变压器及套管隔震层的设计与选择

变压器及套管隔震层的设计与选择

0隔震层的设计及研究的基本内容地震中大型能源装置的破坏类型多样，容易破坏，容易损失，具有高灾后恢复难度大、恢复周期长、恢复成本高等特征。已有研究表明,减少变压器及套管震害的关键是降低变压器及套管体系的加速度响应。变压器及套管隔震体系是在变压器油箱底部与基础之间设置一个隔震层,形成一个复杂结构的隔震体系,该体系主要由上部结构(油箱、套管、散热器及附属设施等)、隔震层、下部结构或基础组成。与上部结构的刚度相比,隔震层的刚度很小,地震中整个结构体系的水平变形将主要集中在隔震层。隔震层的变形隔离了传向上部结构的地震动力,地震地面运动的能量大部分被隔震层吸收,上部结构的加速度、内力等动力反应相应降低,变压器及套管等上部结构基本处于整体平动的状态,这就在地震中保护了变压器及套管体系的本体结构,也降低了变压器内、外部电气装置等附属设施的加速度响应,从而提高了地震作用下变压器及套管体系的抗震可靠性。隔震技术是通过调整隔震层的刚度、阻尼等参数,延长结构体系的周期,从而达到降低结构或设备的加速度、内力等地震响应。一般来说,随着隔震层刚度的降低,结构在地震作用下的位移随之增大。变压器及套管体系作为电力系统的重要电气设备,不仅要降低地震作用下上部结构的加速度、内力等响应,还要很好地限制其位移响应,位移过大可能导致电气绝缘距离、套管导体拉坏设备等新问题的出现。为此变压器及套管体系的隔震系统必须同时具有竖向承载能力、抗倾覆、小变形、优越的隔震性能及自动复位和阻尼耗能等5个方面的能力。由于变压器结构特点、功能等方面的特殊要求,要求隔震后的变压器位移增大幅度较小的情况下,大大衰减地震的加速度响应。因此,变压器与建筑、桥梁和普通设备结构的隔震设计有较大的差别。合理选择隔震层设计方案及隔震层参数,可有效降低变压器油箱及套管的加速度、内力等反应,并有效地控制隔震层及套管顶部的位移。但无论变压器与套管隔震体系的隔震层布置方式如何,都体现在隔震层的恢复力模型上,只要隔震层的恢复力模型相同,不同的隔震层布置方式具有相同的隔震效果。对于变压器及套管隔震体系的吨位小且具有多频子结构的特点,其隔震层的合理参数范围、变压器及套管隔震体系的地震响应随其参数的变化规律等问题值得探讨与研究。本文建立了变压器及套管体系的数学模型,编写了地震作用下该分析模型的数值计算程序,开展了地震作用下变压器及套管隔震体系的动力时程分析和隔震层参数影响分析,提出了合理的隔震层参数范围,对今后变压器隔震设计与应用有较好的参考作用。1变压器及套管隔震体系的简化地震响应分析图1(a)为本文设计的变压器及套管隔震体系结构组装图,其结构外形尺寸为:长3.524m,宽2.424m,高3.172m,变压器及套管体系的装配总重为45315kg。在油箱外壳上分别安装220、500kV油浸纸电容式变压器真型套管各一根,通过法兰盘安装在升高座上,安装角度分别为30uf0b0和12uf0b0,套管内注满绝缘油。在油箱底部布置隔震支座,形成一个隔震层,组成变压器及套管隔震体系。变压器套管相对油箱来说是较为高柔的子结构,在地震作用下,套管与油箱之间具有相对运动;变压器套管通过导线与其相邻电气设备相连,为了限制变压器套管顶部的位移,隔震层水平刚度往往不能设计的太小。基于以上2点,在对变压器及套管隔震体系进行简化地震响应分析时,不可忽略套管与油箱之间的相对运动,通常将油箱、油枕和散热器等结构简化为一质点,而将套管等效为多质点或单质点体系进行分析。