基底隔震技术在高压电气设备中的应用

张晓旭

摘 要：高压电气设备是电力系统运行的重要组成部分，由瓷套管组成，但瓷属于脆性材料，其抗弯性能较差，在地震时会受到严重破坏。为了有效提高高压电气设备在地震中的抗震性能，基底隔震技术在高压电气设备中得到了广泛应用。笔者就对隔震技术进行了探讨，并对基底隔震技术在高压电气设备中的应用进行了探讨，分析了该技术在高压电气设备抗震体系中应用的可行性。

关键词：基底隔震技术；高压电气设备；隔震性能

中图分类号：TM623 文献标识码：A

地震时，常会发生因高压电气设备破坏而引发高压电网损坏的问题，因此，需要切实加强高压电气设备的隔震性能，这样才可以保障设备的稳定运行。高压电气设备主要包括断路器、电流互感器、电压互感器、避雷针等，提高这些设备的抗震性能主要是通过基底隔震技术。通过基底隔震技术，可以有效改善高压电气设备基底的隔震性能，从根本上解决高压电气设备不稳定的问题。

1.隔震技术

隔震技术属于抗震技术的种类之一，即隔离地震。在建筑物上部结构与基础间设置隔震层，上部建筑层间设置隔震层，这样一来，在地震时，就可以阻挡地震能量向上部结构传输，降低上部结构受地震的影响，达到隔震的目的。

经过地震灾害数据统计后，可以发现电力系统在运行过程中极容易受到地震灾害的影响，极易发生地震损坏，进而引起高压电网系统破坏。由于高压电气设备多由瓷套管组成，在地震时，瓷套管的根部会承受非常大的弯矩，这样一来，如果瓷套管强度不足就很容易发生套管断裂，特别是在瓷套管与其他材料的连接处，极容易发生不协调变形，这样会在很大程度上增加瓷套管的裂损。因此，隔震技术除了在建筑结构中的应用，在电气设备中也有广泛的应用。在隔震层对连接上部结构与基础的电气设备软件间连接处理，一般采用软连接处理，通过软连接，可以吸收大部分建筑物上下两部分相对位移所产生的能量，这样可以有效保护电气设备的抗震能力，降低电气设备在地震中的破坏程度。高压电气设备主要包括隔离开关、电流互感器、电压互感器等，这些设备在地震时极容易发生瓷柱脆性破坏，因此，需要对其瓷柱与支架进行加固。然而处于高烈度区的变电站，如果仅仅强化高压电气设备的瓷套管及其支架的刚度，是无法从根本上解决高压电气设备的抗震问题的，这时便需要对高压电气设备采用基底隔震技术，对设备的基底进行加固，提高高压电气设备的抗震能力。

2.基底隔震技术在高压电气设备中应用的基本理论

在高压电气设备中应用基底隔震技术主要是通过降低传入的地面输入加速度，提高设备上部结构与电气单元安全性。由于高压电气设备的刚度较大，自振周期较短，这样一来，即便输入加速度大，但實际产生的位移还是比较小，这就要求在设备设计时尽可能地延长周期，这样反应加速度才会产生较大的下降，增加位移反应。在高压电气设备中应用隔震装置可以有效降低传入的地面输入加速度，延长结构物的周期，这样一来，在地震时，地震所产生的能量变形便会集中在隔震装置上，依靠隔震装置吸收能量，这与传统的借助上部构件的较高强度与较低变形来吸收地震能量有很大区别。

