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            國內外電瓷型高壓電氣設備瓷套管 連接設計比較研究
            作者:張文強 , 郝際平 , 解 琦 , 丁媛媛 , 李 萌 , 林 山 , 張玉明
            來源:
            發表時間:2010-04-01
            論文正文

                    摘   要: 為研究我國電力設備抗震設計規范的的適用性 , 以中國電力設施抗震設計規范(GB50260-96)、 美國變電站抗震設計推薦實施規程(IEEE Std 693-2005)和日本電氣設備抗震設計指南 (JEAG5003)為研究對象, 對比分析了三國規范在法蘭-瓷套管連接設計中的不同特點。 通過國內外抗震規范的綜合對比, 指出了中國電力設備抗震設計規范中存在的錯誤,分析了我國電氣設施抗震設計中瓷套管連接設計存在的優缺點; 通過借鑒國先進的抗震設計理論,對我國的電氣設備抗震設計提出了合理化建議。 

            關鍵詞: 高壓電氣設備; 抗彎剛度; 法蘭-瓷套管連接 

            中圖分類號: TU352.1+1; TM64         文獻標志碼: A


             0 引  言 

             2008年汶川大地震中, 中國的電網供電設施受到了嚴重破壞。 調查發現, 汶川大地震中損壞的電 力設備和唐山大地震中的情況類似, 主要為電氣設備損壞, 尤其是 500 kV 及以下含有大型瓷套管的高壓設備, 包括變壓器、 斷路器、 隔離開關、 電壓互感器、 電流互感器等。 地震時, 上述電瓷型高壓電氣設備瓷套管連接處的損壞率非常高, 是變電站功能失效的主要因素。 因此, 通過對我國電力抗震設計規范的研究, 評價目前電氣設備瓷套管連接設計的適用性, 具有十分重要的意義。

            目前, 我國進行電氣設備抗震設計遵循的規范 是電力設施抗震設計規范(GB50260—96), 美 國 和 日本進行電氣設備抗震設計遵循的規范分別是美國 變電站抗震設計推薦實施規 程(IEEE Std 693-2005) 和日本電氣設備抗震設計指南(JEAG5003)。 筆者主 要以日本、 中國和美國的電力設施抗震規范為研究 對象,對比分析了三國規范在法蘭—瓷套管連接設 計中的不同特點。 希望通過國內外抗震規范的綜合 對比,分析我國電氣設備瓷套管連接設計的優缺點, 借鑒國外先進的抗震設計理論,為修訂我國電氣設 施抗震設計提出建議。

             1   電瓷型高壓電氣設備破壞特點 

            地震時, 電瓷型高壓電氣設備的損壞率非常高。 在唐山地震中, 斷路器的損壞率最高達到了 58%; 隔離開關的損壞率最高達到 30%; 避雷器最 高達到了 66%。 美國加州北嶺地震中, 某一變電 站在地震加速度峰值達到 0.38 g 時, 一些電氣設備 的損壞率就達到或超過 50%。

            汶川地震災害中, 含有大型瓷套管的高壓設備 損毀嚴重。 國家電網公司系統 110 kV 及以上主變 壓器受損 88 臺, 斷路器受損 43 臺(組), 隔離開關 損毀 39 組, 電流互感器損毀 64 臺, 電壓互感器損 毀 13 臺, 避雷器損毀 21 只。

            大多數高壓電氣設備在法蘭-瓷套管連接處均 出現了典型震害, 表現如下:

             1.1 斷路器 

            對于少油斷路器和空氣斷路器而言, 其典型震 害是法蘭與瓷套管連接部位折斷 , 折斷處多在根 部, 少數在總高度的 1/3 處折斷。 唐山地震中 9 度 區 的 SW6 -220 型 少 油 斷 路 器 的 損 壞 率 達 到 了 58.5%。 汶川地震中, 252 kV 及 126 kV 電 壓 等 級 的斷路器主要裝設的是瓷柱式(敞開式)設備, 抗震 能力較差, 尤其是老式 252 kV 雙斷口 SF6 斷路器, 由于其兩個滅弧室質量較大, 加之均壓電容器, 使 得斷路器頂部的質量更大, 重心高, 抗震能力很 差, 地震中的損壞率也很高。

