刘振林,卢智成,孟宪政,韩　嵘

(中国电力科学研究院,北京 102401)



用于高压电气设备的剪切型铅减震器性能影响研究①

刘振林,卢智成,孟宪政,韩嵘

(中国电力科学研究院,北京 102401)

作为重要的电气设备抗震技术产品,剪切型铅减震器能够有效降低电气设备的地震响应。但随着电气设备电压等级的提高,设备结构规格不断增大,其地震作用力显著增大,对电气设备安装的减震器性能提出了更高要求。通过剪切型铅减震器的低周反复加载试验研究,分析其受力模型,对比减震器在不同加载频率下的力学和阻尼耗能性能,并根据试验结果提出优化工艺,进一步提高减震器性能,为电气设备抗震能力的提高提供更可靠的技术保障

电气设备; 剪切型铅减震器; 加载频率; 性能分析; 屈服力; 有效阻尼比

0　引言

强烈地震是重大的灾害源,历史上地震灾害曾多次对国内外电力设施造成巨大破坏,严重影响人民生命财产安全。震害调研结果表明,地震中变电站内瓷质设备或含瓷质套管的设备破坏现象严重,其震害特点主要为瓷套/柱断裂破坏[1-3]。虽然瓷质电气设备能够较好地满足电气功能和长久稳定运行等要求,但由于瓷是脆性材料,其抗弯性能较差,加之设备的细高型结构形式,地震时瓷套的根部会承受较大的弯矩作用。这类电气设备的固有频率在地震波的卓越频率范围(1～10 Hz)内,且阻尼较小,一旦接近共振频率,动力放大作用将显著增大,使得瓷套由于强度不足而发生断裂,造成严重损坏现象[4-5]。因此提高电瓷型电气设备的抗震能力是提升电力系统抗震安全能力的关键。

我国地震区划和电气设备抗震分级结果表明,电力系统作为重要的生命线工程,对其设备的地震危险性与安全性要求较高[6-7]。而瓷质电气设备受到制造工艺复杂、成本高等因素制约,很难通过设备结构自身改造来显著提高其抗震能力。减震技术由于原理清晰、吸能耗能效果显著已广泛应用于结构抗震设计中[8]。根据减震技术产品特点,应用于电气设备的减震器需在较小的位移下发挥作用,阻尼力可达到一定数值来耗散地震作用能量[9]。剪切型铅减震器耗能高、体积小,能够较好地适用于正常运行环境要求高、整体布置空间有限的电气设备,且具有安装简便、日常免维护等特点[10]。国内多位学者对剪切型减震器进行了研究[11],并通过地震模拟振动台进行了试验验证[12-13],使其在变电站电气设备中得到了应用。

随着电气设备结构尺寸与重量的增大,设备的地震响应也随之增大[14-16],对其使用的减震器性能提出了更高要求。为研究剪切型铅减震器在随机地震作用下的性能,本文进行减震器在不同加载频率下的低周反复拉伸性能试验,分析其在不同试验工况下的滞回性能,并根据试验结果进行减震器加工工艺优化,使优化后的减震器主要性能指标得到显著提升,以期为电气设备地震灾害防御提供更好的技术保障。

1　铅减震器介绍及试验工况

金属减震器利用金属屈服耗散地震能量,电气设备所用减震器的核心耗能材料为铅金属,受剪切力作用,其基本原理图如图1所示。铅的基本物理特性如表1所列。由于铅的熔点仅为327.4 ℃,且刚度与强度较低,加之具有面心立方体结构特征,使其具有较高的延性和柔性,故在变形过程中可以吸收大量的能量,并有较强的变形跟踪能力。受力结束后动态回复与再结晶过程可同时发生,在应力作用下会产生持久的蠕变行为,其组织和性能可恢复到变形前状态,使其成为抗震、控震的优选材料之一[17]。

图1　剪切型铅减震器受力原理图Fig.1　Mechanical principle diagram of the shear lead damper

表1　纯铅的主要物理性能与典型力学性质[17]

