷器有限元模型符合要求；

（2） 含有速度脈沖的近斷層地震對避雷器頂端位移的影響比較大；瓷套管根部在Northridge-01 地震有速度脈沖的近斷層地震作用下的應力比無速度脈沖近斷層地震動作用下應力增加了34%，在Chi-Chi 地震下則增加了43%；從加速度分析結果來看，含有速度脈沖的近斷層地震動對支架頂部的加速度響應不是十分顯著；

（3） 應力分析結果和位移分析結果規律上是一致的，均對速度脈沖比較敏感；

（4） 在對避雷器進行設計及抗震性能的分析時，應考慮近斷層地震脈沖效應的影響，盡量選擇含有速度大脈沖的近斷層地震對電氣設備進行抗震性能分析。