图1(b)为变压器及套管隔震体系的三质点分析模型,分别将220、500kV套管简化为质量为689kg的单质点m1和质量为2813kg的单质点m2,将油箱等结构简化为质量为41813kg的单质点m0;keq、ceq分别为隔震层的等效水平刚度和等效阻尼系数,当keq无穷大时,代表油箱底部为刚性连接,即传统的抗震模型;k1和k2分别为220、500kV套管及升高座的综合抗弯刚度(本文是根据文献测试得到的套管自振频率,反推得到套管及升高座的综合抗弯刚度)。根据达朗贝尔原理,可建立地震作用下变压器及套管隔震体系多质点分析模型的运动方程:式中:为地震时地面运动加速度;分别为各质点的位移、速度和加速度向量分别为隔震体系的质量、刚度和阻尼矩阵。gx(5)(5)当不考虑变压器及套管隔震体系上部结构的阻尼时,M、K、C可表示为以下形式:变压器的隔震系统一般由不同型式的隔震支座组合而成,而不同型式的隔震支座的恢复力模型一般可用线性和双线性模型来描述,如普通叠层橡胶隔震支座的恢复力曲线为线性的;高阻尼、铅芯橡胶隔震支座为双线性的;摩擦滑板支座为理想弹塑性的;而弹性滑板支座是理想双线性模型。双线性模型是应用较为普遍的隔震层力学模型(见图2),主要是用屈服前刚度ku、屈服后刚度kd及屈服力Qd等3个参数来描述隔震系统的非线性恢复力特性。对图2中的荷载位移滞回曲线进行等效线性化,可得到模型的等效水平刚度keq和等效阻尼比uf078eq。连接原点与滞回曲线峰值点直线斜率定义为等效水平刚度keq,令Qd(28)fy-kddy,则其中dy为屈服位移,计算如下:式中:fy、d0分别为屈服点的荷载和双线性回复力模型任意点的位移。2等效分析模型的应用基于纽马克uf062法和威尔逊uf071法的数值积分格式具有计算稳定性较好的特点,在工程领域应用较广泛,本文采用Matlab语言编写了变压器及套管体系多质点分析模型的计算程序,隔震层的恢复力模型为任意多线性折线模型。分别输入峰值为0.4g(其中g(28)9.8m/s2)的人工波、Taft波,分析隔震层恢复力模型分别为线性与双线性2种最简单的情况下,变压器及套管隔震体系简化三质点的地震反应。隔震层线性分析时隔震层等效水平刚度keq=2.92kN/mm,隔震层的等效阻尼比xeq=10%,等效粘滞阻尼系数由于上部结构的相对运动较小,阻尼较小,对隔震体系地震响应的影响也较小,分析时可不考虑上部结构的阻尼。可计算得到隔震体系的自振频率f=1.27Hz,图3为人工波、Taft波输入下,220、500kV套管顶部的加速度响应。可见,虽然隔震层的刚度较大,隔震体系的自振频率较高,但隔震后变压器套管的加速度响应较抗震时还是有较大的衰减,尤其是人工波减震效率更为明显。在Taft波作用下,加速度减震效率有限,且其位移响应有较大的放大,500kV套管顶部的相对位移响应达到101.30mm。隔震层双线性分析时:隔震层屈服后刚度keq(28)1.6kN/mm,屈服前刚度ku(28)10kd,折减系数为10%,屈服力Qd(28)56kN。图4为人工波、Taft波输入下,220、500kV套管顶部的加速度响应。分析发现,采用双线性分析模型时,不仅套管顶部的加速度响应得到了很好地控制,500kV套管顶部的最大位移响应也仅有48.39mm。通过对变压器及套管隔震体系三质点分析模型的地震反应分析,对比变压器抗震分析所得到的地震响应可知:合理采用基底隔震设计方案,可有效降低地震作用下变压器套管的加速度响应;另外,由于采用双线性模型的滞回耗能曲线丰满,耗能能力强于等效线性模型的粘滞阻尼,双线性分析模型不仅很好地降低了套管的加速度响应,也有效地控制了套管的位移响应;变压器及套管隔震体系在Taft波输入下的地震响应衰减率小于人工波,可见隔震体系的地震响应与地震输入关系密切,同时也表明,隔震层参数的合理设计是有效控制变压器及套管隔震体系地震响应的关键。