鞠升輝,張 任,李付永,趙夢坡,李 偉,候永威

(1. 河南平高電氣股份有限公司,河南 平頂山 467000; 2. 北京航空航天大學(xué) 生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院,北京 100191)

0 引言

隨著特高壓網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)完善,電力系統(tǒng)的互聯(lián)互通,高壓電氣設(shè)備一旦遭到破壞,其將造成波及范圍廣、破壞程度深的重大經(jīng)濟損失。地震作為不可抗力的自然災(zāi)害,是造成電力設(shè)施遭受嚴(yán)重破壞的情況之一[1-3],因此在工程設(shè)計時,應(yīng)謹(jǐn)慎分析評估設(shè)備的抗震性能。

高壓交流接地開關(guān)作為高壓交流隔離開關(guān)的一種,其主要作用是在停電檢修時可靠接地,特別適用于同塔雙回路或臨近平行布置的輸電線路,可有效預(yù)防感應(yīng)電荷對運維人員的傷害。高壓交流接地開關(guān)廣泛應(yīng)用于環(huán)境條件惡劣的戶外變電站,如高溫、高濕、鹽霧、冰凍、污穢和地震等自然條件。其中,地震所造成的高壓開關(guān)瓷瓶的斷裂[4-6],對電網(wǎng)和電力系統(tǒng)的破壞尤為嚴(yán)重,是產(chǎn)品設(shè)計時不可忽視的考量因素。

目前,開展高壓電氣設(shè)備抗震性能的主要手段為地震模擬振動臺試驗和數(shù)值仿真,其中振動臺試驗是檢驗電氣設(shè)備抗震性能最為有效的方法與手段,能直觀復(fù)現(xiàn)地震作用全過程[7]。張軍等[8]進行了220 kV絕緣子及避雷器的振動研究。程永峰等[9]展開了避雷器與互感器的振動臺抗震試驗。柏文[10]開展了地震過程中軟導(dǎo)線連接的瓷柱式開關(guān)設(shè)備振動臺模擬地震試驗。然而,大量的研究圍繞通過數(shù)值仿真預(yù)測結(jié)構(gòu)能否通過抗震試驗的考驗,以及圍繞結(jié)構(gòu)的動力學(xué)特性展開[11-15],固然,這些是研究的要點,需重點關(guān)注,而振動臺試驗對結(jié)構(gòu)機械性能及壽命的影響,則關(guān)注較少。高壓開關(guān)設(shè)備價格往往較高,若進行過地震模擬的振動臺試驗就將設(shè)備報廢,則會產(chǎn)生高昂的經(jīng)濟費用。因此,對于能夠通過振動臺試驗的設(shè)備,需對其進行有效評估,判斷機械性能是否受到影響。

文中以145 kV三相機械聯(lián)動瓷質(zhì)絕緣子接地開關(guān)為研究對象,進行數(shù)值仿真并開展地震模擬振動臺試驗,討論了在地震波作用下的頻率特性,發(fā)現(xiàn): A/B/C三相均會繞X、Y軸擺動,同時A/C相會圍繞B相軸線旋轉(zhuǎn),B相無明顯旋轉(zhuǎn),從而使3個底座處的應(yīng)力分布產(chǎn)生一定差異;確定接地開關(guān)的易損部位、最大應(yīng)力及抗震性能;對比分析數(shù)值仿真與振動臺試驗結(jié)果可知,在滿足安全系數(shù)要求時,數(shù)值仿真結(jié)果可作為接地開關(guān)能否通過試驗的初步判據(jù)。文中進一步提出一種用于評估振動臺試驗對設(shè)備機械性能及壽命影響的方案,進而分析振動臺試驗是否產(chǎn)生影響。

1 研究概況

本文研究4 000 mm×800 mm×5 260 mm(長×寬×高)的三相機械聯(lián)動高壓交流接地開關(guān),總質(zhì)量1.235 t,從上至下分別為接線端子、支柱絕緣子、底座及傳動機構(gòu)、地刀桿、縱梁以及鋼支架。該高壓交流接地開關(guān)結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。從左至右分別為A/B/C三相,各相結(jié)構(gòu)類似并固定在底座上,相鄰兩相之間通過相間連桿連接,從而實現(xiàn)三相機械聯(lián)動。接線端子為鋁合金板材,地刀桿為鋁合金型材,支柱絕緣子為高強瓷,支柱絕緣子上下法蘭為球墨鑄鐵,底座與傳動機構(gòu)、縱梁、鋼支架的材料均為普通鋼材,接地開關(guān)設(shè)備材料參數(shù)如表1所示。

