范書立，陳健云，李 靜

（1．大連理工大學(xué)海岸與近海工程國家重點實驗室，遼寧 大連 116024；2．大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部，遼寧 大連 116024）

引 言

隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，為了適應(yīng)大容量遠(yuǎn)距離輸電的需要，世界上一些國家如俄羅斯、美國、日本、意大利、輸電網(wǎng)作為國家重大經(jīng)濟命脈，其局部的破壞都會給國家造成巨大的經(jīng)濟損失。地震是在設(shè)計電氣設(shè)備尤其是高壓、超高壓電氣設(shè)備時考慮的重要環(huán)境條件之一，國內(nèi)外歷次大地震的統(tǒng)計表明電力系統(tǒng)的地震易損性是極高的，抗震問題已經(jīng)被作為繼電、磁、熱、力之后，變壓器的第5項可靠性指標(biāo)來考核［1］。西南地區(qū)是中國最大的水電基地，又是主要的高烈度地震區(qū)之一，作為“西電東送”主干線的向家壩－上海、溪洛渡左－株洲、溪洛渡右－浙西、錦屏－蘇州南線，都面臨抗震的問題。而且該地區(qū)電網(wǎng)線路多處于高山峽谷，地質(zhì)地形條件復(fù)雜，對于電網(wǎng)電力設(shè)施的抗震性能要求很高。因此，研究電力設(shè)施的抗震性能具有重要的理論和實際意義。

然而從“電力設(shè)施抗震設(shè)計規(guī)范”來看，電氣設(shè)備的抗震問題并沒有同發(fā)電設(shè)施，比如核電安全殼、擋水大壩那樣得到足夠的重視。從20世紀(jì)80年代開始，中國的一些學(xué)者才開展了對電氣設(shè)施的的抗震研究工作［2］。在電氣設(shè)施的振動臺模型試驗方面，李子國、郭振巖等對小型變壓器進(jìn)行了振動臺試驗研究［1，3］。羅夢潔等對對疊裝式空心電抗器模型進(jìn)行試驗?zāi)B(tài)分析［4］，并研究了共振情況下支柱的動應(yīng)力。曹枚根等對大型變壓器及套管體系進(jìn)行了振動臺試驗研究［5］，提出了三等級變壓器抗震能力考核水平的新概念。為了考察連接導(dǎo)線對所連接的設(shè)備的影響，謝強等進(jìn)行了軟導(dǎo)線連接的220kV斷路器和隔離開關(guān)的數(shù)值分析和地震模擬振動臺實驗研究［6～8］。胡曉等對電抗器進(jìn)行了現(xiàn)場原型動力試驗［9］，只是研究了特定安裝方式下電抗器的動力特性。

平波電抗器是特高壓直流換流站的重要設(shè)備之一，以其成本低、質(zhì)量輕、運輸方便、現(xiàn)場安裝簡單和運行維護費用低等特點，在多條輸電線路中得到應(yīng)用［10］。平波電抗器與一般結(jié)構(gòu)最大的區(qū)別在于其頂部具有較大的質(zhì)量，而且由于處于頂部，對地震荷載更為敏感，由脆性瓷件作絕緣套管或承重立柱，抗震能力較低。本文針對平波電抗器本身的特點，設(shè)計了振動臺試驗?zāi)Ｐ?，對其動力特性和關(guān)鍵部位的加速度、位移、應(yīng)力或應(yīng)變等地震響應(yīng)特點進(jìn)行了研究，分析其抗震能力薄弱環(huán)節(jié)。為改進(jìn)特高壓平波電抗器的抗震設(shè)計，提高其抗震能力提供參考。

1 振動臺試驗概況

1．1 試驗?zāi)Ｐ拖嗨票瘸呒霸O(shè)計

某超高壓輸變電線路平波電抗器，電抗器結(jié)構(gòu)上部結(jié)構(gòu)高4．22m，采用8根高強玻璃鋼支柱絕緣子支撐，支柱絕緣子總高12．27m，由5節(jié)元件總裝成柱。有機玻璃鋼絕緣子直徑為280mm，每節(jié)絕緣子之間用法蘭連接，結(jié)構(gòu)總重38t。

根據(jù)模型試驗的目的不同，可以提出不同的相似要求，對于高聳結(jié)構(gòu)需要考慮P－Δ效應(yīng)，重力作用不容忽視［11］，故本文采用彈性力－重力相似進(jìn)行模型設(shè)計。質(zhì)量相似比尺通過在模型上增加配重的方法滿足，模型與原型之間各物理量的相似比尺如表1所示。絕緣子及上部結(jié)構(gòu)按比尺制作，模型總高度2．08m，模型材料選用聚丙烯樹脂，質(zhì)量密度ρ＝1 224kg／m3，靜彈性模量Ej＝2 500MPa，動彈性模量Ed＝3 742MPa。模型底部通過底座與振動臺面連接，試驗?zāi)Ｐ鸵妶D1。

