林 森，程永鋒，盧智成，孫宇晗，劉振林，朱祝兵

（中國電力科學(xué)研究院，北京100055）

不同地震波輸入的750 kV電氣設(shè)備抗震試驗研究

林 森，程永鋒，盧智成，孫宇晗，劉振林，朱祝兵

（中國電力科學(xué)研究院，北京100055）

目前在電氣設(shè)備抗震試驗中如何合理選用地震波輸入尚不明確，電氣設(shè)備在不同地震作用下的響應(yīng)差異明顯，給其抗震性能的準(zhǔn)確評價帶來了困難。為研究不同頻譜特性的地震波輸入對750 kV電氣設(shè)備抗震性能評估的影響，以共振拍波、人工標(biāo)準(zhǔn)波、Elcentro波、Landers波為試驗工況，開展了750 kV避雷器和絕緣子的地震模擬振動臺試驗。試驗中發(fā)現(xiàn)被測設(shè)備基頻存在一定降幅，選用共振拍波無法達(dá)到與設(shè)備完全共振的目的。在實際地震波Elcentro、Landers波作用下，不同頻率設(shè)備的地震反應(yīng)強(qiáng)弱不一。人工標(biāo)準(zhǔn)波頻譜包絡(luò)性較好，對設(shè)備的激勵效果較強(qiáng)且穩(wěn)定。針對750 kV電氣設(shè)備在試驗中表現(xiàn)出的非線性特性，通過理論分析和有限元仿真，分析了共振拍波的頻率和設(shè)備頻率發(fā)生偏離時對設(shè)備抗震評估結(jié)果產(chǎn)生的影響，仿真結(jié)果與試驗結(jié)果吻合度高。研究成果為超高壓電氣設(shè)備的抗震試驗提供了依據(jù)，也為超高壓變電站的抗震安全提供了保障。

超高壓；電氣設(shè)備；振動臺試驗；抗震性能；地震波輸入

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，各領(lǐng)域?qū)﹄娏Φ男枨笤絹碓酵?。為滿足國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的需要，我國電網(wǎng)建設(shè)正積極加快步伐。以新疆為例，為全面建成750 kV骨干網(wǎng)架，實現(xiàn)區(qū)域網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的升級，僅2016年間就新建或擴(kuò)建了阿克蘇、庫車、巴楚、喀什、伊犁、烏蘇等750 kV變電站，并將繼續(xù)推進(jìn)達(dá)坂城、和田等地區(qū)的變電站建設(shè)。

高壓輸變電工程可滿足日益增長的用電負(fù)荷需求和實現(xiàn)跨地區(qū)能源資源優(yōu)化配置，500 kV及以上電壓等級變電站作為電力輸送主干線中的樞紐，緊密關(guān)系著國計民生。然而，隨著電網(wǎng)建設(shè)的高速發(fā)展，越來越多高電壓等級的電氣設(shè)備無法避免地服役于高裂度地震區(qū)[1]。地震歷來是對生命線工程威脅最大的災(zāi)害之一，電氣設(shè)備一旦在強(qiáng)震作用下?lián)p毀，導(dǎo)致變電站失效，將直接造成電網(wǎng)功能癱瘓，給人民生活和國民經(jīng)濟(jì)造成不可估量的損失[2-3]。

因此，電氣設(shè)備的抗震性能面臨著前所未有的高要求，設(shè)備在投入運(yùn)行前進(jìn)行抗震性能試驗顯得尤為重要?？拐鹪囼炛?，振動臺的輸入波形有共振拍波、人工波、實際地震波等多種波形，目前各種波形對不同電氣設(shè)備的適用性并不明確，對于超高壓電氣設(shè)備抗震試驗的激勵輸入并未形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)?？己嗽O(shè)備采用的地震峰值加速度由設(shè)備應(yīng)用場地的抗震設(shè)防裂度決定，而地震持續(xù)時間在《電力設(shè)施抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50260—2013）中有明確規(guī)定，且對于未進(jìn)入塑性變形階段的設(shè)備，地震持時并非影響設(shè)備抗震評估結(jié)果的主要因素。然而，由于不同地震波的頻譜特性不一致，導(dǎo)致同一種電氣設(shè)備在不同振動臺輸入作用下的響應(yīng)差別較大，給電氣設(shè)備抗震性能的準(zhǔn)確評價帶來了困難。

