开关产品抗震性能设计

摘 要：近几年我国及世界范围的地震频发，而电力作为生产生活的第一生命线，能否迅速从灾害中恢复，成为各地方政府及电力部门自身建设的关注重点，所以开关作为重要的电气设备，抗震性能一再被提至重要地位。其实早在上世纪50年代至80年代，日本、智利、美国、德国等开关制造的大型企业就曾相继开始了开关的抗震性能研究[1]，但彻底改良的抗震型开关成本较高，并未得到广泛推广应用，而常规设计的改良型抗震结构却普遍得以应用；主要的设计措施可大致分为抗震结构的稳定性设计、抗震结构的柔韧性设计及减震结构设计等三个方面，并且高强度瓷的应用，一定程度也提高了开关震害易损件的强度，使抗害能力的提高成为可能。

关键词：开关产品；抗震性能；设计

1 开关产品在地震时最易损坏的结构

开关产品在地震中90%的损坏来自瓷件，其中敞开式隔离开关典型损坏为支柱绝缘子折断及倾斜，位置主要在根部法兰与瓷件接触面附近；少油断路器为套管根部折断、漏油等为主，多油及空气开关为套管折断或漏油及伞裙碎裂等，SF6瓷柱式开关以灭弧室下支撑绝缘子根部折断为主，罐式断路器和GIS的损伤程度较小，也以充气套管根部折裂及伞裙碎裂较为常见。另外还不同程度存在因地基沉降[2]、开裂等原因导致开关倾斜、倒伏、变形，应力局部集中导致的漏气及电接触不良等也较为普遍。当然，在运行时硬质连接母线，也会因永久变形或相邻设备损毁，对设备产生强大破坏性拉力，产生瓷件根部断裂等问题。

2 开关产品抗震结构设计

在各类开关产品的抗震设计中，最为重要的应是支撑设计；设备本身的稳定性和设备强震下的安全，主要取决于支撑类型；常见的产品钢架支撑有一字形单立柱支撑、门形支撑、A字形支撑、方形支撑等；各类支撑在开关承重设计选型时，主要考虑强度及韧性两个因素，一方面增加强度设计的余度可保证耐受强震能量；另一方面，如单点或多点一字形支撑，留有一定的韧性形变余度，如同木制房屋震后损毁程度远小于砖石房屋震后损毁程度一样，反而不易在震后产生永久变形，危及上端设备安全。

绝缘子支撑件在地震中为主要易损件，折断部位通常为根部与金属件连接部位，同样道理，如果带有一定锥度，根部的剪切强度将有望增加2.5～3.5倍，在开关产品设计时可作为抗震结构使用；其根部金属件的结构设计可一方面多设加强筋，一方面加大上端面圆角设计，减少电晕，通过改善电场防止绝缘件根部老化及缓慢酸腐蚀等间接提高瓷件长期运行下的强度。

在各类开关中，因产品类型不同，重心的位置有高有低，而低位重心的产品类型抗震能力较佳；如GIS为多点落地布置，整个产品高度通常相对于长宽，近乎匍匐于地表，整体的抗震能力最强，罐式断路器重心较低，支撑截面大，抗震稳定性仅次于GIS；而瓷柱式SF6断路器、少油断路器、敞开式隔离开关等开关类产品，因重心较高，且瓷件使用量大，抗震能力相对较差。

同类产品设计时，通过加大底座重量、降低支撑高度等，设法降低产品重心，减小设备在地震时的实际摆幅等，也可适当提高抗震能力。

开关产品的抗震能力除产品自身外，还与其安装所在的预埋基础、运行位置等有关，一方面，在强震中，预埋基础的抗震能力直接决定了上端产品的抗震能力，使得产品的抗震能力、运行期间的固定方式等受到制约，合理设定预埋基础的抗震设防等级和类型，也是开关抗震保护的重要环节。近几年在电站就位安装中，产品高位安装的趋势也不利于开关产品的抗震。

