1000kV特高压交流电气设备抗震研究进展与展望

为提高特高压交流电气设备的地震安全性,对电气设备的抗震研究进行了归纳、分析及展望。结果表明:应以50 a超越概率2%的地震作为设防标准;明确了包络I0-III类场地特征周期的抗震设计标准反应谱,该谱由4部分组成,包括0~0.03 s区间的刚性段、0.03~0.1 s的直线上升段、0.1~0.9 s的共振平台段、0.9~6.0 s的曲线下降段;明确了抗震试验技术,包括包络特高压抗震标准反应谱的试验波、地震动激励输入方向、输入输出的容差控制、支架动力放大效应、基于安全系数的试验结果判定准则;提出了抗震性能计算分析方法,包括数值模型的建立、抗震计算、荷载组合方式及抗震性能评判;开发了阻尼减震技术,通过在设备及设备支架之间布置耗能阻尼器,达到了良好的减震效果。未来需要进一步研究的内容为:特高压主变设备抗震研究、互连设备抗震优化设计、复合设备抗震性能及抗震评估方法、特高压变电站整体抗震性能等。

加装金属减震装置的1000kV避雷器振动台试验研究

为研究用于电气设备金属减震器的力学性能和减震效果,进行了单个减震装置的拉压循环加载试验和加装减震装置的1 000 kV避雷器振动台试验。试验结果显示金属减震装置的本构关系符合Wen模型,表现出良好的耗能特性。在地震台试验中,减震装置的应用使设备基频从1.61 Hz降低至1.22 Hz,阻尼比由1.73%增大至4%,改善了设备的动力特性。在0.4×9.8 m/s2等级地震荷载下设备应力为22.6 MPa,安全系数为2.0,减震装置对应力的减震率达60%,显著提高了设备的地震安全性。金属减震装置通过金属芯体的塑性变形耗散地震动能量,减小地震响应从而提高了设备的抗震性能,为1 000 kV电气设备应用于我国高抗震设防烈度区提供了技术支撑。

硬管母线连接的1000kV避雷器和电容电压式互感器抗震性能振动台试验

为研究地震作用下硬管母线连接特高压电气设备之间的动力相互作用,进行了由硬管母线连接的1 000 k V避雷器和电容电压式互感器（CVT）组成的互连耦合结构体系的振动台试验。通过白噪声扫频和抗震试验,测定了设备频率以及关键部位的位移、应变和加速度响应。对比分析等效单体设备与互连耦合结构的地震响应,获得了硬管母线对电气设备地震响应的影响规律。结果表明：与等效单体设备相比,互连耦合结构的设备频率、位移和应变响应均有所降低,可采用在单体设备顶端施加配重的方式来等效简化互连耦合结构;由于硬管母线和滑动金具阻尼耗能的影响,高频互感器设备的地震响应降幅较大,其频率和应变响应的降幅均为21%。互连耦合结构在双向激励下的设备地震响应与单向激励时相比有所放大,放大倍数在1.19~1.22之间。

输电线路钢管塔的推广与应用

随着输电线路输送容量及电压等级不断提高,杆塔荷载和塔重不断增加。与角钢塔相比,在大荷载输电杆塔中合理应用钢管塔具有相对技术经济优势。介绍了钢管塔应用的主要原则和技术经济性,研究了节点构造、高强钢管、带颈锻造法兰、高强螺栓等钢管塔设计和加工方面的关键技术问题及其在试点工程的应用情况。另外还介绍了钢管塔的通用设计、材料供应以及规程编制等情况。

特高压电气设备抗震试验共振拍波适用性及合理地震动输入研究

为研究地震动输入共振拍波的频率与特高压电气设备频率不一致时对设备抗震性能评估结果产生的影响,通过理论分析与数值仿真,分析了共振拍波在特高压电气设备抗震试验中的局限性和不足之处。研究结果表明,特高压电气设备在地震作用下具有较强的非线性特征,试验过程中设备基频变化比较明显,选用共振拍波已不能达到与设备共振的目的。结合特高压电气设备的特点,提出了适用于特高压电气设备抗震试验的地震加速度反应谱,该反应谱的地震动力放大系数为2.5、特征周期为0.9 s,具有广泛的场地包络性,研究成果为特高压电气设备的抗震试验提供了依据。

