林 森，程永锋，卢智成，孙宇晗，刘振林，朱祝兵

（中国电力科学研究院，北京100055）

不同地震波输入的750 kV电气设备抗震试验研究

林 森，程永锋，卢智成，孙宇晗，刘振林，朱祝兵

（中国电力科学研究院，北京100055）

目前在电气设备抗震试验中如何合理选用地震波输入尚不明确，电气设备在不同地震作用下的响应差异明显，给其抗震性能的准确评价带来了困难。为研究不同频谱特性的地震波输入对750 kV电气设备抗震性能评估的影响，以共振拍波、人工标准波、Elcentro波、Landers波为试验工况，开展了750 kV避雷器和绝缘子的地震模拟振动台试验。试验中发现被测设备基频存在一定降幅，选用共振拍波无法达到与设备完全共振的目的。在实际地震波Elcentro、Landers波作用下，不同频率设备的地震反应强弱不一。人工标准波频谱包络性较好，对设备的激励效果较强且稳定。针对750 kV电气设备在试验中表现出的非线性特性，通过理论分析和有限元仿真，分析了共振拍波的频率和设备频率发生偏离时对设备抗震评估结果产生的影响，仿真结果与试验结果吻合度高。研究成果为超高压电气设备的抗震试验提供了依据，也为超高压变电站的抗震安全提供了保障。

超高压；电气设备；振动台试验；抗震性能；地震波输入

0 引言

随着我国经济的快速发展，各领域对电力的需求越来越旺盛。为满足国民经济和社会发展的需要，我国电网建设正积极加快步伐。以新疆为例，为全面建成750 kV骨干网架，实现区域网架结构的升级，仅2016年间就新建或扩建了阿克苏、库车、巴楚、喀什、伊犁、乌苏等750 kV变电站，并将继续推进达坂城、和田等地区的变电站建设。

高压输变电工程可满足日益增长的用电负荷需求和实现跨地区能源资源优化配置，500 kV及以上电压等级变电站作为电力输送主干线中的枢纽，紧密关系着国计民生。然而，随着电网建设的高速发展，越来越多高电压等级的电气设备无法避免地服役于高裂度地震区[1]。地震历来是对生命线工程威胁最大的灾害之一，电气设备一旦在强震作用下损毁，导致变电站失效，将直接造成电网功能瘫痪，给人民生活和国民经济造成不可估量的损失[2-3]。

因此，电气设备的抗震性能面临着前所未有的高要求，设备在投入运行前进行抗震性能试验显得尤为重要。抗震试验中，振动台的输入波形有共振拍波、人工波、实际地震波等多种波形，目前各种波形对不同电气设备的适用性并不明确，对于超高压电气设备抗震试验的激励输入并未形成统一标准。考核设备采用的地震峰值加速度由设备应用场地的抗震设防裂度决定，而地震持续时间在《电力设施抗震设计规范》（GB 50260—2013）中有明确规定，且对于未进入塑性变形阶段的设备，地震持时并非影响设备抗震评估结果的主要因素。然而，由于不同地震波的频谱特性不一致，导致同一种电气设备在不同振动台输入作用下的响应差别较大，给电气设备抗震性能的准确评价带来了困难。

尤红兵等通过对比正弦拍波、人工合成地震波和实际强震记录，提出应将人工合成地震波作为电气设备振动台试验的首选[4]。孟宪政等对某500 kV避雷器开展抗震试验，试验中输入多种地震波，通过分析设备在不同工况下的响应，得出人工标准时程波更适用于高压避雷器的结论[5]。宋继军等采用标准时程波对1 000 kV避雷器进行了抗震和减震研究[6]。程永锋等分析了共振拍波在特高压电气设备抗震试验中的不足，并提出了适用于特高压电气设备抗震试验的地震加速度反应谱[7]。750 kV是超高压中的最高电压等级，该电压等级的设备其外形、尺寸、重量与较低电压等级和特高压设备均有一定区别，地震作用下会表现出较明显的非线性特性。

