引言

汶川地震中,断路器、隔离开关等含瓷套管的电气设备破坏严重,损失巨大(于永清等,2008;尤红兵等,2008)。其主要原因是这些设备的瓷件为脆性材料,塑性变形能力差,地震时易断裂;同时瓷套管具有相当的长度与重量,头重脚轻易使设备损坏或倾倒。而利用减震器可有效降低设备的地震反应,提高设备的抗震能力。因此,开展断路器的抗震性能分析,研究减震器的减震效果,具有重要的理论意义和工程应用价值。

美国、日本等国家十分重视电气设备减震隔震技术的应用,开展了大量的研究工作,许多研究成果已被写入相应的抗震规范(Saadeghvaziri等,2001;Selahattin Ersoy等,2001;IEEE Standard 693,2005;JEAG 5003,1998)。近年来,姚德康(2000)在国电华北电力设计院工程有限公司的资助下,开发研制了铅合金减震器。李亚琦等(2002;2005)进行了LW11-252/Q瓷柱型六氟化硫断路器振动台试验及有限元分析,研究了铅合金减震器的动力特性及适用范围。在其研究中,铅合金减震器安装在支持瓷柱与支架的连接处。相比较而言,减震器安装在支架底部无需改变设备的原有设计,更方便设计和施工。同时,汶川地震的发生也进一步推动了电气设备的抗震分析及减震、隔震技术的研究(文波等,2009;谢强等,2009;李旭等,2009)。但我国在电气设备的减震、隔震方面的研究目前仍处在起步阶段,对减震、隔震装置的力学性能、消能减震理论的研究还有待进一步提高。

本文利用ANSYS,建立了LW36-252 /T3150-40型瓷柱式SF6断路器的有限元模型。并以IEEE Standard 693推荐时程和汶川地震典型时程作为地震输入,计算了支架底部未安装与安装铅合金减震器时断路器的地震反应。分析了减震器的减震效果,对断路器的抗震性能作了评定。

1 有限元模型
1.1 断路器及有限元模型

LW36-252/T 3150-40型瓷柱式SF6断路器由北京北开电气股份有限公司生产,适用于开断重要负荷的场所。可作为发电厂、变电所等输配电系统的控制和保护开关,亦可作为电力系统的控制和保护之用的联络断路器。

断路器总高为7.165m,实体图片及利用ANSYS建立的LW36-252型瓷柱式SF6断路器的有限元模型如图1所示。底座支架采用梁单元,钢板采用壳单元,瓷柱和法兰采用体单元模拟。单元总数为1918个,节点数为3520。其中梁单元272个,壳单元277个,体单元1360个。断路器的组成材料主要为钢和瓷,钢的弹性模量取2.1e11 N/m2、密度取7800kg/m3、泊松比取0.3;瓷套的弹性模量取1.2e11 N/m2、密度取4700kg/m3、泊松比取0.3。未安装减震器时,阻尼比取0.039;安装减震器时,阻尼比取0.045。

1.2 铅合金减震器

铅合金减震器利用铅合金的塑性变形来吸收地震能量,能有效提高电气设备的抗震能力,具有耐老化、耗能性能稳定、造价低等优点。根据LW36-252 /T3150-40型瓷柱式SF6断路器的特点,定制了相应的铅合金减震器,并通过试验测定了减震器的力学性能,拉压滞回曲线及由滞洄环顶点的连线确定的骨架曲线如图2所示。铅合金减震器安装在断路器底座4个柱脚处,只允许柱脚作竖向震动。减震器采用COMBIN39弹簧单元模拟,本构关系采用图2所示的力-位移骨架曲线。

图 1 断路器及有限元模型 Fig. 1Circuit-breaker and its finite element model

图 2 铅合金减震器滞回曲线及骨架曲线 Fig. 2Hysteretic and skeleton curves of the lead alloy absorber
2 输入时程
2.1 IEEE Std 693推荐时程

IEEE Std 693-2005《变电站抗震设计推荐规程》(IEEE Std 693,2005;尤红兵等,2009)是美国现行变电所电气设备抗震设计与性能测试的主要参考文件,对我国相关规范的制定和修改具有重要参考价值。