圖1 接地開關(guān)結(jié)構(gòu)型式Fig. 1 Structural type of earthing switch

表1 材料參數(shù)Table 1 Material parameters

2 數(shù)值仿真

2.1 模態(tài)頻率特性分析

瞬態(tài)動力學(xué)方程為:

(1)

采用Solidworks對接地開關(guān)進行三維建模并利用ANSYS Workbench進行數(shù)值仿真分析,材料屬性如表1所示。其中,絕緣子采用六面體Solid186單元,法蘭、鋼支架采用六面體Solid185單元,其余零部件多為機加工和多種結(jié)構(gòu)件焊接結(jié)構(gòu),采用四面體Solid187單元,固定接觸面之間設(shè)置為綁定,鋼支架下底板固定約束。分別得到設(shè)備的各階振型與頻率,前3階振型如圖2所示,第一階振型繞Y軸(前后)擺動,第二階振型為A/C相繞B相的旋轉(zhuǎn),第三階振型為繞X軸(左右)擺動。由圖2可知,三相機械聯(lián)動的結(jié)構(gòu)型式并不會影響結(jié)構(gòu)在水平方向的擺動,但限制了A/B/C單相繞自身的旋轉(zhuǎn),新增邊相A/C繞中間相B的旋轉(zhuǎn),從而使3個底座處的應(yīng)力分布產(chǎn)生一定差異。進一步的分析發(fā)現(xiàn),B相高應(yīng)力區(qū)域前后或左右分布,A/C相則呈現(xiàn)一定扭曲變形,應(yīng)力大小與分布在設(shè)備頂部接線端子結(jié)構(gòu)型式及重量改變時變化較為明顯,試驗時數(shù)據(jù)采樣需考慮該因素的影響。

圖2 設(shè)備振型圖Fig. 2 Vibration modes of the equipment

仿真分析發(fā)現(xiàn),頻率會隨著支架底板采用不同的約束方式而上下浮動,本文盡可能模擬電站實際安裝工況,并多次仿真取平均值。其中沿X方向上第一階頻率為7.0 Hz,沿Y方向上第一階頻率為10.2 Hz。

2.2 生成時程波

數(shù)值模擬所采用的地震動輸入是根據(jù)規(guī)程[16-17]所推薦的標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜[18](取2%阻尼比[19-21])所生成的加速度時程波,標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜對應(yīng)的地震影響系數(shù)曲線如圖3所示,生成的加速度時程波如圖4所示,時程波根據(jù)加載工況按比例縮放進行調(diào)整。

圖4 試驗用標(biāo)準(zhǔn)時程波Fig. 4 Standard time history wave for the test

2.3 地震響應(yīng)分析

輸入加速度峰值分別為0.4g(g=9.8 m/s2,下同)與0.5g的標(biāo)準(zhǔn)時程波,對接地開關(guān)進行動力學(xué)分析。由于絕緣子的破壞應(yīng)力為70 MPa,遠小于普通鋼鐵與球墨鑄鐵的許用應(yīng)力,需對絕緣子根部的應(yīng)力進行計算,校核其安全裕度。仿真發(fā)現(xiàn)絕緣子最大應(yīng)力分布在最下方傘裙根部,確定絕緣子最大應(yīng)力為18.98 MPa,安全系數(shù)3.69(安全系數(shù)=破壞應(yīng)力或許用應(yīng)力/計算應(yīng)力,下同);下法蘭最大應(yīng)力44.56 MPa,安全系數(shù)6.51;底座最大應(yīng)力77.05 MPa,安全系數(shù)3.05;均滿足規(guī)范不小于1.67的要求[16]。

仿真計算得到的產(chǎn)品頂部接線板位移時程曲線如圖5所示。

圖5 設(shè)備頂部接線板位移時程曲線Fig. 5 Displacement of time history curve of terminal block at the top of the equipment

由圖5可知,接地開關(guān)產(chǎn)品頂部接線板相對于振動臺臺面在X方向的最大位移為39.43 mm,在Y方向的最大位移為3.85 mm,由于變形較小,在進行電站的設(shè)計時,可以忽略位移對相鄰電力設(shè)備的牽拉作用帶來的影響;接地開關(guān)在不同方向的位移響應(yīng)具有差異,在X方向的位移變化明顯大于Y方向。