笔者针对750 kV电气设备开展了振动台试验，研究了多种地震输入工况下设备的地震反应变化。对于相同等级加速度的不同地震波，着重考察了地震波的频谱特性与设备动力特性的关系。探讨了抗震试验中不同地震输入对于750 kV电气设备的适用性，并结合理论分析和数值仿真，分析了共振拍波在超高压电气设备振动台试验中的不足，为超高压电气设备抗震试验评估提供了依据。

1 750 kV电气设备特点

在我国，交流超高压主要是指330 kV、500 kV和750 kV。在《电力设施抗震设计规范》（GB 50260—2013）[8]中，这些电压等级的变电设施均被列为重要电力设施，抗震设防标准也相应提高。表1列出了数种由国内主流电气设备厂家生产的500 kV和750 kV电气设备参数，图1将表1中厂家J生产的两种电压等级的避雷器和厂家F生产的两种电压等级绝缘子的外形和重量进行了对比。

表1 500 kV和750 kV电气设备参数Table 1 Parameters of 500 kV and 750 kV electrical equipment

图1 500 kV和750 kV电气设备外观尺寸与重量对比Fig.1 Comparison of dimension and weight between 500 kV and 750 kV electrical equipment

750 kV设备是超高压中电压等级最高的设备，与较低电压等级的设备相比，更具高、大、重、柔的特点。尤其对于支柱类电气设备，如750 kV的避雷器、绝缘子等，结构高，高度通常为6～10 m，上部质量较大，总质量可达1～5 t。此类设备一般由瓷质套管通过法兰连接而成，电瓷是脆性材料，抗弯性能差，地震易损性较高[9-11]，地震时产生的弯矩可能会使套管根部折断[12-13]。瓷质套管与法兰通过胶合剂胶装连接，胶装高度一般为100～300 mm，胶装厚度在8～20 mm，连接处材料不同，导致外力作用下变形不协调，更加剧了套管根部这一薄弱环节在地震作用下被破坏的危险性[14]。

调研中国、日本、瑞典、法国等国生产的70余种330～750 kV超高压电气设备的动力特性，得出设备的自振周期分布情况见图2。从图中可以看出，超高压电气设备的自振周期主要集中在0.2～0.7 s，平均值为0.48 s，对应自振频率2.08 Hz。其中，500 kV电气设备自振周期平均值为0.49 s，对应自振频率为2.04 Hz，750 kV电气设备自振周期平均值为0.54 s，对应自振频率为1.85 Hz。统计得出不同超高压设备的阻尼比平均值为3.18%。

图2 超高压电气设备自振周期分布Fig.2 Natural vibration period distribution of EHV equipments

综上所述，相比于较低电压等级设备，750 kV电气设备在外观尺寸、重量上明显有所增加，因此地震作用下承受的弯矩也更大。750 kV支柱类设备较柔，基频在1～10 Hz范围内，与地震波的卓越频率相接近，设备阻尼值较小，储能能力较小。另外，由于高电压等级电气设备的结构特点、材料特性、连接方式等导致其在地震作用下表现出一定的非线性特性。特别是设备套管与法兰通过水泥胶装的连接部位，经过多次动力作用后，连接处水泥胶装材料难以保证电瓷套管和铝合金法兰的变形完全协调，水泥胶装材料发生塑性变形，而套管和法兰依然保持弹性变形，因此设备在承受地震作用时，往往会发生频率降低的现象[15]。

2 750 kV电气设备地震模拟振动台试验

地震模拟振动台试验是能够直接、准确地评估结构抗震性能的重要方法[16-17]。通过750 kV避雷器和绝缘子真型振动台试验，测定在实际地震波、共振拍波和人工地震波作用下设备关键部位加速度、应变和位移等主要参数，据此分析各种地震激励对设备抗震性能评估的适用性。

2.1 试验布置

试验采用了产自英国SERVOTEST公司的大型高性能三轴地震模拟振动台测试系统，振动方向包括X、Y、Z轴3个方向，6自由度。振动台台面尺寸3 mm×6 mm，最大试件重量35 t，最大抗倾覆力矩70 t·m，最大回转力矩35 t·m，工作频率范围0.1～80 Hz，振动台各轴的技术指标见表2。

