特高压干式平波电抗器的抗震性能试验研究＊

范书立，陈健云，李 静

（1．大连理工大学海岸与近海工程国家重点实验室，辽宁 大连 116024；2．大连理工大学建设工程学部，辽宁 大连 116024）

引 言

随着电力系统的不断发展，为了适应大容量远距离输电的需要，世界上一些国家如俄罗斯、美国、日本、意大利、输电网作为国家重大经济命脉，其局部的破坏都会给国家造成巨大的经济损失。地震是在设计电气设备尤其是高压、超高压电气设备时考虑的重要环境条件之一，国内外历次大地震的统计表明电力系统的地震易损性是极高的，抗震问题已经被作为继电、磁、热、力之后，变压器的第5项可靠性指标来考核［1］。西南地区是中国最大的水电基地，又是主要的高烈度地震区之一，作为“西电东送”主干线的向家坝－上海、溪洛渡左－株洲、溪洛渡右－浙西、锦屏－苏州南线，都面临抗震的问题。而且该地区电网线路多处于高山峡谷，地质地形条件复杂，对于电网电力设施的抗震性能要求很高。因此，研究电力设施的抗震性能具有重要的理论和实际意义。

然而从“电力设施抗震设计规范”来看，电气设备的抗震问题并没有同发电设施，比如核电安全壳、挡水大坝那样得到足够的重视。从20世纪80年代开始，中国的一些学者才开展了对电气设施的的抗震研究工作［2］。在电气设施的振动台模型试验方面，李子国、郭振岩等对小型变压器进行了振动台试验研究［1，3］。罗梦洁等对对叠装式空心电抗器模型进行试验模态分析［4］，并研究了共振情况下支柱的动应力。曹枚根等对大型变压器及套管体系进行了振动台试验研究［5］，提出了三等级变压器抗震能力考核水平的新概念。为了考察连接导线对所连接的设备的影响，谢强等进行了软导线连接的220kV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［6～8］。胡晓等对电抗器进行了现场原型动力试验［9］，只是研究了特定安装方式下电抗器的动力特性。

平波电抗器是特高压直流换流站的重要设备之一，以其成本低、质量轻、运输方便、现场安装简单和运行维护费用低等特点，在多条输电线路中得到应用［10］。平波电抗器与一般结构最大的区别在于其顶部具有较大的质量，而且由于处于顶部，对地震荷载更为敏感，由脆性瓷件作绝缘套管或承重立柱，抗震能力较低。本文针对平波电抗器本身的特点，设计了振动台试验模型，对其动力特性和关键部位的加速度、位移、应力或应变等地震响应特点进行了研究，分析其抗震能力薄弱环节。为改进特高压平波电抗器的抗震设计，提高其抗震能力提供参考。

1 振动台试验概况

1．1 试验模型相似比尺及设计

某超高压输变电线路平波电抗器，电抗器结构上部结构高4．22m，采用8根高强玻璃钢支柱绝缘子支撑，支柱绝缘子总高12．27m，由5节元件总装成柱。有机玻璃钢绝缘子直径为280mm，每节绝缘子之间用法兰连接，结构总重38t。

根据模型试验的目的不同，可以提出不同的相似要求，对于高耸结构需要考虑P－Δ效应，重力作用不容忽视［11］，故本文采用弹性力－重力相似进行模型设计。质量相似比尺通过在模型上增加配重的方法满足，模型与原型之间各物理量的相似比尺如表1所示。绝缘子及上部结构按比尺制作，模型总高度2．08m，模型材料选用聚丙烯树脂，质量密度ρ＝1 224kg／m3，静弹性模量Ej＝2 500MPa，动弹性模量Ed＝3 742MPa。模型底部通过底座与振动台面连接，试验模型见图1。

表1 模型试验相似比尺Tab．1 Scales of model similarity

图1 电抗器振动台试验模型Fig．1 The model of reactor on shaking table

1．2 试验设备及测点布置

试验在大连理工大学振动与强度测试中心抗震试验室地震模拟台上进行，信号采集系统是由美国国家仪器公司（NI）的PXI－1044＋SCXI1001－1520型数据采集处理分析系统，主要利用由日本AR－5F型号加速度传感器、日本东京测器的FLA－5－8型应变计以及美国MOI公司的Si425型光纤数据采集仪。

试验中的加速度测点布置在结构模型的各层，在结构顶层和4层夹层布设AR－5F型单向加速度传感器，另外，在台面上均布置了AR－5F型加速度传感器；加速度传感器测点共有10个。

加速度传感器从台面到电抗器顶部布设，应变片均匀布置在支柱A和B的底部到支柱顶部（电抗器底部），每根支柱布设6个测点，其中支柱A和B分别与激振方向的夹角分别为15°和45°。

