申加峰
(中国能源建设集团新疆电力设计院有限公司 乌鲁木齐 830002)
摘 要：为了降低750kV电气设备在地震中的损坏，提高电气设备的抗震能力，除了采用传统抗震技术外，减震隔震技术也是一种合理有效的方式，该技术方案具有减震机理清晰，减震效果明显和使用维护简单方便的优势。
关键词：750kV变电站；减震隔震技术；瓷柱式电气设备；主变压器
引言
电瓷型高压电气设备，因其瓷质材料的性能特点和电气绝缘特性，在电力系统中广泛应用。国内外近来大量地震灾害表明[1-3]：电瓷型高压电气设备在地震中极易遭到破坏。提高电气设备抗震能力主要有两种方法：一种是采用传统的抗震加固方法。二是通过在电气设备的支架顶部或基础顶部设置减震、隔震装置。
1 隔震减震技术措施
1.1 隔震减震技术的原理
隔震减震技术[4]是指在工程结构或设备的特定部位，装设某种装置(如隔震支座或耗能装置等)，或某种子结构(如调频质量等)，或施加外力，以改变或调整结构的动力特性或动力作用，使得工程结构或设备在地震作用下的动力反应(加速度、速度、位移)得到合理的控制，确保结构或设备本身的安全和处于正常的使用环境状况。
地震作用下的动力方程式[5-6]为
隔震减震技术就是通过调整结构或设备的自振频率ω或自振周期T(通过改变M、K),或增大阻尼C,以降低结构的地震反应。
1.2 隔震减震技术方案
1.2.1 提高设备结构体系自身阻尼
瓷柱式电气设备承载结构采用的电瓷等材料，具有阻尼小的特点，阻尼比一般在2%~3%左右，设备自身的耗能能力较差。图1为一单自由度结构在正弦波激励下随阻尼比变化的响应输入与输出曲线。从图中可以看出，在共振频率附近，增大体系的阻尼比具有显著的减震效果，阻尼比增加一倍，动力放大系数将近减小一倍；在远离共振频率处，结构体系的减震作用依然存在，只是减震效果不如在共振频率处明显。
图1 动力放大系数随阻尼和频率变化曲线
相关研究表明，适当提高设备体系的阻尼比，可有效降低设备顶部的加速度、位移及根部应力等地震响应，且响应衰减符合指数函数(0<a<1)曲线[7]。从设备体系本身提高阻尼，主要有以下几种方法：1、选用阻尼性能较好的材料进行制作；2、由于制造和运输等方面原因，电瓷型电气设备中大都具有瓷套管，瓷套管均由多节组成，瓷套管彼此之间是通过法兰进行连接的，瓷套与法兰之间用水泥等材料灌注到法兰中，导致连接部件的平动刚度较大，接近于刚接，而弯曲刚度介于铰接与刚接之间，属于弹性连接。建议法兰与瓷套采用塑性连接；3、设计较为柔性的支架体系，在满足设备安装所要求刚度的前提下，利用支架的变形降低地震响应。
1.2.2 减震措施
实际工程中，仅靠提高设备自身的阻尼来改善瓷柱式电气设备的抗震能力还有一定的难度。另外，自身阻尼达到一定程度后，对降低设备的地震响应不会特别明显[7-8]。所以，对于在地震设防烈度较高的地区，除了考虑提高设备自身的抗震能力，优化支架设计外，可在设备与基础之间安装耗能减震装置，通过耗散地震能量，减小设备的地震响应，降低设备在地震时破坏可能性。
支柱类电气设备减震设计一般采用摇摆减震体系，即通过减震装置使设备与基础连接处于一种介于固接和铰接之间的状态，在正常使用状态下有足够的刚度，当地震作用达到一定程度后发生塑性转动，减轻底部的弯矩响应并同时耗散地震动能量。
图3 位移反应谱
1.2.3 隔震措施
由地震加速度反应谱可知，随着结构周期的增大，加速度反应逐渐减小，通常重心低、质量大的电气设备(如主变压器)，刚度很大，因而周期短(一般在1~30Hz)，地震时加速度反应较大，所以如果采取措施延长结构基本自振周期，使其远离场地卓越周期，使结构的基频处于地震能量高的频段之外，将会有效地降低结构的加速度反应。同时，从地震位移反应谱可以看出，结构周期增大时，位移反应逐渐增大。
隔震技术是目前比较成熟的一种减小低矮型设备地震影响的措施，该技术是通过调整隔震层的刚度、阻尼等参数，延长结构体系的周期，从而达到降低结构或设备的加速度、内力等地震响应[4]。变压器及套管体系作为电力系统的重要电气设备，不仅要降低地震作用下上部结构的加速度、内力等响应，还要很好地限制其位移响应，位移过大可能导致电气绝缘距离、套管导体拉坏设备等新问题的出现[9]。为此变压器及套管体系的隔震系统必须同事具备竖向承载力、抗倾覆、小变形、优越的抗震性能及自动复位和阻尼耗能等方面的能力。
