220 kV断路器抗震性能地震模拟振动台试验

谢强，王健生，杨雯，王亚非

(1.同济大学建筑工程系，上海市，200092;2.土木工程防灾国家重点实验室(同济大学)，上海市，200092;3.西安西电高压开关有限责任公司，西安市，710018;4.华东电力设计院数字化工程设计部，上海市，200063)

0 引言

2008年5月12日发生于我国汶川的大地震中，变电站的电气设备遭到了严重破坏，特别是电瓷型高压设备，如断路器等，损坏严重［1］。

从20世纪80年代开始，我国的一些高校和科研单位就开始了对断路器抗震性能的研究［2，3］。1982年董伟民等人对无支架的断路器及其减震体系进行了振动台模拟试验［4］。1986年吴慧中等人运用有限元法程序，分析了KW4－500型空气断路器在地震波和正弦波激励下的响应［5］。1988年杨亚弟提出了电瓷型高压电气设备动力计算模型，将法兰作为弹性连接计算［6］。2002年李亚琦以LW11－252/Q瓷柱型SF6断路器为研究对象，进行了振动台试验和分析计算，研究了其抗震性能以及减震器和导线对设备抗震性能的影响［7］。2009年张军等人进行了220 kV绝缘子及避雷器的振动试验研究［8］。为了考察连接导线对所连接的设备的影响，谢强等人进行了软导线连接的220 kV断路器和隔离开关的数值分析和地震模拟振动台实验研究［9-10］。

国外学者从20世纪70年代开始对高压电气设备进行抗震性能研究。20世纪80年代初，美国的Rolf Hellested等人通过试验考察了地震作用和断路器开断的叠加作用效果［11］。1989年法国的Girodet对不同结构形式的断路器进行了有限元分析和振动台试验，认为单极瓷柱式断路器具有较好的抗震性能［12］。

但是，目前国内外相关抗震研究仍然较少，相关的规范还不是很完善［13］。本文对某220 kV单柱式SF6断路器进行了地震模拟振动台试验，考察此类断路器的地震易损部位和抗震性能。

1 试验设计

1.1 试件

本次试验采用的断路器为实际工程中所用的产品，试验属足尺寸真型试验。位于振动台上的220 kV单极瓷柱式断路器如图1所示。

图1 安装于振动台上的断路器Fig.1 Circuit breaker on shake table

此断路器自上而下由灭弧式瓷瓶、2个支柱瓷瓶和支架组成。设备连同支架总质量约为1.49 t，总高度约为7.146 m。

1.2 试验输入地震波

振动台试验中地震波的输入是比较关键的，需要选取与设计反应谱对应的地震波，本次试验基于IEEE 693标准要求的反应谱(required response spectrum，RRS)来选择地震波［14］。地震输入采用天然Elcentro波、人工波、以及经过频谱修正后的Landers波共3组。修正后的Landers波和数值人工波在1 Hz以上频谱基本可以包络IEEE 693标准规定的设计谱。地震波时程如图2所示。

1.3 测点布置

图2 试验中输入的地面运动波形Fig.2 Acceleration time history of input ground motions

为了研究断路器的破坏机理，必须对其在不同工况下关键点的位移、加速度、应变进行测量。加速度的测量采用加速度计，位移的测量采用的是拉线式位移计，应变的测量采用应变片。测点布置依据以下几条原则:

(1)为获得支架底部的真实输入及加速度放大系数，需在底座顶部、支架顶部、断路器的最顶端布置加速度计。

(2)为获得位移响应，需在支架顶部及断路器的最顶端布置位移计。

(3)根据电气设备的震害特点，瓷瓶根部的应力超过其允许应力是造成其破坏的主要因素，需要在瓷瓶根部设置应变片，以获得瓷瓶根部的应变响应。

(4)为验证支架削弱处的安全性，需在支架削弱处设置应变片。

1.4 试验工况

考虑到本次试验的目的、实验室的限制以及安全等诸多因素，本次试验进行了白噪声试验和地震波时程试验。进行自振特性测试时，采用单轴0～100 Hz、幅值为0.5 m/s2的白噪声输入。地震波时程试验分别输入满足IEEE 693标准RRS选择的地震波。在地震波试验中分别输入了峰值加速度(peak ground acceleration，PGA)为 1.25，1.8，2.0 和2.5 m/s2的 Elcentro 波，PGA 为 1.25，2.0 和2.5 m/s2的 Landers波，PGA 为1.5 和2.5 m/s2的人工波。对于每种地震波，先输入x向地震波，再考虑双向地震作用同时输入x向和y向地震波。