3 开关产品减震结构设计

开关产品的减震结构通常有加装阻尼器及减震层等设计[1]，其中阻尼器可装至支架上，适合各类敞开式开关使用；设计原理多样；因成本低，滚球、吊球型阻尼结构经济性较好；因地震摆幅频率比铅球双向滚动频率高，所以有一定质量的铅球，会因惯性作用滞后滚动，起到一定的阻尼作用，同时运动也可消耗掉一部分地震能量，减少震害带来的破坏性能量；铅球的重量较大，易形成产品整体的中心下移，对抗震能起到一定作用。

4 抗震设计计算

地震设计时负载通常可按照载荷风速：V=10m/s、风压：W=0.0625Kn/m3、以及结构阻尼比2%等设计；地震工况载荷可按照常风风载+导线拉力*0.7+自重+地震水平加速度+地震垂直加速度考虑。以瓷柱式开关为例：

负荷参数

水平方向地面加速度：AG5：ZPA=5m/s2（0.5g），阻尼比取2%。DASAPW计算地震响应谱时的输出如下：

高地震水平（0.5g）所使用的IEEE693-2005规范地震响应谱公式如下：

f is in Hz

DASAPW软件使用的地震响应谱计算的具体公式与步骤是：

求出结构的固有频率及正则振型：

求出正则振型的个数，应满足X、Y、Z三个方向的地震载荷参与质量大于90%的要求。

第j阶振型{？准j}关于质量阵[M]归一：{？准j}T[M]{？准j}=1，自然有{？准j}T[M]{？准j}=？棕2j。

对每阶振型{？准j}，根据对应的固有频率fj和阻尼，从地震反应谱曲线a（f）求出其地震动力放大系数？茁j=？琢（fj）/设计基本地震加速度a0。

j阶振型D方向地震反应位移{uj}D：

（1）

式中：？棕j：第j阶固有圆频率=2？仔fj；a0：设计基本地震加速度（ms-2）；{？准j}T：第j阶振型的转置；[M]： 结构有限元质量矩阵（kg）；{E}：单位地震矢量。地震方向对应的线位移自由度对应行上的值为1，其余行为0；qD：地震响应的振型参与系数（即程序输出中的参与系数）；qs：静力解的振型参与系数。

若求出的最高阶固有频率超过33Hz，某个方向的地震载荷参与质量仍小于90%，对于高阶截尾振型，使用静力地震载荷考虑其地震响应贡献。高阶截尾振型静力地震载荷为：endprint

（2）

所有振型D方向地震反应位移用平方和的平方根叠加：

（3）

式中i：结构位移矢量的第i个分量。

水平（X或Y）与竖直Z方向地震反应位移用平方和的平方根组合：

（4）

式中D：指（X和Z）或（Y和Z）。

应力计算

用第j阶振型在D 方向的地震反应位移{uj}D，求出对应的应力■■S■■，其中N为某个结点，K 为某个应力分量。用平方和的平方根叠加所有振型的应力：

（5）

最后，将水平（X或Y）与竖直Z方向的地震应力用平方和的平方根组合总应力■■S：

（6）

式中： D：指（X和Z） 或（Y和Z）。

（X，Z）、（Y，Z）分别与其它载荷（风载、导线拉力、自重）产生的应力按绝对值求和组合应力，找出最大应力设计校核。

传给基础的地震力，用各点的mi·ai求合力与合力作用点，ai考虑高阶截尾振型贡献，即按公式（2）中删掉各项中的因子矩阵[M]后的表达式为高阶振型产生的加速度矢量。

GIS的计算也是类似，以共箱式145kV产品为例：

抗震敏感部件几何特征尺寸

风速V=10m/s、基本风压？棕0=V2/1600=0.0625kN/m2，地震地面水平方向加速度0.5g，竖直Z方向0.25g。

地震响应谱：

A：X+Z向地震+X向风载：

套管支架（梁单元直接算出的结果）：FX=1166N，FZ=4832N。

设备质心结点的加速度ax=9.58m/s2，az=5.132m/s2，质心高度Z=1.928m，质量M=5154kg，所以传给基础的水平剪力为FX=Max=49375N，竖直力FZ=Maz=26450N，弯矩MY=FX×1.928=95195Nm。保守起见分配到断路器支架和避雷器支架。两种支架的距离为4.07m。使用静力平衡得出：