表2 振动台主要性能参数Table 2 Major performance parameters of shaking table

为真实反映750 kV设备在地震工况下的响应，选取表1中厂家J制造的750 kV避雷器和厂家F制造的750 kV绝缘子作为试验对象。如图3中所示，避雷器共有4节瓷套管，而绝缘子有3节瓷套管，设备顶端安装有均压环，设备底部通过螺栓与振动台紧固连接。

图3 设备测点布置Fig.3 Layout of measuring points

由于避雷器和绝缘子均为轴对称结构，故只进行单向水平（X向）的抗震试验。在设备每节瓷棒根部的X向两侧对称粘帖应变片，应变片选用中航电测仪器公司生产的BE120-4AA精密应变片。在振动台台面、基座及各节瓷棒顶端放置加速度计，加速度计采用的是美国Kistler公司生产的8310M011型加速度传感器。通过德国Leuze electronic公司生产的ODSL 96B M/C6-S12型激光位移传感器测量设备顶部位移。试验中使用Dewetron公司生产的DEWE-501数据采集与分析系统进行数据的采集和记录。设备测点布置情况见图3。

2.2 试验工况

选用的地震时程波包括Elcentro波、Landers波、人工标准时程波和共振拍波。试验时，考察设备在相当于7度烈度（峰值加速度0.1 g）地震作用下的响应情况，由于设备不带支架，对于750 kV电气设备考虑1.2的支架动力放大系数[8]，沿振动台X向输入目标峰值加速度为0.12 g的Elcentro波、Landers波和人工标准时程波的地震动时程激励。另外，考虑到共振拍波0.75的系数[8]，输入目标峰值加速度为0.09 g的共振拍波。通过各传感器检测设备的应变、加速度、位移等地震响应。在各工况测试前后通过白噪声随机波来测试设备的频率特性，以确定设备的基频变化在容许范围内，设备内部没有损伤。试验后，设备返厂进行了电气和密封等一系列试验，进一步确认设备在试验中没有发生损坏。试验现场见图4。

图4 振动台试验Fig.4 Shaking table test

Elcentro波、Landers波是实际地震波。1940年5月18日，美国Imperial山谷地震在Elcentro台站记录的加速度时程是广泛应用于结构试验及地震反应分析的经典地震记录。Landers地震波是1992年6月在美国加利福尼亚Landers采集的地震记录。共振拍波是根据《电力设施抗震设计规范》（GB 50260—2013）[8]中正弦共振调幅波公式生成的人工地震波。人工标准时程波是根据人工标准反应谱拟合而来的，而人工标准反应谱是在电气设备抗震研究的基础上，结合高压电气设备自身的机械强度特点，采用综合方案和区划图方案相结合的建议谱[5]。作为高压电气设备抗震评估和试验时输入的标准谱，该谱的特征周期为0.8 s，可包络Ⅰ～Ⅲ类场地，适应广泛电压等级和不同材料的电气设备。

2.3 台面输出

试验过程中，因振动台控制系统和传动机构存在误差，会导致台面输出加速度时程波与台面输入目标时程波不完全一致，两者对应的反应谱也不可避免地会有偏差。例如人工标准波，参照IEEE std693—2005[18]，振动台输出的试验反应谱（test re⁃sponse spectrum，TRS）应当包络要求的标准反应谱（required response sprctra，RRS）[19]，且谱值之差应在0～50%之间，若TRS有小部分单个点在容差带之外且与设备共振频率不一致仍可接受。台面实际输出的各地震波对应的反应谱如图5所示，从图中可以看出，试验中台面实际输出的人工标准波较好地包络了虚线所示要求的标准谱，台面输出满足试验要求。

图5 各试验台面输出地震波对应的反应谱Fig.5 Response spectra for output seismic waves

根据图5可知，人工标准波在卓越频率段（1.25～10 Hz）宽且平坦，形成的平台段能够有效覆盖几乎所有超高压电气设备的一阶频率。在该频率范围内，人工标准波相对于实际地震波和共振拍波，稳定性最高，包络性也最强。即使试验中设备频率降低，该地震波也有与设备共振的地震波成分，对试验中表现出非线性特点的超高电压电气设备具有普遍适用性。

