550kVGIS高压开关设备抗震性能分析

550kVGIS高压开关设备抗震性能分析

李元侠

上海思源高压开关有限公司   上海   201108

摘要:针对550kVGIS高压开关设备的抗震特性，建立基于实物的三维模型。利用模态分析原理，对其进行动态特性分析，获得结构的振动频率和振型，并运用响应谱分析法对其进行地震动特性分析，得出AG5级地震作用下GIS结构的最大应力与变形，以评价其在AG5地震作用下的安全性能。

关键词:GIS；模态分析；谱分析

引言

封闭组合电器（GIS）是20世纪60年代中期兴起的一种新型电气设备，它是在SF6的基础上发展而成的。GIS是将断路器，隔离开关，接地开关，电流互感器，电压互感器，避雷器，以及连接母线等封装在一个金属外壳中，并充入SF6气体，该SF6气体具有良好的灭弧和绝缘特性，起到相互和接地的作用。它具有封闭性、组合性、占地面积小、与外部环境无关、无噪音、无无线电干扰、安全可靠等优点。近年来，国内外多年来的多次地震，造成电网损失率很高，其中最重要的原因是输电塔的坍塌和高压开关装置的破坏。2000年10月，日本新泻县西500kV日野变电所的220kV侧套管因地震而受损。高压开关设备的故障会直接使整个电网的正常运转或完全崩溃。由于高压开关装置具有高度集中、密闭的特性，在地震中发生损坏后很难恢复，是很容易发生地震的薄弱环节，所以对高压开关装置的抗震性能进行研究是非常有意义的。

1 550 kV GIS套管模型创建

该工程所用的550kVGIS套管由中空复合绝缘子、导体、端子、套管屏蔽、均压环等部件构成。硅橡胶伞套结构复杂，但其对整个套管的强度影响不大，为防止其结构复杂、快速、高效地进行仿真，本文对其进行简化。本文利用Automatic有限元软件对网格进行合理、高效的网格划分。

建立模型时，既要保证计算精度，又要计算工作量，同时还需要合理地简化实体结构。以550kVGIS系统的一相线路为例，给出550kVGIS单相配置的示意图。

(a)整体图

(b)局部放大图

图1550 kV GIS单相结构简图

本变电站550kV地理信息系统的主要组件包括：断路器，隔离开关，避雷器，电压互感器，电流互感器，接地开关，连接母线等。GIS的主要构成成分是Q235碳素钢，铝合金，硅橡胶，紫铜。在对热轧Q235钢、铝合金、硅橡胶和紫铜进行实体建模之前，需要对热轧Q235热轧钢、铝合金、硅橡胶和紫铜进行定义，设置弹性模量、泊松比、密度、阻尼比等参数。在保证计算精度的基础上，利用四面体元和中性结点组成的单元进行智能化的网格划分，得到567523个网格，并给出相应的有限元模型截面图，最后对其进行全自由度的限制。

2 抗震分析

为了更加精确地分析和验证设计的套管的抗震可靠性，在套管自重的情况下，通过内部压力、风载荷和静端载荷来模拟套管的实际工作状况，并运用有限元软件对高原工程中所使用的GIS套管进行响应频谱分析，以检验设计产品的可靠性，并发现在地震中引起的产品大位移，并依据变形资料，对相应的设备进行相应的调整。

2.1 施加载荷

550kVGIS套管在正常工作过程中，由于受到多种因素的影响，会受到自身的重力、端子的拉力、内部压力和风荷载的影响。根据GB/T13540-2009《高压开关设备和控制设备的抗震要求》中所规定的各种应力的综合要求，通过对所测得的地震应力进行测试或分析，并将其与其它操作负荷相结合，以确定开关设备和控制设备的整体承载能力。由于该工程550kVGIS套管的承载力极限测试值为8000N，因此，为了更好地反映套管在不同荷载和地震荷载的联合作用下的承载力，将套管的静力极限设定为套管的悬臂承载力，其总重量为740kg，重力加速度为9.8m/s。根据试验结果，基部受力限制，并计算出其受力状态如表1所示。

表1套管施加载荷

2.2 套管模态分析

模态分析是一种数值方法，它是分析结构振动的最基本方法，也是响应谱分析、谐响应分析、随机振动分析等动态分析的基础。无阻尼模态分析是经典的特征值问题，动力学问题的一般运动方程如下所示：

[M]×{x″}+[K]×{x}={0}(1)

式中：[M]和[K]分别为质量矩阵和刚度矩阵。

结构的自由振动为简谐振动，即位移为正弦函数：x=x sin(ωt)(2)将式(2)代入式(1)

得：{[K]-ωi2[M]}×{x}i={0}(3)式中ωi2为方程(3)的特征值，其开方ωi就是自振圆频率，自振频率为f=ωi/2π。特征值ωi对应的特征向量{x}i为自振频率f=ωi/2π对应的振型。

模态分析实质上就是进行特征值和特征向量的求解，也被称为模态提取。经过有限元分析软件模拟计算，套管前10阶模态频率如表2所示。

表2 550 kV套管前10阶模态频率

高压电器的自振频率通常在1~7Hz左右，基本处于明显的地震频段，同时装置的减震能力也相对较低，所以在地震作用下，建筑物的动态响应会更强。根据以上计算结果，套管自振频率为2.23Hz，属于较为优异的地震频段，因此需要对套管进行响应谱分析，以检验其抗震性能。