尤紅兵等通過對比正弦拍波、人工合成地震波和實際強(qiáng)震記錄，提出應(yīng)將人工合成地震波作為電氣設(shè)備振動臺試驗的首選[4]。孟憲政等對某500 kV避雷器開展抗震試驗，試驗中輸入多種地震波，通過分析設(shè)備在不同工況下的響應(yīng)，得出人工標(biāo)準(zhǔn)時程波更適用于高壓避雷器的結(jié)論[5]。宋繼軍等采用標(biāo)準(zhǔn)時程波對1 000 kV避雷器進(jìn)行了抗震和減震研究[6]。程永鋒等分析了共振拍波在特高壓電氣設(shè)備抗震試驗中的不足，并提出了適用于特高壓電氣設(shè)備抗震試驗的地震加速度反應(yīng)譜[7]。750 kV是超高壓中的最高電壓等級，該電壓等級的設(shè)備其外形、尺寸、重量與較低電壓等級和特高壓設(shè)備均有一定區(qū)別，地震作用下會表現(xiàn)出較明顯的非線性特性。

筆者針對750 kV電氣設(shè)備開展了振動臺試驗，研究了多種地震輸入工況下設(shè)備的地震反應(yīng)變化。對于相同等級加速度的不同地震波，著重考察了地震波的頻譜特性與設(shè)備動力特性的關(guān)系。探討了抗震試驗中不同地震輸入對于750 kV電氣設(shè)備的適用性，并結(jié)合理論分析和數(shù)值仿真，分析了共振拍波在超高壓電氣設(shè)備振動臺試驗中的不足，為超高壓電氣設(shè)備抗震試驗評估提供了依據(jù)。

1 750 kV電氣設(shè)備特點(diǎn)

在我國，交流超高壓主要是指330 kV、500 kV和750 kV。在《電力設(shè)施抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50260—2013）[8]中，這些電壓等級的變電設(shè)施均被列為重要電力設(shè)施，抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)也相應(yīng)提高。表1列出了數(shù)種由國內(nèi)主流電氣設(shè)備廠家生產(chǎn)的500 kV和750 kV電氣設(shè)備參數(shù)，圖1將表1中廠家J生產(chǎn)的兩種電壓等級的避雷器和廠家F生產(chǎn)的兩種電壓等級絕緣子的外形和重量進(jìn)行了對比。

表1 500 kV和750 kV電氣設(shè)備參數(shù)Table 1 Parameters of 500 kV and 750 kV electrical equipment

圖1 500 kV和750 kV電氣設(shè)備外觀尺寸與重量對比Fig.1 Comparison of dimension and weight between 500 kV and 750 kV electrical equipment

750 kV設(shè)備是超高壓中電壓等級最高的設(shè)備，與較低電壓等級的設(shè)備相比，更具高、大、重、柔的特點(diǎn)。尤其對于支柱類電氣設(shè)備，如750 kV的避雷器、絕緣子等，結(jié)構(gòu)高，高度通常為6～10 m，上部質(zhì)量較大，總質(zhì)量可達(dá)1～5 t。此類設(shè)備一般由瓷質(zhì)套管通過法蘭連接而成，電瓷是脆性材料，抗彎性能差，地震易損性較高[9-11]，地震時產(chǎn)生的彎矩可能會使套管根部折斷[12-13]。瓷質(zhì)套管與法蘭通過膠合劑膠裝連接，膠裝高度一般為100～300 mm，膠裝厚度在8～20 mm，連接處材料不同，導(dǎo)致外力作用下變形不協(xié)調(diào)，更加劇了套管根部這一薄弱環(huán)節(jié)在地震作用下被破壞的危險性[14]。