实际地震记录波如Elcentro波、Landers波等波形局限于当地场地类型等因素，相应的反应谱曲线共振平台段范围较小，在地震波卓越频率范围内波动较大，包络性较差，这可能会造成采用这两种波在对频率高低不同的电气设备进行振动台试验时，激励效果的差异性显著。

共振拍波虽然在设备自振频率点对应的加速度谱值最大，但是在自振频率点附近的反应谱幅值急剧减小，由于超高压电气设备在试验中往往表现出非线性的特点，其自振频率会发生变化，所以共振拍波在试验中难以与设备达到完全共振的状态。

3 试验结果与分析

不同地震波的频谱差异较大，而电气设备在不同地震作用下的响应也差别明显。通过分析设备在试验前后动力特性的变化情况，以及对比不同设备在各种地震激励下的应力、加速度和位移等响应，可考察不同地震波对750 kV电气设备的适用性。

3.1 设备动力特性

对白噪声工况下的设备顶部加速度进行功率谱分析，获得试验前后设备一阶频率和阻尼比的变化见表3，可以看出，设备在经历地震作用后，频率降低，阻尼比增加，表现出一定的非线性特征，而这主要是由地震动输入、设备自身的构造连接以及设备材料特点等因素造成。

表3 750 kV电气设备动力特性参数Table 3 Dynamic characteristic parameters of 750 kV electrical equipments

表3中的动力特性参数测试结果表明，试验后750 kV避雷器和绝缘子的一阶频率分别降至原频率的87%和90%，但试验前后的频率均在人工标准波的卓越频率范围内，从一定程度上可以反映人工标准波对750 kV设备激励的稳定性和有效性。另外，设备频率与拍波频率保持一致是共振拍波激励设备引发结构共振响应的关键前提，而在共振拍波的作用下，750 kV避雷器和绝缘子的一阶频率分别降至拍波输入前频率的92%和93%。试验中的非线性效应会令拍波频率与设备频率逐渐远离，难以在试验过程中形成完全的共振状态。

3.2 设备响应

观察设备各测点的检测结果可发现，试验中设备顶部一节套管顶部的加速度最大，而最大应力发生在最底节套管根部。设备的最大加速度、最大位移、和最大应力如图6所示。

总体而言，同等地震工况下，绝缘子的顶部加速度更大，而避雷器的应力和位移更大，设备响应情况与避雷器较之绝缘子更柔的结构特性相匹配。

图6 各工况下的设备实测地震反应Fig.6 Experimental seismic responses for different input waves

从图6可看出，采用各地震波对设备进行抗震考核所得结果并不一致。试验中共振拍波的工况明显最为严酷，唯独750 kV绝缘子在共振拍波工况下的最大位移略低于人工波工况，除此之外，共振拍波工况下设备的各项动力响应均为最大。人工标准波作用下的设备响应仅弱于共振拍波，对设备的激励效果较强而且较稳定。实际地震波Elcentro波工况下的设备动力响应普遍小于拍波和人工波工况，750 kV避雷器和绝缘子两种设备的最大应力分别为4.98 MPA和3.84 MPA，均小于5 MPA，由此可见，Elcentro波不易将超高压电气设备激励出足够的动力响应，对设备抗震性能的鉴定不利。由图5可知，在750 kV支柱类设备基频分布范围内，El⁃centro和Landers两种实际地震波的幅值波动较大，尤其是Landers波。Landers波在750 kV绝缘子基频附近的幅值与人工波相当，而在750 kV避雷器基频附近的幅值远低于人工波，因此，Landers波工况下的750 kV避雷器应力较小，仅为人工波工况的84%，而750 kV绝缘子的应力较大，为人工波工况的105%。该现象说明，采用Landers波对频率不同的设备进行抗震考核，所得结果差异较大。

4 频率偏差对设备地震反应影响分析

在地震模拟振动台试验前后，750 kV设备出现了频率明显降低的现象，通过理论分析和数值模拟可以更清楚地了解该非线性特性对设备地震反应的影响，特别是设备频率无法与共振拍波频率保持一致的情形值得重点讨论。

