支柱絕緣子互連體系地震易損性分析(電力)

                 李圣¹，程永鋒¹，盧智成¹，朱祝兵¹，邱寧¹，陳國強²

  (1．中國電力科學研究院，北京  102401；2．國家電網公司交流建設部，北京  100031)

摘要：為了評估支柱絕緣子互連體系的抗震可靠性，需要考慮地震動輸入波形和輸入方向的隨機性。通過討論有限元建模與分析方法．運用概率地震易損性分析理論，得到了典型的支柱絕緣子互連體系在不同強度和不同輸入方向的地震下損傷的概率。結果表明：該支柱絕緣子互連體系在八度大震下失效的概率為16.2%．對應輸入方向為橫向．以失效概率為評價指標的易損性分析方法，統一了電氣設備抗震性能評價指標，為變電站的整體抗震可靠度評價打下了基礎。

關鍵詞：變電站：絕緣子：抗震：易損性：失效概率

中圖分類號：TM216；TU352.1  DOI: 10.11930/j．issn.1004-9649.2016.04.061.06

0引言

    電氣設備的抗震性能研究是變電站抗震研究的重要內容，已經引起國內外學者的關注，

研究了變電站電氣設備的抗震措施，通過地震俞試驗研究了設備的抗震性能?？拐鹪O計規范巾關于電氣設備抗震設計方法和標準的內容也在不斷完善之中。

    基于性能的地震工程( PBEE)理論以可靠度為指標進行抗震性能評價．在結構工程領域得到了顯著的發展和運用．美國太平洋地震工程研究中心( PEER)于20世紀90年代提出的概率地震易損性理論( probabilistic  seismic  fragility  analysis，PSFA) ，考慮到地震的隨機特性，對結構地震響應進行統計分析得出易損性結果，是一種基于概率的抗震性能分析方法，是基于性能的地震工程理論的重要內容。根據該理論，對橋梁進行了易損性分析，對房屋結構的地震危險性進行了研究，進行了不同抗震性能加強措施的比選，開展了隔震支座抗震性能評價。

    將基于性能的地震工程理論運用于變電站電氣設備抗震分析，考慮地震輸入波形和輸入方向的隨機性．能夠更清楚地了解變電站的抗震可靠性，發現抗震性能的薄弱環節，為抗震性能的提升提供指引。本文針對高電壓等級變電站中的一類典型電氣設備單元，即支柱絕緣子一管母互連體系．采用概率地震易損性分析方法研究體系的抗震性能。

1  支柱絕緣子互連體系的抗震分析方法

1.1  支柱絕緣子互連體系

    歷次變電站地震危害中．電氣設備的地震危害往往較為嚴重．圖1是汶川地震中電氣設備的震損。支柱絕緣子是變電站中常見的電氣設備，由數節絕緣子通過金屬法蘭縱向相連，形成承載主體，如圖2所示。支柱絕緣子用于支撐帶電導體并提供絕緣距離．單根支柱絕緣子支撐管母的跨度有限，常需要多根進行排列，另外根據回路的布置要求，支柱絕緣子的排列方向并不單一常形成了雙向互連體系．如圖3所示。

    支柱絕緣子支撐的帶電導體有硬質管母線和軟導線2種。其中管母線一般為空心鋁管．有較大的剛度．通過固定金具或滑動金具與支柱絕緣子頂端連接．對互連體系的動力性能有顯著影響。而軟導線的剛度較小，在合理設計導線冗余度的情況下，對互連體系動力特性的影響相對較小。本文研究的支柱絕緣子互連體系為管母連接的情況。

1.2  抗震分析建模方法

    (1)分析模型。支柱絕緣子一管母互連體系的有限元模型中主要包括支柱絕緣子、支架、管母和金具。由于設備互連體系中涉及的桿件和節點眾多，一般建立梁單元模型進行抗震分析．對有特別需要的細部再建立實體單元有限元模型。

    (2)絕緣子及其連接的模擬。支柱絕緣子根據組成設備的各節絕緣子的力學性能進行建模．按絕緣子實際剛度分段賦予梁單元屬性。絕緣子可以分為套管段以及套管與金屬法蘭的連接段。套管段的抗彎剛度取決于絕緣子截面和材料彈性模量。