3 振動臺抗震試驗

3.1 振動臺概況

試驗系統(tǒng)為重慶大學(xué)振動臺實驗室MTS 6.1 m×6.1 m地震模擬振動臺,標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷60 t,最大傾覆力矩1800 kN·m,最大偏心力矩600 kN·m,臺面最大加速度:X方向±1.5g(標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷),Y方向±1.5g(標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷),Z方向±1.0g(標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷)。試品的試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為NI公司高速動態(tài)采集儀,其通道數(shù)為128,采樣頻率100～1000 kHz。加速度傳感器為Lance加速度計(±5g)。應(yīng)變測試采用帶溫度補償?shù)?/4橋路。

3.2 測點布置

試驗所采用145 kV高壓交流接地開關(guān)為某特高壓電站所用產(chǎn)品,試驗屬于全尺寸真型試驗,安裝在振動臺上的接地開關(guān)如圖6所示(該產(chǎn)品與另一145 kV雙柱水平旋轉(zhuǎn)型隔離開關(guān)一起安裝在振動試驗臺上)。

圖6 安裝于振動臺上的接地開關(guān)Fig. 6 Earthing switch installed on shake table

對地震時主要承受彎矩的高壓開關(guān)支柱類設(shè)備,最常見的破壞形式為套管根部開裂,故在絕緣子根部布置應(yīng)變片MS_4-1～MS_4-3,同時,在主要受力零部件的關(guān)鍵位置支架根部、底座和法蘭布置應(yīng)變片。針對三相機械聯(lián)動A/C邊相底座出現(xiàn)的應(yīng)力分布的扭曲現(xiàn)象,由于用于本次試驗的結(jié)構(gòu)型式的接地開關(guān)頂部接線板重量較小,此現(xiàn)象不是十分明顯,故根據(jù)仿真結(jié)果在正常測點附近合理設(shè)置多個應(yīng)變片即可獲得最大應(yīng)變。振動臺臺面上布置加速度計MA_1,用于測試振動臺面的加速度輸出情況,MA_2-1～MA_2-3布置在距離振動臺臺面1m處的鋼支架上,應(yīng)變片以及加速度計布置情況如圖7所示。

圖7 接地開關(guān)測點布置圖Fig. 7 Measuring points arrangement of the earthing switch

3.3 試驗工況

試驗依次交替輸入白噪聲隨機波與標(biāo)準(zhǔn)時程波。標(biāo)準(zhǔn)時程波采用逐級加大的方式,依次輸入峰值分別為0.2、0.4、0.5g的水平加速度,模擬地震試驗前、各工況地震試驗后均進行白噪聲掃頻(對應(yīng) 1、4、 7、10工況),在臺面X、Y、Z向輸入頻率范圍0.5～50 Hz,加速度峰值為0.09g的白噪聲隨機波,測定試驗前后的自振頻率與阻尼比,用以評估設(shè)備是否在模擬地震試驗中損壞,具體加載工況如表2所示。

表2 試驗工況Table 2 Conditions of the test

振動臺試驗所采用的加速度時程波如圖4所示,根據(jù)加載工況按比例縮放。

4 試驗結(jié)果分析

4.1 模態(tài)頻率分析

輸入白噪聲隨機波,記錄接地開關(guān)測點的加速度時程數(shù)據(jù),通過接地開關(guān)在工況1、4、7、10時的動力特性探查設(shè)備的傳遞函數(shù),進而獲得接地開關(guān)的一階自振頻率如表3所示。試驗后外觀檢查以及隨后返廠拆解無損探傷均發(fā)現(xiàn)瓷瓶完好,鋼支架、底座和法蘭等均沒有發(fā)生變形與破壞,接地開關(guān)可實現(xiàn)分合閘功能,故初步確認(rèn)設(shè)備在振動臺試驗中沒有遭到破壞。

表3 設(shè)備自振頻率Table 3 Frequencies of the equipment

振動臺試驗采用工裝固定方式,數(shù)值仿真模擬實際安裝工況,故結(jié)果存在一定差異。接地開關(guān)Y方向為三相機械聯(lián)動,存在細(xì)微的傳動間隙,也會對頻率產(chǎn)生微弱影響。

