145 kV交流接地開關數值分析及振動臺試驗

鞠升輝,張 任,李付永,趙夢坡,李 偉,候永威

(1. 河南平高電氣股份有限公司,河南 平頂山 467000; 2. 北京航空航天大學 生物與醫學工程學院,北京 100191)

0 引言

隨著特高壓網絡的建設完善,電力系統的互聯互通,高壓電氣設備一旦遭到破壞,其將造成波及范圍廣、破壞程度深的重大經濟損失。地震作為不可抗力的自然災害,是造成電力設施遭受嚴重破壞的情況之一[1-3],因此在工程設計時,應謹慎分析評估設備的抗震性能。

高壓交流接地開關作為高壓交流隔離開關的一種,其主要作用是在停電檢修時可靠接地,特別適用于同塔雙回路或臨近平行布置的輸電線路,可有效預防感應電荷對運維人員的傷害。高壓交流接地開關廣泛應用于環境條件惡劣的戶外變電站,如高溫、高濕、鹽霧、冰凍、污穢和地震等自然條件。其中,地震所造成的高壓開關瓷瓶的斷裂[4-6],對電網和電力系統的破壞尤為嚴重,是產品設計時不可忽視的考量因素。

目前,開展高壓電氣設備抗震性能的主要手段為地震模擬振動臺試驗和數值仿真,其中振動臺試驗是檢驗電氣設備抗震性能最為有效的方法與手段,能直觀復現地震作用全過程[7]。張軍等[8]進行了220 kV絕緣子及避雷器的振動研究。程永峰等[9]展開了避雷器與互感器的振動臺抗震試驗。柏文[10]開展了地震過程中軟導線連接的瓷柱式開關設備振動臺模擬地震試驗。然而,大量的研究圍繞通過數值仿真預測結構能否通過抗震試驗的考驗,以及圍繞結構的動力學特性展開[11-15],固然,這些是研究的要點,需重點關注,而振動臺試驗對結構機械性能及壽命的影響,則關注較少。高壓開關設備價格往往較高,若進行過地震模擬的振動臺試驗就將設備報廢,則會產生高昂的經濟費用。因此,對于能夠通過振動臺試驗的設備,需對其進行有效評估,判斷機械性能是否受到影響。

文中以145 kV三相機械聯動瓷質絕緣子接地開關為研究對象,進行數值仿真并開展地震模擬振動臺試驗,討論了在地震波作用下的頻率特性,發現: A/B/C三相均會繞X、Y軸擺動,同時A/C相會圍繞B相軸線旋轉,B相無明顯旋轉,從而使3個底座處的應力分布產生一定差異;確定接地開關的易損部位、最大應力及抗震性能;對比分析數值仿真與振動臺試驗結果可知,在滿足安全系數要求時,數值仿真結果可作為接地開關能否通過試驗的初步判據。文中進一步提出一種用于評估振動臺試驗對設備機械性能及壽命影響的方案,進而分析振動臺試驗是否產生影響。

1 研究概況

本文研究4 000 mm×800 mm×5 260 mm(長×寬×高)的三相機械聯動高壓交流接地開關,總質量1.235 t,從上至下分別為接線端子、支柱絕緣子、底座及傳動機構、地刀桿、縱梁以及鋼支架。該高壓交流接地開關結構示意如圖1所示。從左至右分別為A/B/C三相,各相結構類似并固定在底座上,相鄰兩相之間通過相間連桿連接,從而實現三相機械聯動。接線端子為鋁合金板材,地刀桿為鋁合金型材,支柱絕緣子為高強瓷,支柱絕緣子上下法蘭為球墨鑄鐵,底座與傳動機構、縱梁、鋼支架的材料均為普通鋼材,接地開關設備材料參數如表1所示。

圖1 接地開關結構型式Fig. 1 Structural type of earthing switch

表1 材料參數Table 1 Material parameters

2 數值仿真

2.1 模態頻率特性分析

瞬態動力學方程為:

(1)