             1.2 避雷器 

            避雷器以普通閥型的震害最重, 典型震害是法 蘭與瓷套管連接部位折斷。 汶川地震中, 避雷器的 地震毀損率很高。 在安縣 220 kV 變電站中, 避雷 器被剪斷的情況較嚴重, 幾乎所有的避雷器都有震 傷, 表現為根部折彎或斷裂。

             1.3 隔離開關 

            隔離開關的典型震害是支柱絕緣子折斷, 折斷 處一般都在根部金屬法蘭與瓷套管連接部位。

             1.4 電壓互感器、 電流互感器 

            電壓互感器、 電流互感器的震害特點是從支架 上跌落摔壞瓷件、 拉斷引線。 此外, 由于地震使電 流互感器處于開路狀態產生了高電壓, 短路后造成 設備、 線路被燒毀等次生災害。

             2 國內外對法蘭-瓷套管連接的研究現狀 

            電瓷型高壓電氣設備的主體是瓷柱, 一般分為 絕緣瓷柱和支持瓷柱。 瓷柱通常由支架支撐, 瓷柱 之間由鑄鐵的法蘭連接。 高壓電氣設備的抗震性能 分析需要考慮的因素很多, 下面主要介紹高壓電氣 設備瓷套管連接的震害原因和研究現狀。 

            2.1 高壓電氣設備瓷套管連接的震害原因 

            高壓電氣設備一般都有細長且為瓷質的套管。 變電站內的各種開關一般都是高架的, 且支撐結構 一般都是瓷質, 容易在地震作用下折斷。 變電站內 的許多設備大都是 “頭重腳輕”, 地震時易在根部 折斷。 高壓電氣設備的絕緣部分均由瓷套管組成, 其震害大多數是瓷套管根部斷裂。

             震害的主 要 原 因 是: 首 先, 陶 瓷是脆性材料, 抗彎性能很差, 設備的結構形狀不僅又細又 長, 而且上部質量較大。 地震時瓷套管的根部承受 很大的彎矩, 使瓷套管強度不足而斷裂, 尤其是在 瓷套管與其他材料的連接處, 變形不協調加大了瓷 套管的斷裂和損壞; 其次, 這類設備的固有頻率在 1~ l0 Hz 范圍內, 與地震波的卓越頻率相接近, 同 時, 這類設備阻尼值較小, 其主體材料瓷柱屬脆性 材料, 儲能能力較小, 因此在地震中極易因共振影 響使設備遭受破壞。 

            2.2 國內對法蘭-瓷套管連接的研究現狀 

            我國傳統的電氣設備動力分析計算是將法蘭- 瓷套管連接視為剛性連接, 但理論計算結果與實測 結果相去甚遠。 日本首先提出了將法蘭做為柔性結 點的處理方法, 該方法于 1980 年被日本電力設備 抗震設計規范采用。 1988 年, 楊亞弟等將該方法 引入中國, 提出了具有柔性結點的多質點體系的動 力計算模型, 將法蘭連接作為彈性連接處理, 計入 法蘭的彎曲剛度, 使得計算結果大為改善[6]。 同時, 該方法于 1996 年被我國《電力設施抗震 設 計 規 范》 (GB50260-1996)采用。

             我國也曾嘗試在法蘭-瓷套管連接處應用耗能 減震器, 改變設備體系的頻率和阻尼參數, 以降低 設備的地震反應。 我國常用的減震器為夾層橡膠減 震器, 但是橡膠減震器有很多諸如易老化、 受氣候 影響大等缺點。 近年來, 姚德康等開發研制了鉛合 金減震器, 這種減震器克服了橡膠減震器的缺點, 使用壽命長, 性能不受氣候影響, 并且其最大的優 點是再結晶性能好, 在地震后一定時間內, 減震器 的性能會恢復如初, 從而免去更換減震器的麻煩。 目前, 這種鉛合金減震器己用于天津盤山電廠 500kV 隔離開關等電氣設備減震中 。