調(diào)研中國、日本、瑞典、法國等國生產(chǎn)的70余種330～750 kV超高壓電氣設(shè)備的動力特性，得出設(shè)備的自振周期分布情況見圖2。從圖中可以看出，超高壓電氣設(shè)備的自振周期主要集中在0.2～0.7 s，平均值為0.48 s，對應(yīng)自振頻率2.08 Hz。其中，500 kV電氣設(shè)備自振周期平均值為0.49 s，對應(yīng)自振頻率為2.04 Hz，750 kV電氣設(shè)備自振周期平均值為0.54 s，對應(yīng)自振頻率為1.85 Hz。統(tǒng)計得出不同超高壓設(shè)備的阻尼比平均值為3.18%。

圖2 超高壓電氣設(shè)備自振周期分布Fig.2 Natural vibration period distribution of EHV equipments

綜上所述，相比于較低電壓等級設(shè)備，750 kV電氣設(shè)備在外觀尺寸、重量上明顯有所增加，因此地震作用下承受的彎矩也更大。750 kV支柱類設(shè)備較柔，基頻在1～10 Hz范圍內(nèi)，與地震波的卓越頻率相接近，設(shè)備阻尼值較小，儲能能力較小。另外，由于高電壓等級電氣設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、材料特性、連接方式等導(dǎo)致其在地震作用下表現(xiàn)出一定的非線性特性。特別是設(shè)備套管與法蘭通過水泥膠裝的連接部位，經(jīng)過多次動力作用后，連接處水泥膠裝材料難以保證電瓷套管和鋁合金法蘭的變形完全協(xié)調(diào)，水泥膠裝材料發(fā)生塑性變形，而套管和法蘭依然保持彈性變形，因此設(shè)備在承受地震作用時，往往會發(fā)生頻率降低的現(xiàn)象[15]。

2 750 kV電氣設(shè)備地震模擬振動臺試驗

地震模擬振動臺試驗是能夠直接、準(zhǔn)確地評估結(jié)構(gòu)抗震性能的重要方法[16-17]。通過750 kV避雷器和絕緣子真型振動臺試驗，測定在實際地震波、共振拍波和人工地震波作用下設(shè)備關(guān)鍵部位加速度、應(yīng)變和位移等主要參數(shù)，據(jù)此分析各種地震激勵對設(shè)備抗震性能評估的適用性。

2.1 試驗布置

試驗采用了產(chǎn)自英國SERVOTEST公司的大型高性能三軸地震模擬振動臺測試系統(tǒng)，振動方向包括X、Y、Z軸3個方向，6自由度。振動臺臺面尺寸3 mm×6 mm，最大試件重量35 t，最大抗傾覆力矩70 t·m，最大回轉(zhuǎn)力矩35 t·m，工作頻率范圍0.1～80 Hz，振動臺各軸的技術(shù)指標(biāo)見表2。

表2 振動臺主要性能參數(shù)Table 2 Major performance parameters of shaking table

為真實反映750 kV設(shè)備在地震工況下的響應(yīng)，選取表1中廠家J制造的750 kV避雷器和廠家F制造的750 kV絕緣子作為試驗對象。如圖3中所示，避雷器共有4節(jié)瓷套管，而絕緣子有3節(jié)瓷套管，設(shè)備頂端安裝有均壓環(huán)，設(shè)備底部通過螺栓與振動臺緊固連接。

圖3 設(shè)備測點(diǎn)布置Fig.3 Layout of measuring points

由于避雷器和絕緣子均為軸對稱結(jié)構(gòu)，故只進(jìn)行單向水平（X向）的抗震試驗。在設(shè)備每節(jié)瓷棒根部的X向兩側(cè)對稱粘帖應(yīng)變片，應(yīng)變片選用中航電測儀器公司生產(chǎn)的BE120-4AA精密應(yīng)變片。在振動臺臺面、基座及各節(jié)瓷棒頂端放置加速度計，加速度計采用的是美國Kistler公司生產(chǎn)的8310M011型加速度傳感器。通過德國Leuze electronic公司生產(chǎn)的ODSL 96B M/C6-S12型激光位移傳感器測量設(shè)備頂部位移。試驗中使用Dewetron公司生產(chǎn)的DEWE-501數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和記錄。設(shè)備測點(diǎn)布置情況見圖3。