2.1计算模型

为了更好地理解高压电气设备的隔震性能，采用数学近似法模拟真实物理系统，综合考虑支管、瓷套管等构件。瓷套管的π截面计算公式为：

I=π（d14-d24）/64

其中，d1为瓷套管的外直径；d2为瓷套管的内直径。

法兰连接的弯曲刚度计算公式为：

Kc=6.54*dch2c/tc

其中，Kc为瓷套管的弯曲程度，dc为瓷套管胶状位置的外直径，hc则是瓷套管与法兰胶装的高度，tc是瓷套管与法兰胶装间的间隙。

法兰弯曲的截面惯性矩计算公式为：

Ic=KcLc /Ec

其中，Ic为截面惯性矩，Lc为梁单元长度，一般是单根瓷套管长度的1/20左右，Ec为瓷套管的弹性模量。

基于以上3个公式，对瓷套管等构件进行有限元分析，尽可能地简化模型，使其更好地应用于高压电气设备中。

2.2地震反应分析方法

基底隔震技术在高压电气设备中的应用需要以地震反应分析为基础，充分考虑高压电气设备在地震过程中的动力反应情况，现以时程分析对地震反应进行分析，输入地震波为El-centro波与Taft波，根据地震反应模型分析双向地震作用对高压电气设备的影响。

3.模型状态分析

3.1地震分析模型的建立

为分析基底隔震技术在高压电气设备中的应用，采用对比分析方法，对比分析非隔震高压隔离开关与基底隔震高压隔离开关间的差异。按抗震设防烈度9级为基础分析地震时程。相关的地震灾害调查结果显示，高压电气设备在地震时最容易发生的便是绝缘瓷柱断裂，这种绝缘瓷柱断裂多是发生在瓷柱的根部位置，受强地震作用，高压电气设备的受力部位受到影响，进而发生瓷柱断裂，使高压电气设备发生倾斜，影响高压电气设备的正常运行。现对绝缘瓷柱受力部位进行分析，建立地震分析模型，用以探讨基底隔震技术在高压电气设备中的应用。

3.2计算模型

假设高压隔离开关的个体高度为2.72 m，支柱绝缘子部分由两节瓷瓶组成，瓷瓶的长度与直径不同，上节瓷瓶的长度为1050 mm，直径为120 mm，下节瓷瓶长度为1050 mm，直径140 mm。高压隔离开关的底座由型钢组成，支架由混凝土构成，4010 mm，在设计隔震支架时需要使其高度处于同一标注高度，设计6个隔震支架，将隔离开关基底设计为连梁基础，横截面积800×600 mm，这样可以有效保证隔离开关与支架能够同时工作，避免其中一方出现故障而引起另一方故障。此外，在连梁部分还需要浇注100 mm厚的混凝土板，并在此面板上进行绿化，这样可以有效保障变电站绿化达到要求。

3.3模拟状态的分析

对模拟状态进行分析，发现基底隔震开关在3个阶段的自振时长较非隔震隔离开关的3个阶段自振时长更长，这说明基底隔震能够有效延长内部结构的振动时长，未采用隔震技术的隔离开关在振动形状上呈上大下小，采用基底隔震技术的隔离开关的振动呈整体系统性振动，这种振动模式能够有效避免地震能量对高压电气设备的集中破坏。

3.4时程响应分析

通过模拟分析，可以发现高压电气设备在地震过程中受到的损害多集中在高压隔离开关上，高压电气设备的支柱瓷瓶根部或上半段瓷瓶根部断裂，这是由于电气设备的高压隔离开关属于柱式结构，在地震过程中，上下瓷瓶的根部受地震作用力过大，根部会发生一定位移，导致瓷瓶间相互碰撞，最终导致瓷瓶破裂。将基底隔震技术应用到高压电气设备中，这样可以有效调整高压隔离开关的顶部结构位移，使其可以满足9级地震博峰值与速度，降低高压电气设备受地震作用的影响。

结语

高压电气设备是电力系统运行的重要组成部分，其抗震能力直接关系到整个电力系统的运行安全性。利用基地隔震技术，可以有效延长系统的周期，降低地震作用，使隔震层上部结构的水平位移集中在隔震层，降低基底的剪力与加速度，这样一来，整个电力系统就呈平动型，在很大程度上降低了电力系统的应力与内力，实现了高压电气设备的设计优化。高压电气设备在设计时需要注重抗震设计，尽可能地采用基底隔震技术，优化电气设备的抗震能力，使其可以在地震过程中仍保持正常运行。

参考文献

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