采用Solidworks對接地開關進行三維建模并利用ANSYS Workbench進行數值仿真分析,材料屬性如表1所示。其中,絕緣子采用六面體Solid186單元,法蘭、鋼支架采用六面體Solid185單元,其余零部件多為機加工和多種結構件焊接結構,采用四面體Solid187單元,固定接觸面之間設置為綁定,鋼支架下底板固定約束。分別得到設備的各階振型與頻率,前3階振型如圖2所示,第一階振型繞Y軸(前后)擺動,第二階振型為A/C相繞B相的旋轉,第三階振型為繞X軸(左右)擺動。由圖2可知,三相機械聯動的結構型式并不會影響結構在水平方向的擺動,但限制了A/B/C單相繞自身的旋轉,新增邊相A/C繞中間相B的旋轉,從而使3個底座處的應力分布產生一定差異。進一步的分析發現,B相高應力區域前后或左右分布,A/C相則呈現一定扭曲變形,應力大小與分布在設備頂部接線端子結構型式及重量改變時變化較為明顯,試驗時數據采樣需考慮該因素的影響。

圖2 設備振型圖Fig. 2 Vibration modes of the equipment

仿真分析發現,頻率會隨著支架底板采用不同的約束方式而上下浮動,本文盡可能模擬電站實際安裝工況,并多次仿真取平均值。其中沿X方向上第一階頻率為7.0 Hz,沿Y方向上第一階頻率為10.2 Hz。

2.2 生成時程波

數值模擬所采用的地震動輸入是根據規程[16-17]所推薦的標準反應譜[18](取2%阻尼比[19-21])所生成的加速度時程波,標準反應譜對應的地震影響系數曲線如圖3所示,生成的加速度時程波如圖4所示,時程波根據加載工況按比例縮放進行調整。

圖4 試驗用標準時程波Fig. 4 Standard time history wave for the test

2.3 地震響應分析

輸入加速度峰值分別為0.4g(g=9.8 m/s2,下同)與0.5g的標準時程波,對接地開關進行動力學分析。由于絕緣子的破壞應力為70 MPa,遠小于普通鋼鐵與球墨鑄鐵的許用應力,需對絕緣子根部的應力進行計算,校核其安全裕度。仿真發現絕緣子最大應力分布在最下方傘裙根部,確定絕緣子最大應力為18.98 MPa,安全系數3.69(安全系數=破壞應力或許用應力/計算應力,下同);下法蘭最大應力44.56 MPa,安全系數6.51;底座最大應力77.05 MPa,安全系數3.05;均滿足規范不小于1.67的要求[16]。

仿真計算得到的產品頂部接線板位移時程曲線如圖5所示。

圖5 設備頂部接線板位移時程曲線Fig. 5 Displacement of time history curve of terminal block at the top of the equipment

由圖5可知,接地開關產品頂部接線板相對于振動臺臺面在X方向的最大位移為39.43 mm,在Y方向的最大位移為3.85 mm,由于變形較小,在進行電站的設計時,可以忽略位移對相鄰電力設備的牽拉作用帶來的影響;接地開關在不同方向的位移響應具有差異,在X方向的位移變化明顯大于Y方向。

3 振動臺抗震試驗

3.1 振動臺概況

試驗系統為重慶大學振動臺實驗室MTS 6.1 m×6.1 m地震模擬振動臺,標準負荷60 t,最大傾覆力矩1800 kN·m,最大偏心力矩600 kN·m,臺面最大加速度:X方向±1.5g(標準負荷),Y方向±1.5g(標準負荷),Z方向±1.0g(標準負荷)。試品的試驗數據采集系統為NI公司高速動態采集儀,其通道數為128,采樣頻率100～1000 kHz。加速度傳感器為Lance加速度計(±5g)。應變測試采用帶溫度補償的1/4橋路。

3.2 測點布置

試驗所采用145 kV高壓交流接地開關為某特高壓電站所用產品,試驗屬于全尺寸真型試驗,安裝在振動臺上的接地開關如圖6所示(該產品與另一145 kV雙柱水平旋轉型隔離開關一起安裝在振動試驗臺上)。

圖6 安裝于振動臺上的接地開關Fig. 6 Earthing switch installed on shake table

對地震時主要承受彎矩的高壓開關支柱類設備,最常見的破壞形式為套管根部開裂,故在絕緣子根部布置應變片MS_4-1～MS_4-3,同時,在主要受力零部件的關鍵位置支架根部、底座和法蘭布置應變片。針對三相機械聯動A/C邊相底座出現的應力分布的扭曲現象,由于用于本次試驗的結構型式的接地開關頂部接線板重量較小,此現象不是十分明顯,故根據仿真結果在正常測點附近合理設置多個應變片即可獲得最大應變。振動臺臺面上布置加速度計MA_1,用于測試振動臺面的加速度輸出情況,MA_2-1～MA_2-3布置在距離振動臺臺面1m處的鋼支架上,應變片以及加速度計布置情況如圖7所示。

