夏 拓，王 蕾，何榮濤，李憲普，曾 亮，許 歡

(1.廈門(mén)理工學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院,福建廈門(mén)361024; 2.許繼 (廈門(mén))智能電力設(shè)備股份有限公司,福建廈門(mén)361024)

110 kV GIS抗震仿真分析

夏 拓1，王 蕾1，何榮濤2，李憲普2，曾 亮1，許 歡1

(1.廈門(mén)理工學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院,福建廈門(mén)361024; 2.許繼 (廈門(mén))智能電力設(shè)備股份有限公司,福建廈門(mén)361024)

使用ANSYS Workbench有限元軟件，用反應(yīng)譜法對(duì)ZF48－126型110 kV進(jìn)出線(xiàn)氣體絕緣全封閉組合電器 （GIS）進(jìn)行抗震計(jì)算研究.在模擬GIS正常運(yùn)行條件下得到GIS整體結(jié)構(gòu)的位移、速度、加速度動(dòng)力響應(yīng)及等效應(yīng)力響應(yīng)，分析了重心位置對(duì)GIS整體結(jié)構(gòu)固有頻率的影響.結(jié)果表明：該型GIS設(shè)備滿(mǎn)足AG5（0.5g）抗震水平，但出線(xiàn)套管會(huì)產(chǎn)生相對(duì)劇烈顫動(dòng)，不利于GIS安全運(yùn)行，降低重心位置能有效避免共振，提高低階固有頻率.仿真結(jié)果與認(rèn)證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有一致性，可以為其他高壓電器產(chǎn)品的抗震設(shè)計(jì)提供借鑒.

GIS；有限元模型；反應(yīng)譜法；地震響應(yīng)

近年來(lái)我國(guó)地震頻發(fā),由地震引起的變電站停運(yùn)給救援和震后重建工作帶來(lái)諸多不便［1］.高壓電器的抗震性能已成為國(guó)家電網(wǎng)和國(guó)內(nèi)外電器生產(chǎn)企業(yè)極為重視的電器性能指標(biāo)之一.在開(kāi)關(guān)類(lèi)設(shè)備中,氣體絕緣全封閉組合電器 (gas insulated enclosed combination switch,GIS)相比其他開(kāi)關(guān)設(shè)備具有更好的抗震性能［2］,是地震多發(fā)地帶優(yōu)先選用的高壓電器設(shè)備形式［3－5］.GB/T 11022—2011、GB/T 13540—2009、IEEE Std 693—2005、《SF6高壓電器設(shè)計(jì)》第2版、第3版增加的抗震設(shè)計(jì)等章節(jié),為高壓電器產(chǎn)品的抗震設(shè)計(jì)提供了詳細(xì)的參考依據(jù)及多種計(jì)算方法.目前,對(duì)隔離開(kāi)關(guān)、斷路器的模擬地震振動(dòng)較多,但是GIS設(shè)備體積龐大,難以在振動(dòng)臺(tái)上考核其抗震性能,且存在耗費(fèi)高的問(wèn)題,高壓電器企業(yè)普遍較少在前期設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)對(duì)產(chǎn)品抗震評(píng)估.本文在Solid Works中將實(shí)體模型簡(jiǎn)化后,通過(guò)ANSYS Workbench有限元軟件,按照GB/T 13540—2009標(biāo)準(zhǔn)對(duì)ZF48－126型三相共箱式小型化GIS進(jìn)行抗震計(jì)算分析,計(jì)算結(jié)果可指導(dǎo)GIS結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),評(píng)估設(shè)備抗震能力,提高安全裕度［6］.

1 GIS抗震計(jì)算方法

1.1 反應(yīng)譜曲線(xiàn)

反應(yīng)譜法首先根據(jù)地震波時(shí)程記錄構(gòu)造反應(yīng)譜,再依據(jù)反應(yīng)譜計(jì)算結(jié)構(gòu)各階振型的最大響應(yīng),最后通過(guò)模態(tài)合并算法計(jì)算總的最大響應(yīng)［7］.地震頻譜是GIS整體結(jié)構(gòu)抗震分析需要輸入的重要參數(shù)之一,本文的反應(yīng)譜曲線(xiàn)選用GB/T 13540—2009標(biāo)準(zhǔn)中阻尼比2%所對(duì)應(yīng)的AG5的反應(yīng)頻譜(RRS),如圖1所示.