3加速度、位移响应通过分析变压器及套管隔震体系的地震响应随keq的变化规律,可确定keq的合理设计范围。分析时不考虑上部结构的阻尼,并取隔震层的阻尼比假设keq(28)0.05~20kN/mm时,即隔震体系自振周期Teq(28)0.28~5.7s之间变化时,可得到不同keq时,地震作用下变压器及套管隔震体系加速度、位移响应峰值。图5、6分别为峰值为0.2g的人工波与Taft波输入时,变压器及套管隔震体系加速度、位移响应峰值随Teq变化的曲线。由图5、6可知,变压器油箱、220kV、500kV套管的加速度响应峰值在Teq(28)1s之前下降幅度很大,在Teq(28)1~2s之间趋于平缓,而在Teq(28)2s之后,加速度响应峰值基本趋于直线;变压器油箱、220kV、500kV套管的位移响应峰值基本随Teq的增大而增大,但Teq达到一定程度后,位移响应具有一定的下降趋势;Tequf0b31.5s之后,变压器油箱、220kV、500kV套管加速度、位移响应较为接近,近似为整体平动。因此变压器及套管隔震体系的Teq合理设计范围为1~2s。4加速度响应与隔震层阻尼比的关系一般情况下,隔震层等效阻尼比对隔震结构地震响应有较大的影响。分析隔震层阻尼比对变压器及套管体系的地震响应影响时,不考虑上部结构的阻尼,并取隔震层水平等效刚度keq=0.41kN/mm,即隔震层的自振周期Teq=2.09s。当在0.5%~50%之间变化时,可得到不同时,地震作用下变压器及套管隔震体系加速度、位移响应峰值。图7、8分别为峰值为0.2g的人工波与Taft波输入时,变压器及套管隔震体系加速度、位移响应峰值随uf078eq变化的曲线。从位移响应看,无论是人工波还是Taft波,变压器油箱、220kV、500kV套管的位移响应均随的增大而减小,当时,其位移响应下降速度很快,当时,位移响应下降速度有所缓和,但三者的位移响应值基本一致;而从加速度响应看,随隔震层阻尼比的增大,不同的地震输入时变压器油箱、220kV、500kV套管的加速度响应峰值的变化规律有所不同。人工波输入时,在时,随的增大,变压器及套管的加速度响应下降,在后,随的增大,变压器及套管的加速度响应也增大。而在Taft波输入时,油箱的加速度反应随的增大而减小;220kV套管的加速度反应开始时随的增大而减小,在时,对220kV套管的加速度反应的影响不大,时,220kV套管的加速度反应随的增大而增大;500kV套管的加速度反应开始时随的增大而减小,时,500kV套管的加速度反应随的增大变化不大。综上分析,可见隔震层等效阻尼比可有效降低变压器及套管的位移响应;而随增大,变压器及套管的加速度响应与输入地震波有密切关系,不同地震输入下,体现出不同的变化特点;另外,随着增大,变压器及套管体系的加速度响应有增大的情况也有减小的情况,因此在设计隔震层的阻尼时,不可为了降低隔震层的位移,一味增大阻尼,否则有可能放大结构的加速度反应。分析表明,变压器及套管隔震体系隔震层等效阻尼比在15%~25%之间较为合理。5参数评价模型的参数5.1不同屈服剪力系数及结构自适应对比从图2双线性恢复力模型可以看出,影响其滞回性能的主要参数为屈服前刚度ku、屈服后刚度kd及屈服力Qd。一般来说,kd值可以精确地从试验所得的滞回曲线上得到,而ku值通常通过目测或经验取值方法确定。本文假定ku(28)10kd,分析Qd及kd2个关键参数变化对变压器及套管隔震体系地震响应的影响。