表1 模型試驗相似比尺Tab．1 Scales of model similarity

圖1 電抗器振動臺試驗?zāi)Ｐ虵ig．1 The model of reactor on shaking table

1．2 試驗設(shè)備及測點布置

試驗在大連理工大學(xué)振動與強度測試中心抗震試驗室地震模擬臺上進(jìn)行，信號采集系統(tǒng)是由美國國家儀器公司（NI）的PXI－1044＋SCXI1001－1520型數(shù)據(jù)采集處理分析系統(tǒng)，主要利用由日本AR－5F型號加速度傳感器、日本東京測器的FLA－5－8型應(yīng)變計以及美國MOI公司的Si425型光纖數(shù)據(jù)采集儀。

試驗中的加速度測點布置在結(jié)構(gòu)模型的各層，在結(jié)構(gòu)頂層和4層夾層布設(shè)AR－5F型單向加速度傳感器，另外，在臺面上均布置了AR－5F型加速度傳感器；加速度傳感器測點共有10個。

加速度傳感器從臺面到電抗器頂部布設(shè)，應(yīng)變片均勻布置在支柱A和B的底部到支柱頂部（電抗器底部），每根支柱布設(shè)6個測點，其中支柱A和B分別與激振方向的夾角分別為15°和45°。

1．3 試驗方案

試驗首先采用單向白噪聲隨機波對結(jié)構(gòu)進(jìn)行激振，測定結(jié)構(gòu)的頻率。白噪聲頻率范圍為0．5～50Hz，加速度幅值為（0．10～0．15）g，振動時間為30～60s。

本次振動臺試驗的主要目的是測試電抗器結(jié)構(gòu)的動力特性以及在8度地震條件下結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)和抗震安全性，因此本次試驗分為隨機波、規(guī)范譜地震波輸入二部分。由隨機波輸入得到模型的各階振動頻率，以規(guī)范譜地震波輸入確定結(jié)構(gòu)的地震動響應(yīng)及抗震安全性。

本項試驗研究遵照相應(yīng)的規(guī)范［12，13］執(zhí)行。根據(jù)結(jié)構(gòu)動力特性，采用中軟場地土，根據(jù)規(guī)范反應(yīng)譜生成地震波（以下簡稱規(guī)范譜地震波）進(jìn)行結(jié)構(gòu)的地震動反應(yīng)測試。地震波波形見圖2，模型試驗工況如表2所示。

表2 模型動力試驗采用的激勵工況Tab．2 Procedures of model test

圖2 模型試驗激振規(guī)范譜地震波Fig．2 Acceleration time history of input ground motions

2 主要試驗結(jié)果及結(jié)構(gòu)抗震安全評價

2．1 結(jié)構(gòu)模型動力特性

模型的第1階頻率為1．18Hz，第2階頻率約為21．19Hz，第3階頻率由于接近外界干擾噪聲的頻率，已經(jīng)很難分辨，在3次掃頻試驗中，自振頻率沒有發(fā)生變化，說明模型整體性能較穩(wěn)定。按比尺換算得到電抗器原型的基頻為0．42Hz，相對于中高壓電抗器，特高壓電抗器的基頻較低。

模型前兩階水平振型基本為剪切變形，第3階為水平振型，電抗器線圈整體出現(xiàn)微幅扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象，撐板也出現(xiàn)彎曲變形。

2．2 模型加速度響應(yīng)

采用規(guī)范譜地震波輸入時，在各種激勵情況下，結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)見表3，放大系數(shù)沿結(jié)構(gòu)高度的分布見圖3。

模型加速度響應(yīng)在各層均有不同程度的放大，頂層的放大作用最為明顯。在第1層撐板上放大系數(shù)約為1．14，第2層撐板上，放大系數(shù)約為1．42；第3層撐板上放大系數(shù)約為1．76；在4層撐板上放大系數(shù)約為2．08；到上部線圈結(jié)構(gòu)后，由于剛度較大，隨高度的增加，放大系數(shù)增加幅度較小，頂層放大系數(shù)為2．27。從圖3中還可以得出，放大系數(shù)并沒有隨著輸入地震動峰值的變化而發(fā)生變化，考慮豎向地震動的影響后，放大系數(shù)也沒有發(fā)生變化。

圖3 規(guī)范譜地震波激勵下模型的放大系數(shù)圖Fig．3 Distribution of acceleration amplification factor along the height of reactor model

在豎向地震動激勵下，結(jié)構(gòu)基本為整體平動，變形幅度很小，因此豎向地震動激勵對模型的水平向動力反應(yīng)影響很小，考慮豎向地震波激勵僅與水平向地震動激勵相似，結(jié)構(gòu)的水平加速度分布以及峰值變化不大。