1．3 试验方案

试验首先采用单向白噪声随机波对结构进行激振，测定结构的频率。白噪声频率范围为0．5～50Hz，加速度幅值为（0．10～0．15）g，振动时间为30～60s。

本次振动台试验的主要目的是测试电抗器结构的动力特性以及在8度地震条件下结构的动力反应和抗震安全性，因此本次试验分为随机波、规范谱地震波输入二部分。由随机波输入得到模型的各阶振动频率，以规范谱地震波输入确定结构的地震动响应及抗震安全性。

本项试验研究遵照相应的规范［12，13］执行。根据结构动力特性，采用中软场地土，根据规范反应谱生成地震波（以下简称规范谱地震波）进行结构的地震动反应测试。地震波波形见图2，模型试验工况如表2所示。

表2 模型动力试验采用的激励工况Tab．2 Procedures of model test

图2 模型试验激振规范谱地震波Fig．2 Acceleration time history of input ground motions

2 主要试验结果及结构抗震安全评价

2．1 结构模型动力特性

模型的第1阶频率为1．18Hz，第2阶频率约为21．19Hz，第3阶频率由于接近外界干扰噪声的频率，已经很难分辨，在3次扫频试验中，自振频率没有发生变化，说明模型整体性能较稳定。按比尺换算得到电抗器原型的基频为0．42Hz，相对于中高压电抗器，特高压电抗器的基频较低。

模型前两阶水平振型基本为剪切变形，第3阶为水平振型，电抗器线圈整体出现微幅扭转现象，撑板也出现弯曲变形。

2．2 模型加速度响应

采用规范谱地震波输入时，在各种激励情况下，结构的加速度反应见表3，放大系数沿结构高度的分布见图3。

模型加速度响应在各层均有不同程度的放大，顶层的放大作用最为明显。在第1层撑板上放大系数约为1．14，第2层撑板上，放大系数约为1．42；第3层撑板上放大系数约为1．76；在4层撑板上放大系数约为2．08；到上部线圈结构后，由于刚度较大，随高度的增加，放大系数增加幅度较小，顶层放大系数为2．27。从图3中还可以得出，放大系数并没有随着输入地震动峰值的变化而发生变化，考虑竖向地震动的影响后，放大系数也没有发生变化。

图3 规范谱地震波激励下模型的放大系数图Fig．3 Distribution of acceleration amplification factor along the height of reactor model

在竖向地震动激励下，结构基本为整体平动，变形幅度很小，因此竖向地震动激励对模型的水平向动力反应影响很小，考虑竖向地震波激励仅与水平向地震动激励相似，结构的水平加速度分布以及峰值变化不大。

2．3 模型顶部位移变形

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。在各种地震波激励下模型的顶部相对于结构底部的变形见表3。

在水平和竖向地震动工作作用下，激振地震波加速度峰值为0．1g时，结构顶部的水平向变形约4．80mm；峰值为0．2g时，结构的变形为9．77mm；峰值为0．3g时，水平向变形为16．24mm。若不考虑竖向地震动的影响，顶部的位移略小，变化幅度在2%以内。由模型变形结果按几何比尺换算到原型，在地震输入为0．1g（7度烈度）时，电抗器结构顶部的水平地震变形为4cm，在地震输入为0．2g（8度烈度）时，到达了7．8cm；而地震动输入为0．3g时，则达到13．0cm，最大侧移与高度比1／128，参照抗震规范的有关要求，电抗器整个系统满足侧移要求。

2．4 地震波输入时模型的动应变响应

在输入规范谱地震波对结构模型进行激励时，实测了各个激励工况的模型支柱绝缘子关键部位的动应变见表4。各种情况下关键部位的动应变在电抗器支柱绝缘子上沿高度分布见图4。

表3 各种工况下结构的加速度响应及最大位移Tab．3 Acceleration and displacement response peak value in different cases

表4 各种工况下A支柱绝缘子各部位的最大动应变（με）Tab．4 Maximum strain value in different cases（με）

图4 规范谱地震波激励下各柱的最大应变响应Fig．4 Distribution of maximum strain along the height of reactor model

各试验工况下，支柱绝缘子最大动应变响应出现A柱第一节支柱绝缘子根部法兰与柱接触的部位，其次是B柱第一节支柱绝缘子根部。在A和B柱的顶部法兰与柱接触部位也出现较大的动应变，其他各层的应变响应较小。

从表4中可以看出，考虑竖向地震动的影响后，支柱绝缘子各部位的动应变都有明显的增大。地震动输入为0．3g时，支柱绝缘子根部的动应变由868．8με增大为1 027．7με，增大了约18%，可见竖向地震动对绝缘子的动应变具有较大的影响。

2．5 结构抗震安全评价

根据试验结果计算得到支柱绝缘子各节在各种工况下的最大应力见表5。从表中可以看出，在规范谱地震波地震激励下，换算到原型结构后，当地震加速度峰值为0．2g（8度地震烈度）时，最大应力出现在支柱绝缘子根部法兰与玻璃钢支柱接触部位，约为6．69MPa；当地震加速度峰值为0．3g时，最大应力值为9．86MPa，小于绝缘子的允许应力值为34MPa，满足强度要求。