2.3 套管响应谱分析

响应谱分析是一种以振动荷载频率谱为输入负载的频域分析方法，通过对结构在给定的荷载频谱条件下结构的最大反应进行分析和计算。由于地震波的频谱特征比较复杂，因此，正确选取输入地震波是确保测试精度的先决条件。本文依据GB/T13540-2009《高压开关设备和控制设备的抗震要求》的规定，采用标准响应谱作为本试验的输入负荷，并对试验结果进行比较。根据实际套管的安装状况，安装支架的加速度放大系数为2。在AG5的防震等级中，加速度的输入情况见表3。

表3 加速度输入条件

2.3.1 X+Z方向响应谱

通过计算发现，在静载和X+Z方向的反应频谱的联合作用下，套管顶端相对位移的变化情况见表4。

表4 X+Z方向套管顶部相对位移mm

2.3.2 Y+Z方向响应谱

通过计算发现，在静态荷载和Y+Z向频率谱的联合作用下，套管顶端的相对位移随时间的变化而变化。在静载和Y+Z方向响应谱的联合作用下，各个部件的安全系数见表5。通过套管反应频谱分析，550kVGIS套管的最大受力构件为环氧管道，其上部的相对位移很大，且以均压环位置为主。

表5 零部件的安全系数

2.4 响应谱分析

响应谱分析是在随机振动理论的基础上进行的。本文对此方法进行单一的频谱分析。基于模态分析，建立基于地基的全自由度有限元模型，并对550kVGIS的整体结构进行响应谱分析。

表6 AG5抗震水平下的标准反映谱

在地震作用下，单自由度结构的振动方程为

y..(t)+2ξω0

y(t)+ω20 y(t)=－x..(t)(6)

式中ξ、ω0分别是550 kV GIS结构的固有频率和阻尼比；

x..(t)、x(t)、x(t)分别是地面加速度、速度、位移；

y..(t)、y(t)、y(t)分别是550 kVGIS结构相对反应加速度、速度、位移。

用z..(t)、z(t)、z(t)分别表示550 kV GIS结构反应绝对加速度、速度、位移，且有:z..(t)=y..(t)+x..(t)z(t)=y(t)+x(t)z(t)=y(t)+x(t)

则式(6)可简化为z..(t)+2ξw 0z(t)+ω20 z(t)=2ξω0x(t)+ω20 x(t)(7)

令F x(ω)=∫T0x(t)e－iωt dtF z(ω)=∫T0z(t)e－iωt dt

对式(7)进行傅里叶变换，可得:F z(ω)=H(ω)F x(ω)(8)

式中:H(ω)=ω2 0+i2ξω0ω(ω20－ω2)+i2ξω0ω，称为频响函数，

又因为F x..(ω)=(iω)2 Fx(ω)F z..=(iω)2 F z(ω)(9)

故:F z..=H(ω)F x..(ω)(10)

令F x..(ω)=∫T0x..(t)e－iωt dt=A(ω)e－iθ(ω)(11)

式中:T为输入地震加速度持续时间。

且A(ω)=∫T0 x..(t)cosωtd{}t2+∫T0 x..(t)sinωtd{}t槡2，为加速度x..(t)的频谱。θ(ω)=tan－1∫T0x..(t)sinωtdt∫T0x..(t)cosωtdt，为x..(t)的相位谱。根据傅里叶逆变换原理有:x..(t)=12π∫ωM－ωM［A(ω)e－iθ(ω)］e iωtDω..(t)=12π∫ωM－ωM［H(ω)A(ω)e－iθ(ω)］e iωtdω(12)

式中:ωM为傅里叶变换的截止频率。

根据550kVGIS的响应频谱分析，发现最大位移发生在双层母线上部，达到8.855cm，与模式分析的初步结论一致，并与图2中的结果进行比较。根据GIS本身的构造特性，断路器的最大应力为75.9MPa。图2和3是AG5地震作用下550kVGIS结构的应力云图及位移云图。频谱分析结果表明，在断路器的最大应力位置；最大的形状参数在两层母线的顶部，与第一阶结构的矩阵非常接近。结果表明，在考虑地震反应时，前几阶模态对地震反应有重要影响，而第一阶模态对地震反应有重要影响。

图2 550 kV GIS结构位移云图

图3 550 kV GIS结构应力云图

3 结语

550kVGIS高压开关装置根据GB/T13540-2009中的规范，采用标准的地震反应频谱，对AG5进行设计。以0.5g的水平地震加速度和2%的结构阻尼作为计算依据。a.从这一模式分析可以看出，结构的自振频率完全处于地震波的主要频率区域，因而在地震作用下更容易产生谐振和类谐振。b.从频谱分析可以看出，地震时，第一阶振动频率是地震发生的主要原因。在无约束的情况下，如双层母线、套管顶端、母线筒的转角等，都容易发生变形，所以在今后的GIS结构设计中，应强化GIS的总体约束。对550kVGIS进行AG5地震响应分析，结果表明：GIS结构承受最大应力为75.9MPa，最大幅度为8.855cm；相应材料的屈服强度是125MPa，因而550kVGIS在AG5地震作用下是比较安全的。

参考文献

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