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摘要：高压电气设备作为生命线工程中重要的关键部件，在国内外多次地震灾害中均发生了严重的破坏，直接或间接给生命和财产带来了巨大损失。目前，中国电气设备随着更高电压等级的工程兴建，设备逐渐呈较高、较柔、较重、更易遭受破坏趋势，对经济社会的发展影响更大。电气设备发生破坏的原因有很多，其中一个重要原因是抗震能力不足所致。本文分析了高压电气设备的减震设计方法。
关键词：高压电气设备的减震设计方法研究
减震技术措施恰是满足电气设备不断提高抗震设计要求的一种良好的技术方法，因为它既安全，又适用，还是一种经济的新抗震新体系。采用减震措施的电气设备，由于其具有特殊性，不能完全按照建筑物减震结构进行设计。这是因为针对大多数建筑物而言，建筑物属于延性结构体系，而大多数电气设备由瓷质等脆性材料组成的结构体系，因为延性结构在大震作用下可以通过弹塑性变形设计满足性能要求，而脆性结构是没有弹塑性变形能力的。
一、减震结构的构造要求
1.根据减震装置的规格尺寸和性能参数以及主体结构设置部位的具体情况，设计减震装置的形式和尺寸。
2.减震装置与结构节点连接，应符合构件连接的构造要求，并能承担减震装置施加给连接节点的最大作用力。
3.与减震部件相连的结构构件，应计入减震装置传递的附加内力，并将其传递到基础。减震装置及其连接构件应具有良好的耐久性能和较好的易维护性。
4.减震装置与主体结构的连接一般通过预埋件或连接件来实现，减震装置与主体结构的连接应考虑到施工制作的方便和易于更换，一般采用螺栓连接，或采用销栓连接。
二、高压电气设备的减震设计方法
1.电气设备结构的减震初步设计。一是设防目标。采用减震技术措施后，抗震设防目标变为“中小震不坏，大震依然保证瓷质设备不断裂”，不同于传统抗震设防目标 “中小震不坏，大震可修”。这将有助于防御地震灾害以及灾后恢复重建等工作，经济效益和社会效益明显。二是减震装置选择。对体型细高的电气设备抗震兼顾抗风设计有很高要求，可以选择粘弹性、粘滞性减震装置；结构增加阻尼的同时也需要增加刚度，可以选择金属减震装置、摩擦型减震装置；场地所处环境的温度变化较大，可以选择金属减震装置和摩擦耗能装置。此外需要考虑减震装置受环境影响程度、施工方便、造价低廉等方面。在初步确定电气设备结构阻尼比以及减震装置附加给结构的阻尼比，并选定合适的耗能器后，可采用能量法估计结构中需要合理设置减震装置的数量、布置方式等。三是减震方案设计电气设备根据自身结构特点，大致可以分为3种：第 1 种为体形大、重心低且整体性好的设备，如GIS设备；第2种体形高大、重量大且重心较低的设备，如变压器、电抗器等；第3种为体形细高、重心高且较重的设备，如敞开式避雷器、电压互感器等。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆其中第1种如 GIS 设备是一种抗震性能十分好的设备，在国内外地震中很少出现破坏，因此一般不做减震方案设计，其他两种设备根据其结构特点设计不同的减震方案：第 2 种设备减震方案，这种结构重量较大，重心较低，如变压器等设备，可以采用在基础与设备本体之间设置隔震装置的减震措施；第3种设备减震方案，这种结构重心较高，地震作用下弯矩大的设备，如避雷器、隔离开关等设备，采用设置阻尼器（包括金属滞回、磨擦型等减震阻尼器）的减震措施为主。而针对组合式电气设备，既可采用设置隔震装置的减震措施，也可考虑设置阻尼器的减震措施。