圖1 不同阻尼比對(duì)應(yīng)的AG5的RRSFig.1 RRS of AG5 with different damping ratio

1.2 模態(tài)合并算法

模態(tài)分析就是求解有限個(gè)自由度的無(wú)阻尼彈性系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程,其矩陣表達(dá)式為

式 (1)中：M為質(zhì)量矩陣；K為剛度矩陣.

其解的形式為

將式 (2)代入式 (1)后,得到方程有非零解的條件是其系數(shù)行列式的值為零,即

求解式 (3)可得到其特征值及相應(yīng)的特征向量,也即模態(tài)頻率和振型.

模態(tài)分析是抗震計(jì)算的前提,得出模態(tài)頻率和振型后,采用反應(yīng)譜法分析抗震性能.根據(jù)GB 13540—2009對(duì)應(yīng)力疊加過(guò)程的表述,在選用模態(tài)合并算法上,使用平方和開(kāi)平方法 (SRSS)的模態(tài)疊加方式,SRSS法的表達(dá)式為

式 (4)中：Rmax為模態(tài)總體響應(yīng)；ρij為耦合系數(shù)；m、n為參與疊加的模態(tài)數(shù)目；Ri,max為第i階模態(tài)最大響應(yīng)；Rj,max為第j階模態(tài)最大響應(yīng).當(dāng)ρij＝0時(shí),不考慮各振型間的耦合,此時(shí),可寫(xiě)為

反應(yīng)譜曲線(xiàn)反映了地震動(dòng)特性,模態(tài)振型反映了結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性,因此基于反應(yīng)譜法的抗震計(jì)算體現(xiàn)出地震動(dòng)特性和結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性對(duì)結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響［8］.

2 GIS建模與模態(tài)分析

本文研究的GIS結(jié)構(gòu)整體模型尺寸為7.90 m×2.85 m×3.70 m,重心高度1.65 m,總質(zhì)量3 946 kg.材料以鋁合金5A02為主,具體材料機(jī)械性能常數(shù)如表1所示.GIS結(jié)構(gòu)包括斷路器、互感器、隔離開(kāi)關(guān)和母線(xiàn)筒等部件,設(shè)備上端部安裝有3個(gè)高強(qiáng)瓷絕緣出線(xiàn)套管,出線(xiàn)套管長(zhǎng)1.5 m,分別與水平面成45°傾斜向上.參考文獻(xiàn) ［9］采用Solid188實(shí)體單元建模,與實(shí)際產(chǎn)品更加接近,將法蘭之間考慮為剛性連接無(wú)位移情況.

表1 模型中各種材料機(jī)械性能常數(shù)Table 1 Constants for mechanical properties of various materials

2.1 GIS幾何模型建立

建模是有限元仿真的重要步驟,直接關(guān)系到建模效率和結(jié)果的準(zhǔn)確性,本文通過(guò)SolidWorks建模后導(dǎo)入ANSYS Workbench.由于SolidWorks所建立的真實(shí)模型較為復(fù)雜,需先做簡(jiǎn)化處理.簡(jiǎn)化主要有2個(gè)方面：1)簡(jiǎn)化對(duì)仿真結(jié)果無(wú)影響的部分結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié),如盆式絕緣子、出線(xiàn)瓷套等,對(duì)出線(xiàn)瓷套的簡(jiǎn)化應(yīng)盡量保證簡(jiǎn)化前后質(zhì)量、體積、慣性矩的一致性,如圖2所示.2)對(duì)放置于GIS殼體內(nèi)的繁雜剛性體 (如滅弧室和斷路器結(jié)構(gòu)等)用等效質(zhì)量剛體替代,主要通過(guò)改變質(zhì)量密度保證各部件重量及重心的一致性,折算后各部件所采用的材料參數(shù)見(jiàn)表1.根據(jù)實(shí)體尺寸經(jīng)過(guò)必要簡(jiǎn)化后的GIS整體結(jié)構(gòu)模型如圖3所示.