根据变电站支柱类电气设备结构形式与地震作用特点,将减震装置布置在支柱类电气设备结构底部和设备坐落的支架顶部间(图2)。正常使用时发挥刚性螺栓功能,当地震发生时利用该减震器的结构形式与材料性能,增大原有电气设备结构体系的阻尼。减震器的屈服行为能够延长结构的自振周期,使结构避开地震动的卓越频率范围,同时其耗能特性较好地吸收和耗散从基础传递来的地震动能量,迅速衰减设备结构体系的地震响应,将大部分地震能量吸收并耗散在减震器中,从而保护电气设备结构体系。因此减震器本身的性能是至关重要的。

图2　电气设备用减震器安装示意图Fig.2　Installation of the damper used in electric equipment

1.1试验目的与研究方法

减震器的减震效率受其上部的电气设备动力特性影响。由于地震是随机荷载,其作用频率也时刻变化,在以往减震器的性能分析时常采用固定的频率进行加载,而剪切型铅减震器理论上属于位移相关型减震器,即其滞回力学性能不受加载频率影响。为全面研究铅减震器的动力特性,分析其力学性能与耗能性能在不同频率作用下是否存在差异,需开展减震器在不同加载频率下的性能比较研究。

减震器内部铅耗能为剪切受力,但安装抗震受力为拉伸式,其性能测试可采用万能疲劳试验机进行。图3为试验件,采用立式加载方式。减震器在试验机的安装方式如图4所示。在减震器的两端焊接试验用连接板,通过螺栓固定在试验机上。

图3　减震器试验件Fig.3　Damper specimen

图4　试验加载仪器Fig.4　Test loading equipment

试验过程中,试验机的加载臂将通过加载板驱动挤压轴产生运动。试验机主要由SDM100型动静疲劳试验机、伺服加载控制系统、量测系统和计算机数据采集系统组成。试验采用正弦波位移控制加载,根据电气设备结构特点,试验选取频率为1、3、5及7 Hz、幅值为±3 mm的正弦波。绘制低周反复滞回曲线,确定关键参数(初始屈服力、最大屈服力、屈服刚度、滞回环面积及等效阻尼系数)。

1.2试验测试结果

试验测得的滞回曲线结果如图5所示。由滞回曲线可见减震器为拉压同性,即曲线沿加载原点对称;初始循环加载时滞回曲线环较大,随着加载的稳定,滞回曲线环逐渐缩小至内环稳定范围,加载频率越大滞回曲线内外环差距越明显。由于减震器结构参数一致,得到的不同加载频率下减震器滞回曲线形状大体相同,且滞回环均出现了“缺口”,即在试验卸载的过程中出现了位移与加载力的不合理变化。

1.3试验结果分析

由试验所得滞回环的形状可知,剪切型铅减震器的恢复力模型较符合双线性模型(图6)。将该模型中连接原点与滞回曲线峰值点的直线斜率定义为有效刚度ke,

(1)

其中:dy为屈服位移,

(2)

滞回环面积(每次循环所消耗能量值):

Wd=4Qd(do-dy)

(3)

有效阻尼比βe:

(4)

图7为试验Py与Pmax对比图,在加载幅值约为0.4 mm后出现屈服。试验测得减震器的屈服力均随加载频率的增大而增大,该现象符合材料力学性能试验与加载力速率的基本变化关系。各试验中Pmax较Py高3.98%～9.65%,刚度ku屈服前为114.52～119.43 kN/mm,屈服后为1.05～1.17 kN/mm。减震器在拉压屈服后表现出一定的强化现象,但刚度较小,约为屈服前刚度的1%,即滞回环较为饱满,耗能性能良好。

图5　减震器在不同加载频率下的试验滞回曲线Fig.5　Experimental hysteresis curves at different loading frequencies

图6　双线性(折线型-应变硬化)模型Fig.6　Bilinear (broken-line and strain-hardening)model

相较于理论双线性模型,试验测得的滞回环在卸载时出现了“缺口”。滞回环面积Wd不易采用公式计算得到,可通过试验实测数据进行积分得到,积分时滞回环选用内环稳定状态的数据。进一步根据式(4)计算得到有效阻尼比βe，计算结果如图8所示,Wd积分计算值为283.98～392.85 kN·mm,βe为40%～43%。

图7　屈服力结果对比Fig.7　Comparison of yield force

不同加载频率下结果对比可见:Wd及βe值在1 Hz与3 Hz加载时较为接近；而至5 Hz、7 Hz时,随着加载频率的增大Wd显著增大,相邻频率的计算值增大幅度在17%左右,而此时βe随着加载频率的增大略有增大,但差距较小。