IEEE Std 693-2005定义了高、中、低3个基本抗震考核水平,加速度峰值分别为0.5g、0.25g、0.1g。并规定凡电气设备通过与相应水准要求反应谱(RRS)相符的地震动时程,其抗震性才满足相应水准抗震水平。为满足客户的更高要求,还定义了高、中2个抗震性能水平(Performance Level,简称PL),反应谱值为相应RRS的2倍,加速度峰值分别为1.0g、0.5g。竖向加速度峰值为水平向加速度峰值的80%。

现在许多出口到美国的电气设备,均需按IEEE Std 693 相关规定进行抗震性能评定。为此,本文选择IEEE Std 693-2005推荐的时程进行分析计算,加速度时程及反应谱(阻尼比5%)如图3、图4所示。该时程频带比较宽,反应谱包络相应水准的规范标准谱(图4);持时大于20s;强度比达到60%;单自由度体系高振幅循环数分布较好,满足IEEE Std 693-2005的所有要求(Shakhzod等,2005)。

图 3 输入时程 Fig. 3The input time history

图 4 输入时程加速度反应谱 Fig. 4The acceleration response spectra of the input time history
2.2 汶川地震波

什邡八角台站记录了汶川地震主震的加速度,其3个方向的最大加速度分别为556.2 cm/s2、581.6 cm/s2、633.1cm/s2。广元曾家台站记录的最大加速度幅值分别为:410.5cm/s2、424.5 cm/s2、183.3 cm/s2。加速度时程及反应谱(阻尼比5%)如图3、图4所示。

选择上述2个台站的记录作为计算输入,一方面是考虑到加速度峰值较大,广元曾家台站的2个水平分量超过了0.4g,而什邡八角台站的记录接近0.6g,并且什邡八角台站的竖向记录最大为633.1cm/s2,超过了2个水平分量;另一方面,所选加速度的主频接近断路器自振频率。什邡八角台站记录的反应谱平台段较宽(图4),2个水平分量在2.0—6.0Hz之间幅值较大,主频约为3.4Hz;而广元曾家台站的2个水平记录的主频约为2.7Hz。

3 结果分析
3.1 自振特性

利用模态分析,得到了未安装减震器和安装减震器后断路器的前6阶自振频率,如表1所示。从表1可以看出,安装减震器能降低断路器的自振频率,并通过改变结构的自振周期而降低设备的地震反应。同时,利用铅合金的塑性变形来吸收地震能量,达到了减震的目的。为说明断路器的振型特性,图5给出了安装减震器后断路器的前6阶模态振型。其中前4阶振型以X、Y方向的弯曲振动为主,第5阶振型以扭转振动为主。

表1 断路器自振频率 Table 1 Natural frequency of the circuit-breaker

图 5 断路器前6阶模态振型 Fig. 5The Circuit-breaker vibration models of the first six orders

断路器的前4阶自振频率在1.8—8.3Hz之间,而IEEE Std 693-2005标准谱平台段为1.1—8.0Hz,什邡八角台站记录的反应谱平台段为2.0—6.0Hz。由于大多地震动的卓越频率均在1—10Hz之间,与断路器自振频率接近。因此,在地震波作用下,断路器容易产生共振,发生破坏。断路器的竖向一阶频率分别为56.514Hz(未减震)、43.157Hz(减震),频率较高。一般情况下,竖向地震对断路器的破坏较小。

3.2 减震效果分析

为研究减震器的减震效果,分别进行了5种工况的计算:IEEE 693推荐时程,加速度幅值分别为0.25g、0.5g、1.0g;什邡八角波及广元曾家波,加速度幅值均不调整。断路器顶部的加速度反应如图6、图7、图8所示。断路器顶部最大加速度和瓷套最大应力统计如表2、表3所示。减震效果定义为未减震值与减震值的差除以未减震值。

图 6 顶部加速度时程(IEEE 693 0.5g) Fig. 6The top acceleration time history(IEEE 693 0.5g)

图 7 顶部加速度时程(什邡八角波) Fig. 7The top acceleration time history(Shifang-Bajiao records)

图 8 顶部加速度时程(广元曾家波) Fig. 8The top acceleration time history(Guangyuan-Zengjia records)
表2 断路器顶部最大加速度 Table 2 Peak acceleration at the top of the circuit-breaker
表3 断路器瓷套最大应力 Table 3 The maximum stress of the porcelain bushing