2 试验结果分析

2.1 模态频率分析

断路器的单体试验中共进行了5次白噪声扫频。x方向的第一阶自振频率为2.93 Hz，y方向的第一阶自振频率为3.125 Hz，且在5次扫频试验中自振频率没有明显的变化。

2.2 加速度响应分析

为分析设备的地震响应，引入加速度放大系数。该系数是指所选取点处的某方向加速度最大值和底部输入该方向地震波的加速度最大值的比值，反应了结构对于地震波的放大作用。

在分别输入PGA为1.25 m/s2的双向Elcentro波、PGA为1.25 m/s2的双向 Landers波和 PGA为1.5 m/s2双向人工波的情况下，断路器各个测点的加速度放大系数如表1所示。

表1 加速度放大系数Tab.1 Acceleration amplification factor

Elcentro波取 x方向的激励分别为 1.25，1.8，2.0和2.5 m/s2。Landers波分别取 x方向的激励为1.25，2.0 和 2.5 m/s2。人工波分别取 x 方向的激励为1.5和2.5 m/s2。断路器顶部的加速度放大系数如表2所示。

从表1可知，底座顶部的加速度放大系数接近于1，可见加装刚性底座没有对试验产生明显的影响。在输入同一种地震激励时，随着输入加速度的增大，放大系数逐渐增大。输入人工波时的放大系数明显要大于Elcentro波和Landers波，在输入x方向地震波时，人工波的放大系数3.5～4，而其他2种波普遍在3左右，因为人工波频率分布范围比较广，其能量较另外2种波要大些。

表2 不同工况下加速度放大系数Tab.2 Acceleration amplification factor of the three waves of various PGA

2.3 位移响应分析

在断路器原型的振动台试验中，结构的位移能够真实反映结构的变形情况，进而间接反映结构内力的大小。

选取PGA为1.25 m/s2的双向Elcentro波、PGA为1.25 m/s2的双向 Landers波和 PGA 为1.5 m/s2双向人工波进行比较分析。在上述工况中，断路器支架顶部和瓷瓶最顶端位移的峰值位移如表3所示。

表3 3种地震波输入情况下的位移峰值Tab.3 Peak displacement of the equipment under three ground motion inputs mm

在输入双向地震波情况下，x方向的位移要普遍大于y方向的位移，可知平面内(x方向)刚度小于平面外(y方向)刚度。

图3为输入x方向2.5 m/s2的Landers波时，断路器顶端的位移变化轨迹曲线。图4为输入y方向2.5 m/s2的Landers波时，断路器顶端的位移变化轨迹曲线。

从图3～4可以看出，当输入单向地震波时，断路器顶部的位移曲线并不是在一条直线上，而是在输入地震波的方向为长轴的1个椭圆内。说明断路器在振动的时候不只受到单向弯矩的作用，其受力比较复杂。

图3 输入x方向landers波时轨迹曲线Fig.3 Geometric Locus at the top of the circuit breaker at x-direction Landers wave

图4 输入y方向Landers波时轨迹曲线Fig.4 Geometric locus at the top of the circuit breaker at y-direction Landers wave

图3所示在x轴方向的位移较大的时候，轨迹曲线明显向y轴的负方向发展，使y方向出现较大位移;图4所示曲线有类似趋势，当y轴方向的位移较大的时候，轨迹曲线明显向x轴的负方向发展，使x方向出现较大的位移。究其原因，应该是支架顶板的刚度不够，在试验时由于振动剧烈，而使其产生微小的倾斜，建议增加支架顶板处的刚度。

2.4 应变响应分析

本次试验的应变是通过应变片测得的。在各种工况下，断路器瓷瓶根部的最大应变值如表4、5所示。

从表4可以看出，当输入x方向的2.5 m/s2的人工波激励时，断路器瓷瓶根部的应变值最大，为216×10－6。断路器瓷瓶没有发生损坏，和试验观察到的现象相一致。由此可知，此型号的断路器在地震烈度8度时是安全的，不会发生损坏。

支架主材顶端为了便于安装设备进行了削弱，所以要对支架的安全性进行分析计算。首先要测得在3种地震波激励的情况下，削弱处应变的最大值，然后用所用钢材的弹性模量求得削弱处的应力值，然后与钢材的应力值相比较来判断削弱处是否安全。支架所用钢材为Q235A。在各种工况下，支架主材顶部削弱处的最大应变值如表6、7所示。