            2.3 國外對法蘭-瓷套管連接的研究現狀 

            Larder (1989)[9]等人用一 個 類似萬向接頭的結 構, 加上一些橡膠墊片, 夾在套管與金屬法蘭間, 可有效降低地震的傷害; Miyachi (1984)[10]則是在 法蘭底部加裝阻尼器, 其減震效果不比 Larder 等 人的作法差, 且裝置更簡單。 由于地震時, 瓷套管 最易受到傷害的原因是其不但重量大, 且重心高, 其固有頻率常落在地震的震動頻率范圍內 , 所以 Kobayashi (2000)[8]等人針對其材料部分加以改進, 主要是將重量最重的陶瓷材料, 改以 FRP 等材料 替代, 減去了大部分重量, 雖然固有頻率沒有被明 顯提高, 但由于重量輕, 結構所受應力卻大大減 小。

            3 中美日規范中法蘭-瓷套管連接比較 

            電瓷型高壓電氣設備通常由支架 、 絕緣瓷套管、 母線連接處和其它元配件組成, 瓷套管之間由 鑄鐵的法蘭連接。 由于瓷是脆性材料, 抗彎性能 差, 設備的結構形狀特殊, 又細又長, 且上部質量 相對較大, 地震時瓷套管根部會承受很大彎矩, 瓷 套管因強度不足而斷裂。 尤其是在瓷套管與其它材 料的連接處, 變形不協調加大了瓷套管的裂損。 因 此, 法蘭與瓷套管的連接成為各國電力抗震規范中 的重點內容之一。

            3.1 日本電氣設備抗震設計指南 

            日本規范指出 , 絕緣套管的結構形式分為法 蘭盤式和中心夾緊式兩種。 法蘭盤式的破壞機理為 在共振或接近共振狀態時, 出現最大動力響應, 以 彎矩形式施加在支持瓷套根部, 應力首先集中于內 在微觀缺陷處, 超過允許應力時發生裂紋直至整個 瓷套折斷。 中心夾緊式的破壞機理初步認為是在地 震時由于反復的劇烈震動使緩沖墊、 環形密封圈、 中心架等結構破損, 外露瓷套被拔出, 瓷套與金屬 部分碰撞、 擠壓直至破壞。

            當建立振動模型時, 抗彎剛度的確定非常重 要。 日本規范將法蘭做為柔性結點的處理方法, 用 抗彎剛度表示其特性。 圖 1 表示法蘭-瓷套管連接 在彎矩的作用下, 抗彎剛度與法蘭盤形狀、 尺寸的 關系曲線, 并給出法蘭抗彎剛度公式。 大量試驗證 明, 法蘭連接部位抗彎剛度的變化, 將引起連接部 位和連接部位以上的整個體系固有頻率的變化, 對于連接部位的抗彎剛度要慎重確定。 


            3.2 中國電力設施抗震設計規范 

            1988 年, 楊亞弟、 張其浩將日本規范中確定 法蘭-瓷套管部位的抗彎剛度的方法引 入 中國 , 該方法被我國電力設施抗 震 設 計 規 范 (GB50260- 96)采用。

            我國規范在 5.3 節中規定, 當 法蘭與瓷套管 膠裝時, 抗彎剛度:

             KC=6.54×d chc2 / t e    (1) 

            式中 Kc 為抗彎剛度(N·m/rad); dc 為瓷套管膠裝部 位外徑(m); hc 為瓷套管與法蘭膠裝高 度(m); te 為法蘭與瓷套管之間的間隙距離(m)。 

            法蘭與瓷套管彈簧卡式連接時, 抗彎剛度:

             KC=4.9×dchc′2 / te    (2) 

            式中 hc′為 彈 簧 卡 式 連 接 中 心 至 法 蘭 底 部 的 高 度 (m)。 

            同時, 我國規范規定, 若建立有限元力學模 型, 法蘭與瓷套管連接的彎曲剛度應由一個等效梁 單元產生。 梁單元的截面慣性矩:

             I c=KcLc / Ec      (3) 

            式中 Ic 為截面慣性矩 (m4); Lc 為梁單元長度(m), 取單根瓷套管長度的 1/20 左右; Ec 為瓷套管的彈 性模量(Pa)。

             可以看出, 我國規范中對瓷套法蘭抗彎剛度的 規定大都借鑒于日本規范。 但通過與文中 2.1 節對 比發現, 中國規范在借鑒日本規范時, 在單位換算 時出現了明顯錯誤。