    對于套管與金屬法蘭的連接段．其構造較為復雜，且不同廠家生產的絕緣子連接段的構造不同，其抗彎剛度一般通過彎曲試驗確定，在缺少試驗資料時，也可根據GB 50260-2013《電力設施抗震設計規范》中的經驗公式確定。

    (3)金具的模擬。金具可按相應的連接類型簡化為固接、鉸接或滑動連接。圖4為滑動型金具，管母可在滑動槽方向滑動，從而釋放溫度或基礎不均勻沉降產生的附加應力。假設滑動摩擦阻力可以忽略．在有限元模型中可釋放節點相應方向的自由度，如圖4所示。

    (4)支架和管母的模擬?；ミB體系中的設備支架和管母均為金屬材料，可按實際截面和質量分別賦予梁單元屬性。支架與絕緣子一般通過螺栓法蘭連接，支架頂部法蘭盤的螺栓分布圓半徑一般較大，且法蘭有加勁設計，因此可認為支架與絕緣子之間節點為剛性連接。

    (5)抗震評價參數。如圖1所示，支柱絕緣子互連體系的震害主要表現為絕緣子的震損．因

此絕緣子的彎矩內力（或應力）是抗震性能評價的重點。根據帶電設備在絕緣性能上的要求，絕緣子主要有2種類型．瓷質材料絕緣子和玻璃纖維復合材料絕緣子。對于瓷質材料絕緣子．以瓷套的許用應力作為評價標準：對復合材料絕緣子，由于破壞模式較為復雜，可能為套管與法蘭的連接破壞或是法蘭的破壞．抗震分析中可以根據廠家提供的絕緣子最大抗彎荷載作為評價標準。

2考慮輸入隨機性的地震易損性分析理論

    地震易損性是指在不同強度等級地震下．結構發生一定等級損傷的概率。概率地震易損性分析理論通過建立概率地震需求模型，結合結構損傷發生的承載能力限值．實現對結構的易損性評價。概率地震需求模型表達地震強度(IM)和結構響應( EDP)的條件相關性，體現結構的自身抗震性能。通過對結構輸入離散的地震動，得到IM-EDP樣本對．如圖5所示．再尋找地震烈度參數IM與工程需求參數EDP的回歸關系。

    EDP與IM之間一般服從指數回歸關系，即

地震動的隨機性．且以失效概率形式表達結構抗震性能指標。

3分析實例

3.1  結構參數

    圖6為一例典型的高壓變電站支柱絕緣子互連體系的有限元模型．由4個支柱絕緣子支撐管母線呈L形分布。每根支柱絕緣子由4節長為2.4 m的玻璃纖維復合材料絕緣子組成，各節之間通過法蘭連接，固定于5m高的格構式支架上。轉角位置的支柱絕緣子頂部為同定金具，其余絕緣子頂部為滑動金具。構件的截面特性如表1所示。參照相關試驗資料，絕緣子法蘭連接段的抗彎剛度為套管段抗彎剛度的1/3。模態分析顯示，模型X向一階振型的周期為1.5 s．Y向一階振型的周期為1.29 s。

    根據該絕緣子的技術資料．絕緣子極限抗彎承載能力為150 k N .m,根據IEC 61462規范，

對復合材料絕緣子．運行狀態下設備的許用承載力一般為40%極限承載力。因此，以M _{c r}=150 k N .m為絕緣子倒塌破壞對應的承載力限值，以40%Mcr作為損傷對應的承載力限值。

3.2輸入的離散地震動與時程分析結果

    為建立概率地震需求模型．需選擇多條離散地震動作為時程分析的輸入。

以矩震級和震中距作為離散條件，可以考慮到地震的普遍特性．以相對較小的樣本量達到回歸效果。本文以矩震級M _{c r}=6.5作為區分小震和大震的標準．以距斷層最短距離R=30 km作為區分近場和遠場地震的標準．從PEER強震數據庫選擇出36條地震動，如圖7所示。所選擇的地震動記錄中，大部分為Ⅱ類場地震記錄，其次為I類和Ⅲ類地震記錄．符合變電站工程選址的場地類型的總體情況。