2.2 試驗工況

選用的地震時程波包括Elcentro波、Landers波、人工標(biāo)準(zhǔn)時程波和共振拍波。試驗時，考察設(shè)備在相當(dāng)于7度烈度（峰值加速度0.1 g）地震作用下的響應(yīng)情況，由于設(shè)備不帶支架，對于750 kV電氣設(shè)備考慮1.2的支架動力放大系數(shù)[8]，沿振動臺X向輸入目標(biāo)峰值加速度為0.12 g的Elcentro波、Landers波和人工標(biāo)準(zhǔn)時程波的地震動時程激勵。另外，考慮到共振拍波0.75的系數(shù)[8]，輸入目標(biāo)峰值加速度為0.09 g的共振拍波。通過各傳感器檢測設(shè)備的應(yīng)變、加速度、位移等地震響應(yīng)。在各工況測試前后通過白噪聲隨機(jī)波來測試設(shè)備的頻率特性，以確定設(shè)備的基頻變化在容許范圍內(nèi)，設(shè)備內(nèi)部沒有損傷。試驗后，設(shè)備返廠進(jìn)行了電氣和密封等一系列試驗，進(jìn)一步確認(rèn)設(shè)備在試驗中沒有發(fā)生損壞。試驗現(xiàn)場見圖4。

圖4 振動臺試驗Fig.4 Shaking table test

Elcentro波、Landers波是實際地震波。1940年5月18日，美國Imperial山谷地震在Elcentro臺站記錄的加速度時程是廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)試驗及地震反應(yīng)分析的經(jīng)典地震記錄。Landers地震波是1992年6月在美國加利福尼亞Landers采集的地震記錄。共振拍波是根據(jù)《電力設(shè)施抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50260—2013）[8]中正弦共振調(diào)幅波公式生成的人工地震波。人工標(biāo)準(zhǔn)時程波是根據(jù)人工標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜擬合而來的，而人工標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜是在電氣設(shè)備抗震研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合高壓電氣設(shè)備自身的機(jī)械強(qiáng)度特點(diǎn)，采用綜合方案和區(qū)劃圖方案相結(jié)合的建議譜[5]。作為高壓電氣設(shè)備抗震評估和試驗時輸入的標(biāo)準(zhǔn)譜，該譜的特征周期為0.8 s，可包絡(luò)Ⅰ～Ⅲ類場地，適應(yīng)廣泛電壓等級和不同材料的電氣設(shè)備。

2.3 臺面輸出

試驗過程中，因振動臺控制系統(tǒng)和傳動機(jī)構(gòu)存在誤差，會導(dǎo)致臺面輸出加速度時程波與臺面輸入目標(biāo)時程波不完全一致，兩者對應(yīng)的反應(yīng)譜也不可避免地會有偏差。例如人工標(biāo)準(zhǔn)波，參照IEEE std693—2005[18]，振動臺輸出的試驗反應(yīng)譜（test re?sponse spectrum，TRS）應(yīng)當(dāng)包絡(luò)要求的標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜（required response sprctra，RRS）[19]，且譜值之差應(yīng)在0～50%之間，若TRS有小部分單個點(diǎn)在容差帶之外且與設(shè)備共振頻率不一致仍可接受。臺面實際輸出的各地震波對應(yīng)的反應(yīng)譜如圖5所示，從圖中可以看出，試驗中臺面實際輸出的人工標(biāo)準(zhǔn)波較好地包絡(luò)了虛線所示要求的標(biāo)準(zhǔn)譜，臺面輸出滿足試驗要求。

圖5 各試驗臺面輸出地震波對應(yīng)的反應(yīng)譜Fig.5 Response spectra for output seismic waves

根據(jù)圖5可知，人工標(biāo)準(zhǔn)波在卓越頻率段（1.25～10 Hz）寬且平坦，形成的平臺段能夠有效覆蓋幾乎所有超高壓電氣設(shè)備的一階頻率。在該頻率范圍內(nèi)，人工標(biāo)準(zhǔn)波相對于實際地震波和共振拍波，穩(wěn)定性最高，包絡(luò)性也最強(qiáng)。即使試驗中設(shè)備頻率降低，該地震波也有與設(shè)備共振的地震波成分，對試驗中表現(xiàn)出非線性特點(diǎn)的超高電壓電氣設(shè)備具有普遍適用性。