3 结 论

（1）本次模型抗震试验制作的模型精度较高，试验结果能够较好地反映原型干式平波电抗器结构的地震动力响应。

表5 各种工况下A支柱绝缘子各部位的最大最大应力（单位：MPa）Tab．5 Maximum stress value in different cases（Unit：MPa）

（2）在竖向地震动激励下，结构基本为整体平动，变形幅度很小，因此竖向地震动激励对模型的水平向动力反应影响很小，考虑竖向地震波激励与仅水平向地震动，结构的位移、加速度分布变化不大，对动应变具有较大的影响，在电抗器抗震设计中需要考虑竖向地震的影响。

（3）干式平波电抗器结构在规范谱波地震动作用下，结构每节支柱绝缘子的应力均小于极限应力，安全系数大于1．67，可满足8度地震烈度地区的抗震要求。

（4）在地震波激励作用的情况下，绝缘子根部和顶部处于复杂应力状态，其动反应大于中间部位，是地震作用下电抗器设备的易损部位。

因受模型试验尺寸的限制，本次试验没有详细模拟支柱绝缘子和顶部线圈连接的汇流排、支架及法兰等细部结构，这些也将会是电抗器设备的抗震薄弱部位。

［1］ 郭振岩．变压器抗地震性能的研究［J］．变压器，2005，42（B08）：13—31．

Guo Zhenyan．Research on performances of transformer against seism ［J］．Transformer，2005，42（B08）：13—31．

［2］ 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．

Yang Yadi，Li Guirong．An introduction to aseismic research on electric equipments ［J］．World Information on Earthquake Engineering，1996，（2）：20—22．

［3］ 李子国，景丽英．S7－200／10变型变压器抗震分析［J］．地震工程与工程振动，1997，17（4）：100—106．

Li Ziguo，Jing Liying．Seismic response analysis for S7－200／10power transformer structure ［J］．Earthquake Engineering and Engineering Vibration，1997，17（4）：100—106．

［4］ 罗孟杰，丁旭．三相叠装式空心电抗器模型动态试验分析［J］．沈阳工业大学学报，1998，20（1）：7—10．

Luo Mengjie，Ding Xu．Analysis of the laminate hollow reactor modal testing ［J］．Journal of Shenyang Polytechnic University，1998，20（1）：7—10．

［5］ 曹枚根，周福霖，谭平，等．大型电力变压器及套管振动台抗震试验研究［J］．振动与冲击，2011，30（11）：122—129．

Cao Meigen，Zhou Fulin，Tan Ping，et al．Shaking table test on seismic performance of large power transformer with bushings［J］．Journal of Vibration and Shock，2011，30（11）：122—129．

［6］ 谢强，王亚非．软母线连接变电站电气设备的地震响应分析［J］．中国电机工程学报，2010，30（34）：86—92．

Xie Qiang，Wang Yafei．Seismic response analysis of substation equipment interconnected by flexible bus［J］．Proceedings of the CSEE，2010，30（34）：86—92．

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

Xie Qiang，Wang Yafei．Shake－table test on earthquake simulation of substation equipment interconnected by flexible bus［J］．Proceedings of the CSEE，2011，31（4）：112—118．

［8］ 谢强，王健生，杨雯，等．220kV断路器抗震性能地震模拟振动台试验［J］．电力建设，2011，32（10）：10—14．

Xie Qiang，Wang Jiansheng，Yang Wen，et al．Shake table test on seismic performance of 220kV circuit breaker［J］．Proceedings of the CSEE，2011，32（10）：10—14．

［9］ 胡晓，邢国良，王建惠．（BKK20000／66）干式空心并联电抗器现场原型动力试验研究［J］．工程抗震，2004，（4）：35—37．

Hu Xiao，Xing Guoliang，Wang Jianhui．Prototype dynamic test of dry parallel reactor［J］．Earthquake Resistant Engineering，2004，（4）：35—37．

［10］王清璞，李文平，王冰．±800kV的压直流输电用干式平波电抗器久研发［J］．电力设备，2006，7（12）：11—14．

Wang Qingpu，Li Wenping，Wang Bing．R ＆ D of dry type smoothing reactor for±800kV HVDC power transmission ［J］．Electrical Equipment，2006，7（12）：11—14．

［11］林皋，朱彤，林蓓．结构动力模型试验的相似技巧［J］．大连理工大学学报，2000，40（1）：1—8．

Lin Gao，Zhu Tong，Lin Pei．Similarity technique for dynamic structural model test［J］．Journal of Dalian University of Technology，2000，40（1）：1—8．

［12］GB 50260－96．电力设施抗震设计规范［S］．北京：中国计划出版社，1996．

GB 50260－96．Code for design of seismic of electrical installations［S］．Beijing：China Plan Publishing Company，1996．

［13］GB／T 13540－92．高压开关设备抗地震性能试验［S］．北京：中国标准出版社，1992．

CB／T 13540－92．Anti－seismic characteristic test for high－voltage switchgear［S］．Beijing：China Standards Press，1992．