圖2 高強(qiáng)瓷絕緣出線(xiàn)套筒簡(jiǎn)化前后對(duì)比Fig.2 High鄄strength ceramic insulating sleeve qualify simplify before and after comparison

圖3 簡(jiǎn)化后的GIS結(jié)構(gòu)模型圖Fig.3 GIS structure model diagram simplified

2.2 靜載荷的確定

GB/T 13540—2009《高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備的抗震要求》中規(guī)定地震應(yīng)力應(yīng)與其他運(yùn)行載荷組合后作為確定開(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備總的承載能力［10］.需附加靜載荷包括10 m·s－1風(fēng)速、導(dǎo)線(xiàn)拉力、內(nèi)部壓力等.根據(jù)GB 5009—2001《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》算出敏感部件的靜態(tài)端子負(fù)荷,如表2所示,風(fēng)載荷值取30 N.

表2 GIS開(kāi)關(guān)設(shè)備導(dǎo)線(xiàn)拉力Table 2 GIS switchgear wire tension

2.3 GIS結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

采用ANSYS Workbench模態(tài)分析模塊,用自由網(wǎng)格劃分方法對(duì)模型進(jìn)行剖分,節(jié)點(diǎn)數(shù)為268 226,單元數(shù)為134 323.根據(jù)GB 13540—2009要求,需對(duì)35 Hz以下的振型進(jìn)行計(jì)算,分塊蘭索斯法 (block lanczos)計(jì)算精度高,速度很快,采用一組特征向量實(shí)現(xiàn)Lanczos迭代計(jì)算,其內(nèi)部自動(dòng)采用稀疏矩陣直接求解,當(dāng)已知系統(tǒng)的頻率范圍時(shí),該法是理想的選擇,所以指定Block Lanczos法對(duì)GIS三維簡(jiǎn)化模型進(jìn)行模態(tài)計(jì)算,得到其前9階固有頻率如表3所示,前2階振型圖如圖4所示.

表3 氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備前9階固有頻率Table 3 Gas?insulated metal?enclosed switchgear natural frequency單位：Hz

圖4 GIS整體結(jié)構(gòu)前2階振型圖Fig.4 Former 2 step vibration of GIS overall structure

高壓電器產(chǎn)品的固有振動(dòng)頻率隨產(chǎn)品結(jié)構(gòu)變化而不同,絕大多數(shù)產(chǎn)品基頻都在1～7 Hz［11］,由表3可以看出該產(chǎn)品的固有頻率為5.46 Hz,但僅有第一階頻率在地震動(dòng)0.5～10 Hz的卓越頻率的范圍內(nèi),證實(shí)了在地震多發(fā)地區(qū)較適合安裝GIS這種組合型的高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備.根據(jù)圖4振型圖可以看出,下部支撐結(jié)構(gòu)振動(dòng)較為平穩(wěn),所受應(yīng)力無(wú)顯著變化,結(jié)構(gòu)前部受振動(dòng)影響較大且最大位移在出線(xiàn)套管頂端,符合大量高壓電器產(chǎn)品的在地震中受損部位統(tǒng)計(jì)結(jié)果.

2.4 重心位置對(duì)結(jié)構(gòu)固有頻率的影響

降低設(shè)備的重心和總高度以及降低設(shè)備的安裝高度,是提高設(shè)備抗震能力的基本措施之一［11］.本文研究了改變重心位置對(duì)GIS設(shè)備固有頻率的影響.電壓互感器模塊重量約400 kg,本文通過(guò)取消電壓互感器支撐改變電壓互感器高度,在不改變質(zhì)量的前提下改變GIS整體設(shè)備重心位置,研究重心位置對(duì)結(jié)構(gòu)固有頻率的影響,圖5為重心位置不同的2種結(jié)構(gòu)模型圖.

