基于MRTMD的瓷柱型电气设备减震技术研究

瓷柱型电气设备由于结构高耸、阻尼小等特点在地震中极易发生破坏。现有瓷柱型电气设备的加固措施均不能充分保证该类设备在地震发生时的安全运行。本文基于调谐质量阻尼器原理,结合瓷柱型电气设备中心对称的结构特点,提出了多重环式调谐质量阻尼器(MRTMD)的概念并设计了相应的三重调谐质量阻尼器减震装置,推导了对应的减震方程。文中以2个不同型号的电压互感器为例,通过有限元模拟,对比了该设备有控和无控时的动力响应。此外,考虑到导线及裹冰荷载的影响,本文研究了MRTMD控制频率偏移最佳控制频率时的减震效果。结果表明:MRTMD可以明显增强瓷柱型电气设备的抗震性能,实现任意方向的地震动减震;MRTMD对于不同类型的地震动均具有良好的鲁棒性;当控制频率发生50%偏移时,MRTMD仍然可以保持稳定的减震效果。     

加装减震装置的特高压复合材料支柱绝缘子振动台试验研究

为研究复合材料电气设备抗震性能与减震技术应用效果,对特高压复合支柱材料绝缘子进行了抗震与减震地震模拟振动台试验,研究了设备动力特性和地震响应。白噪声试验结果表明:该复合材料支柱绝缘子在安装减震器后第1阶频率由1.11 Hz降低到1.04 Hz,表明减震器对设备结构的整体刚度影响较小。3种地震波试验结果表明:设备地震响应与地震动峰值加速度在抗震试验中呈线性变化关系,但在减震试验的应力响应中呈非线性变化关系;设备安装减震器后,试验地震动峰值加速度越大,减震效率越高,最高达到了66.32%;而位移减震率与地震动峰值加速度无明显规律,最大位移减震率为49.36%。试验研究结果表明:试验设备安装减震器后抗震性能得到显著提升,为复合材料电气设备抗震性能研究与减震技术应用提供了参考依据。     

复合外套型特高压交流CVT抗震与减震试验研究

为研究复合外套型电气设备的抗震性能与安装减震装置后的减震效果,对其进行特高压交流CVT地震模拟振动台试验研究,分析设备的动力特性与地震响应。白噪声试验结果表明试验设备安装减震器后其结构第一阶频率由1.07Hz略降低至1.04Hz,即减震装置对结构的整体刚度影响较小;人工波试验中原结构在地震动峰值加速度0.2g(PAG=0.2g)抗震试验中设备最大应力与位移响应为46.33 MPa与349.12mm,减震结构在PAG=0.5g抗震试验中,设备最大应力与位移响应为27.64 MPa与330.06mm,设备安装减震装置后抗震性能得到显著提升。试验研究结果可为复合材料电气设备抗震性能研究与减震装置应用提供参数数据。     

特高压互连电气设备减震性能振动台试验

为研究铅金属减震器对特高压互连电气设备的减震效果,进行由硬管母线连接的特高压避雷器设备和电容式电压互感器设备组成的互连耦合体系的地震模拟振动台试验。通过白噪声扫频、抗震及减震试验,测定互连耦合体系抗震结构及减震结构的自振频率以及关键部位的应变、加速度响应。试验结果表明:抗震结构中避雷器设备的最大应变响应大于互感器设备,互连耦合体系中的避雷器设备属于易损设备;安装减震器后互连设备频率降低幅度较小,减震器基本不会影响电气设备的正常运行;安装减震器后互连耦合体系中的避雷器设备和互感器设备在较大峰值加速度地震波作用下,设备顶端加速度响应和最大应变响应均有较大幅度的降低,避雷器设备和互感器设备的最大应变响应的减震效率分别为75%和50%,减震效果显著,减震器的应用大幅提升了互连耦合体系的抗震能力。     

软导线互连电气设备回路抗震试验研究

复合材料电气设备由于其材料质轻高强、绝缘性能好的特点,在电网工程中得到了推广应用。为研究特高压复合材料电气设备在软导线连接回路中的抗震性能,采用地震模拟振动台试验,研究5种不同软导线冗余长度的回路系统,在不同地震波波形、加速度峰值和激振力方向影响下设备的加速度和应力变化趋势。试验结果表明:互连回路中在导线连接方向上,刚度大的设备频率降低、刚度小的设备频率增大;地震作用下回路中两设备最大应力均出现在底部绝缘子根部,应力响应基本与加速度峰值呈线性变化关系,竖向地震组合的地震影响系数可按1.40考虑;回路导线冗余长度变化,对小震中设备地震响应影响较大。试验得到的软导线连接回路在地震作用下的响应规律,可为变电站或换流站回路系统抗震设计提供借鉴和参考。     