断路器支架：FX=0.5×49375=24688N，FZ=0.5×26450+95195/4.07=36614N

避雷器支架：FX=24688N，FZ=36614N

T型罐和隔离开关支架单独计算：质心加速度ax=6.11m/s2，az=3.48m/s2，质心高度Z=0.82m。支架X方向跨度1.732m，T型罐和隔离开关质量M=670kg。

T型罐和隔离开关支架：ax=Max=670×6.11=4094N

FZ=2×{0.5×M×az+Fx×Z/1.732m}=6208N。

B：Y+Z向地震+Y向风载：

套管支架（梁单元直接算出的结果）：FY=5886N，FZ=932N。

设备质心5126结点的加速度ay=10.43m/s2，az=3.94m/s2，质心高度Z=1.928m，质量M=5154kg，所以传给基础的水平剪力为FY=May=53756N，竖直力FZ=Maz=20307N，弯矩MX=FY×1.928=103641Nm。保守起见分配到断路器支架和避雷器支架，使用静力平衡得出：

断路器支架：FY=0.5×53756N=26878N

FZ=0.5×20307N+2×0.5×MX/0.536m

=10154N+193360N=203514N

避雷器支架：FY=0.5×53756N=26878N

FZ=0.5×20307N+2×0.5×MX/0.75m

=10154N+138188N=148342N

T型罐和隔离开关支架单独计算：质心加速度ay=6.47m/s2，az=2.98m/s2，质心高度Z=0.82m。支架Y方向跨度0.827m，T型罐和隔离开关质量M=670kg。

T型罐和隔离开关支架：FY=M×ay=670×6.47=4335N，

FZ=2×{0.5×M×az+FY×Z/0.827m}=10594N。

5 结束语

尽管目前的产品设计，专门因抗震更改设计的不多见，且近几年252kV及以上电压等级的新站在强震中基本无开关损坏，可看出近几年开关产品的抗震能力有所加强，但产品的优化设计还有很多工作可以完善，强度设计余度还可进一步放大，高强度电瓷产品及复合套管的应用等，也将有助于开关产品抗震能力的提高；抗震能力的计算、试验也应更多的落实到各个产品中去，相信在未来还会有更多更好的抗震开关产品得到使用和推广。

参考文献

[1]关志成，刘瑛岩，周运翔.绝缘子及输变电设备外绝缘（1版）[M].北京：清华大学出版社，2006，1.

[2]杨伟.电气工程基础（1版）[M].北京：国防工业出版社出版，2009，12.

作者简介：刘英（1968，1-），女，硕士，正高工，西安西电开关电气有限公司对外技术合作办就职。endprint

（2）

所有振型D方向地震反应位移用平方和的平方根叠加：

（3）

式中i：结构位移矢量的第i个分量。

水平（X或Y）与竖直Z方向地震反应位移用平方和的平方根组合：

（4）

式中D：指（X和Z）或（Y和Z）。

应力计算

用第j阶振型在D 方向的地震反应位移{uj}D，求出对应的应力■■S■■，其中N为某个结点，K 为某个应力分量。用平方和的平方根叠加所有振型的应力：

（5）

最后，将水平（X或Y）与竖直Z方向的地震应力用平方和的平方根组合总应力■■S：

（6）

式中： D：指（X和Z） 或（Y和Z）。

（X，Z）、（Y，Z）分别与其它载荷（风载、导线拉力、自重）产生的应力按绝对值求和组合应力，找出最大应力设计校核。

传给基础的地震力，用各点的mi·ai求合力与合力作用点，ai考虑高阶截尾振型贡献，即按公式（2）中删掉各项中的因子矩阵[M]后的表达式为高阶振型产生的加速度矢量。