4.2 加速度響應(yīng)分析

依據(jù)MA_4-2與MA_1記錄的加速度時程數(shù)據(jù),得到工況8、工況9時振動臺試驗加速度幅值譜如圖8所示,設(shè)備頂部加速度幅值譜如圖9所示。為了方便分析接地開關(guān)的地震響應(yīng),引入加速度放大系數(shù),該系數(shù)是指所選取點處加速度峰值與臺面加速度峰值的比值,可以反映結(jié)構(gòu)對地震波的放大作用,臺面處比值為1,設(shè)備不同部位關(guān)鍵測點的加速度放大系數(shù)如圖10所示。

圖8 輸出譜與需求譜Fig. 8 Output spectrum and requirement spectrum

圖9 加速度頻譜特性曲線Fig. 9 Acceleration spectrum characteristic curve

由圖可知,輸出譜基本包絡(luò)需求譜,滿足試驗的有效性;加速度放大系數(shù)最大的部位是絕緣子頂部,支架距離地面1 m處為1.2～1.8,絕緣子支座為1.6～3.9,絕緣子頂部為4.3～9.6。設(shè)備第一階自振頻率為6.5,處于地震波卓越頻率(1～10 Hz)范圍內(nèi),容易發(fā)生共振;隨著輸入地震動加速度峰值的增加,加速度放大系數(shù)均呈現(xiàn)增加趨勢,但僅絕緣子頂部的變化尤為顯著,其余部位為緩慢增加趨勢,呈現(xiàn)非線性特征。

4.3 應(yīng)變響應(yīng)分析

大量高壓開關(guān)設(shè)備的地震災(zāi)害表明,絕緣子根部在地震過程中承受較大的彎曲載荷而易發(fā)生斷裂。因此在評估接地開關(guān)的抗震性能時,絕緣子根部的應(yīng)力是重要的考慮因素。通過分布的應(yīng)變片測點記錄鋼支架、底座、法蘭與絕緣子根部關(guān)鍵點的應(yīng)變時程數(shù)據(jù),然后計算即可獲得測點的應(yīng)力,設(shè)備不同工況狀態(tài)下的應(yīng)變?nèi)鐖D11所示。

圖11 不同工況下關(guān)鍵測點應(yīng)變最大值Fig. 11 Maximum strain of the key points in different working conditions

由圖11可知:

1)接地開關(guān)的最大應(yīng)變位于底座與絕緣子下法蘭處,工況5時底座應(yīng)變達到最大值128,工況9時絕緣子下法蘭達到最大應(yīng)變?yōu)?86,根據(jù)應(yīng)力計算公式σ=E·ε/λ,其中E為材料的彈性模量;ε為應(yīng)變最大值;λ為譜修正系數(shù),依據(jù)1.0×設(shè)備抗震試驗應(yīng)力+0.25×風(fēng)荷載應(yīng)力+1.0設(shè)備自重應(yīng)力+1.0端子拉應(yīng)力公式,確定底座、下法蘭、絕緣子的應(yīng)力如表4所示。

表4 仿真與振動臺試驗結(jié)果對比Table 4 Comparison of simulation and shaking table test results

由表4可知,絕緣子的仿真與試驗結(jié)果基本一致,法蘭與底座的仿真與試驗結(jié)果存在一定偏差。法蘭與底座的最大應(yīng)力均分布在一片較小的區(qū)域內(nèi),應(yīng)變片無法準(zhǔn)確與其重合,所粘貼區(qū)域的仿真值與試驗值基本吻合。

2)對于帶支架的接地開關(guān),底座和絕緣子下法蘭為抗震的關(guān)鍵部位,同時由于絕緣子材料本身較脆弱,其根部也需要重點觀測。隨著輸入加速度峰值的增加,接地開關(guān)應(yīng)變響應(yīng)呈現(xiàn)非線性變化。例如工況8與工況5相比,工況8輸入峰值加速度為工況5的1.23倍,但底座的應(yīng)變響應(yīng)不僅沒有增加,還有所減小。

3)不同方向接地開關(guān)關(guān)鍵部位的應(yīng)變響應(yīng)存在差異。絕緣子下法蘭材料為QT500型球墨鑄鐵,各向同性,由于受接地開關(guān)的整體結(jié)構(gòu)影響,其應(yīng)變(MS_3)在Y軸方向隨著輸入加速度峰值的增加而增加,而在X軸方向,僅在一定范圍內(nèi)隨著輸入加速度峰值的增加而增加,超過該范圍,隨著輸入加速度峰值的增加而減小。

