气体绝缘金属封闭开关设备抗震性能有限元分析_张志明.pdf

，（）上海电气技术收稿时间：作者简介：张志明（），男，硕士，工程师，主要从事高压开关研究工作气体绝缘金属封闭开关设备抗震性能有限元分析张志明上海西门子高压开关有限公司上海 摘要：抗震性能是高压开关设备、控制设备的重要性能。以云南某 变电站气体绝缘金属封闭开关设备为研究对象，对其抗震性能进行有限元分析。应用 软件建立气体绝缘金属封闭开关设备三维实体模型，将 软件作为仿真平台，以振型分解反应谱法为理论基础，基于有限元方法计算气体绝缘金属封闭开关设备在 标准 抗震设计水平下的结构动力响应，提供安全设计指导，并为后续结构优化设计提供参考。关键词：气体绝缘金属封闭开关设备；抗震；性能；分析中图分类号：文献标志码：文章编号：（）：，：；分析背景气体绝缘金属封闭开关设备自开发以来，已经历了几十年的历史。气体绝缘金属封闭开关设备将断路器、隔离开关、接地开关母线、互感器、避雷器、套管、电缆终端、油气套管等主要元件装入密封的金属容器中，内充绝缘气体，具有体积小、占地面积小、不受外界环境影响、运行安全可靠、维护简单、检修周期长等优点，已被广泛应用于各类变电站。气体绝缘金属封闭开关设备是实现智能化的关键设备之一，在设计寿命期限内，不同的应用环境对气体绝缘金属封闭开关设备有相应的抗震要求。比如，、是针对不同的使用领域提出的规范，阐述了不同的抗震设计要求，用于指导高压绝缘设备的抗震设计。在 中，明确提出高压开关设备和控制设备应采用分析、试验或者两者的组合验证抗震性能的原则。我国是地震多发国家，地震带分布较广。云南是我国地震较为频发的地区之一，不仅地震烈度高，而且海拔也较高。笔者以云南某 变电站室内气体绝缘金属封闭开关设备为研究对象，在相应的 、阻尼抗震设计水平下，研究分析绝缘设备中形绝缘段的可靠性。为了更准确地分析与验证所设计的 形绝缘段抗震性能的可靠性，在受自重的条件下对该气体绝缘金属封闭开关设备施加 内部压力，利用有限元分析软件，对设计应用于云南高海拔地区项目的 形绝缘段进行响上海电气技术 ，（）应谱分析，验证产品设计的可靠性，发现产品在地震中产生较大位移的零部件，根据变形数据，指导做出相应调整，同时在相应的抗震设计水平下提供安全设计参考。有限元模型云南某 变电站室内气体绝缘金属封闭开关设备形绝缘段主要由绝缘件、长导体、形导体、销形导体、鼓形导体等组成。形绝缘段几何简化模型如图所示。图形绝缘段几何简化模型有限元法是通过建立用于计算的离散元模型实现分析的。首先应用 三维设计软件建立用于分析的三维实体几何模型，将三维实体几何模型导入 有限元软件，并对三维实体几何模型进行简化处理，建立相应的实体网格模型。网格的结构和网格的疏密程度会直接影响计算结果的精度，笔者采用有限元软件中的 和 网格划分方法进行合理有效的网格划分。形绝缘段有限元网格模型如图所示。图形绝缘段有限元网格模型对简化后的零部件添加相应的材料属性，用于有限元模型的主要零件的材料属性见表。边界条件为在两侧的圆柱外表面施加固定约束。表主要零件材料属性零件材料弹性模量 泊松比密度（）屈服强度 抗拉强度 绝缘件环氧树脂 长导体 （）形导体 销形导体 （）鼓形导体 （）抗震计算理论模态分析是计算结构振动特性的数值技术，是最基本的动力学分析，也是响应谱分析、谐响应分析、随机振动分析等动力学分析的基础。无阻尼模态分析需要求解动力学平衡方程的特征值，其平衡微分方程为：（）式中：为质量矩阵；为刚度矩阵；为响应位移矩阵；为响应加速度矩阵。结构的自由振动为简谐振动，即响应位移是关于时间的正弦函数，有：（）（）式中：为响应位移幅值；为固有角频率。将式（）代入式（），得：（）系统的固有频率可以通过固有角频率得到。