带减震支座的T型开关设备地震响应分析及试验研究

已有震害资料表明,支柱类设备具有较高的地震易损性。本文中提出使用钢丝绳及液压阻尼器组成的复合减震支座减小T型旁路开关的地震响应。本文首先分别对固定支座、钢丝绳阻尼器支座和复合支座的旁路开关进行有限元分析。随后对带复合减震支座的旁路开关进行了振动台试验,识别设备多阶振型,利用加速度响应及质量分布计算各截面弯矩,使用频响函数推算支座的减震效果。结果表明,液压阻尼器可以在钢丝绳阻尼器的基础上进一步减小设备的应力及位移响应。T型旁路开关基频较低且易受到高阶振型影响,设备支柱绝缘子中上部加速度响应最大,顶部位移最大而根部应力最大。减震支座能将设备的应力和位移响应减小大约50%,且设备的应力响应满足安全系数要求。     

瓷柱式SF6高压断路器抗震性能分析

开展断路器的抗震性能分析,研究铅合金减震器的减震效果,对提高电气设备的抗震能力有重要意义。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,分别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。铅合金减震器有良好的减震效果,能有效提高设备的抗震能力,此断路器可达到IEEE Std 693-2005中等水准抗震水平。     

不同垂度导线连接变电站实体耦联设备振动台试验研究

为了对地震作用下柔性导线连接的变电站电气设备间的相互作用进行研究,本文进行了不同垂度下柔性双分裂导线连接实体隔离开关和断路器的地震模拟振动台试验.振动台试验中采用无导线连接的单体设备以及三种不同松弛度导线连接设备体系,在不同强度的三种地震动输入下对耦联体系的动力响应进行了试验研究.试验结果表明:导线的存在使得耦联设备间...     

考虑不同固定条件的核电设备多维地震响应振动台试验研究

在核电站中:核电设备通过不同的固定条件与结构相连,地震作用时设备与结构动力相互作用复杂,为分析核电设备多维地震响应并鉴定其抗震性能,进行了考虑不同固定条件的核电设备多维地震响应振动台试验研究。振动台试验进行了5次运行基准地震和1次安全停堆地震的动力时程激振,以及试验首末2次动力特性测试。试验结果表明:不同固定条件会影响核电设备多维地震响应的加速度峰值、反应谱特性和动力放大系数,与设备直接固定于振动台相比,将核电设备悬挂固定于剪力墙再与振动台连接的固定条件,改变了设备反应谱特性,且放大了响应的加速度峰值,具有显著的动力放大效应,使核电设备多维地震响应更为强烈。因此,对此类固定条件的核电设备,在产品设计及安装固定时要充分考虑动力放大效应,以提高设备的抗震韧性。抗震试验前后,核电设备功能运行正常,结构完整性好,抗震性能满足要求。     

基于概率的变电站系统抗震性能评估方法研究

正电力系统对于震后抗震救援工作的开展极为重要,作为电力系统的重要组成部分,变电站的抗震性能需要进行深入研究。近年来学者大多针对变电站中电气设备的抗震性能以及变电站正常运行情况下的可靠性进行研究分析,对变电站系统整体抗震性能的研究不足,缺乏评价指标与实用评估方法。本文提出了一种基于概率的系统评估方法,称为状态树方法,可用于评估具有多输入-多输出特征的工程系统的抗震性能,以一个典型220 k V变电站为例阐述了该方法的有效性与实用性。该方法分为4步:(1)定义系统功能;(2)进行系统分析,建立状态树模型;(3)定义部件易损性;(4)利用蒙特卡洛方法计算系统易损性。另外,考虑到电气设备的特殊性,在对大量地震动记录进行统计分析的基础上,对抗震设计反应谱提出了修订建议。本文的主要研究内容如下:(1)对比分析了国内外关于建筑结构、电气设备的抗震设计规范的异同,指出我国规范的问题与不足。搜集近年来美国NGA-West2、日本Ki K-net数据库公布的超过万条强震记录,按照《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010)划分4类场地,计算伪加速度平均反应谱,采用最小二乘法进行多参数拟合,重点研究了特征周期、动力放大系数和衰减系数的变化趋势,分析了水平向和竖向地震动反应谱的区别,提出了分别适用于结构、设备的抗震设计标准反应谱。另外,开发了基于反应谱的天然地震动选择程序、人工地震动生成程序,给出了适用于计算电气设备易损性的36组天然地震动。(2)对现有系统分析评估方法进行介绍,指出不足之处。提出一种新的系统分析方法,将故障树方法与成功路径概念相结合,称之为状态树方法。针对一个典型的220 k V变电站,以输送电能为目标,定义了变电站系统的功能。结合变电站平面布置、电气连接方式建立了完整的状态树模型,描述了变电站中各部件的逻辑关系,包括变压器、断路器、隔离开关、电流互感器、电压互感器、避雷器、绝缘子以及各种支架等。(3)对110 k V电压互感器、110 k V电流互感器和10 k V高压变频器进行振动台试验,测试其动力特性与抗震性能。建立电压互感器、电流互感器数值模型,根据36组地震动时程分析结果确定了电气设备的易损性。搜集、整理、分析了现有110 k V和220 k V各类电气设备的易损性研究结果。根据振动台试验、数值模拟以及文献调研的结果,采用双对数正态分布描述电气设备的易损性,确定了各类电气设备的抗震能力中值、随机性和不确定性。(4)结合系统状态树模型与部件易损性参数,利用蒙特卡洛方法计算了变电站不同功能需求对应的抗震能力中值及对数标准差。通过参数分析,研究了部件易损性参数、易损性曲线形式对变电站整体抗震能力的影响。根据各部件对变电站抗震性能的影响大小,确定了变电站的关键设备(薄弱环节)。针对抗震能力较差的电气设备,分析了提高这些设备抗震能力对变电站整体抗震能力的影响。     