4.4 機械性能分析

高壓開關(guān)設(shè)備傳動機構(gòu)之間存在較嚴(yán)格的公差配合及間隙,該部分結(jié)構(gòu)無論是在數(shù)值仿真階段,還是振動臺試驗后的外觀檢查中,很難有效分析與及時發(fā)現(xiàn)問題,需進行機械性能試驗評估。

該種結(jié)構(gòu)型式的接地開關(guān)通過了KEMA認(rèn)證的IEC62271—102標(biāo)準(zhǔn)條件下的5000次機械壽命試驗,并獲得型式試驗報告。根據(jù)試驗報告,該接地開關(guān)試驗過程中,85%、100%、110%額定電壓時,電機工作電流如表5所示,啟動電流為最大值,工作電流為平均值。該電流范圍為經(jīng)試驗驗證的允許范圍。

表5 不同電壓下電機電流Table 5 Motor current under different voltages

依據(jù)高壓開關(guān)設(shè)備行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),對振動臺試驗后的設(shè)備進行M0級(1000次)機械壽命試驗并記錄相關(guān)機械特性,與型式試驗報告中的特性進行比對。設(shè)備驅(qū)動機構(gòu)配備三相異步電機,根據(jù)電機原理中三相異步電機的電磁轉(zhuǎn)矩與機械特性知,設(shè)備電動機構(gòu)驅(qū)動力矩與電機電壓的平方成正比,故85%額定電壓為極限測試,此時力矩降低至正常的72%,驗證極端條件下設(shè)備的機械性能。在電源電壓不變時,電機電流的變化反映了輸入功率的波動,而輸入功率取決于負(fù)載大小,可間接反映機械特性。

本次機械壽命試驗采用ACTAS P6開關(guān)機械特性測試儀,根據(jù)特性測試儀記錄可得:額定電壓下啟動電流、工作電流分別為3.5～3.7A和0.6A,位于允許范圍內(nèi);機械壽命試驗后進行85%額定電壓下的分合閘操作的分合閘特性曲線如圖12所示,圖12中曲線平滑無抖動,反映設(shè)備分合閘特性平穩(wěn)。

圖12 分合閘特性曲線Fig. 12 Opening and closing characteristic curve

跟蹤發(fā)現(xiàn),該樣機從2018年投入運行至今,分合閘機械性能與沒有進行地震模擬試驗的產(chǎn)品無明顯差異。

5 結(jié)論

1)三相機械聯(lián)動的結(jié)構(gòu)型式不會限制A/B/C三相沿水平X、Y方向擺動,但會使A/C相圍繞B相軸線旋轉(zhuǎn),B相無明顯旋轉(zhuǎn),從而使3個底座處的應(yīng)力分布產(chǎn)生一定差異,應(yīng)力大小與分布在設(shè)備頂部接線端子結(jié)構(gòu)型式及重量改變時變化較為明顯,數(shù)據(jù)采樣需考慮該因素的影響,合理設(shè)置采樣點。

2)底座與絕緣子下法蘭是接地開關(guān)地震時應(yīng)力最大的部位,在X方向目標(biāo)加速度峰值為0.4g時,底座組合應(yīng)力達到最大為69.6 MPa,安全系數(shù)為3.38;在Y方向目標(biāo)加速度峰值為0.5g時,絕緣子下法蘭組合應(yīng)力達到最大為41.62 MPa,安全系數(shù)為6.97;結(jié)構(gòu)的應(yīng)變響應(yīng)與輸入加速度峰值呈現(xiàn)非線性變化的特征,且不同方向具有明顯差異。絕緣子根部是易損部位,在目標(biāo)加速度峰值為0.5g工況下,根部的最大組合應(yīng)力為18.28 MPa,低于材料的破壞應(yīng)力,安全系數(shù)為3.83。

3)振動臺試驗后依據(jù)高壓開關(guān)設(shè)備行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對設(shè)備進行M0級機械壽命試驗,電機電流需處于型式試驗報告區(qū)間內(nèi);機械壽命試驗后進行85%額定電壓的極端條件下分合閘操作,其特性曲線平滑無抖動,反映設(shè)備分合閘特性平穩(wěn);滿足以上條件時則認(rèn)為地震模擬振動臺試驗對設(shè)備機械特性與壽命影響可忽略,可以繼續(xù)用于電站。該試驗方案為評估振動臺試驗對結(jié)構(gòu)機械性能及壽命影響提拱了一個參考。