圖7 接地開關測點布置圖Fig. 7 Measuring points arrangement of the earthing switch

3.3 試驗工況

試驗依次交替輸入白噪聲隨機波與標準時程波。標準時程波采用逐級加大的方式,依次輸入峰值分別為0.2、0.4、0.5g的水平加速度,模擬地震試驗前、各工況地震試驗后均進行白噪聲掃頻(對應 1、4、 7、10工況),在臺面X、Y、Z向輸入頻率范圍0.5～50 Hz,加速度峰值為0.09g的白噪聲隨機波,測定試驗前后的自振頻率與阻尼比,用以評估設備是否在模擬地震試驗中損壞,具體加載工況如表2所示。

表2 試驗工況Table 2 Conditions of the test

振動臺試驗所采用的加速度時程波如圖4所示,根據加載工況按比例縮放。

4 試驗結果分析

4.1 模態頻率分析

輸入白噪聲隨機波,記錄接地開關測點的加速度時程數據,通過接地開關在工況1、4、7、10時的動力特性探查設備的傳遞函數,進而獲得接地開關的一階自振頻率如表3所示。試驗后外觀檢查以及隨后返廠拆解無損探傷均發現瓷瓶完好,鋼支架、底座和法蘭等均沒有發生變形與破壞,接地開關可實現分合閘功能,故初步確認設備在振動臺試驗中沒有遭到破壞。

表3 設備自振頻率Table 3 Frequencies of the equipment

振動臺試驗采用工裝固定方式,數值仿真模擬實際安裝工況,故結果存在一定差異。接地開關Y方向為三相機械聯動,存在細微的傳動間隙,也會對頻率產生微弱影響。

4.2 加速度響應分析

依據MA_4-2與MA_1記錄的加速度時程數據,得到工況8、工況9時振動臺試驗加速度幅值譜如圖8所示,設備頂部加速度幅值譜如圖9所示。為了方便分析接地開關的地震響應,引入加速度放大系數,該系數是指所選取點處加速度峰值與臺面加速度峰值的比值,可以反映結構對地震波的放大作用,臺面處比值為1,設備不同部位關鍵測點的加速度放大系數如圖10所示。

圖8 輸出譜與需求譜Fig. 8 Output spectrum and requirement spectrum

圖9 加速度頻譜特性曲線Fig. 9 Acceleration spectrum characteristic curve

由圖可知,輸出譜基本包絡需求譜,滿足試驗的有效性;加速度放大系數最大的部位是絕緣子頂部,支架距離地面1 m處為1.2～1.8,絕緣子支座為1.6～3.9,絕緣子頂部為4.3～9.6。設備第一階自振頻率為6.5,處于地震波卓越頻率(1～10 Hz)范圍內,容易發生共振;隨著輸入地震動加速度峰值的增加,加速度放大系數均呈現增加趨勢,但僅絕緣子頂部的變化尤為顯著,其余部位為緩慢增加趨勢,呈現非線性特征。

4.3 應變響應分析

大量高壓開關設備的地震災害表明,絕緣子根部在地震過程中承受較大的彎曲載荷而易發生斷裂。因此在評估接地開關的抗震性能時,絕緣子根部的應力是重要的考慮因素。通過分布的應變片測點記錄鋼支架、底座、法蘭與絕緣子根部關鍵點的應變時程數據,然后計算即可獲得測點的應力,設備不同工況狀態下的應變如圖11所示。

圖11 不同工況下關鍵測點應變最大值Fig. 11 Maximum strain of the key points in different working conditions

由圖11可知:

1)接地開關的最大應變位于底座與絕緣子下法蘭處,工況5時底座應變達到最大值128,工況9時絕緣子下法蘭達到最大應變為186,根據應力計算公式σ=E·ε/λ,其中E為材料的彈性模量;ε為應變最大值;λ為譜修正系數,依據1.0×設備抗震試驗應力+0.25×風荷載應力+1.0設備自重應力+1.0端子拉應力公式,確定底座、下法蘭、絕緣子的應力如表4所示。

表4 仿真與振動臺試驗結果對比Table 4 Comparison of simulation and shaking table test results

由表4可知,絕緣子的仿真與試驗結果基本一致,法蘭與底座的仿真與試驗結果存在一定偏差。法蘭與底座的最大應力均分布在一片較小的區域內,應變片無法準確與其重合,所粘貼區域的仿真值與試驗值基本吻合。