图8　有效阻尼比结果对比Fig.8　Comparison of effective damping ratio

通过以上分析可知,不同加载频率对剪切型铅减震器的力学性能结果有所影响,进而影响耗能大小,但对有效阻尼比影响较小。

2　剪切型铅减震器性能优化研究

2.1加工工艺优化

针对上述试验测得的滞回曲线出现“缺口”现象,分析其原因是由加工工艺引起的,为此提出新工艺方案。为检验新工艺性能,新制1个减震器,型号与前述试验一致,加载频率为3 Hz,幅值为±3 mm。

2.2试验结果分析

图9为试验测得的新工艺减震器试验滞回曲线,可见新减震器在进行拉伸性能试验时,其滞回曲线无明显的“缺口”,与理论双线性模型曲线更为接近,即滞回环更为饱满,表明其耗能将更为优秀。

图9　新工艺减震器试验滞回曲线Fig.9　Experimental hysteresis curves of the improved damper applying a new technology

进一步分析新工艺制作的减震器性能参数的试验数据,比较1.3节3 Hz试验分析结果,对比结果如表2所列。由结果可知采用新工艺制作的减震器在力学性能指标、耗能和有效阻尼比大小上均有显著提高。

表2　工艺改进前后试验分析结果对比

3　结论

(1)剪切型减震器的受力模型为双线性模型,屈服前刚度为114.52～119.43 kN/mm,屈服后为1.05～1.17 kN/mm,有效阻尼比计算值为40%～43%;

(2)试验加载频率为1 Hz和3 Hz时,减震器的力学与阻尼性能基本一致,当加载频率进一步加大时,试验的初始屈服力、最大屈服力及滞回环面积均随加载频率的加大而增大,但有效阻尼比基本不受加载频率的影响;

(3)通过改进加工工艺,新工艺生产的减震器在力学性能、耗能指标及阻尼特性上均有显著提高,其吸能耗能性能也得到了进一步改善。

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Performance of a Shear Lead Damper Applied to High-voltage Electrical Equipment

LIU Zhen-lin,LU Zhi-cheng,MENG Xian-zheng,HAN Rong

(China Electric Power Research Institute,Beijing 102401,China)

An excellent electrical technology product,electrical porcelain is widely used in power equipment. But during several earthquake research studies,we found that porcelain power equipment is highly vulnerable to earthquakes and any anti-seismic performance is difficult to enhance by means of structure optimization. As an important piece of seismic technology,the shear lead damper can effectively reduce the seismic response of electrical equipment. Nevertheless,the larger the electrical equipment,the stronger the seismic force that the electrical equipment can bear,which leads to a high demand for lead dampers. A low cycle reverse-loading experiment on a shear lead damper was conducted and the mechanical and damping characteristics at loading frequencies of 1 Hz,3 Hz,5 Hz and 7 Hz analyzed. The hysteresis curves at different loading frequencies indicated that the restoring force model of the shear lead damper conforms to bilinear model modality; the pre-yield stiffness was 114.52～119.43 kN/mm,the post-yield stiffness 1.05～1.17 kN/mm,and the effective damping ratio value 40%～43%. When the loading frequency increased to 5 Hz or 7 Hz,the mechanical and damping properties of the shear lead damper were basically consistent with those at 1 Hz and 3 Hz. The initial and maximum yield forces,and the hysteresis loop area of the test increased with increased loading frequency,but the effective damping ratio was unaffected. The hysteresis loops from the 4 tests were not full and round,which affected the dissipation capacity of the damper and may be caused by the processing technology. According to the test results,the processing technology was optimized. The test hysteresis loop of an optimized damper was full,and the indexes of mechanical properties and energy consumption,and the damping characteristics all increased. All of the above can improve the performance of the damper and provides reliable technical support for the improvement of the seismic capacity of electrical equipment.

electrical equipment; shear lead damper; loading frequency; performance analysis; yielding force; effective damping ratio

2015-11-18

刘振林(1987-),男,硕士,工程师,研究方向为电力系统抗震可靠性与减震技术研究。E-mail:liuzhenlin@epri.sgcc.com.cn。

TU352.1+1

A

1000-0844(2016)04-0564-06

10.3969/j.issn.1000-0844.2016.04.0564