4.1 理论分析

程永锋等人以地震作用下单自由度体系的反应为例，通过分析加速度反应放大系数随频率的变化来说明共振拍波频率对设备抗震性能的影响[7]。地震作用下单自由度体系的动力学微分方程可写为

式中：m、c、k为等效结构的质量、阻尼和刚度；x¨s、x˙s、xs分别为结构相对于地面的位移、速度和加速度；x¨g为地震加速度。在频域中可以得到地震加速度反应放大系数Ra如下[7，20]：

式中：ω为地震动频率；ωn为结构的固有频率，可表示为为结构阻尼比，可表示为

图7表示的是加速度放大幅频关系曲线，从图中可以看出，当地震动频率与结构频率吻合时，结构的加速度反应达到顶峰，结构的阻尼比越小，放大效应越明显，ζ=0.05时，Ra为10.05，而当ζ=0.02时，Ra可达25.02，750 kV的电气设备阻尼比普遍都在0.05以下，甚至低于0.02。所以对750 kV的设备而言，地震动频率一旦偏离结构频率一定范围，结构的地震反应便急剧地减弱。表4展示了ζ分别为0.02和0.05时，地震频率与结构频率接近度对设备地震反应的影响。由表中所列数据可知，若地震频率与结构频率比值为1.1，近似于本文中振动台试验后设备频率与共振拍波频率之比，则ζ为0.02和0.05的单自由度结构地震加速度反应放大系数分别为地震频率与结构频率一致时的18.68%和42.19%。

图7 加速度幅频曲线Fig.7 Acceleration amplitude-frequency curve

表4 单自由度体系Ra与ω/ωn关系Table 4 Relation betweenRaandω/ωnfor single degree of freedom system

4.2 数值分析

为进一步研究共振拍波的频率与750 kV电气设备地震响应的关系，建立750 kV避雷器和绝缘子的数值模型见图8。建模时采用3节点梁单元模拟设备套管和法兰，法兰参数依据等效弯曲刚度原则确定[5，8]，均压环及附属结构运用集中质量单元模拟，对设备底部施加全约束。通过模态分析可得750 kV避雷器模型的一阶频率为1.93 Hz，与表3中的试验值相比误差不超过2.2%，750 kV绝缘子模型的一阶频率为4.45 Hz，与表3中的试验值相比误差不超过6.5%。

图8 750 kV设备数值模型Fig.8 Numerical models of 750 kV equipments

通过以不同频率的共振拍波对设备进行动力时程仿真，可分析输入的共振拍波频率与设备固有频率的偏差程度对设备地震反应的影响。构造不同频率的共振拍波作为仿真输入，拍波的频率分别取设备一阶频率的0.8倍～1.2倍，间隔0.05倍频，计算得到各共振拍波作用下设备的响应见图9。

图9 拍波频率-设备地震反应关系仿真结果Fig.9 Simulated relation between beat wave frequency and seismic responses

由仿真数据可知，当拍波频率与设备频率重合时，设备地震响应最大；当拍波频率偏离设备频率时，设备地震响应随着频率偏离程度的加大而降低。当拍波频率为设备频率的1.1倍时，750 kV避雷器的最大加速度、最大应力、最大位移与共振时相比减小幅度分别可达24.32%、26.51%、29.14%，750 kV绝缘子的最大加速度、最大应力、最大位移与共振时相比减小幅度分别可达24.35%、26.75%、26.33%，可见，若设备频率降低导致无法与拍波形成完全共振，设备地震响应降低较为明显。

4.3 仿真与试验结果对比

将振动台台面输出的各时程波形作为输入进行仿真，并将计算结果与试验结果对比，同时据此考察共振拍波在750 kV电气设备抗震试验评估中的适用性，设备有限元模型的计算应力与试验实测应力对比见表5。

由表5可知，以Elcentro波、Landers波和人工标准波为输入的模拟计算应力结果与试验值的相对误差较小，吻合度令人满意，说明了有限元模型的有效性和准确性。误差主要来源于建模时的简化，如设备法兰连接处的刚度等效简化和设备顶部均压环的质量等效简化等，以及有限元计算过程中的数值求解误差。几种地震输入中，计算结果误差最大的为共振拍波，相对误差超过了18%，主要是因为共振拍波工况试验过程中，设备频率降低最为明显，而设备频率变化导致共振拍波未与设备产生共振，因此较之其他工况，非线性特性对共振拍波工况试验结果产生的影响也最大，导致实测应力远小于计算结果。由此可见，采用共振拍波进行设备抗震试验时，若试验中设备频率发生变化，则会在很大程度上影响抗震性能评估结果的准确性。