2．3 模型頂部位移變形

結(jié)構(gòu)的位移能夠真實反映結(jié)構(gòu)的變形情況，進(jìn)而間接反映結(jié)構(gòu)內(nèi)力的大小。在各種地震波激勵下模型的頂部相對于結(jié)構(gòu)底部的變形見表3。

在水平和豎向地震動工作作用下，激振地震波加速度峰值為0．1g時，結(jié)構(gòu)頂部的水平向變形約4．80mm；峰值為0．2g時，結(jié)構(gòu)的變形為9．77mm；峰值為0．3g時，水平向變形為16．24mm。若不考慮豎向地震動的影響，頂部的位移略小，變化幅度在2%以內(nèi)。由模型變形結(jié)果按幾何比尺換算到原型，在地震輸入為0．1g（7度烈度）時，電抗器結(jié)構(gòu)頂部的水平地震變形為4cm，在地震輸入為0．2g（8度烈度）時，到達(dá)了7．8cm；而地震動輸入為0．3g時，則達(dá)到13．0cm，最大側(cè)移與高度比1／128，參照抗震規(guī)范的有關(guān)要求，電抗器整個系統(tǒng)滿足側(cè)移要求。

2．4 地震波輸入時模型的動應(yīng)變響應(yīng)

在輸入規(guī)范譜地震波對結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行激勵時，實測了各個激勵工況的模型支柱絕緣子關(guān)鍵部位的動應(yīng)變見表4。各種情況下關(guān)鍵部位的動應(yīng)變在電抗器支柱絕緣子上沿高度分布見圖4。

表3 各種工況下結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)及最大位移Tab．3 Acceleration and displacement response peak value in different cases

表4 各種工況下A支柱絕緣子各部位的最大動應(yīng)變（με）Tab．4 Maximum strain value in different cases（με）

圖4 規(guī)范譜地震波激勵下各柱的最大應(yīng)變響應(yīng)Fig．4 Distribution of maximum strain along the height of reactor model

各試驗工況下，支柱絕緣子最大動應(yīng)變響應(yīng)出現(xiàn)A柱第一節(jié)支柱絕緣子根部法蘭與柱接觸的部位，其次是B柱第一節(jié)支柱絕緣子根部。在A和B柱的頂部法蘭與柱接觸部位也出現(xiàn)較大的動應(yīng)變，其他各層的應(yīng)變響應(yīng)較小。

從表4中可以看出，考慮豎向地震動的影響后，支柱絕緣子各部位的動應(yīng)變都有明顯的增大。地震動輸入為0．3g時，支柱絕緣子根部的動應(yīng)變由868．8με增大為1 027．7με，增大了約18%，可見豎向地震動對絕緣子的動應(yīng)變具有較大的影響。

2．5 結(jié)構(gòu)抗震安全評價

根據(jù)試驗結(jié)果計算得到支柱絕緣子各節(jié)在各種工況下的最大應(yīng)力見表5。從表中可以看出，在規(guī)范譜地震波地震激勵下，換算到原型結(jié)構(gòu)后，當(dāng)?shù)卣鸺铀俣确逯禐?．2g（8度地震烈度）時，最大應(yīng)力出現(xiàn)在支柱絕緣子根部法蘭與玻璃鋼支柱接觸部位，約為6．69MPa；當(dāng)?shù)卣鸺铀俣确逯禐?．3g時，最大應(yīng)力值為9．86MPa，小于絕緣子的允許應(yīng)力值為34MPa，滿足強度要求。

3 結(jié) 論

（1）本次模型抗震試驗制作的模型精度較高，試驗結(jié)果能夠較好地反映原型干式平波電抗器結(jié)構(gòu)的地震動力響應(yīng)。

表5 各種工況下A支柱絕緣子各部位的最大最大應(yīng)力（單位：MPa）Tab．5 Maximum stress value in different cases（Unit：MPa）

（2）在豎向地震動激勵下，結(jié)構(gòu)基本為整體平動，變形幅度很小，因此豎向地震動激勵對模型的水平向動力反應(yīng)影響很小，考慮豎向地震波激勵與僅水平向地震動，結(jié)構(gòu)的位移、加速度分布變化不大，對動應(yīng)變具有較大的影響，在電抗器抗震設(shè)計中需要考慮豎向地震的影響。

（3）干式平波電抗器結(jié)構(gòu)在規(guī)范譜波地震動作用下，結(jié)構(gòu)每節(jié)支柱絕緣子的應(yīng)力均小于極限應(yīng)力，安全系數(shù)大于1．67，可滿足8度地震烈度地區(qū)的抗震要求。

（4）在地震波激勵作用的情況下，絕緣子根部和頂部處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，其動反應(yīng)大于中間部位，是地震作用下電抗器設(shè)備的易損部位。

因受模型試驗尺寸的限制，本次試驗沒有詳細(xì)模擬支柱絕緣子和頂部線圈連接的匯流排、支架及法蘭等細(xì)部結(jié)構(gòu)，這些也將會是電抗器設(shè)備的抗震薄弱部位。

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