實際地震記錄波如Elcentro波、Landers波等波形局限于當(dāng)?shù)貓龅仡愋偷纫蛩?，相?yīng)的反應(yīng)譜曲線共振平臺段范圍較小，在地震波卓越頻率范圍內(nèi)波動較大，包絡(luò)性較差，這可能會造成采用這兩種波在對頻率高低不同的電氣設(shè)備進(jìn)行振動臺試驗時，激勵效果的差異性顯著。

共振拍波雖然在設(shè)備自振頻率點(diǎn)對應(yīng)的加速度譜值最大，但是在自振頻率點(diǎn)附近的反應(yīng)譜幅值急劇減小，由于超高壓電氣設(shè)備在試驗中往往表現(xiàn)出非線性的特點(diǎn)，其自振頻率會發(fā)生變化，所以共振拍波在試驗中難以與設(shè)備達(dá)到完全共振的狀態(tài)。

3 試驗結(jié)果與分析

不同地震波的頻譜差異較大，而電氣設(shè)備在不同地震作用下的響應(yīng)也差別明顯。通過分析設(shè)備在試驗前后動力特性的變化情況，以及對比不同設(shè)備在各種地震激勵下的應(yīng)力、加速度和位移等響應(yīng)，可考察不同地震波對750 kV電氣設(shè)備的適用性。

3.1 設(shè)備動力特性

對白噪聲工況下的設(shè)備頂部加速度進(jìn)行功率譜分析，獲得試驗前后設(shè)備一階頻率和阻尼比的變化見表3，可以看出，設(shè)備在經(jīng)歷地震作用后，頻率降低，阻尼比增加，表現(xiàn)出一定的非線性特征，而這主要是由地震動輸入、設(shè)備自身的構(gòu)造連接以及設(shè)備材料特點(diǎn)等因素造成。

表3 750 kV電氣設(shè)備動力特性參數(shù)Table 3 Dynamic characteristic parameters of 750 kV electrical equipments

表3中的動力特性參數(shù)測試結(jié)果表明，試驗后750 kV避雷器和絕緣子的一階頻率分別降至原頻率的87%和90%，但試驗前后的頻率均在人工標(biāo)準(zhǔn)波的卓越頻率范圍內(nèi)，從一定程度上可以反映人工標(biāo)準(zhǔn)波對750 kV設(shè)備激勵的穩(wěn)定性和有效性。另外，設(shè)備頻率與拍波頻率保持一致是共振拍波激勵設(shè)備引發(fā)結(jié)構(gòu)共振響應(yīng)的關(guān)鍵前提，而在共振拍波的作用下，750 kV避雷器和絕緣子的一階頻率分別降至拍波輸入前頻率的92%和93%。試驗中的非線性效應(yīng)會令拍波頻率與設(shè)備頻率逐漸遠(yuǎn)離，難以在試驗過程中形成完全的共振狀態(tài)。

3.2 設(shè)備響應(yīng)

觀察設(shè)備各測點(diǎn)的檢測結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，試驗中設(shè)備頂部一節(jié)套管頂部的加速度最大，而最大應(yīng)力發(fā)生在最底節(jié)套管根部。設(shè)備的最大加速度、最大位移、和最大應(yīng)力如圖6所示。

總體而言，同等地震工況下，絕緣子的頂部加速度更大，而避雷器的應(yīng)力和位移更大，設(shè)備響應(yīng)情況與避雷器較之絕緣子更柔的結(jié)構(gòu)特性相匹配。

圖6 各工況下的設(shè)備實測地震反應(yīng)Fig.6 Experimental seismic responses for different input waves