2.电气设备结构的减震计算分析。电气设备结构的减震计算分析不同于建筑物“多遇下验算承载力、罕遇下验算变形”的两个阶段设计。电气设备减震结构由于其特殊性，整体结构可以分成 3 个阶段进行减震设计：第 1 阶段应确保电气设备在正常工作状态下的稳定运行，因此需要确保多遇地震作用下或正常运行的风荷载作用下减震装置和设备本体均应处于弹性状态下，因此需要进行减震装置的弹性变形验算以及设备本体的抗震承载力验算；第 2 阶段在设防烈度地震作用下，电气设备结构处于弹性阶段的抗震承载力验算以及减震效率计算分析；第 3 阶段在罕遇地震作用下，瓷质电气设备不发生断裂，因此依然需要进行抗震承载力验算。
（1）多遇地震作用下的变形验算和抗震承载力验算。在这个阶段，主要是使加装减震装置的设备本体具有足够的刚度和强度，避免由于减震装置的刚度较低导致设备变柔影响设备发挥功能，从而确保设备在正常工作状态下的稳定运行。因此，设计的减震装置应该具有足够大的初始刚度，足以抵抗这个阶段地震作用或风荷载，给定减震装置的初始刚度，通过计算减震装置的变形和内力确保处于弹性阶段即可。
（2）设防烈度地震作用下的抗震强度验算和减震效率验算。在设防烈度地震下，减震装置发挥变形耗能作用，而电气设备本体对电气设备的地震作用计算时，减震装置附加给结构的阻尼，可按式（1）估算。 ，式中：ξ为减震结构的附加阻尼比；Wh为减震装置在结构预期位移下往复一周所消耗的能量；Wj为设置减震装置的结构在预期位移下的总应变能量。求出结构的等效阻尼和等效刚度后，并通过静力法或动力分析法等抗震分析方法求出结构的地震作用，获得电气设备结构的内力。
（3）罕遇地震作用下抗震强度验算。根据抗震设防目标，电气设备在罕遇地震作用下依然保持脆性结构不断裂，抗震强度应不低于 1.3 倍安全系数规定。
三、实例分析
1.对于某种型号电气设备，根据减震器附加阻尼比为15%-25%，选定减震器参数，采用共振拍波进行地震激励，对体系在多遇地震作用下和罕遇地震作用下进行动力响应分析。一是减震目标：减震结构有足够的抗侧刚度，确保设备在正常运行状态下的稳定性；8 度基本设防地震作用下，减震效率为30%以上。二是激振方向：单向水平激振。减震装置选型和分析模型确定：依据避雷器设备结构特点及需要较大刚度确保正常运行，选择刚度较大的金属滞回减震器；根据式中进行估算出附加阻尼比；减震装置初始刚度为 60~80kN/mm，屈服后刚度为 3~4kN/mm，最大位移为5 mm。
2.针对避雷器原结构和减震结构进行动力特性测试，选取正弦共振拍结构设计可以看出：避雷器原结构和减震结构试验前后动力特性对比，基本频率在 2.90~3.03Hz范围内，考虑到测试数据的误差等因素，基本认为有无减震装置对避雷器结构的频率改变不大。由此可见，加装金属阻尼类型减震装置，不仅确保设备有足够的刚度来保证正常运行下的稳定性，而且增强了设备结构动力响应的衰减能力。在共振拍波激励地震作用下，8 度基本设防烈度和 8 度罕遇地震下，避雷器原结构设备动力时程分析下，设备应力试验结果与计算结果吻合程度为 85%~90%，吻合程度高。而避雷器减震结构设备应力的试验结果与计算结果吻合程度为 60%~70%，考虑到实际减震装置的金属密封性等不确定因素，认为计算结果接近试验结果，与试验结果相比较，试验结果偏于安全，这对实际工程是有利。
从原理分析以及实例计算分析可知，电气设备减震体系的抗震设计方法是完全可行的，这种方法应用于电气设备减震结构中，可满足不同烈度区不同的抗震要求。
参考文献：
[1] 李根．变电站主要电气设备减震新技术应用研究报告[M]．北京：中国电力科学研究院，2015．
[2]周云．金属耗减震结构设计[M]．武汉：武汉理工大学出版社，2016．
[3]卢泽兵．电气设备减震体系抗震设计方法的研究[J]．武汉大学学报：工学版，2014，43（S1）：187-190．
论文作者:黄资江,雷平
论文发表刊物:《基层建设》2016年9期
论文发表时间:2016/7/27
标签：结构论文; 装置论文; 电气设备论文; 设备论文; 刚度论文; 阻尼论文; 避雷器论文; 《基层建设》2016年9期论文;