具有加速度触发机制的电力机柜隔震性能研究

纪金豹，张伟祺，胡宗祥

(北京工业大学工程抗震与结构诊治北京市重点试验室，北京 100124)

已有变电站相关的设备检修与维护策略优化方法研究[1-2]，作为一种重要的变电站内电力设施，应确保电力机柜有足够的抗震能力。目前关于电力机柜的抗震研究，主要集中在加强机柜构件与加装隔震装置两方面。加强机柜构件截面后，在机柜遭遇超过设防烈度的地震作用时，容易出现设备损坏的情况[3-5]。加装隔震装置的机柜，结构地震响应大幅降低，可满足机柜降低结构响应与减小结构变形的隔震要求，但无法减小正常使用状态下外部振动的影响[6-8]。而用于电力机柜的隔震装置，水平刚度一般较小，在正常使用状态下，当电力机柜受到外部振动等因素影响时，易发生有害变位；若要减小外部振动影响，必须设计较大的隔震装置水平刚度，但较大的隔震水平刚度不能取得很好的隔震效果。因此用于电力机柜的隔震装置应当在正常使用状态下处于锁定状态；在地震作用下迅速解锁以发挥隔震作用。一种可行的方法是在隔震装置中加入加速度触发机制。Fujita等[9]研发了空气支座隔震装置，地震发生时，用地震预警系统探测地震波，判断隔震装置是否需要激活，若需要激活，空气支座充满压缩空气，发挥良好隔震效果，其本质是以地震波为触发条件。Murai等[10]在隔震装置上下板用插销连接，可以阻止正常使用状态下的隔震层位移，当地震作用达到一定强度时，插销断裂，隔震装置启动，实现解锁触发功能，本质也为力触发控制。马伯涛等[11]提供了一种惯性力式锁定及解锁的隔震触发装置，认识到了惯性力触发的必要性。黄季阳等[12]提供了一种可调节锁定装置及解锁的隔震触发装置的改进方法。其原理为利用惯性块的倾覆触发实现解锁。赵呈阳[13]提出了一种构造非常复杂的用于隔震装置的锁定、解锁、复位的方案，可实现解锁、复位功能，但故障率较高。谢启芳等[14]提出一种永磁质量块的锁定方案，此方案可以安装到设备隔震装置中，具有解锁、复位的功能。Ricky等[15]用剪力销固定隔震层，通过地震预警系统来探测地震波，当地震作用达到一定峰值后，解除剪力销，隔震装置发挥作用，实现隔震触发的功能。

目前中外关于的触发机制研究，有少量电触发和力触发的研究，缺少加速度触发研究，由于地震时可能发生断电，而加速度触发机制不受断电影响，因此需要对加入加速度触发机制对隔震效果影响进行理论分析研究。鉴于此，介绍了加速度触发机制，选取了典型带有隔震装置的电力机柜，建立了带有加速度触发机制的隔震电力机柜有限元模型，进行了数值模拟分析，研究了加速度触发机制对隔震效率的影响，以期通过本研究验证加速度触发机制不会降低带有隔震装置的电力机柜的隔震性能，同时确定合理的加速度触发限值。

1 加速度触发机制

加速度触发机制是在隔震装置中设置触发装置，触发装置根据地面运动进行解锁与锁定状态的切换，当触发装置在正常使用状态和遭受小于触发限值的地震加速度时处于锁定状态，减小外部振动影响；当地震加速度超过触发限值时触发装置解锁，快速释放隔震装置正常发挥隔震作用。根据研究现状与加速度触发控制的原理，对触发装置的提出以下特点：①被隔震结构受力时不会触发锁定器，确保正常使用条件下隔震装置处于锁定状态；②地震发生时能够感应地面的相对运动并快速释放隔震器；③纯机械构造，不需要供电，不使用电子元器件；④可重复使用，释放隔震装置后可以通过简单设置快速恢复锁定状态；⑤体积小巧，可安装于隔震装置内部或周边。

触发机制包括加速度感知部分、传力放大机构、附属机构。如图1所示，地震发生时，加速度感知部分感知地面运动加速度，当地震加速度超过触发限值时，加速度感知部分产生解锁力，传力放大机构解锁力，实现解锁。

触发装置在地震作用下由锁定切换到解锁状态，解锁条件为地震波加速度绝对值达到加速度触发限值，解锁后，触发装置在地震作用结束之前都为解锁状态。即触发装置锁定时，隔震位置处的水平总刚度为触发装置与隔震装置的水平刚度之和；触发装置解锁时，隔震位置处的水平总刚度为隔震装置的水平刚度。

2 触发参数影响分析

2.1 有限元模型与隔震参数选取

选取电力机柜作为研究对象，机柜的三维图如图2所示。机柜的组成部分为部基本框架、内部支撑系统、隔板、设备[16]。受力构件为内部隔板、加劲肋、内侧支撑立柱，外侧支撑立柱。隔板的作用为放置机箱等设备。质量分配情况为，设备重量均匀分到各个分层格上，每层50 kg，共200 kg。