铅合金减震器的动力特性及适用范围

通过典型高压断路器的振动台实验及有限元模型计算, 分析了铅合金减震器的减震效果. 实验分析结果表明, 铅合金减震器不仅降低了断路器的加速度反应和应变反应, 而且没有增加断路器的位移反应. 其最大应变降低量平均达到30％, 且输入地震动越强, 减震效果越明显. 有限元模型计算分析进一步论证了铅合金减震器的减震效果, 尤其是具有丰富长周期地震动和速度脉冲地震动作用下的减震效果. 基于断路器的地震破坏模式, 本文将减震器的减震效果定义为断路器瓷柱最大应变的降低率. 综合计算结果和振动台试验结果, 本文初步确定了铅合金减震器的适用范围.      

双磁场控制的磁流变减震结构振动台试验研究

传统磁流变减隔振器通常由线圈持续供电,不仅增大耗能,也会减少器件的使用寿命。基于磁流变凝胶(MRG)的剪切工作原理,运用剪切型结构设计一种新型磁流变凝胶减震装置,采用永磁体和线圈共同控制磁场大小和方向,通过改变磁流变凝胶的磁化程度实现阻尼力大小的控制。将该装置安装在一2层钢框架结构模型的底层,采用恒定电流控制法开展磁流变减震结构振动台试验研究,分析不同电流下减震结构系统对不同地震波的振动控制效果。试验结果表明:该磁流变凝胶减震装置能够显著降低结构的动力响应,对于不同的地震波其减震效果有所差异,随着峰值加速度的增加其减震效果有所下降。     

地震作用下结构-设备耦合体系动力相互作用研究

为了研究结构系统与设备系统的动力相互作用,设计并制作了1个由钢筋混凝土框架结构和钢结构单自由度振子组成的结构-设备耦合体系模型,并进行了振动台试验。试验测试了模型结构在不同地震波峰值加速度下的动力特性、位移反应和动应变。根据试验结果,分析了耦合系统的受力过程和破坏机理。采用ABAQUS进行有限元分析,分析了设备与结构不同质量比参数情况下,耦合模型和堆聚质量模型频率特性以及地震响应的差异。研究表明:在地震作用下会形成非线性结构-弹性设备的耦合体系;结构屈服后设备的动力放大系数小于屈服前的放大系数;耦合体系的计算频率小于堆聚质量体系的计算结果,地震响应大于集中堆聚体系,质量比越大,两者的差异也越大。     

GIS高压电气设备抗震性能试验研究

气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)是高压配电装置常见型式,以GIS高压开关设备为研究对象,基于拟合标准反应谱的人工地震动合成理论,生成符合高压电气设备抗震试验要求的人工地震波。同时以实震记录El-centro地震波作为试验配合波形,进行了GIS高压开关设备原型结构的模拟地震振动台试验,研究其抗震性能,寻找设备抗震薄弱点,为高压电气设备的抗震设计提供依据。试验表明:GIS高压电气设备具有较好的抗震性能,在0.4g地震激励下该设备的抗震性能能够满足规范要求,但其套管处加速度综合放大系数及位移值均大于设备主体,为该电气设备的薄弱点,设计时应在套管处采取必要的加强措施提高其抗震能力,防止在地震激励下高压电气产生破坏。     

电气设备抗震性能对变电站系统功能的影响分析

变电站是由一系列电气设备组成的复杂系统。目前,各类减、隔震装置可以显著提升电气设备的抗震性能,然而,单体设备抗震性能的提升对系统抗震性能的影响难以量化。在前期研究的基础上,通过参数分析确定了决定变电站抗震性能的关键设备,进一步量化了提升这些设备抗震能力对变电站系统抗震性能的影响程度,研究结果表明：不同类型电气设备对系统功能的影响模式不同且与系统功能需求相关;从系统功能的角度,隔离开关、电流互感器和断路器是变电站的薄弱环节,变压器的影响不大;采用减、隔震技术提高变电站的抗震能力应重点关注关键设备。     