特高压变电站电抗器隔震试验

为研究特高压电抗器动力模型试验及隔震技术的适用性,基于动力模型相似理论研究特高压电抗器的合理相似模型设计,利用数值仿真分析确定了易于振动台试验且忽略重力影响的相似模型设计方案,仿真结果显示该方案与严格相似模型套管地震响应误差较小,能够基本反映原型设备在地震波作用下套管的地震响应。对相似模型进行隔震设计,通过隔震理论、数值仿真对设计方案进行分析,最后对相似模型进行抗震和隔震振动台试验。数值仿真和试验结果表明:相似模型设计时重力对电抗器套管地震响应影响较小,从而可忽略重力影响;对于抗震结构,两者较为相符,数值仿真模型基本能够反映电抗器套管在地震波作用下的地震响应;隔震技术减小了电抗器套管的最大应变响应,在地震等级较高时减小幅度达50%以上,隔震效率显著。振动台试验结果表明,隔震技术对于电抗器的箱体底部加速度衰减幅度相对较小,但是套管相对于箱体是易损部件,从而在对特高压电抗器应用隔震技术时,宜重点关注电抗器设备套管的最大应变衰减。

特高压电抗器-套管体系抗震性能及本体动力放大作用计算方法研究

电抗器是重要的变电站设备,在地震中会遭受各种形式的破坏,其中瓷质套管的损坏尤为常见。该文通过特高压电抗器-瓷质套管体系缩比模型振动台试验,研究了其在不同地震波输入时套管的地震响应,分别得到了不同工况下套管的加速度响应、位移响应和应变响应,分析了套管加速度峰值放大系数、位移峰值和应变峰值,评价了其抗震性能。建立了与试验相一致的数值仿真分析模型,通过频率、套管根部应力和套管顶端相对位移的比较,验证了数值分析模型的有效性,同时分析了特高压原型电抗器的抗震性能。之后对特高压电抗器-套管体系本体地震动力放大作用展开研究,提出以应力峰值为参量的本体对套管地震动力放大作用的放大系数计算方法。

特高压TYD1000型电容式电压互感器抗震试验研究

为了准确评估特高压电气设备的抗震能力,依据特高压电气设备的试验方法,利用地震模拟振动台对特高压TYD1000型电容式电压互感器进行了试验研究。试验过程中测量了设备多个关键部位的地震响应,包括加速度、应力(或应变),并比较分析了试验前后设备结构动力特性的变化,包括基频和阻尼的变化。结果表明:在地震波激励作用下,特高压互感器中瓷套与金属法兰之间连接的水泥胶装部位出现塑性变形或损伤,导致该设备动力特性在试验前后有较为明显的变化,设备地震响应呈现非线性变化关系。因此,对该类型设备进行抗震能力评估时,非线性特征作为1项重要因素需要考虑。

阻尼间隔棒及双摆防舞器对特高压架空输电导线覆冰舞动特性的影响

为了能够准确分析和评价阻尼间隔棒与双摆防舞器对大截面、多分裂特高压输电导线覆冰舞动的影响,首先依据防舞器分布特性,将二者的质量和转动惯量沿导线分布情况定义为狄拉克函数形式,再通过曲梁建模方法得到描述覆冰导线运动的常微分方程,并以6?1 250 mm2导线为例进行了非线性振动特性分析。结果表明,二者的优化参数及安装、布置方案会对特高压输电导线的分布质量、阻尼特性等结构参数产生影响,进而改变其覆冰舞动特性;对二者进行合理优化设计和配置,不仅可以提高特高压导线系统的临界失稳风速,增强其抗风能力,亦可在实际风速略大于临界失稳风速时获得良好的抑舞特性。为特高压输电线路及其金具的设计工作提供了有效的理论参考依据。