從圖6可看出，采用各地震波對設(shè)備進(jìn)行抗震考核所得結(jié)果并不一致。試驗中共振拍波的工況明顯最為嚴(yán)酷，唯獨(dú)750 kV絕緣子在共振拍波工況下的最大位移略低于人工波工況，除此之外，共振拍波工況下設(shè)備的各項動力響應(yīng)均為最大。人工標(biāo)準(zhǔn)波作用下的設(shè)備響應(yīng)僅弱于共振拍波，對設(shè)備的激勵效果較強(qiáng)而且較穩(wěn)定。實際地震波Elcentro波工況下的設(shè)備動力響應(yīng)普遍小于拍波和人工波工況，750 kV避雷器和絕緣子兩種設(shè)備的最大應(yīng)力分別為4.98 MPA和3.84 MPA，均小于5 MPA，由此可見，Elcentro波不易將超高壓電氣設(shè)備激勵出足夠的動力響應(yīng)，對設(shè)備抗震性能的鑒定不利。由圖5可知，在750 kV支柱類設(shè)備基頻分布范圍內(nèi)，El?centro和Landers兩種實際地震波的幅值波動較大，尤其是Landers波。Landers波在750 kV絕緣子基頻附近的幅值與人工波相當(dāng)，而在750 kV避雷器基頻附近的幅值遠(yuǎn)低于人工波，因此，Landers波工況下的750 kV避雷器應(yīng)力較小，僅為人工波工況的84%，而750 kV絕緣子的應(yīng)力較大，為人工波工況的105%。該現(xiàn)象說明，采用Landers波對頻率不同的設(shè)備進(jìn)行抗震考核，所得結(jié)果差異較大。

4 頻率偏差對設(shè)備地震反應(yīng)影響分析

在地震模擬振動臺試驗前后，750 kV設(shè)備出現(xiàn)了頻率明顯降低的現(xiàn)象，通過理論分析和數(shù)值模擬可以更清楚地了解該非線性特性對設(shè)備地震反應(yīng)的影響，特別是設(shè)備頻率無法與共振拍波頻率保持一致的情形值得重點(diǎn)討論。

4.1 理論分析

程永鋒等人以地震作用下單自由度體系的反應(yīng)為例，通過分析加速度反應(yīng)放大系數(shù)隨頻率的變化來說明共振拍波頻率對設(shè)備抗震性能的影響[7]。地震作用下單自由度體系的動力學(xué)微分方程可寫為

式中：m、c、k為等效結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、阻尼和剛度；x¨s、x˙s、xs分別為結(jié)構(gòu)相對于地面的位移、速度和加速度；x¨g為地震加速度。在頻域中可以得到地震加速度反應(yīng)放大系數(shù)Ra如下[7，20]：

式中：ω為地震動頻率；ωn為結(jié)構(gòu)的固有頻率，可表示為為結(jié)構(gòu)阻尼比，可表示為

圖7表示的是加速度放大幅頻關(guān)系曲線，從圖中可以看出，當(dāng)?shù)卣饎宇l率與結(jié)構(gòu)頻率吻合時，結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)達(dá)到頂峰，結(jié)構(gòu)的阻尼比越小，放大效應(yīng)越明顯，ζ=0.05時，Ra為10.05，而當(dāng)ζ=0.02時，Ra可達(dá)25.02，750 kV的電氣設(shè)備阻尼比普遍都在0.05以下，甚至低于0.02。所以對750 kV的設(shè)備而言，地震動頻率一旦偏離結(jié)構(gòu)頻率一定范圍，結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)便急劇地減弱。表4展示了ζ分別為0.02和0.05時，地震頻率與結(jié)構(gòu)頻率接近度對設(shè)備地震反應(yīng)的影響。由表中所列數(shù)據(jù)可知，若地震頻率與結(jié)構(gòu)頻率比值為1.1，近似于本文中振動臺試驗后設(shè)備頻率與共振拍波頻率之比，則ζ為0.02和0.05的單自由度結(jié)構(gòu)地震加速度反應(yīng)放大系數(shù)分別為地震頻率與結(jié)構(gòu)頻率一致時的18.68%和42.19%。

圖7 加速度幅頻曲線Fig.7 Acceleration amplitude-frequency curve

表4 單自由度體系Ra與ω/ωn關(guān)系Table 4 Relation betweenRaandω/ωnfor single degree of freedom system

