支柱绝缘子互连体系地震易损性分析(电力)

 支柱绝缘子互连体系地震易损性分析(电力)

                 李圣¹，程永锋¹，卢智成¹，朱祝兵¹，邱宁¹，陈国强²

  (1．中国电力科学研究院，北京  102401；2．国家电网公司交流建设部，北京  100031)

摘要：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。

关键词：变电站：绝缘子：抗震：易损性：失效概率

中图分类号：TM216；TU352.1  DOI: 10.11930/j．issn.1004-9649.2016.04.061.06

0引言

    电气设备的抗震性能研究是变电站抗震研究的重要内容，已经引起国内外学者的关注，

研究了变电站电气设备的抗震措施，通过地震俞试验研究了设备的抗震性能。抗震设计规范巾关于电气设备抗震设计方法和标准的内容也在不断完善之中。

    基于性能的地震工程( PBEE)理论以可靠度为指标进行抗震性能评价．在结构工程领域得到了显著的发展和运用．美国太平洋地震工程研究中心( PEER)于20世纪90年代提出的概率地震易损性理论( probabilistic  seismic  fragility  analysis，PSFA) ，考虑到地震的随机特性，对结构地震响应进行统计分析得出易损性结果，是一种基于概率的抗震性能分析方法，是基于性能的地震工程理论的重要内容。根据该理论，对桥梁进行了易损性分析，对房屋结构的地震危险性进行了研究，进行了不同抗震性能加强措施的比选，开展了隔震支座抗震性能评价。

    将基于性能的地震工程理论运用于变电站电气设备抗震分析，考虑地震输入波形和输入方向的随机性．能够更清楚地了解变电站的抗震可靠性，发现抗震性能的薄弱环节，为抗震性能的提升提供指引。本文针对高电压等级变电站中的一类典型电气设备单元，即支柱绝缘子一管母互连体系．采用概率地震易损性分析方法研究体系的抗震性能。

 

1  支柱绝缘子互连体系的抗震分析方法

1.1  支柱绝缘子互连体系

    历次变电站地震危害中．电气设备的地震危害往往较为严重．图1是汶川地震中电气设备的震损。支柱绝缘子是变电站中常见的电气设备，由数节绝缘子通过金属法兰纵向相连，形成承载主体，如图2所示。支柱绝缘子用于支撑带电导体并提供绝缘距离．单根支柱绝缘子支撑管母的跨度有限，常需要多根进行排列，另外根据回路的布置要求，支柱绝缘子的排列方向并不单一常形成了双向互连体系．如图3所示。

 

    支柱绝缘子支撑的带电导体有硬质管母线和软导线2种。其中管母线一般为空心铝管．有较大的刚度．通过固定金具或滑动金具与支柱绝缘子顶端连接．对互连体系的动力性能有显著影响。而软导线的刚度较小，在合理设计导线冗余度的情况下，对互连体系动力特性的影响相对较小。本文研究的支柱绝缘子互连体系为管母连接的情况。

1.2  抗震分析建模方法

    (1)分析模型。支柱绝缘子一管母互连体系的有限元模型中主要包括支柱绝缘子、支架、管母和金具。由于设备互连体系中涉及的杆件和节点众多，一般建立梁单元模型进行抗震分析．对有特别需要的细部再建立实体单元有限元模型。

    (2)绝缘子及其连接的模拟。支柱绝缘子根据组成设备的各节绝缘子的力学性能进行建模．按绝缘子实际刚度分段赋予梁单元属性。绝缘子可以分为套管段以及套管与金属法兰的连接段。套管段的抗弯刚度取决于绝缘子截面和材料弹性模量。

    对于套管与金属法兰的连接段．其构造较为复杂，且不同厂家生产的绝缘子连接段的构造不同，其抗弯刚度一般通过弯曲试验确定，在缺少试验资料时，也可根据GB 50260-2013《电力设施抗震设计规范》中的经验公式确定。

    (3)金具的模拟。金具可按相应的连接类型简化为固接、铰接或滑动连接。图4为滑动型金具，管母可在滑动槽方向滑动，从而释放温度或基础不均匀沉降产生的附加应力。假设滑动摩擦阻力可以忽略．在有限元模型中可释放节点相应方向的自由度，如图4所示。

 

    (4)支架和管母的模拟。互连体系中的设备支架和管母均为金属材料，可按实际截面和质量分别赋予梁单元属性。支架与绝缘子一般通过螺栓法兰连接，支架顶部法兰盘的螺栓分布圆半径一般较大，且法兰有加劲设计，因此可认为支架与绝缘子之间节点为刚性连接。

    (5)抗震评价参数。如图1所示，支柱绝缘子互连体系的震害主要表现为绝缘子的震损．因

此绝缘子的弯矩内力（或应力）是抗震性能评价的重点。根据带电设备在绝缘性能上的要求，绝缘子主要有2种类型．瓷质材料绝缘子和玻璃纤维复合材料绝缘子。对于瓷质材料绝缘子．以瓷套的许用应力作为评价标准：对复合材料绝缘子，由于破坏模式较为复杂，可能为套管与法兰的连接破坏或是法兰的破坏．抗震分析中可以根据厂家提供的绝缘子最大抗弯荷载作为评价标准。

2考虑输入随机性的地震易损性分析理论

    地震易损性是指在不同强度等级地震下．结构发生一定等级损伤的概率。概率地震易损性分析理论通过建立概率地震需求模型，结合结构损伤发生的承载能力限值．实现对结构的易损性评价。概率地震需求模型表达地震强度(IM)和结构响应( EDP)的条件相关性，体现结构的自身抗震性能。通过对结构输入离散的地震动，得到IM-EDP样本对．如图5所示．再寻找地震烈度参数IM与工程需求参数EDP的回归关系。