从图6—图8及表2中可以看出,安装铅合金减震器能有效降低断路器顶部的水平向加速度幅值,具有良好的减震效果。输入加速度峰值越大,减震效果也相对越好。当输入IEEE693推荐时程、加速度幅值为0.25g时,X、Y向的减震效果分别为34.9%、22.6%;当加速度幅值增大到1.0g时,X、Y向的减震效果分别达到了52.7%、48.2%,均显著增大。输入加速度的峰值影响铅合金减震器的塑性变形,进而影响减震效果。输入加速度幅值越大,铅合金减震器的塑性变形越大,吸收地震能量越多,减震效果也越好。综合上述5种计算工况,断路器顶部水平向加速度的平均减震效果为40.7%。即安装减震器后,顶部水平向加速度峰值平均降低了40.7%,最小为22.6%,最大达56.8%。但铅合金减震器对竖向加速度的减震效果不明显,一般低于20%,还有待进一步改进。

断路器瓷套的允许应力为45MPa,底部瓷套在地震中受力最大,更容易破坏。下面以底部瓷套为例,说明减震器的减震效果。从表3中可以看出,安装铅合金减震器能有效降低断路器瓷套的最大应力,具有良好的减震效果。当输入IEEE693推荐时程时,底部瓷套最大应力的减震效果分别为17.3%(0.25g)、22.5%(0.5g)、38.5%(1.0g),输入加速度幅值越大,减震效果也相对越好。当未安装减震器时,在IEEE693(1.0g)和什邡八角波输下,瓷套应力超过了允许应力,瓷套可能断裂。安装减震器后,瓷套应力均未超过允许应力,保证了断路器的安全。

图9给出了不同地震波输入下,减震器的内力-变形滞回曲线。从图9可知,滞回曲线较饱满,具有较好的耗能性能,从而有效降低了瓷套的应力。另外,减震器产生的位移仅4—6mm,对断路器顶部的位移影响不大。

图 9 不同地震波输入下减震器滞回曲线 Fig. 9The hysteretic curves of the lead alloy absorber for different input time history
3.3 断路器抗震性能分析

根据IEEE Std 693-2005的相关规定,应以振动台试验结果作为此断路器抗震性能评定的依据。本文以计算结果给出的抗震性能分析,可作为抗震性能评定的参考。

IEEE Std 693-2005规定:瓷套所受应力不超过允许应力的50%。断路器瓷套的允许应力为45MPa,则瓷套的地震反应不应超过22.5MPa。表3中只有加速度幅值为0.25g时,瓷套的最大应力为16.2MPa(未减震)小于22.5MPa。同时断路器无其他破坏。通过了与中等水准要求反应谱(RRS)相符的地震动时程检验,可达到中等水准抗震水平。

加速度幅值为0.5g、1.0g时,无论是减震还是未减震情况下,底部瓷套的最大应力均超过了22.5MPa,不符合IEEE Std 693-2005要求。因此,LW36-252 /T3150-40型瓷柱式SF6断路器达不到高等水准抗震水平。

在什邡八角波作用下,瓷套未减震时的最大应力为53.7MPa,大于允许应力,瓷套破坏。这也是汶川地震中断路器破坏严重的主要原因。若安装减震器后,瓷套应力为32.5MPa,小于允许应力,瓷套可避免破坏。在广元曾家波作用下,瓷套的最大应力均小于允许应力。若不考虑其他因素,断路器是安全的。

4 结语

利用ANSYS,建立了LW36-252 /T3150-40型瓷柱式SF6断路器的有限元模型。并以IEEE Standard 693推荐时程和汶川地震典型时程作为地震输入,计算了支架底部未安装与安装铅合金减震器时断路器的地震反应。同时分析了减震器的减震效果,对断路器的抗震性能给出了以下初步评定。

(1)安装铅合金减震器能有效降低断路器顶部的水平向加速度幅值以及底部瓷套的最大应力,具有良好的减震效果。输入加速度峰值越大,减震效果也相对越好,平均减震效果可达40%。

(2)铅合金减震器对竖向加速度的减震效果不明显,还有待进一步改进。

(3)按照IEEE Std 693-2005的相关要求,LW36-252 /T3150-40型瓷柱式SF6断路器可达到中等水准抗震水平,但达不到高等水准抗震水平。

(4)应进一步开展电气设备的减震、隔震研究工作,推广减震、隔震技术的应用。

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