隔震系统的工作特点是：在小震、风荷载作用下，隔震层在满足竖向荷载长期作用下，有足够的初始刚度或屈服力，能满足设备正常运行荷载下隔震层不屈服，基本处于弹性工作状态，隔震层基本不发生作用；在中大地震作用下，隔震层发生屈服，通过隔震系统的滑移吸收地震能量，基础只将有限的地震能量传给上部设备；在特大地震作用下，通过阻尼器限制位移，具有足够的耗能能力，并且隔震层应具有足够的竖向刚度，不至于隔震系统失效。
2 工程应用
喀什750kV变电站工程站址位于新疆维吾尔自治区喀什地区喀什市东北面，站址场地对应的地震基本烈度为Ⅷ度，设计地震分组为第三组。按照《电力设备抗震设计规范》(GB50260-2013)第1.0.9的要求“重要电力设施中的电气设备可按抗震设防烈度提高1度设防”，因此站址的设防烈度取为IX度(对应50年超越概率2%)。
2.1 电气设备减震设计
对于类似750kV避雷器这种体形细高、重心高且质量大的瓷柱式电气设备来说，采用减震措施是比较合适的。这类瓷柱式电气设备结构形状特殊，不仅细又高，且上部重量较大，地震时瓷柱根部承受很大弯矩，使瓷柱强度不足而发生破坏。因此通过在设备底座与支架之间设置分布的阻尼器产生抵抗弯矩，而阻尼器本身初始刚度较大从而保证结构整体频率不会降低或略有降低，满足正常工况下使用要求。
2.1.1 设备及支架参数
750kV避雷器设备外形如图6所示。避雷器总高度为8.884m，瓷套外径为480mm，内径为320mm，设备总重约2.67t。设备支架采用钢格构式结构，如图7所示。750kV避雷器支架顶面距地面总高度为4.35m。设备与支架组合后总高度为13.234m。
2.1.2 支架抗震设计
根据[10]《电力设施抗震设计规范》(GB50260-2013)第6.2.6条的规定：当电气设备有支承结构时，应充分考虑支承结构的动力放大作用。设备支架动力放大系数为地震作用下安放于支架上的设备最大应力与未安装于支架上的设备最大应力的比值。
为了更好地说明结构形式对地震作用的影响，支架设计过程中采用单钢管支架与钢管组合支架进行对比分析。经比较，在同时满足放大系数的情况下，当采用单钢管支架时，随着支架外径增大及壁厚加大，设备的地震响应有所降低，其动力放大系数也逐步降低。但由于增加了支架柱的直径及壁厚受施工工艺及成本控制的限值，此种规格的支架难以广泛应用。当采用钢格构支架时，各设备支架动力放大系数均不大于1.2满足规范要求。
2.1.3 设备-支架整体减震设计
2.1.3.1 数值模型的建立
由于750kV避雷器安装在一定高度的设备支架上，地震作用下，设备支架会将由地面输入的加速度值放大，以致更易造成电气设备的损坏。对此，将设备-支架耦合体系的动力特性及地震响应整体考虑是有必要的，这也符合《电力设施抗震设计规范》(GB50260-2013)第6.2.6条的要求。在建立数值模型时，应尽可能地利用多种单元模拟结构形状，以力求更真实、准确和直观地反应结构自身的力学行为。
图5 减震装置布置方式
2.1.3.2 减震装置的选用及布置
按内部耗能元件的类型，避雷器减震装置可以分为金属减震装置、定心式摩擦减震装置、纯摩擦减震装置、弹性阻尼减震装置等。金属减震装置具有耗能高、耐久性好等优势，适合用于支柱类电气设备的减震设计，故本工程采用金属减震装置。根据设备底座的结构形式及安装需要， 750kV避雷器支架在设备底座和支架柱头之间设置4个减震装置，布置方式见图9所示。
2.1.3.3 分析结果对比
通过对750kV避雷器-支架体系的抗震和减震分析，结果如下： 750kV避雷器支架的结构满足地震放大系数的限值要求，但在进行设备-支架耦合体系整体抗震分析时，750kV 避雷器抗震前瓷套安全系数仅为1.00，不满足《电力设施抗震设计规范》(GB50260-2013)第6.3.8规定的瓷套管和瓷绝缘子的应力安全系数应满足大于或等于1.67的要求。通过采取减震措施加装4个减震装置后，瓷套安全系数提高到1.93，满足规范要求，且减震效果明显。
2.2 电气设备隔震设计
变压器震害主要可分为以下几类[11]:1)地震导致的变压器及套管油箱底部的剪力过大导致变压器锚固螺栓剪断而出现位移、掉台或倾覆等事故；2)变压器身及油箱变形过大出现绝缘间隙不足产生电气放电、继电器保护误动作、油箱漏油等现场；3)变压器套管根部弯矩及应力应变过大出现漏油、折断、起火等现场。解决上述问题的关键是设法降低变压器及套管体系的地震加速度响应。