 

    EDP与IM之间一般服从指数回归关系，即

地震动的随机性．且以失效概率形式表达结构抗震性能指标。

3分析实例

3.1  结构参数

    图6为一例典型的高压变电站支柱绝缘子互连体系的有限元模型．由4个支柱绝缘子支撑管母线呈L形分布。每根支柱绝缘子由4节长为2.4 m的玻璃纤维复合材料绝缘子组成，各节之间通过法兰连接，固定于5m高的格构式支架上。转角位置的支柱绝缘子顶部为同定金具，其余绝缘子顶部为滑动金具。构件的截面特性如表1所示。参照相关试验资料，绝缘子法兰连接段的抗弯刚度为套管段抗弯刚度的1/3。模态分析显示，模型X向一阶振型的周期为1.5 s．Y向一阶振型的周期为1.29 s。

 

    根据该绝缘子的技术资料．绝缘子极限抗弯承载能力为150 k N .m,根据IEC 61462规范，

对复合材料绝缘子．运行状态下设备的许用承载力一般为40%极限承载力。因此，以M _{c r}=150 k N .m为绝缘子倒塌破坏对应的承载力限值，以40%Mcr作为损伤对应的承载力限值。

3.2输入的离散地震动与时程分析结果

    为建立概率地震需求模型．需选择多条离散地震动作为时程分析的输入。

以矩震级和震中距作为离散条件，可以考虑到地震的普遍特性．以相对较小的样本量达到回归效果。本文以矩震级M _{c r}=6.5作为区分小震和大震的标准．以距断层最短距离R=30 km作为区分近场和远场地震的标准．从PEER强震数据库选择出36条地震动，如图7所示。所选择的地震动记录中，大部分为Ⅱ类场地震记录，其次为I类和Ⅲ类地震记录．符合变电站工程选址的场地类型的总体情况。

 

    以结构周期对应的谱加速度值S。作为地震动强度参数IM的代表值，有利于提高需求模型中IM与EDP的相关性。本文选择谱加速度S。为需求模型中的IM参数，列于表2中。将所选择的地震动分别输入到绝缘子互连体系中，分析设备的地震响应。根据绝缘子的震损特点，提取没备底部最大弯矩响应M作为工程需求参数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样本对。

3.3  需求模型与易损性

    根据第3节所述理论，对IM和EDP参数取对数后进行线性回归分析，如图8（左图）所示。得到概率地震需求模型为

 

    相关系数，：0.94，可见对该绝缘子互连体系谱加速度S，与最大弯矩响应M之间的相关性明显．建立的需求模型准确可信。分别以0.4M_cr和M _{c r}作为绝缘子发生损伤和倒塌对应的承载能力限值，与需求模型式(5)一并代入式(3)中的易损性函数，得到绝缘子互连体系的易损性曲线如图8（右图）所示，分别表达了结构在不同强度地震下发生损伤或倒塌的超越概率。

 

3.4考虑输入方向随机性

    由于该绝缘子一管母互连体系在几何上具有不对称性，不同地震动输入角度下结构的地震响应将有一定差异。现将所选择的离散地震动分别按0⁰、45⁰、90⁰和135⁰方向输入到结构中进行日寸程分析，并求解结构的易损性曲线。图9为不同角度输入下，绝缘子互连体系发生损伤的易损性曲线。

 

    假设该绝缘子互连体系位于八度区，二类场地．根据GB 50260-2013《电力设施抗震设计规范》中对重要电气设施提高一度设防的要求，提高一度设防。周期T₁=1.5 s对应的加速度反应谱值如下：小震Sa（T₁）=0.28 g，巾震S_a(T₁)=0.44 g，大震S_a（T₁）=0.57 g。根据图9可得到不同输入方向下该绝缘子互连体系的失效概率，如表3所示。该绝缘子互连体系在90⁰（Y向）输入下易损性最大，发生倒塌的超越概率为16.17%；在0⁰(X向)输入下易损性最小，发生倒塌的超越概率为3.66%：45⁰和135⁰方向输入下的易损性较为接近且处于巾间水平。

 

3.5讨论

    通过以上计算，求解绝缘子互连体系在不同等级地震下的易损性水平，实现了从概率角度对绝缘子互连体系抗震性能的评价。这种方法在如下3个方面对变电站的抗震性能评价有积极的意义。

    (1)充分考虑了地震动的随机特性。概率地

震易损性分析建立在结构对离散地震动的响应值的统计分析上．避免了一般抗震性能分析方法中选择实际地震波或生成人工地震波过程中可能的误差、

    (2)以损伤超越概率为指标的评价结果，在判断没备是否达到抗震性能目标要求时直观方便。

    (3)为变电站的整体抗震可靠度评价打下了基础。评价指标的统一是复杂系统可靠度分析的基础。变电站是复杂的系统工程，涉及由不同生产厂商提供的不同电气设备单元．绝缘子互连体系仅为其中之一。概率地震易损性分析方法对不同电气设备均以损伤超越概率为评价指标．使变电站整体可靠度分析成为可能。这也是基于性能的地震工程在变电站抗震性能评价上的发展趋势所在。

4结论

    本文通过有限元建模与分析，得出如下结论。

    (1)讨论r高压变电站绝缘子一管母互连体系抗震分析有限元建模方法．建立了支柱绝缘子互连体系的梁单元有限元模型。

    (2)针对典型的支柱绝缘子互连体系，通过输入离散的地震动，进行了概率地震易损性分析，得到绝缘子互连体系在不同强度地震下的发生震损的超越概率。

    (3)考虑了地震动输入角度的影响，结果表明对非对称的电气设备互连体系，不同输入角度下电气设备的地震易损性有较大差异。

    (4)以超越概率为评价指标的概率地震易损性分析方法，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。