特征值对应的特征向量为固有频率对应的振型。模态分析实质上就是进行特征值和特征向量的求解，也被称为模态提取。固有频率和振型经过有限元分析软件模态分析，形绝缘段前十阶固有频率见表，前三阶固有振型如图所示。根据模态计算结果，可知形绝缘段的前六阶固有频率低于地震载荷谱 ，处于地震的卓越频率范围之内，并且设备的阻尼较小，所以需要进行响应谱分析，以验证抗震能力。根据 的 地震频谱图，地震载荷在三阶固有频率之后开始下降，因此前三阶固有振型参数对地震响应贡献最大。结构响应谱分析响应谱分析是一种频域分析，通过振型的组合 ，（）上海电气技术表形绝缘段前十阶固有频率 阶次频率一 二 三 四 五 六 七 八 九 十 图形绝缘段前三阶固有振型求解出系统响应，主要的振型叠加组合方法有各阶模态响应绝对值相加法、二次方和求根号法、完全二次振型组合法等，由于计算的整个结构自振频率接近，考虑到振动耦联，笔者采用的方法为完全二次振型组合法。地震波频谱特性复杂，合理选择输入地震波是保证抗震结果分析准确性的前提。笔者根据 ，确定其中的标准反应谱为此次笔者用于计算的输入载荷。在 、阻尼抗震设计水平下，加速度输入条件见表，输入地震载荷频谱如图所示。根据 ，加速度幅值应圆整至整数，即。对于垂直方向抗震水平，方向因数为水平方向表加速度输入条件项目数值阻尼比水平方向地面加速度（）水平方向地面加速度（）垂直方向地面加速度（）图输入地震载荷频谱的。形绝缘段的长导体在静载，即自重内压工况，以及方向地震响应频谱工况下的最大响应位移见表。表长导体最大响应位移方向静载工况方向地震响应频谱工况水平方向.水平方向.垂直方向 方向地震响应频谱工况下各零件的安全因数见表。表方向地震响应频谱工况零件安全因数部件最大等效应力 许用应力 安全因数绝缘件 长导体 形导体 销形导体 鼓形导体 上海电气技术 ，（）形绝缘段的长导体在方向地震响应频谱工况下的最大响应位移见表。表方向地震响应频谱工况长导体最大响应位移方向最大响应位移水平方向.水平方向.垂直方向 方向地震响应频谱工况下各零件的安全因数见表。表方向地震响应频谱工况零件安全因数零件最大等效应力 许用应力 安全因数绝缘件 长导体 形导体 销形导体 鼓形导体 通过对形绝缘段进行响应谱分析，证明鼓形导体承受了最大应力，长导体的最大位移主要集中在中间部位。结束语根据 中 、阻尼地震载荷谱，基于模态和响应频谱法进行气体绝缘金属封闭开关设备抗震有限元分析。形绝缘段在相应的地震频谱响应设计载荷作用下，许用应力安全因数均大于，满足规定的 中 、阻尼地震载荷谱设计要求。所设计的形绝缘段适用于云南高海拔某 变电站。根据变形情况可知，形绝缘段在和方向的变形较大，应适当提高这两个方向的刚度。参 考 文 献高压开关设备和控制设备的抗震要求：电工电子产品环境试验 第部分：试验导则 地震试验方法：结构动力学理论及其在地震工程中的应用 版谢礼立，吕大刚，译北京：高等教育出版社，周玉兰，王俊永，舒治淮，等 年全国电网继电保护与安全自动装置运行情况 电网技术，（）：刘伟，刘传会，刘秀君 应用于高海拔环境下的 套管抗震性能分析 电工电气，（）：曹永兴，邓鹤鸣，蔡炜，等 电力设施应对地震及其次生灾害的研究进展 高电压技术，（）：王小龙 核电 级 型 开关柜的抗震鉴定研究 电工电气，（）：，王新敏 工程结构数值分析 北京：人民交通出版社，王思润，于庆瑞，杨书吉，等 核电高压开关柜抗震性能分析高压电器，（）：孙宇晗，程永锋，卢智成，等特高压 瓷质套管与复合套管抗震性能试验研究 高电压技术，（）：（编辑：岚）中国期刊方阵“双百”期刊华东地区优秀期刊机械制造 月刊邮发代号 欢迎订阅欢迎来稿欢迎刊登广告