引言

我國地震具有震源淺 、頻度高 、強度大和分布廣等特點 , 震害情況特別嚴重。四川汶川地震中 ,變電站電氣設(shè)備遭到嚴重破壞 , 不僅造成難以估量的經(jīng)濟損失 , 而且影響整個社會和國民經(jīng)濟的發(fā)展。

柱式斷路器是電力系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用的關(guān)鍵電氣設(shè)備之一 ,在各類工程中得到廣泛應(yīng)用 , 這類設(shè)備具有結(jié)構(gòu)細高 、重心較高等特點 , 且大都安裝在室外的支架或地基上 ,受各類沖擊等動力荷載影響較大 。 因此 ,對柱式斷路器進行抗震研究具有重要的理論意義和實際應(yīng)用價值 。本文以柱式斷路器為研究對象 ,針對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點及運動特性 ,采用仿真分析法對產(chǎn)品進行抗震性能計算 。通過仿真研究柱式斷路器單柱與雙柱結(jié)構(gòu)的抗震性能 , 并分析其抗震性能差異 , 為后續(xù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化及地震真型試驗提供理論依據(jù) 。

1 試品概況

柱式斷路器由操動機構(gòu)、絕緣支柱、滅弧室 、合閘電阻等組成 , 外絕緣材質(zhì)為復(fù)合材料 , 產(chǎn)品總高17 8 , 處于合閘位置 , 總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 單式斷路器結(jié)構(gòu)

2 仿真分析

柱式斷路器為單極操作結(jié)構(gòu) ,每極斷路器為四斷口 串聯(lián)形式 ,其中每兩個斷口為一 個柱式整體 , 中間通過連接導(dǎo)線進行連接 ,外絕緣全部采用復(fù)合套管 ,支架材質(zhì)為普通鋼材 ,斷路器有限元模型如圖2所示 。

2. 1 計算初始條件

2.1.1 風(fēng)載荷

按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009一2001)計算風(fēng)荷載大小 。垂直于建筑物表面上的風(fēng)荷載標準值 ,應(yīng)按下述公式計算:

式中 ωk一風(fēng)荷載標準值(kN/m2) :

βz一X高度處的風(fēng)振系數(shù):

μs一風(fēng)荷載體型系數(shù):

μz一一風(fēng)壓高度變化系數(shù):

ω0一基本風(fēng)壓值(kN/m2) 。

(1)基本風(fēng)壓o0按風(fēng)速3. 8/s計算 ,取為0.62 kN/m2。

(2)風(fēng)壓高度變化系數(shù)如表1所示。

對于平坦或稍有起伏的地形 ,風(fēng)壓高度變化系數(shù)應(yīng)根據(jù)地面粗糙度類別確定 。地面粗糙度可分為A、B、C、D四類 。B 類指田野、鄉(xiāng)村、叢林、丘陵以及房屋比較稀疏的鄉(xiāng)鎮(zhèn)和城市郊區(qū) 。C類指有密集建筑群的城市市區(qū) 。本工程的地面粗糙程度介于B類和C類之間 ,按照B類地面作保守計算 。

(3)根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009一2001)表6.3. 1規(guī)定 , 支架結(jié)構(gòu)的體型系數(shù)按第3.項取 , 設(shè)備的風(fēng)荷載體型系數(shù)按第34項取 。

(4)X高度處的風(fēng)振系數(shù)根據(jù) 《變電所建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)定》(NDGJ94一 1992)3.3.2.5條的規(guī)定取值 。

假設(shè)沿滅弧室套管方向為X向 , 垂直于滅弧室套管方向為y向 ,0:風(fēng)向與X正方向相同 ,90:風(fēng)向與y正方向相同。風(fēng)荷載計算如表2所示 。

2. 1.2 地震載荷

計算模型輸入反應(yīng)譜為標準反應(yīng)譜 ,標準反應(yīng)譜的特征周期0.9 s ,幾乎包絡(luò)所有常用場地類型 , 地震輸入加速度峰值0.4g(g=9.8 m/s2) 。模型分析輸入的加速度時程及對應(yīng)標準

反應(yīng)譜如圖3所示 ,標準反應(yīng)譜的卓越頻率段為1. 1~10 Hz。

2.2 計算模態(tài)分析

通過對數(shù)值模型進行模態(tài)分析 ,可以得到結(jié)構(gòu)的 自振頻率、振型等反映結(jié)構(gòu)動力特性的參數(shù) ,表3僅列出了各方案前10階模態(tài)分析結(jié)果 ,運用模態(tài)疊加法進行抗震計算時確保參與疊加的模態(tài)質(zhì)量占總質(zhì)量的90%以上 。表3列出了由數(shù)值模型分析得到的模態(tài)分析結(jié)果 , 圖4、圖5分別為單柱結(jié)構(gòu)、雙柱結(jié)構(gòu)的第1階振型圖 。

2.3 計算結(jié)果

2.3. 1 大風(fēng)工況分析結(jié)果

對結(jié)構(gòu)進行y向大風(fēng)工況下的力學(xué)性能分析 , 結(jié)果如表4所示。

2.3.2 地震工況分析結(jié)果

對結(jié)構(gòu)進行x+Z和y+Z向地震工況下的力學(xué)性能分析 ,Z 向荷載考慮為水平向荷載的80% ,計算結(jié)果如表5所示 。

2.4 結(jié)果分析

(1)在大風(fēng)作用下 ,套管的最小安全系數(shù)為2.58 ,滿足高壓配電裝置設(shè)計技術(shù)規(guī)程 [3]的要求 , 即在大風(fēng)荷載長期作用下各套管的安全系數(shù)均滿足大于2.50的要求。

(2)在x向地震作用下 , 套管的最小安全系數(shù)為2. 13 , 滿足電力設(shè)備抗震設(shè)計規(guī)范 [4]和高壓配電裝置設(shè)計技術(shù)規(guī)程的要求 , 即在地震荷載短時作用下各套管的安全系數(shù)均滿足大于1.67的要求。

(3)在y向地震作用下 , 套管的最小安全系數(shù)為1.93 , 滿足電力設(shè)施抗震設(shè)計規(guī)范和高壓配電裝置設(shè)計技術(shù)規(guī)程的要求 , 即在地震荷載短時作用下各套管的安全系數(shù)均滿足大于1.67的要求 。

3 結(jié)論

本文通過上述仿真研究 ,可得出以下結(jié)論:

(1)對于柱式斷路器來說 , 絕緣支柱是斷路器抗震的薄弱部位 ,在地震輸入加速度峰值0.4g作用下 ,絕緣支柱最大應(yīng)力為62.48 MPa ,套管安全系數(shù)1.93 。在斷路器設(shè)計時需要重點關(guān)注該薄弱環(huán)節(jié) , 通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計來提高斷路器抗震能力 。

(2)在目標峰值加速度0.4g地震波作用下 ,單柱斷路器滅弧室頂部位移為826.33 mm 。該數(shù)據(jù)為內(nèi)部電氣元件的變形和連接導(dǎo)線的尺寸設(shè)計提供了確切依據(jù) ,避免因連接導(dǎo)線長度不足引起兩柱之間設(shè)備的拉扯而造成斷路器損壞 。

(3)連接導(dǎo)線的設(shè)置在XZ平面內(nèi)很大程度上提高了斷路器整體剛度 ,使雙柱斷路器設(shè)備整體位移減小 ,絕緣支柱減小24.6% ,電阻減小24.6% ,滅弧室減小29.3%。