    以結構周期對應的譜加速度值S。作為地震動強度參數IM的代表值，有利于提高需求模型中IM與EDP的相關性。本文選擇譜加速度S。為需求模型中的IM參數，列于表2中。將所選擇的地震動分別輸入到絕緣子互連體系中，分析設備的地震響應。根據絕緣子的震損特點，提取沒備底部最大彎矩響應M作為工程需求參數EDP的代表值，列于表2中。由此得到了建立概率地震需求模型所需的IM-EDP樣本對。

3.3  需求模型與易損性

    根據第3節所述理論，對IM和EDP參數取對數后進行線性回歸分析，如圖8（左圖）所示。得到概率地震需求模型為

    相關系數，：0.94，可見對該絕緣子互連體系譜加速度S，與最大彎矩響應M之間的相關性明顯．建立的需求模型準確可信。分別以0.4M_cr和M _{c r}作為絕緣子發生損傷和倒塌對應的承載能力限值，與需求模型式(5)一并代入式(3)中的易損性函數，得到絕緣子互連體系的易損性曲線如圖8（右圖）所示，分別表達了結構在不同強度地震下發生損傷或倒塌的超越概率。

3.4考慮輸入方向隨機性

    由于該絕緣子一管母互連體系在幾何上具有不對稱性，不同地震動輸入角度下結構的地震響應將有一定差異?，F將所選擇的離散地震動分別按0⁰、45⁰、90⁰和135⁰方向輸入到結構中進行日寸程分析，并求解結構的易損性曲線。圖9為不同角度輸入下，絕緣子互連體系發生損傷的易損性曲線。

    假設該絕緣子互連體系位于八度區，二類場地．根據GB 50260-2013《電力設施抗震設計規范》中對重要電氣設施提高一度設防的要求，提高一度設防。周期T₁=1.5 s對應的加速度反應譜值如下：小震Sa（T₁）=0.28 g，巾震S_a(T₁)=0.44 g，大震S_a（T₁）=0.57 g。根據圖9可得到不同輸入方向下該絕緣子互連體系的失效概率，如表3所示。該絕緣子互連體系在90⁰（Y向）輸入下易損性最大，發生倒塌的超越概率為16.17%；在0⁰(X向)輸入下易損性最小，發生倒塌的超越概率為3.66%：45⁰和135⁰方向輸入下的易損性較為接近且處于巾間水平。

3.5討論

    通過以上計算，求解絕緣子互連體系在不同等級地震下的易損性水平，實現了從概率角度對絕緣子互連體系抗震性能的評價。這種方法在如下3個方面對變電站的抗震性能評價有積極的意義。

    (1)充分考慮了地震動的隨機特性。概率地

震易損性分析建立在結構對離散地震動的響應值的統計分析上．避免了一般抗震性能分析方法中選擇實際地震波或生成人工地震波過程中可能的誤差、

    (2)以損傷超越概率為指標的評價結果，在判斷沒備是否達到抗震性能目標要求時直觀方便。

    (3)為變電站的整體抗震可靠度評價打下了基礎。評價指標的統一是復雜系統可靠度分析的基礎。變電站是復雜的系統工程，涉及由不同生產廠商提供的不同電氣設備單元．絕緣子互連體系僅為其中之一。概率地震易損性分析方法對不同電氣設備均以損傷超越概率為評價指標．使變電站整體可靠度分析成為可能。這也是基于性能的地震工程在變電站抗震性能評價上的發展趨勢所在。

4結論

    本文通過有限元建模與分析，得出如下結論。

    (1)討論r高壓變電站絕緣子一管母互連體系抗震分析有限元建模方法．建立了支柱絕緣子互連體系的梁單元有限元模型。

    (2)針對典型的支柱絕緣子互連體系，通過輸入離散的地震動，進行了概率地震易損性分析，得到絕緣子互連體系在不同強度地震下的發生震損的超越概率。

    (3)考慮了地震動輸入角度的影響，結果表明對非對稱的電氣設備互連體系，不同輸入角度下電氣設備的地震易損性有較大差異。

    (4)以超越概率為評價指標的概率地震易損性分析方法，統一了電氣設備抗震性能評價指標，為變電站的整體抗震可靠度評價打下了基礎。