卢栋 杨前 刘壮

摘要：随着我国经济的发展，电网建设也发展的越来越快，增加了大量变电站，这就对高压开关设备的品种和质量提出了更为严格的要求。与此同时，由于城乡建设发展，相对紧缺的土地资源，气体绝缘金属封闭开关设备（以下简称GIS）依靠自身的特点和优势，已广泛应用于发电厂和变电站。GIS 高压电气设备具有优质的抗震性能，但其套管处加速度综合放大系数及位移值均大于设备主体，因此，在设计时，为了在套管处提高其抗震能力就要采取必要的加强措施，从而防止在地震激励下破坏高压电气。

关键词：GIS；高压电气；抗震性能

随着我国电力事业的大力发展，我国越来越多地开始研究高压开关设备的设计，高压开关设备形式众多，GIS是最适合在地震多发地区或国家使用的变电设備。研究GIS外体结构的抗震性能，就要不断发展深化抗震理论在GIS设备抗震性能分析中的应用，为我国电力事业的发展提供结构抗震领域方面技术上的支持。

1 GIS电气设备简介

根据国内外学者对大量变电站设备地震后破坏程度的研究分析，发现GIS设备是最适合在地震多发地区或国家使用的变电设备，这种组合电器将断路器、互感器、隔离开关、接地开关、避雷器、控制机关、母线及出线终端等部件全部封闭在金属接地外壳中，并充入绝缘保护气体SF6的电气设备。GIS开关设备使所有变电组件成为1个整体，拥有了较大的刚度，一定程度上避开了地震卓越周期，在地震发生时可以有较好的抗震表现，除此之外，GIS设备更具有占地面积小、可以到达较高电压、结构容量大、结构组成灵活及便于安装等优点，从而广泛应用在地震多发地区。

2 高压电气设备的抗震设计理论

抗震设计理论起初主要在建筑结构领域得以广泛应用与发展，随着城市化建设的发展与科技的进步，抗震设计理论才逐渐开始延伸到了其他学科的结构设计当中，日本、美国等发达国家在这方面应用已经比较成熟。我国在高压电气设备结构的抗震设计中，目前其行业规范对抗震设计方法的选用主要有以下两个要求：（1）在较早版本的规范（《电力设施抗震设计规范》GB50260-1996）中规定，对电力设施中的电力构筑物和电气设备，可按规范中相应的具体条款规定，分别采用底部剪力法、振型分解反应谱法对其进行抗震分析；但对于电气设备也可以选用静力设计法、动力设计法或时程分析法进行设计计算；（2）在最新的规范（《高压开关设备和控制设备的抗震要求》GB/T 13540—2009）中，第7章节主要给出了试验和分析综合验证的相关规定，其中对数值分析、加速度时程数值分析、利用要求的响应频谱（RRS）的模型分析以及静态系数分析均有所说明。

3 GIS电气设备振动台试验

3.1 试验设备

试验研究对象为ZF33-126型GIS电气设备，为方便后文对其进行相关描述，在此对坐标系方向进行定义，并在实物图上标明。该设备主体高约4m，沿Y方向长约4m，沿X方向长约2.5m，材料以铝合金为主。此外，设备上端部还安装有3个陶瓷绝缘出线套筒，套筒长约1.5m，分别与水平面成45°角倾斜向上。

3.2安装固定及测点布置

振动台台面布置加速度传感器获得被测设备底部真实的输入；GIS 电气设备易发生破坏的套筒根部与法兰连接处分别布置加速度传感器；对于可能出现显著位移、较大变形或应力较大的设备外壳的顶部、套管顶部布置位移及加速度测点，并在套管根部的瓷件上布置应变片，以测试其应变响应。

3.3 人工地震波的合成

结构地震反应的分析方法有三种：静力法、反应谱法以及时程分析法。时程分析法是对结构或其力学模型直接输入实际地震动记录或者人工地震波，从抗震设计理论上将等效静力分析过渡到直接动力分析，在设计中更真实的描述整个时间历程中结构在任意时刻的地震反应，同时，时程分析法还可对结构进行弹塑性的动力分析，弥补了反应谱法分析的不足之处，是地震反应分析方法的一次飞跃。作为生命线工程，电力系统中高压电气设备的使用功能特殊而又重要，采用动态时程分析法研究结构的地震反应与实际的震害现象更加符合。而对于时程分析方法，合理的选择适宜的地震波是最关键的。

4 试验结果分析

4.1 动力特性

采用半功率法求解结构阻尼，结构设备的自振频率可通过结构响应与输入信号间的传递函数而求得，即结构受简谐振动的干扰时所产生的稳态响应与干扰的比值。

4.2 加速度时程响应分析

试验中测试了隔离开关 GIS 设备在人工地震动及 El-centro地震波两种工况下各测点的加速度时程曲线。分别测得设備关键部位测点分别在 X、 Y 向地震动输入下的加速度反应峰值及其放大系数。以及X、Y 单向地震动输入时，部分测点的加速度时程曲线。

4.3 位移时程分析

随着输入地震动幅值的增大，设备各部分所产生的位移值越大；在相同地震输入下，套管顶部的位移值均大于设备主体外壳顶部的位移；输入幅值与波形相同时，设备在X 向激励下产生的变形比Y向大的多，说明动力放大效应在X 方向表现更显著。

4.4 应变时程响应分析

大量震害实例表明，隔离开关等电气设备在地震中的破坏主要表现为电瓷瓶的中部或者根部截面处因应力过大而导致断裂失效，尤其是瓷瓶与法兰连接的部位。因此在 GIS设备的抗震能力考核中，考核套管根部的应变或应力是验证设备抗震性能的重要方式。

综上所述，作为电力系统抗震的薄弱环节，高压电气设备在地震中容易发生破坏，一旦设备遭受破坏，不但会给电力系统带来直接损失，还会危害国民经济，对社会造成冲击，因此对高压电气设备的抗震性能进行研究具有重要的意义。

参考文献：

[1]杨涛，王社良，刘伟，李彬彬.GIS高压电气设备抗震性能试验研究[J].世界地震工程，2016，01：146-155.

[2]刘敏.GIS高压电气设备抗震性能试验研究[D].西安建筑科技大学，2013.

[3]曹文华.基于ANSYS的GIS结构抗震性能研究[D].西安建筑科技大学，2013.