变电站电力设施抗震措施研究现状与发展趋势

综述了国内外典型变电站电力设施在地震灾害中的破坏情况,总结了其破坏的类型和原因,分析了目前国内外采用的两种抗震措施:第一种是传统的加强建(构)筑物和其他电力设施自身的强度、刚度,来抵抗地震作用,且这种抗震措施在过去抗地震灾害中发挥了巨大作用,但是这种抗震措施在遭遇到设定范围的"强烈地震"作用时,尽管建(构)筑物可以保证不倒,却难以保证建(构)筑物内部重要电力设施的完好,并且此时建(构)筑物已经丧失了基本功能;第二种为目前逐渐受到重视的一种抗震措施,即采用隔震减震措施,通过隔震装置或其他附属装置在地震作用下率先进入消能或耗能状态,消耗掉大量的地震能量,只有少量的地震能量输入到建(构)筑物及其内部重要电力设施上,从而避免电力设施的破坏,使其在强烈地震作用下依然可以正常运行。隔震减震技术在民用建筑上已经成熟,但电力设施采用隔震减震措施还需要攻克许多难关,因此开展变电站电力设施的隔震减震应用研究具有重要意义。

硬管母联接的500kV避雷器和互感器耦联体系地震模拟振动台试验研究

国内外历次大震的震害经验表明,相互联接的电气设备具有较强的地震耦合效应,地震易损性明显。为研究互联设备的地震耦合机理,提高互联电气设备的抗震设计水平,以硬管母联接的500 kV避雷器和互感器为研究对象,采用地震模拟振动台试验手段,研究了地震动输入峰值加速度、硬管母与设备间的联接方式、滑动金具滑动槽长度等因素对回路中设备地震反应规律的影响。研究结果表明,硬管母联接使设备产生了明显的动力耦合效应,电气设备通过硬管母联接后,在管母联接方向高频设备的频率降低,低频设备的频率增高。地震动输入峰值加速度越大,滑动金具滑动槽长度越小,设备间的耦合效应越明显。在进行硬管母联接设备的抗震设计时,宜根据单体设备在地震作用下的位移估算结果设计滑动金具滑动槽长度,提出了减小设备地震耦合效应的金具滑动槽长度计算公式。

地震条件下倾斜挡土墙被动土压力研究

挡土墙的抗震设计是减小地震灾害的一项重要措施。在Mononobe-Okabe平面滑裂面假设的基础上,将随机出现的地震力按最不利工况下的静力考虑,利用水平层分析法得到了地震加速度沿墙高均匀分布时不同挡土墙倾角、填土摩擦角、墙背摩擦角下的地震被动土压力系数、被动土压力强度、被动土压力合力和被动土压力合力作用点的理论公式。分析了地震加速度系数、挡土墙倾角、填土内摩擦角对被动土压力系数和土压力分布的影响,结果表明,地震被动土压力合力与Mononobe-Okabe理论相同,地震土压力强度为非线性分布。在最不利工况下,地震力的出现大大减小了被动土压力,减小的程度随地震加速度的增加而增加。

考虑椭圆化地层变形影响的浅埋隧道弹性解

研究了浅埋隧道周围地层最终变形的计算问题,提出了考虑椭圆化变形影响的计算模型和浅埋隧道位移边界条件,并利用Airy应力函数得到了该问题弹性解析解。在此基础上,通过算例分析了椭圆化变形对竖向位移和水平位移的影响。结果表明,椭圆化变形对水平位移的影响远大于竖向位移。

输电线路装配式基础应用研究

装配式基础作为输电线路全过程机械化施工体系中的一种杆塔基础型式,其结构单件重量轻、现场组装方便,已在线路工程的沙漠及冻土地区得到应用,但有其局限性,尚未开展过装配式基础全面调研分析。通过国内外资料调研、电力行业应用分析、灾后快速抢修中的应用及真型试验等研究,全面梳理装配式基础在输电线路应用中存在的技术问题,并提出优化分析建议,为其广泛的推广应用提供技术参考。