表5 设备实测应力与计算应力对比Table 5 Comparison of testing stress and simulated stress

5 结论

通过地震模拟振动台试验，获得了750 kV避雷器和绝缘子在频谱特性不同的地震波作用下的响应，由此分析了不同地震波对750 kV设备抗震评估的适用性。此外，针对设备在试验中所表现出的非线性特性，根据理论分析和有限元仿真，研究了地震动输入共振拍波的频率和设备频率发生偏离时对设备抗震评估结果造成的影响。

1）750 kV避雷器和绝缘子在共振拍波工况前后，一阶频率分别降低了约8%和7%，表现出了非线性特性，试验时，共振拍波频率不能和设备频率保持一致而无法实现共振的目标，因此在750 kV电气设备的抗震试验中，选用共振拍波存在一定程度的局限性。

2）人工标准波的反应谱包络性较强，其卓越频率基本覆盖了超高压电气设备的基频，且适用于非线性特征较为明显的电气设备的抗震试验，其激励效果较好且稳定，试验中两种750 kV设备在人工标准波作用下的地震反应均较强，符合工程选用设备时考核便利统一和厂家标准化生产的需求。

3）在750 kV支柱类电气设备基频分布范围内，实际地震波Elcentro波和Landers波的反应谱幅值波动较大，0.1 g等级Elcentro波工况下的750 kV设备响应较弱，避雷器和绝缘子的最大应力分别仅有4.98 Mpa和3.84 Mpa，Landers波对频率不同的设备激振效果差异较为明显。

4）有限元仿真结果与试验结果吻合度较高，仅共振拍波工况的应力计算相对误差超过18%，说明了设备频率降低影响了拍波工况试验结果的准确性。仿真结果表明，当拍波频率比设备频率大10%时，750 kV避雷器和绝缘子的顶部加速度和根部应力分别为拍波频率与设备频率重合时的24%和26%左右，可见设备频率降低对选用共振拍波进行抗震试验的结果有较大影响。

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Research on Seismic Test of 750 kV Electrical Equipment with Different Seismic Waves

LIN Sen，CHENG Yongfeng，LU Zhicheng，SUN Yuhan，LIU Zhenlin，ZHU Zhubing
（China Electric Power Research Institute，Beijing 100055，China）

In seismic test of electrical equipment，how to select reasonable seismic input remains unclear at present.The seismic responses of electrical equipment under different seismic actions are sig⁃nificantly different，which brings great difficulty to accurate estimate for the seismic behavior of electrical equipment.In order to study the influences of seismic wave inputs with different spectrum characteristics on the seismic performance evaluation of 750 kV electrical equipment，shaking table tests of 750 kV post insulator and arrester are carried out using resonance beat wave，artificial standard wave，Elcentro wave and Landers wave.The equipment’s fundamental frequency reduced during the test，which implies that adopting resonance beat wave cannot reach the purpose of resonance.Under the actions of Elcentro wave and Landers wave，the seismic responses of electrical equipments with different frequencies varied from strong to weak.Because of outstanding spectral envelope characteristic，exciting effect of artificial stan⁃dard wave is desirable and stable.In consideration of nonlinear characteristic of 750 kV electrical equip⁃ment is confirmed by the test，the influence of deviation between the resonance beat wave frequency and the equipment frequency on the evaluation results of the equipment seismic performance is investigated by theoretical analysis and finite element simulation.The comparison between finite element analysis re⁃sult and experimental result indicates a good agreement.This work provides the basis for the seismic test of extra-high voltage（EHV）electrical equipments.It also provides safeguard for seismic safety of EHV substation.

EHV；electricalequipment；shakingtabletest；seismicperformance；inputseismicwaves

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.06.023

2017-05-13

林森（1987—），男，博士，主要从事电力设施抗震及减隔震研究。