根据变压器重心低、质量大、以剪切变形为主的特点，采用隔震技术较为合理。变压器及套管隔震体系是在变压器油箱底部与基础之间设置一个隔震层，形成一个复杂结构隔震体系，由上部设备、隔震层、下部基础组成。与上部设备相比隔震层刚度较小，地震作用下，大部分地震能量由隔震层吸收，上部设备的地震响应相应降低，变压器及套管等上部结构基本处于平动状态，在地震中即可以保护设备本体结构体系，又可以减小变压器内部、外部附属设施的加速度响应，从而提高设备的抗震性能。
2.2.1 设备参数及力学模型
本工程主变压器结构外形尺寸为：长9.4m，宽7m，高约4.698m，主套管高10.7m，设备总重量为397.4t。
分析工况中计算模型分析采用动力时程分析的方法。变压器套管相对于油箱来说是较为高柔的子结构，在地震作用下，套管与油箱之间具有相对运动；变压器套管通过导线与其相邻的电气设备相连，为了限制变压器套管顶部位移，隔震层水平刚度不能设计过小，所以进行分析时，将油箱、油枕和散热器等结构简化为一质点，而将套管等效为多质点或单质点体系进行分析。
2.2.2 隔震装置的选择及布置
目前，隔震装置主要包括支座类和阻尼器两大类。既往高压电气隔震装置有：分段组合橡胶隔震支座、摩擦单摆系统、滑板支座与橡胶支座组合隔震等，分段组合橡胶隔震支座造价较高，摩擦单摆系统与滑板支座对防雨水、防尘要求较高，经综合比较，本工程采用铅芯橡胶支座隔震技术。
750kV主变压器底部共设置13个隔震器，其中本体底部布置12个隔震器，高压套管升高座底部布置1个隔震器。
2.2.3 分析结果对比
为了更好的展示隔震支座的减震效果，采用抗震结构与隔震结构对比分析的方式进行说明，此次计算对抗震结构和隔震结构均输入X
图7 变压器及套管计算模型
向地震荷载。抗震结构体系和隔震结构体系的设备应力和位移计算结果如表1所示。
表1 设备应力和位移计算结果
由表中抗震结构体系和隔震结构体系的计算结果可知，加装隔震装置后，设备顶部位移稍有增大，设备套管底部最大应力降低46.66%。未安装隔震装置时，套管应力安全系数为1.18，不满足《电力设施抗震设计规范》(GB 50260-2013)中安全系数应大于1.67的要求；加装隔震装置后，安全系数为2.21满足规范要求。
3 设计、安装中应注意的问题
我国在电力系统中运用减震隔震技术的工程项目逐渐增多，但由于其在电力系统中发展和应用的时间不长，没有像在建筑、桥梁等领域有成熟的设计及安装经验，故在实际工程运用过程中难免会遇到种种问题。
3.1 设计方面
3.1.1 产品选型
目前，为电力系统抗震安全应运而生的减震隔震装置种类较多，设计时应根据减震隔震装置的减震隔震效果、结构构造和安装方式、装置的可靠性以及经济性进行综合比较、合理选型。
3.1.2 设计注意事项
减震螺栓设计：1、减震螺栓连接方式与普通螺栓连接方式有所不同，设计时柱头板上开孔应根据减震螺栓的规格尺寸要求确定。对于存在过渡钢板的柱头应注意区分上下板开孔不一致的问题。2、高压瓷柱式设备要求柱头板尺寸较大，加劲板在布置时应考虑减震螺栓安装空间，合理布置。
隔震支座设计：1、隔震支座一般设置在重型设备底座与基础之间，设计中应根据隔震支座的初始水平刚度、承载能力和隔震效果综合比较确定装置数量和布置方式；2、由于基础施工先于隔震支座到达现场，设计时需要提前预留支座的安装位置。
3.2 施工安装方面
减震隔震装置的安装应由专业生产厂家现场指导完成。减震装置支架设计和安装时应配合电气专业考虑有引下线或管时采取避让措施。隔震装置位于设备底座与基础之间，为使隔震装置完全发挥作用上下应与设备或基础连接可靠，设备底座与基础之间应能保证人能爬进下部进行安装操作，可考虑采用过渡底座或槽形基础的形式增加底部空间。
4 总结
4.1 隔震减震技术在电力系统中应用是可行的，设计过程中要根据结构或设备的特点合理选用隔震减震技术方案，否则不但不会降低地震作用的影响，而且还会增加工程造价。
4.2 对于安装在支架上的瓷柱式电气设备建议采用减震装置耗散地震能量，减小设备的地震响应，降低设备在地震时破坏可能性；对于重心低、质量大的电气设备(如主变压器、高压电抗器)建议采用隔震措施减小设备地震响应。
4.4 设计过程中应注意安装问题，以防造成现场安装困难。
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论文作者:申加峰
论文发表刊物:《电力设备》2016年1期供稿
论文发表时间:2016/4/14
标签：设备论文; 结构论文; 支架论文; 套管论文; 装置论文; 阻尼论文; 电气设备论文; 《电力设备》2016年1期供稿论文;