表4 瓷瓶根部x方向的最大应变值Tab.4 Maximum strain value at the bottom of the post in x-direction ×10－6

表5 瓷瓶根部y方向的最大应变值Tab.5 Maximum strain value at the bottom of the post in y-direction ×10－6

主材用Q235A角钢，在削弱处角钢两侧是等量削去的。如表7所示，在各种工况中，输入x方向的2.5 m/s2的人工波时其应变值最大，也是最为危险的工况。支架削弱处的最大应力值为43 MPa，仅为容许应力值的20%。支架削弱处没有发生破坏。

由表6、7可看出，在同一种地震波激励作用的情况下，同一条轴线上的对称点处的应变值并不相等，甚至相差很大。例如在x方向作用2.5 m/s2的人工波时，测点5的应变最大值为216.58，测点6的应变最大值为139.68，前者为后者的1.55倍;又如在x方向作用25 m/s2的Landers波时，测点1的应变最大值为147.64，测点3的应变最大值为88.96，前者为后者的1.66倍。由此可得出结论:在地震波激励的情况下，断路器处在复杂受力状态。

表6 支架削弱处x方向的最大应变值Tab.6 Maximum strain at vulnerable part of bracket in x-direction ×10－6

表7 支架削弱处y方向的最大应变值Tab.7 Maximum strain at vulnerable part of bracket in y-direction ×10－6

3 结论

(1)在输入Elcentro波、Landers波、人工波3种激励时，在其峰值达到2.5 m/s2的情况下断路器没有发生损坏。

(2)在输入3种地震波峰值相同的情况下，输入人工波时设备的响应要更剧烈一些，从加速度放大系数上看，人工波的加速度放大系数要明显的大于其他2种波型。在输入x方向地震波时，人工波的放大系数为3.5～4，而其他2种波普遍在3左右。

(3)输入单向地震波激励时，断路器顶端的运动轨迹并不在1条直线上，而是在以轴向为长轴的1个椭圆形内。而且可知，由于支架顶板的刚度较小使断路器顶端发生侧移，建议增加支架顶板的刚度，以确保断路器的安全性。

(4)在同一种地震波激励作用的情况下，断路器瓷瓶根部对称点处的应变值相差很大，断路器瓷瓶根部处于复杂应力状态，是设备易损部位。

［1］ Xie Q，Zhu R Y.Damage to electric power grid infrastructure caused by natural disasters in China［J］.IEEE Power and Energy Magazine，2011，9(2):28-36.

［2］谢强.电力系统的地震灾害研究现状与应急响应［J］.电力建设，2008，29(8):1-6.

［3］杨亚弟，李桂荣.电气设施抗震研究概述［J］.世界地震工程，1996，2:20-22，54.

［4］董伟民，周书瑞.少油断路器及其减震体系的抗震研究［J］.电力建设，1982，3(1):25-33.

［5］吴惠中，周纪卿.KW4-500空气断路器地震响应分析［J］.高压电器，1986，6:4-12.

［6］杨亚弟，张其浩，苏文藻，等.多柱式电器设备抗震分析［J］.地震学刊，1988，8:21-27.

［7］李亚琦.电瓷型高压电气设备体系抗震性能分析［D］.北京:中国地震局工程力学研究所，2002.

［8］张军，陈大斌，张子引，等.220 kV绝缘子及避雷器振动试验研究［J］.电力技术经济，2009，21(4):47-50.

［9］谢强，王亚非.软母线连接电气设备地震模拟振动台实验研究［J］.中国电机工程学报，2011，31(4):112-118.

［10］谢强，王亚非，魏思航.软母线连接的变电站开关设备地震破坏原因分析［J］.电力建设，2009，30(4):10-14.

［11］ Hslkstcd R.Evaluation of the effect of mechanical operations on seismic qualification test of SF6circuit breakers［C］//Proceedings of the 1991 IEEE Power Engineering Society Transmission and Distribution Conference.Dallas，United States:IEEE，1991:473-477.

［12］Girodet A.Seismic behavior of“CANDLE”type SF6outdoor circuit breakers and associated SF6insulated current transformers［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，1989，4(4):2100-2108.

［13］GB 50260—1996电力设施抗震设计规范［S］.北京:中国计划出版社，1997.

［14］ IEEE Std-693-2005 IEEE recommended practice for seismic design of substations［S］.NJ:Piscataway，2006.