4.2 數(shù)值分析

為進(jìn)一步研究共振拍波的頻率與750 kV電氣設(shè)備地震響應(yīng)的關(guān)系，建立750 kV避雷器和絕緣子的數(shù)值模型見圖8。建模時采用3節(jié)點(diǎn)梁單元模擬設(shè)備套管和法蘭，法蘭參數(shù)依據(jù)等效彎曲剛度原則確定[5，8]，均壓環(huán)及附屬結(jié)構(gòu)運(yùn)用集中質(zhì)量單元模擬，對設(shè)備底部施加全約束。通過模態(tài)分析可得750 kV避雷器模型的一階頻率為1.93 Hz，與表3中的試驗值相比誤差不超過2.2%，750 kV絕緣子模型的一階頻率為4.45 Hz，與表3中的試驗值相比誤差不超過6.5%。

圖8 750 kV設(shè)備數(shù)值模型Fig.8 Numerical models of 750 kV equipments

通過以不同頻率的共振拍波對設(shè)備進(jìn)行動力時程仿真，可分析輸入的共振拍波頻率與設(shè)備固有頻率的偏差程度對設(shè)備地震反應(yīng)的影響。構(gòu)造不同頻率的共振拍波作為仿真輸入，拍波的頻率分別取設(shè)備一階頻率的0.8倍～1.2倍，間隔0.05倍頻，計算得到各共振拍波作用下設(shè)備的響應(yīng)見圖9。

圖9 拍波頻率-設(shè)備地震反應(yīng)關(guān)系仿真結(jié)果Fig.9 Simulated relation between beat wave frequency and seismic responses

由仿真數(shù)據(jù)可知，當(dāng)拍波頻率與設(shè)備頻率重合時，設(shè)備地震響應(yīng)最大；當(dāng)拍波頻率偏離設(shè)備頻率時，設(shè)備地震響應(yīng)隨著頻率偏離程度的加大而降低。當(dāng)拍波頻率為設(shè)備頻率的1.1倍時，750 kV避雷器的最大加速度、最大應(yīng)力、最大位移與共振時相比減小幅度分別可達(dá)24.32%、26.51%、29.14%，750 kV絕緣子的最大加速度、最大應(yīng)力、最大位移與共振時相比減小幅度分別可達(dá)24.35%、26.75%、26.33%，可見，若設(shè)備頻率降低導(dǎo)致無法與拍波形成完全共振，設(shè)備地震響應(yīng)降低較為明顯。

4.3 仿真與試驗結(jié)果對比

將振動臺臺面輸出的各時程波形作為輸入進(jìn)行仿真，并將計算結(jié)果與試驗結(jié)果對比，同時據(jù)此考察共振拍波在750 kV電氣設(shè)備抗震試驗評估中的適用性，設(shè)備有限元模型的計算應(yīng)力與試驗實測應(yīng)力對比見表5。

由表5可知，以Elcentro波、Landers波和人工標(biāo)準(zhǔn)波為輸入的模擬計算應(yīng)力結(jié)果與試驗值的相對誤差較小，吻合度令人滿意，說明了有限元模型的有效性和準(zhǔn)確性。誤差主要來源于建模時的簡化，如設(shè)備法蘭連接處的剛度等效簡化和設(shè)備頂部均壓環(huán)的質(zhì)量等效簡化等，以及有限元計算過程中的數(shù)值求解誤差。幾種地震輸入中，計算結(jié)果誤差最大的為共振拍波，相對誤差超過了18%，主要是因為共振拍波工況試驗過程中，設(shè)備頻率降低最為明顯，而設(shè)備頻率變化導(dǎo)致共振拍波未與設(shè)備產(chǎn)生共振，因此較之其他工況，非線性特性對共振拍波工況試驗結(jié)果產(chǎn)生的影響也最大，導(dǎo)致實測應(yīng)力遠(yuǎn)小于計算結(jié)果。由此可見，采用共振拍波進(jìn)行設(shè)備抗震試驗時，若試驗中設(shè)備頻率發(fā)生變化，則會在很大程度上影響抗震性能評估結(jié)果的準(zhǔn)確性。

表5 設(shè)備實測應(yīng)力與計算應(yīng)力對比Table 5 Comparison of testing stress and simulated stress