圖5 重心位置不同的兩種結(jié)構(gòu)Fig.5 Two structures of different gravitational position

電壓互感器去掉支撐后,重心高度由1 650 mm降低到1 636 mm,Y軸重心偏移不到1 mm(可忽略不計(jì)).當(dāng)去掉支撐后重心下降14 mm,由圖6可知1階固有頻率由5.46 Hz增至6.13 Hz,有支撐和無(wú)支撐結(jié)構(gòu)分別前9階和前8階模態(tài)頻率在0～35 Hz的頻率內(nèi).由此證明,結(jié)構(gòu)重心越低,其固有頻率越大,在規(guī)定頻率范圍內(nèi)出現(xiàn)的振型數(shù)目越少.

圖6 兩種結(jié)構(gòu)的前11階頻率Fig.6 First 11 order frequencies of the two structures

3 地震響應(yīng)譜分析

為了驗(yàn)證是否滿(mǎn)足九度地震區(qū)抗震標(biāo)準(zhǔn),設(shè)置水平 (X方向和Y方向)最大加速度為0.5g(g取10 m·s－2),豎直方向加速度為水平方向的50%,阻尼比為2%.分別在固定約束部分施加X(jué)＋Z向和Y＋Z向阻尼比為2%的RRS曲線(xiàn).通過(guò)對(duì)多次地震后高壓電器設(shè)備破壞情況進(jìn)行分析得出套管因強(qiáng)度不足而易發(fā)生折斷或裂損.出線(xiàn)套管頂部響應(yīng)是抗震分析關(guān)注的敏感部位,原因是該處與導(dǎo)線(xiàn)相連,因此位移需控制在有效范圍避免過(guò)大.

3.1 X＋Z向地震響應(yīng)譜

X＋Z向地震響應(yīng)譜作用下套管頂部最大響應(yīng)和結(jié)構(gòu)各主要部件應(yīng)力 (計(jì)算應(yīng)力取值為該部件上最大應(yīng)力值)及安全系數(shù)見(jiàn)表4～5.

表4 X＋Z向地震響應(yīng)譜＋靜載荷共同作用下套管頂部最大響應(yīng)Table 4 Maximum response of X＋Z earthquake response spectrum and static load

表5 各種材料的最小安全系數(shù)Table 5 Minimum safety factor of various materials

X＋Z軸方向得到計(jì)算應(yīng)力最大誤差為支撐部件,與鄭州機(jī)械研究所仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比,誤差為10.7 MPa,產(chǎn)生誤差的主要原因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化造成的結(jié)構(gòu)重量和重心的偏移.出線(xiàn)殼體,瓷套等敏感部件模型與實(shí)體產(chǎn)品結(jié)構(gòu)相似度高,所以誤差最大不超過(guò)5%.

3.2 Y＋Z向地震響應(yīng)譜

Y＋Z向地震響應(yīng)譜作用下套管頂部最大響應(yīng)和結(jié)構(gòu)各主要部件應(yīng)力及安全系數(shù)見(jiàn)表6～7.

表6 Y＋Z向地震響應(yīng)譜＋靜載荷共同作用下套管頂部最大響應(yīng)Table 6 Maximum response of Y＋Z earthquake response spectrum and static load