2)對于帶支架的接地開關,底座和絕緣子下法蘭為抗震的關鍵部位,同時由于絕緣子材料本身較脆弱,其根部也需要重點觀測。隨著輸入加速度峰值的增加,接地開關應變響應呈現非線性變化。例如工況8與工況5相比,工況8輸入峰值加速度為工況5的1.23倍,但底座的應變響應不僅沒有增加,還有所減小。

3)不同方向接地開關關鍵部位的應變響應存在差異。絕緣子下法蘭材料為QT500型球墨鑄鐵,各向同性,由于受接地開關的整體結構影響,其應變(MS_3)在Y軸方向隨著輸入加速度峰值的增加而增加,而在X軸方向,僅在一定范圍內隨著輸入加速度峰值的增加而增加,超過該范圍,隨著輸入加速度峰值的增加而減小。

4.4 機械性能分析

高壓開關設備傳動機構之間存在較嚴格的公差配合及間隙,該部分結構無論是在數值仿真階段,還是振動臺試驗后的外觀檢查中,很難有效分析與及時發現問題,需進行機械性能試驗評估。

該種結構型式的接地開關通過了KEMA認證的IEC62271—102標準條件下的5000次機械壽命試驗,并獲得型式試驗報告。根據試驗報告,該接地開關試驗過程中,85%、100%、110%額定電壓時,電機工作電流如表5所示,啟動電流為最大值,工作電流為平均值。該電流范圍為經試驗驗證的允許范圍。

表5 不同電壓下電機電流Table 5 Motor current under different voltages

依據高壓開關設備行業標準,對振動臺試驗后的設備進行M0級(1000次)機械壽命試驗并記錄相關機械特性,與型式試驗報告中的特性進行比對。設備驅動機構配備三相異步電機,根據電機原理中三相異步電機的電磁轉矩與機械特性知,設備電動機構驅動力矩與電機電壓的平方成正比,故85%額定電壓為極限測試,此時力矩降低至正常的72%,驗證極端條件下設備的機械性能。在電源電壓不變時,電機電流的變化反映了輸入功率的波動,而輸入功率取決于負載大小,可間接反映機械特性。

本次機械壽命試驗采用ACTAS P6開關機械特性測試儀,根據特性測試儀記錄可得:額定電壓下啟動電流、工作電流分別為3.5～3.7A和0.6A,位于允許范圍內;機械壽命試驗后進行85%額定電壓下的分合閘操作的分合閘特性曲線如圖12所示,圖12中曲線平滑無抖動,反映設備分合閘特性平穩。

圖12 分合閘特性曲線Fig. 12 Opening and closing characteristic curve

跟蹤發現,該樣機從2018年投入運行至今,分合閘機械性能與沒有進行地震模擬試驗的產品無明顯差異。

5 結論

1)三相機械聯動的結構型式不會限制A/B/C三相沿水平X、Y方向擺動,但會使A/C相圍繞B相軸線旋轉,B相無明顯旋轉,從而使3個底座處的應力分布產生一定差異,應力大小與分布在設備頂部接線端子結構型式及重量改變時變化較為明顯,數據采樣需考慮該因素的影響,合理設置采樣點。

2)底座與絕緣子下法蘭是接地開關地震時應力最大的部位,在X方向目標加速度峰值為0.4g時,底座組合應力達到最大為69.6 MPa,安全系數為3.38;在Y方向目標加速度峰值為0.5g時,絕緣子下法蘭組合應力達到最大為41.62 MPa,安全系數為6.97;結構的應變響應與輸入加速度峰值呈現非線性變化的特征,且不同方向具有明顯差異。絕緣子根部是易損部位,在目標加速度峰值為0.5g工況下,根部的最大組合應力為18.28 MPa,低于材料的破壞應力,安全系數為3.83。

3)振動臺試驗后依據高壓開關設備行業標準對設備進行M0級機械壽命試驗,電機電流需處于型式試驗報告區間內;機械壽命試驗后進行85%額定電壓的極端條件下分合閘操作,其特性曲線平滑無抖動,反映設備分合閘特性平穩;滿足以上條件時則認為地震模擬振動臺試驗對設備機械特性與壽命影響可忽略,可以繼續用于電站。該試驗方案為評估振動臺試驗對結構機械性能及壽命影響提拱了一個參考。