戈壁滩输电线路碎石土地基全掏挖基础试验研究

针对西北地区戈壁滩输电线路碎石土地基,在国内大规模开展了全掏挖基础的现场真型试验,对其可行的施工工艺进行了探讨,着重对其极限承载力和基础的变形性状进行了研究分析,提出了经验计算公式,给出了相关计算参数的取值,并对其经济环保效益进行了比较。试验结果表明,戈壁滩地区碎石土地基全掏挖基础的极限抗拔承载力由基础自重、计算剪切面内土体自重和计算剪切面上剪阻力的垂直分量三部分构成,研究成果为全掏挖基础在戈壁滩输电线路碎石土地基中的设计提供了参考,可在西北地区750 kV同塔双回紧凑型输电线路杆塔基础中推广应用。

支柱绝缘子互连体系地震易损性分析

为了评估支柱绝缘子互连体系的抗震可靠性,需要考虑地震动输入波形和输入方向的随机性。通过讨论有限元建模与分析方法,运用概率地震易损性分析理论,得到了典型的支柱绝缘子互连体系在不同强度和不同输入方向的地震下损伤的概率。结果表明:该支柱绝缘子互连体系在八度大震下失效的概率为16.2%,对应输入方向为横向。以失效概率为评价指标的易损性分析方法 ,统一了电气设备抗震性能评价指标,为变电站的整体抗震可靠度评价打下了基础。

输电线路岩石嵌固式基础抗拔试验研究

针对输电线路工程新型环保基础–岩石嵌固式基础,进行现场真型试验,得到基础的上拔荷载–位移曲线与水平荷载–位移曲线,分析基础的承载特性与破坏机制,给出岩石等代极限抗剪强度的取值,采用极限平衡理论验算基础的稳定性,探讨地脚螺栓的荷载传递特性,并对其经济效益进行比较分析。研究结果表明,岩石嵌固式基础可应用于风化性较强的山区岩石地基,具有较好的经济性和环保性。

特高压支柱类瓷质电气设备支架动力放大系数研究

在对特高压支柱类瓷质电气设备进行抗震性能评估时,其支架动力放大系数取值的准确性与合理性直接关系到设备抗震性能评估结果的准确性。为了得到支架动力放大系数更合理的取值,对比了不同规范对支架动力放大系数的取值规定,并通过数值分析,针对特高压瓷质支柱类电气设备,分析了不同参数在一定范围内变动时对支架动力放大系数的影响规律。结果表明：支架动力放大系数与诸多因素有关,结合分析结果并考虑安全和经济双重因素,建议支架动力放大系数取值不宜小于1.4;在对支架进行设计时,支架频率应尽量避开支架动力放大系数的峰值点,支架频率宜控制在15~20 Hz范围内,且不宜小于15 Hz,此时支架动力放大系数取值基本趋于稳定,既避开了曲线的峰值点,支架动力放大系数较小,又满足了设备的抗震需求,也不会因支架设计的刚度过大而造成原材料的浪费。

输电塔基础斜桩非线性p-y曲线

为了解黏性土中斜桩对侧向荷载作用的响应规律,利用非线性p-y(土抗力-挠度)曲线法研究了斜桩特性.基于试验得到的斜桩土抗力分布曲线,将斜桩理想化为梁单元,土体离散为弹塑性弹簧单元,通过自编计算机程序对斜桩非线性p-y曲线进行了计算和分析.结果表明:计算得到的p-y曲线与试验结果吻合较好,轴向荷载引起的负斜桩沉降小于正斜桩;在相同侧向荷载作用下,负斜桩桩身挠度和内力均小于正斜桩;负斜桩具有侧向承载力大而变形小的工程特性,工程设计应尽量采用负斜桩布置形式.

特高压直流输电线路岩石锚杆群锚基础试验

针对山区特高压直流输电线路荷载大、杆塔基础全方位铁塔长短腿和高低主柱基础配合方案的工程实际需求,提出了一种新型的山区特高压直流输电线路承台嵌岩式岩石锚杆群锚基础型式,并在现场完成了不同锚杆埋深和承台嵌岩深度的3个2×2承台式群锚基础的抗拔试验、3个3×3承台式(8根锚杆布置)群锚基础的上拔与水平力组合荷载工况试验。试验结果表明:水平力明显降低了承台嵌岩式岩石锚杆群锚基础的抗拔承载性能,适当增加锚杆长度及承台嵌岩深度可有效提高承台嵌岩式岩石锚杆群锚基础的抗拔承载性能。