图2 电力机柜模型

机柜的基本参数及材料特性如表1所示。

表1 机柜基本参数

电力机柜的有限元模型使用ANSYS软件进行建模。立柱、加劲肋、横梁使用Beam188单元，隔板使用Shell181单元，配重使用Mass21单元。将设备视作放置在隔板和底板上的集中质量配重，每层50 kg，共200 kg，机柜自重200 kg。以机柜水平横向为x轴方向、水平纵向为y轴方向、高度方向为z轴方向建立机柜模型。隔震单元使用Link11连杆单元，通过改变输入的刚度K与阻尼系数C来控制隔震层刚度与阻尼比。由于触发装置处于锁定状态时给隔震装置提供水平刚度较大，因此触发单元用Link11连杆单元，输入远大于隔震单元的刚度来模拟触发单元的锁定状态；触发装置在解锁后，水平刚度为0，在ANSYS中通过单元生死功能，“杀死”触发单元来模拟触发装置的解锁。

将触发装置安装到隔震装置上，组成具有加速度触发机制的隔震装置，如图3所示，整个系统由触发装置、隔震装置、被隔震结构组成。

图3 隔震触发系统示意图

如图4所示，在电力机柜有限元模型底部分别建立两个相连的连杆单元，分别模拟隔震装置与触发装置，调整连杆单元的刚度和阻尼系数来改变隔震层参数。

图4 隔震触发电力机柜有限元模型

在进行隔震分析之前需要进行机柜动力特性分析与隔震层参数分析，机柜前三阶的自振频率为：一阶19.05 Hz，二阶19.11 Hz，三阶21.21 Hz，由于机柜模型为对称结构，因此自振频率出现前两阶相似的情况，机柜的前两阶振型的方向均为水平向，质量参与系数分别为水平向87.76%、95.28%，说明机柜在水平向的易受地震影响，输入地震波时应重点考虑此方向。

地震波选择6条天然波加2条人工波，所选地震波覆盖了4种场地类型，如表2所示，分析用到的地震波都为这8条波。

表2 地震波

将地震波加速度峰值调整为0.2g、0.4g、0.6g(g为重力加速度)，对不隔震状态下进行时程分析，8条地震波作用下的机柜加速度峰值、位移峰值如表3所示。

表3 不隔震机柜加速度峰值、位移峰值

通过对不隔震状态下的电力机柜时程分析可以看出，机柜的地震响应反应较大，会将地震波加速度放大1.5～4.5倍。

隔震结构体系的固有频率应在0.85 Hz以下，由式(1)、式(2)计算得到隔震层刚度<9 398.91 N/m。阻尼比取0.1～0.3。

(1)

(2)

式中：ωn为隔震结构的固有频率；K为隔震层刚度；M为上部结构总质量；ζ为阻尼比；C为阻尼系数。

修改隔震层刚度，调整隔震机柜频率，用加速度峰值为0.2g、0.4g的El-centro波分别对不同隔震层参数下的电力机柜进行时程分析，得到机柜加速度峰值、隔震层位移峰值，对比分析得到最优隔震层参数。最终得到结论，隔震层参数在刚度取4 kN/m、阻尼比取0.20时，其隔震率最高，此时隔震机柜水平向的一阶自振频率为0.55 Hz。

2.2 触发限值分析

触发加速度限值太大，隔震装置不能及时发挥作用，机柜容易受到损害；触发加速度限值太小，则受到较小的环境激励时触发装置解锁，不能避免正常使用条件下的有害振动。需要进行触发加速度的选择。在实际情况中，机柜内置设备在受到较小的加速度或力作用时会发生震动，因此将加速度触发限值取为0.1g。进行时程分析获得机柜的加速度、位移响应，分析隔震率。地震波选用加速度峰值为0.2g、0.4g的El-centro波、Kobe波、Taft波。

定义隔震率λ为

(3)

触发限值分析的计算结果如表4所示。从表4数据可以看出，0.1g的触发加速度限值下，机柜在El-centro波、Taft波条件下隔震率较大，在Kobe波条件下隔震率较小，但也达40%。因此触发加速度限值选择为0.1g是合理的。

2.3 隔震效果分析

将有触发与无触发条件下的机柜动力响应进行对比，从而得出具有加速度触发机制的隔震效果，触发加速度限值同样为0.1g。隔震率的定义同式(3)。隔震机柜分析结果如表5所示。

表5 隔震机柜动力响应

由表5数据可以得出，与不隔震机柜相比，隔震机柜在加速度峰值为0.2g、0.4g、0.6g地震波作用下的加速度响应大幅度降低。

隔震触发机柜分析结果如表6所示。表7为隔震与隔震触发机柜隔震率对比结果。

从表6、表7数据可以看出，机柜顶层加速度峰值与隔震状态下较为接近，说明加入触发装置后，机柜的隔震性能依然可以达到较好的效果。机柜的隔震层位移结果与隔震状态下也较为接近，说明隔震触发状态与无触发隔震电力机柜隔震性能较接近。

表6 隔震触发机柜的动力响应

表7 隔震与隔震触发机柜隔震率对比

3 结论

对具有加速度触发机制的隔震装置进行分析，明确了加速度触发机制的特点，通过有限元模拟，分析了具有加速度触发机制的隔震装置的隔震性能，得出以下结论。

(1)从隔震触发限值的分析可以得出，使用0.2g、0.4g的El-centro波、Kobe波、Taft波，对触发限值为0.1g的电力机柜动力响应进行分析，分析结果为触发限值为0.1g时机柜的隔震率较高，触发限值设置为0.1g时是合理的。

(2)从隔震触发分析可以得出，隔震有触发状态下的隔震率与无触发状态下隔震率较为接近，平均隔震率为67.02%，在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类场地以及人工波的隔震率均在40%以上，隔震效果较为显著，说明具有加速度触发机制的电力机柜隔震性能良好。