5 結(jié)論

通過地震模擬振動臺試驗，獲得了750 kV避雷器和絕緣子在頻譜特性不同的地震波作用下的響應(yīng)，由此分析了不同地震波對750 kV設(shè)備抗震評估的適用性。此外，針對設(shè)備在試驗中所表現(xiàn)出的非線性特性，根據(jù)理論分析和有限元仿真，研究了地震動輸入共振拍波的頻率和設(shè)備頻率發(fā)生偏離時對設(shè)備抗震評估結(jié)果造成的影響。

1）750 kV避雷器和絕緣子在共振拍波工況前后，一階頻率分別降低了約8%和7%，表現(xiàn)出了非線性特性，試驗時，共振拍波頻率不能和設(shè)備頻率保持一致而無法實現(xiàn)共振的目標(biāo)，因此在750 kV電氣設(shè)備的抗震試驗中，選用共振拍波存在一定程度的局限性。

2）人工標(biāo)準(zhǔn)波的反應(yīng)譜包絡(luò)性較強(qiáng)，其卓越頻率基本覆蓋了超高壓電氣設(shè)備的基頻，且適用于非線性特征較為明顯的電氣設(shè)備的抗震試驗，其激勵效果較好且穩(wěn)定，試驗中兩種750 kV設(shè)備在人工標(biāo)準(zhǔn)波作用下的地震反應(yīng)均較強(qiáng)，符合工程選用設(shè)備時考核便利統(tǒng)一和廠家標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)的需求。

3）在750 kV支柱類電氣設(shè)備基頻分布范圍內(nèi)，實際地震波Elcentro波和Landers波的反應(yīng)譜幅值波動較大，0.1 g等級Elcentro波工況下的750 kV設(shè)備響應(yīng)較弱，避雷器和絕緣子的最大應(yīng)力分別僅有4.98 Mpa和3.84 Mpa，Landers波對頻率不同的設(shè)備激振效果差異較為明顯。

4）有限元仿真結(jié)果與試驗結(jié)果吻合度較高，僅共振拍波工況的應(yīng)力計算相對誤差超過18%，說明了設(shè)備頻率降低影響了拍波工況試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。仿真結(jié)果表明，當(dāng)拍波頻率比設(shè)備頻率大10%時，750 kV避雷器和絕緣子的頂部加速度和根部應(yīng)力分別為拍波頻率與設(shè)備頻率重合時的24%和26%左右，可見設(shè)備頻率降低對選用共振拍波進(jìn)行抗震試驗的結(jié)果有較大影響。

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Research on Seismic Test of 750 kV Electrical Equipment with Different Seismic Waves

LIN Sen，CHENG Yongfeng，LU Zhicheng，SUN Yuhan，LIU Zhenlin，ZHU Zhubing
（China Electric Power Research Institute，Beijing 100055，China）

In seismic test of electrical equipment，how to select reasonable seismic input remains unclear at present.The seismic responses of electrical equipment under different seismic actions are sig?nificantly different，which brings great difficulty to accurate estimate for the seismic behavior of electrical equipment.In order to study the influences of seismic wave inputs with different spectrum characteristics on the seismic performance evaluation of 750 kV electrical equipment，shaking table tests of 750 kV post insulator and arrester are carried out using resonance beat wave，artificial standard wave，Elcentro wave and Landers wave.The equipment’s fundamental frequency reduced during the test，which implies that adopting resonance beat wave cannot reach the purpose of resonance.Under the actions of Elcentro wave and Landers wave，the seismic responses of electrical equipments with different frequencies varied from strong to weak.Because of outstanding spectral envelope characteristic，exciting effect of artificial stan?dard wave is desirable and stable.In consideration of nonlinear characteristic of 750 kV electrical equip?ment is confirmed by the test，the influence of deviation between the resonance beat wave frequency and the equipment frequency on the evaluation results of the equipment seismic performance is investigated by theoretical analysis and finite element simulation.The comparison between finite element analysis re?sult and experimental result indicates a good agreement.This work provides the basis for the seismic test of extra-high voltage（EHV）electrical equipments.It also provides safeguard for seismic safety of EHV substation.

EHV；electricalequipment；shakingtabletest；seismicperformance；inputseismicwaves

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.06.023

2017-05-13

林森（1987—），男，博士，主要從事電力設(shè)施抗震及減隔震研究。