GIS的计算也是类似，以共箱式145kV产品为例：

抗震敏感部件几何特征尺寸

风速V=10m/s、基本风压？棕0=V2/1600=0.0625kN/m2，地震地面水平方向加速度0.5g，竖直Z方向0.25g。

地震响应谱：

A：X+Z向地震+X向风载：

套管支架（梁单元直接算出的结果）：FX=1166N，FZ=4832N。

设备质心结点的加速度ax=9.58m/s2，az=5.132m/s2，质心高度Z=1.928m，质量M=5154kg，所以传给基础的水平剪力为FX=Max=49375N，竖直力FZ=Maz=26450N，弯矩MY=FX×1.928=95195Nm。保守起见分配到断路器支架和避雷器支架。两种支架的距离为4.07m。使用静力平衡得出：

断路器支架：FX=0.5×49375=24688N，FZ=0.5×26450+95195/4.07=36614N

避雷器支架：FX=24688N，FZ=36614N

T型罐和隔离开关支架单独计算：质心加速度ax=6.11m/s2，az=3.48m/s2，质心高度Z=0.82m。支架X方向跨度1.732m，T型罐和隔离开关质量M=670kg。

T型罐和隔离开关支架：ax=Max=670×6.11=4094N

FZ=2×{0.5×M×az+Fx×Z/1.732m}=6208N。

B：Y+Z向地震+Y向风载：

套管支架（梁单元直接算出的结果）：FY=5886N，FZ=932N。

设备质心5126结点的加速度ay=10.43m/s2，az=3.94m/s2，质心高度Z=1.928m，质量M=5154kg，所以传给基础的水平剪力为FY=May=53756N，竖直力FZ=Maz=20307N，弯矩MX=FY×1.928=103641Nm。保守起见分配到断路器支架和避雷器支架，使用静力平衡得出：

断路器支架：FY=0.5×53756N=26878N

FZ=0.5×20307N+2×0.5×MX/0.536m

=10154N+193360N=203514N

避雷器支架：FY=0.5×53756N=26878N

FZ=0.5×20307N+2×0.5×MX/0.75m

=10154N+138188N=148342N

T型罐和隔离开关支架单独计算：质心加速度ay=6.47m/s2，az=2.98m/s2，质心高度Z=0.82m。支架Y方向跨度0.827m，T型罐和隔离开关质量M=670kg。

T型罐和隔离开关支架：FY=M×ay=670×6.47=4335N，

FZ=2×{0.5×M×az+FY×Z/0.827m}=10594N。

5 结束语

尽管目前的产品设计，专门因抗震更改设计的不多见，且近几年252kV及以上电压等级的新站在强震中基本无开关损坏，可看出近几年开关产品的抗震能力有所加强，但产品的优化设计还有很多工作可以完善，强度设计余度还可进一步放大，高强度电瓷产品及复合套管的应用等，也将有助于开关产品抗震能力的提高；抗震能力的计算、试验也应更多的落实到各个产品中去，相信在未来还会有更多更好的抗震开关产品得到使用和推广。

参考文献

[1]关志成，刘瑛岩，周运翔.绝缘子及输变电设备外绝缘（1版）[M].北京：清华大学出版社，2006，1.

[2]杨伟.电气工程基础（1版）[M].北京：国防工业出版社出版，2009，12.

作者简介：刘英（1968，1-），女，硕士，正高工，西安西电开关电气有限公司对外技术合作办就职。endprint

（2）

所有振型D方向地震反应位移用平方和的平方根叠加：

（3）

式中i：结构位移矢量的第i个分量。

水平（X或Y）与竖直Z方向地震反应位移用平方和的平方根组合：

（4）

式中D：指（X和Z）或（Y和Z）。

应力计算

用第j阶振型在D 方向的地震反应位移{uj}D，求出对应的应力■■S■■，其中N为某个结点，K 为某个应力分量。用平方和的平方根叠加所有振型的应力：

（5）

最后，将水平（X或Y）与竖直Z方向的地震应力用平方和的平方根组合总应力■■S：

（6）

式中： D：指（X和Z） 或（Y和Z）。

（X，Z）、（Y，Z）分别与其它载荷（风载、导线拉力、自重）产生的应力按绝对值求和组合应力，找出最大应力设计校核。

传给基础的地震力，用各点的mi·ai求合力与合力作用点，ai考虑高阶截尾振型贡献，即按公式（2）中删掉各项中的因子矩阵[M]后的表达式为高阶振型产生的加速度矢量。

