柱式断路器抗震仿真分析

引言

我国地震具有震源浅 、频度高 、强度大和分布广等特点 , 震害情况特别严重。四川汶川地震中 ,变电站电气设备遭到严重破坏 , 不仅造成难以估量的经济损失 , 而且影响整个社会和国民经济的发展。

柱式断路器是电力系统中发挥重要作用的关键电气设备之一 ,在各类工程中得到广泛应用 , 这类设备具有结构细高 、重心较高等特点 , 且大都安装在室外的支架或地基上 ,受各类冲击等动力荷载影响较大 。 因此 ,对柱式断路器进行抗震研究具有重要的理论意义和实际应用价值 。本文以柱式断路器为研究对象 ,针对产品结构特点及运动特性 ,采用仿真分析法对产品进行抗震性能计算 。通过仿真研究柱式断路器单柱与双柱结构的抗震性能 , 并分析其抗震性能差异 , 为后续产品结构优化及地震真型试验提供理论依据 。

1 试品概况

柱式断路器由操动机构、绝缘支柱、灭弧室 、合闸电阻等组成 , 外绝缘材质为复合材料 , 产品总高17 8 , 处于合闸位置 , 总体结构如图1所示。

图1 单式断路器结构

2 仿真分析

柱式断路器为单极操作结构 ,每极断路器为四断口 串联形式 ,其中每两个断口为一 个柱式整体 , 中间通过连接导线进行连接 ,外绝缘全部采用复合套管 ,支架材质为普通钢材 ,断路器有限元模型如图2所示 。

2. 1 计算初始条件

2.1.1 风载荷

按照《建筑结构荷载规范》(GB 50009一2001)计算风荷载大小 。垂直于建筑物表面上的风荷载标准值 ,应按下述公式计算:

式中 ωk一风荷载标准值(kN/m2) :

βz一X高度处的风振系数:

μs一风荷载体型系数:

μz一一风压高度变化系数:

ω0一基本风压值(kN/m2) 。

(1)基本风压o0按风速3. 8/s计算 ,取为0.62 kN/m2。

(2)风压高度变化系数如表1所示。

对于平坦或稍有起伏的地形 ,风压高度变化系数应根据地面粗糙度类别确定 。地面粗糙度可分为A、B、C、D四类 。B 类指田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区 。C类指有密集建筑群的城市市区 。本工程的地面粗糙程度介于B类和C类之间 ,按照B类地面作保守计算 。

(3)根据《建筑结构荷载规范》(GB 50009一2001)表6.3. 1规定 , 支架结构的体型系数按第3.项取 , 设备的风荷载体型系数按第34项取 。

(4)X高度处的风振系数根据 《变电所建筑结构设计技术规定》(NDGJ94一 1992)3.3.2.5条的规定取值 。

假设沿灭弧室套管方向为X向 , 垂直于灭弧室套管方向为y向 ,0:风向与X正方向相同 ,90:风向与y正方向相同。风荷载计算如表2所示 。

2. 1.2 地震载荷

计算模型输入反应谱为标准反应谱 ,标准反应谱的特征周期0.9 s ,几乎包络所有常用场地类型 , 地震输入加速度峰值0.4g(g=9.8 m/s2) 。模型分析输入的加速度时程及对应标准

反应谱如图3所示 ,标准反应谱的卓越频率段为1. 1~10 Hz。

2.2 计算模态分析

通过对数值模型进行模态分析 ,可以得到结构的 自振频率、振型等反映结构动力特性的参数 ,表3仅列出了各方案前10阶模态分析结果 ,运用模态叠加法进行抗震计算时确保参与叠加的模态质量占总质量的90%以上 。表3列出了由数值模型分析得到的模态分析结果 , 图4、图5分别为单柱结构、双柱结构的第1阶振型图 。

2.3 计算结果

2.3. 1 大风工况分析结果

对结构进行y向大风工况下的力学性能分析 , 结果如表4所示。

2.3.2 地震工况分析结果

对结构进行x+Z和y+Z向地震工况下的力学性能分析 ,Z 向荷载考虑为水平向荷载的80% ,计算结果如表5所示 。

2.4 结果分析

(1)在大风作用下 ,套管的最小安全系数为2.58 ,满足高压配电装置设计技术规程 [3]的要求 , 即在大风荷载长期作用下各套管的安全系数均满足大于2.50的要求。

(2)在x向地震作用下 , 套管的最小安全系数为2. 13 , 满足电力设备抗震设计规范 [4]和高压配电装置设计技术规程的要求 , 即在地震荷载短时作用下各套管的安全系数均满足大于1.67的要求。

(3)在y向地震作用下 , 套管的最小安全系数为1.93 , 满足电力设施抗震设计规范和高压配电装置设计技术规程的要求 , 即在地震荷载短时作用下各套管的安全系数均满足大于1.67的要求 。

3 结论

本文通过上述仿真研究 ,可得出以下结论:

(1)对于柱式断路器来说 , 绝缘支柱是断路器抗震的薄弱部位 ,在地震输入加速度峰值0.4g作用下 ,绝缘支柱最大应力为62.48 MPa ,套管安全系数1.93 。在断路器设计时需要重点关注该薄弱环节 , 通过优化结构设计来提高断路器抗震能力 。

(2)在目标峰值加速度0.4g地震波作用下 ,单柱断路器灭弧室顶部位移为826.33 mm 。该数据为内部电气元件的变形和连接导线的尺寸设计提供了确切依据 ,避免因连接导线长度不足引起两柱之间设备的拉扯而造成断路器损坏 。

(3)连接导线的设置在XZ平面内很大程度上提高了断路器整体刚度 ,使双柱断路器设备整体位移减小 ,绝缘支柱减小24.6% ,电阻减小24.6% ,灭弧室减小29.3%。