变压器及套管隔震体系隔震层在满足竖向荷载长期作用的情况下,应具有一定的初始水平刚度或屈服力,能满足正常运行荷载(如风荷载、电动力荷载或励磁振动、各类操作荷载、安装荷载)下隔震层不发生屈服,基本处于弹性状态,隔震层基本不发生作用;但在地震作用下又要求隔震层发生屈服,发挥隔震耗能的作用。因此隔震层的屈服力Qd的取值是隔震层设计较为关键的因素之一。屈服剪力系数as为隔震层屈服力Qd与结构自重G的比值。分析隔震层屈服力Qd对变压器及套管隔震体系地震响应的影响时,假定采用比例阻尼考虑上部结构的阻尼(阻尼比取2%),隔震层的屈服后刚度kd(28)1.6kN/mm,ku(28)10kd,当Qd在0~100kN之间变化时,可得到不同屈服剪力系数as时,地震作用下变压器及套管隔震体系加速度、位移响应峰值。图9、10分别为峰值为0.4g的人工波与Taft波输入时,变压器及套管隔震体系加速度、位移响应峰值随as变化的曲线。由图9、10可知,从加速度反应来看,随屈服剪力系数as的增大,不同地震作用下变压器及套管的加速度反应均具有递增的趋势,其中变压器油箱加速度响应影响较小,而对500kV套管的影响较大;从位移反应来看,不同的地震输入下,随屈服剪力系数as的增大,变压器及套管的位移反应有一定的差别。人工波输入下,屈服剪力系数asuf0a36%时,变压器及套管的位移反应均有较大的衰减趋势,而asuf0b36%时,变压器油箱及220kV套管的位移反应衰减趋于平缓,而500kV套管的位移反应却有增大的趋势;人工波输入下,屈服剪力系数asuf0a315%时,变压器及套管的位移反应均有一定的衰减趋势,而asuf0b315%时,变压器及220kV套管的位移反应衰减趋于平缓,而500kV套管的位移反应却有增大的趋势。综上所述,变压器及套管隔震体系的合理屈服剪力系数as设计范围应在6%~10%之内。5.2按不同刚度k双线性恢复力模型中的kd对keq影响较大,因此对隔震体系的地震响应也有较大的影响。分析kd对变压器及套管隔震体系的影响时,假定采用比例阻尼考虑上部结构的阻尼(阻尼比取2%),隔震层的屈服力Qd(28)56kN,即as(28)12.5%,ku(28)10kd。当kd在0~10kN/mm之间变化时,可得到kd不同时,地震作用下变压器及套管隔震体系加速度、位移响应峰值。图11、12分别为峰值为0.4g的人工波与Taft波输入时,变压器及套管隔震体系加速度、位移响应峰值随kd变化的曲线。由图11、12可知,从加速度反应来看,随着屈服后刚度kd的增大,在不同地震作用下变压器套管的加速度反应均具有递增的趋势,但上升幅度较为平缓,其中对500kV套管的影响较对220kV套管的影响大;从位移反应来看,在屈服后刚度kduf0a31.0kN/mm时,随kd的增大,在不同的地震输入下,变压器及套管的位移反应有衰减速度较快,但kduf0b31.0kN/mm时,随kd的增大,变压器及套管的位移反应变化不大,当kd增大到一定程度时,500kV套管的位移响应还有增大的趋势。可见,隔震层的屈服后刚度kd的取值过大,加速度反应会有一定的放大效应,过小则位移响应值又较大,屈服后刚度kd在0.4~1.0kN/mm间较为合适,对应屈服后隔震体系的自振周期为1.34~2.14s。6变压器及套管隔震层自振周期对加速度响应的影响本文建立了大型电力变压器及套管隔震体系的多质点分析模型,采用Matlab程序编写了该分析模型的数值计算程序。分别输入人工地震波和Taft地震波,开展了变压器及套管隔震体系的地震响应分析;另外,开展了隔震层等效水平刚度keq、等效阻尼比uf078eq、双线性恢复力模型的屈服剪力系数as及屈服后刚度kd等参数的地震响应影响分析。通过上述分析,可得到以下结论:1)地震反应分析表明,合理设计变压