钢管混凝土框架-混凝土核心筒减震结构振动台试验研究

某超高层钢管混凝土框架-混凝土核心筒结构因指标超限在设计中采用了耗能减震技术,为了检验该减震结构的抗震性能,制作了1/35的缩尺模型,通过在钢管混凝土框架设置阻尼器或不设置阻尼器,进行模拟地震振动台对比试验,研究了模型结构的动力特性和不同烈度地震作用下的加速度、位移和应变响应。研究结果表明:地震作用下,该钢管混凝土框架-混凝土核心筒减震结构与钢管混凝土框架-混凝土核心筒结构相比,位移、加速度和应变响应均有一定程度的降低;罕遇地震作用下,通过设置耗能减震构件,层间位移角最大值从超过规范要求的1/84减低至满足规范要求的1/130,表明该减震结构具有更优良的抗震性能。     

145 kV交流接地开关数值分析及振动台试验

为研究145 kV高压交流接地开关在地震波作用下的抗震性能,文中对其三维模型进行模态分析,确定了接地开关的自振频率及振型,并研究发现：设备顶部接线端子在不同结构型式及重量下,三相联动结构的底座部分应力分布存在差异,试验时需合理设置采样点。通过输入生成的标准时程波进行动力学分析,确定了关键部位的应力及设备顶端最大位移。结果表明：地震动峰值加速度为0.5 g工况下,瓷支柱绝缘子的最大应变位于最下方伞裙根部,该部位为接地开关设备的易损部位,其最大应力为18.98 MPa,小于破坏应力;设备顶端接线板相对于振动台台面在X方向的位移最大为39.43 mm,由于变形较小,在进行电站的设计时可以忽略位移对相邻电力设备的牵拉作用带来的影响。对145 kV高压交流接地开关的全尺寸振动台试验结果表明,数值仿真与试验结果基本吻合,且试验发现：随高度增加放大系数逐渐增加但顶端增加显著,应变在不同工况、不同方向具有差异性,接地开关地震响应复杂且呈现非线性特性。文中进一步对通过振动台试验的设备进行测试,验证了设备的机械性能在振动台试验中不受影响。     

FZ-110J型避雷器体系抗震分析

为计算单柱式电气设备的动力特性和抗震能力,我们编制了SACT-86计算机程序。利用SACT-86程序计算了在不同的连接型式、支架高度、场地条件下FZ-110J型避雷器的自振特性和抗震性能,并与实测值进行比较。此外,还研究了随着阻尼器/刚度的变化避雷器动力响应的差别,综合评价了QS78-194型阻尼器的减震效果和FZ-110J型避雷器的抗震特性。     

地震作用下附建式变电站电气设备动力响应

附建式变电站通常会对电气设备采取隔振措施以减小设备振动及噪声通过结构传播扰民。然而,目前常用的隔振装置系统的自振频率通常位于2～10 Hz之间,与地震动卓越频率相近。因此,这类隔振装置在地震发生时,往往无法发挥隔震效果,反而可能会放大地震的作用,导致采用了隔振措施的电气设备更容易受到损坏。通过有限元模拟的方法,旨在研究不同周期类型的地震动激励下,采用常规隔振方案的电气设备的动力响应。结果表明,采用普通隔振装置后,电气设备所受的竖向地震作用响应相较楼板处有不同程度的放大。这一发现对电气设备的抗震设计提出了重要的警示,需要更加谨慎地考虑隔振装置的选用,以确保设备在地震发生时能够有效地减小振动,降低损坏风险。     

地震波参数对柱顶隔震体系的水平向减震性能影响研究

为了研究地震波参数对柱顶隔震体系的水平向减震性能的影响,选取台湾集集地震中8条地震波作为输入,进行了柱顶隔震体系模型的振动台试验。分析了柱顶隔震体系的水平向动力响应特点,研究了地震波的PGV/PGA、卓越周期、平均周期和断层距及幅值对其水平向减震性能的影响,并进行了数值模拟的对比分析。结果表明:柱顶隔震体系的水平向减震性能良好。相同地震强度下地震波参数的PGV/PGA、卓越周期、平均周期和断层距对柱顶隔震体系水平向减震性能的影响明显,其中:PGV/PGA的影响程度最大,可以作为主要的分析指标;随着地震动强度的增大柱顶隔震体系的水平向减震效果更加明显,地震动强度达到一定幅值后,减震率缓慢下降;与远场地震相比,近场地震不利于柱顶隔震体系的水平向减震性能的发挥,脉冲型近场地震作用下其减震效果更差。振动台试验结果与数值模拟结果基本一致,表明分析结果的可靠性。