GIS的计算也是类似，以共箱式145kV产品为例：

抗震敏感部件几何特征尺寸

风速V=10m/s、基本风压？棕0=V2/1600=0.0625kN/m2，地震地面水平方向加速度0.5g，竖直Z方向0.25g。

地震响应谱：

A：X+Z向地震+X向风载：

套管支架（梁单元直接算出的结果）：FX=1166N，FZ=4832N。

设备质心结点的加速度ax=9.58m/s2，az=5.132m/s2，质心高度Z=1.928m，质量M=5154kg，所以传给基础的水平剪力为FX=Max=49375N，竖直力FZ=Maz=26450N，弯矩MY=FX×1.928=95195Nm。保守起见分配到断路器支架和避雷器支架。两种支架的距离为4.07m。使用静力平衡得出：

断路器支架：FX=0.5×49375=24688N，FZ=0.5×26450+95195/4.07=36614N

避雷器支架：FX=24688N，FZ=36614N

T型罐和隔离开关支架单独计算：质心加速度ax=6.11m/s2，az=3.48m/s2，质心高度Z=0.82m。支架X方向跨度1.732m，T型罐和隔离开关质量M=670kg。

T型罐和隔离开关支架：ax=Max=670×6.11=4094N

FZ=2×{0.5×M×az+Fx×Z/1.732m}=6208N。

B：Y+Z向地震+Y向风载：

套管支架（梁单元直接算出的结果）：FY=5886N，FZ=932N。

设备质心5126结点的加速度ay=10.43m/s2，az=3.94m/s2，质心高度Z=1.928m，质量M=5154kg，所以传给基础的水平剪力为FY=May=53756N，竖直力FZ=Maz=20307N，弯矩MX=FY×1.928=103641Nm。保守起见分配到断路器支架和避雷器支架，使用静力平衡得出：

断路器支架：FY=0.5×53756N=26878N

FZ=0.5×20307N+2×0.5×MX/0.536m

=10154N+193360N=203514N

避雷器支架：FY=0.5×53756N=26878N

FZ=0.5×20307N+2×0.5×MX/0.75m

=10154N+138188N=148342N

T型罐和隔离开关支架单独计算：质心加速度ay=6.47m/s2，az=2.98m/s2，质心高度Z=0.82m。支架Y方向跨度0.827m，T型罐和隔离开关质量M=670kg。

T型罐和隔离开关支架：FY=M×ay=670×6.47=4335N，

FZ=2×{0.5×M×az+FY×Z/0.827m}=10594N。

5 结束语

尽管目前的产品设计，专门因抗震更改设计的不多见，且近几年252kV及以上电压等级的新站在强震中基本无开关损坏，可看出近几年开关产品的抗震能力有所加强，但产品的优化设计还有很多工作可以完善，强度设计余度还可进一步放大，高强度电瓷产品及复合套管的应用等，也将有助于开关产品抗震能力的提高；抗震能力的计算、试验也应更多的落实到各个产品中去，相信在未来还会有更多更好的抗震开关产品得到使用和推广。

参考文献

[1]关志成，刘瑛岩，周运翔.绝缘子及输变电设备外绝缘（1版）[M].北京：清华大学出版社，2006，1.

[2]杨伟.电气工程基础（1版）[M].北京：国防工业出版社出版，2009，12.

作者简介：刘英（1968，1-），女，硕士，正高工，西安西电开关电气有限公司对外技术合作办就职。endprint