表7 各種材料的最小安全系數(shù)Table 7 Minimum safety factor of various materials

結(jié)構(gòu)的加速度放大系數(shù)可以反應(yīng)結(jié)構(gòu)對(duì)地震波的放大作用.輸入的加速度X軸向與Y軸向均為5 m·s－2,Z軸為2.5 m·s－2.由表4、表6可以看出,該型GIS結(jié)構(gòu)對(duì)地震作用的放大效果較為明顯,對(duì)X軸、Y軸、Z軸各方向的地震激勵(lì),最大放大分別為2.31倍、4.33倍、5.4倍.位移變形、應(yīng)力大小和安全系數(shù)是結(jié)構(gòu)抗震能力驗(yàn)證的重要參數(shù),由以上的分析可得到GIS整體結(jié)構(gòu)在阻尼比為2%AG5的RRS作用下,X、Y、Z各方向上位移最大值分別為4.81 mm,18.01 mm,4.11 mm.結(jié)構(gòu)各部件的應(yīng)力均小于破壞應(yīng)力.各種材料最小的安全系數(shù)均大于剛性安裝在基礎(chǔ)高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備安全系數(shù)為1.67的GB/T 13540—2009抗地震要求,且具有很大的安全裕度.將敏感部件計(jì)算應(yīng)力與鄭州機(jī)械研究仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,大部分誤差在5%以?xún)?nèi),說(shuō)明該方法具有較高的準(zhǔn)確性,適用于高壓電器的前期結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).

4 結(jié)論

1)GIS結(jié)構(gòu)的主要振動(dòng)模態(tài)頻率在5.46 Hz以上,在震動(dòng)的卓越頻率范圍內(nèi).但僅有第一頻率在震動(dòng)0.5～10 Hz的范圍內(nèi),所以地震多發(fā)地區(qū)適合安裝這種GIS組合型的高壓開(kāi)關(guān).

2)從振型圖來(lái)看,GIS的下部支撐結(jié)構(gòu)振動(dòng)較為平穩(wěn),所受應(yīng)力無(wú)顯著變化,且安全系數(shù)較高,可以保證支架支撐的斷路器、互感器等其他部位正常工作.

3)出線(xiàn)瓷套會(huì)產(chǎn)生相對(duì)劇烈的顫動(dòng),不利于GIS結(jié)構(gòu)整體的安全運(yùn)行,應(yīng)盡量降低結(jié)構(gòu)重心高度,以達(dá)到增加低階固有頻率的目的,有效避免共振可能性,使GIS整體結(jié)構(gòu)各階模態(tài)頻率盡可能遠(yuǎn)離地震波的卓越頻率.

4)無(wú)論使用哪種校核疊加靜力載荷的應(yīng)力后,結(jié)構(gòu)各部件破壞應(yīng)力安全系數(shù)均大于1.67,結(jié)構(gòu)各部件許用應(yīng)力安全系數(shù)均大于1.所以該產(chǎn)品滿(mǎn)足GB/T 13540—2009的AG5(0.5g)的要求,且具有很大的安全裕度.

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Seismic Analysis of 110 kV GIS

XIA Tuo1，WANG Lei1，HE Rong-tao2，LI Xian-pu2，ZENG Liang1，XU huan1
（1.School of Electrical Engineering＆Automation，Xiamen University of Technology，Xiamen 361024，China；2.XJ（Xiamen）Intelligent Power Equipment Co.，Ltd.，Xiamen 361024，China）

In this paper，an anti-seismic ZF48－126 type 110kv inlet and outlet line of GIS was analyzed using the finite element analysis software and the response spectrum method.The statistics of the overall structure of GIS displacement，velocity，accelerating dynamic response and equivalent stress response under normal operating conditions were

，and the effect of gravity position on the overall structure of the natural frequency researched.Results of seismic evaluation show that this GIS type meets the GB/T 13540—2009 of AG5（0.5g）seismic levels.But the sleeve will produce relatively severe vibration，it is not conducive to the safe operation of GIS，and that lower center of gravity position can effectively avoid the possibility of resonance caused by the outlet line and improve the low-order natural frequency.They are consistent with the certified experimental data and make a reference to the design of relevant seismic products for a better practicability.

GIS；finite element；response spectrum；earthquake response

TM56

A

1673－4432（2015）05－0035－06

（責(zé)任編輯 李 寧）

2015－04－14

2015－05－09

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 (51008262)；福建省高電壓技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目

夏拓 (1987－),男,碩士研究生,研究方向?yàn)楦唠妷号c絕緣技術(shù).通訊作者：王蕾 (1982－),女,副教授,博士,研究方向?yàn)榈蜏氐入x子體水處理研究.E-mail：wangl＠xmut.edu.cn