罐式六氟化硫断路器抗震性能分析

摘要：本文选取变电站中常用的罐式六氟化硫断路器，利用有限元分析软件ANSYS对其进行自振特性分析；并用随机振动方法对其进行抗震性能分析。本文设计了人工正弦拍波，对断路器在水平激励下的位移和应力、应变进行分析得出了几点结论。为电瓷型电气设备的减隔震设计提供理论依据。

关键词：罐式SF6断路器 随机地震动 谱分析 抗震可靠性

中图分类号：TM 文献标识码：A 文章编号：1007-0745（2013）06-0426-01

1. 前言

在近年来的强烈地震中，电力系统中的高压断路器都有不同程度的震坏，影响抗震救灾和震后生产恢复工作。为了减轻地震损失、提高电力系统抗震能力，对高压断路器进行抗震性能分析显的非常必要。在汶川、玉树、雅安等大地震中，损坏的电力设施主要为电气设备，尤其是含有大型瓷套管的高压电气设备，包括变压器、断路器、隔离开关、电压互感器、电流互感器等。而瓷质材料在电气性能，机械性能耐气候性能的优点使其各电压等级的电力系统中得到大量应用。这类设备一般都具有结构细高、功能复杂、材料脆性、阻尼小等特点，在地震中极易遭到破坏。破坏的主要原因有两个：一是该类设备的自振频率一般在1～10Hz，而地震的卓越频率一般也在1～10Hz范围内，极易产生共振，导致设备主体结构的破坏；二是该类设备的瓷柱为脆性材料，其储能能力较小，加上设备的结构形状特殊，不仅又细又高，且上部重量较大，地震时瓷柱根部承受很大的弯矩，使瓷柱强度不足而发生断裂，尤其是在瓷柱与其他材料连接处，变形互不协调更易使脆性瓷柱裂损。瓷柱型SF6断路器在各电压等级的发电、变电、配电等电力系统中，得到了大量的采用，在电力系统中发挥着重要的作用，是确保电力系统安全运行的关键设备。因此，开展对罐式SF6断路器等电瓷型高压电气设备在地震等极端动态荷载作用下的动力时程分析及其抗震性能研究，对提高该类设备在地震等自然灾害中结构本身的安全以及电力系统可靠性具有重要的作用。

2.分析理论及计算模型

工程结构的抗震分析方法主要有四种，即静力法、时程分析方法、反应谱方法和随机振动方法。根据地震波强烈的不可预知性和不可重复性，随机振动方法由于较充分地考虑了地震发生时的统计概率特性，被日益广泛地接受为一种较为先进合理的分析工具 。随机振动方法比反应谱法更精确，比时程分析法更高效。本文采用随机振动理论中的功率谱密度（PSD- Power Spetrum Density）方法对其用概率统计的方法进行研究。

随机振动是指振动过程没有确定的变化形式，也没有必然的变化规律，因而不能用时间t的确定的函数来加以描述。在相同的时间段重复进行试验过程，结果也不会重复；每次得到的结果可以用一个时间t的函数来表示，是确定的，但独立地进行多次的结果是不相同的。因此，随机振动是大量现象的集合。虽然不能用确定性函数表达。但可以用统计特性来表达。在个别试验中呈现出不确定性，但在大量重复试验中又具有统计规律的现象，被称为随机性。地震运动是一种随机振动过程。

本文利用ANSYS建立罐式六氟化硫断路器三维有限元模型。断路器结构简图如图一所示。模型采用实体建模的方式，尽量呈现结构原型。从实体模型到ANSYS几何模型的几点简化原则⑴对于不是考核的重点部位同时在结构上不会对整体分析产生影响的零部件予以省略，这样，大大减少了建模、计算的工作量。⑵本文主要分析模型的外部强度，对于内部零部件由于其相对于外部所占的比重比较小，在模型中没有体现，简化建模时放大外部部件的质量密度值，进行近似等效模型。例如将导体等效到套管和罐体上。

3. 模态分析和谱分析

首先对结构进行模态分析，得到各阶模态的参与因子，参与因子表示在特定方向上某个模态在多大程度上参与了振动，了解结构的基本动力特性。断路器的自振频率和前五阶振型分别为1阶序固有频率10.544；2阶序固有频率11.075；3阶序固有频率12.335；4阶序固有频率12.937；5阶序固有频率24.922。

遵循GB/T 13540-92标准。并作如下计算前提条件：

（1）逐次对模型沿两个互相垂直的水平轴向进行考核。

（2）采用人工合成地震波作为激励条件进行考核。

（3）试品内部不考虑内部充气压力。

（4）根据技术条件要求，产品抗震的设防烈度为9度，因此采用人工合成地震波时施加水平加速度为0.50g。

由于我国现行抗震设计规范的设计反应谱均以阻尼比5﹪为设计基准，因此选取5﹪作为计算时的阻尼比。

4. 计算结果

在水平激励下对瓷套管的位移和应力、应变进行分析。

（1）位移分析

从计算结果来看，瓷套最大位移为水平Z方向上激励时的23.992mm。根据所用瓷套的技术规范中 “瓷套顶部最大位移量不超过30 mm” 的要求。可以认为在地震波时发生时，瓷套位移量是不会超过最大规定量。

（2）应力分析

参考文献：

[1]刘振亚主编. 特高压电网. 北京：中国经济出版社，第1版.2005

[2]冯东，陈玲俐，叶志明. 高压断路器隔震体系抗震可靠度分析.世界地震工程. 2007年3期 98

[3]林家浩，张亚辉著. 随机振动的虚拟激励法. 北京：科学出版社，2004.125