             上述三個公式應更正為: 

            KC=4.9×dchc2 / te×107

             KC=6.54×dchc2 / te×107

             I c=KcLc / Ec 

            更正后的公式中, 每個參數的單位與中國規范 中原公式的單位保持一致。

             為證明更正后公式的正確性 , 以 FZ-110J 型 避雷器為例, 進行模態分析 [11]。 FZ-110J 避雷器的 本體高度 3.48 m, 瓷套管內徑 0.112 m, 瓷套管外 徑 0.168 m, 每節瓷套管重量 470.4 N, 均壓環連同 蓋板重量 132.3 N, 絕緣底座重量 231.28 N, 支架 總重 3 057.6 N。 計算模型簡圖如圖 2 所示。

            根據圖 3 連接法蘭詳圖參數, 利用上述更正后 的公式進行計算可得: 

            KC=6.54×dchc2 / te×107=3.47×106 N·m / rad

             除最下一節瓷套管與支座的連接外, 將各瓷套 管間的法蘭連接均視為柔性節點, 彎曲剛度均取為 3.47×106 N·m / rad。 根據圖 2 計算模型算得的自振 頻率見表 1。 

            文獻[4]給出了 FZ-110J 型避雷器第 1 階自振 頻率的 2 個實測值 3.454 Hz 和 3.700 Hz。 從計算結 果與實測值對比來看, 若利用原規范公式計算, 由 于數量級差異巨大, 算得的結果將明顯不符合實 際; 相反, 利用更正后的公式算得的結果較符合實 際數值, 從而驗證了更正后公式的正確性。




             3.3 美國變電站抗震設計推薦實施規程

             美國規范指出, 瓷套管端部的連接形式和瓷套 傳遞荷載的均勻性決定瓷套管的強度。 瓷套的抗壓 能力要遠大于抗拉能力, 瓷套管端部連接設計應充 分利用瓷套的這一特點。

             美國標準列出三種瓷套管的類型——中間夾緊 式 (見圖 4), 機械夾緊式, 膠結式。

             中間夾緊式類型的套管在地震中若發生破壞, 可能是以下原因造成:

             (1) 由于套管的搖擺與端部連接分離, 導致漏 油;


             (2) 法蘭處的瓷套發生移位; 

            (3) 瓷套和法蘭間的墊圈隆起;

             (4) 由于瓷套搖擺或傾斜而引起的瓷套邊緣開 裂。 

            機械夾緊式是通過機械夾緊設備, 將瓷套與金 屬端部相連接。 詳圖如圖 5 所示。 這種方法的主要 缺點是, 由于瓷套夾緊處存在應力集中, 瓷套無法 充分發揮其最大強度。 當設計特殊構造部位 “A” 處時, 以下考慮需要多加注意:


             (1) 夾緊設備應當平坦的支承在瓷套表面, 如 果無法做到, 應研磨瓷套以形成適當的支撐面, 絕 不允許有尖角存在。

             (2) 瓷套上要有足夠的夾緊支承面積。 膠結式的金屬法蘭端部的內壁做成波浪狀, 將 瓷套上的拉應力改變成壓應力, 在端部連接處和瓷 套間應用膠泥材料。 詳圖如圖 6 所示。 這種材料有 足夠的剛度來傳遞壓應力, 并且有足夠的柔度防止 瓷套上發生應力集中。 最常用的材料是硅酸鹽水 泥、 氧化鋁水泥、 鉛和環氧樹脂等材料。 


            膠結式瓷套強度受 H/D 值(結合處的高度與瓷 套直徑之比)影響。 若 H/D 值太小, 應力不能適當 的從法蘭端部連接處傳遞, 從而引起瓷套內部的應 力集中, 導致瓷體不能充分發揮其原始強度。 規范 推薦 H/D 值至少取 0.45。

             此外, 美國規范中, 針對不同類型的瓷套及法 蘭連接, 列出了相應的強度、 彈性模量等指標, 但 沒有提到法蘭部分彎曲剛度的計算。

             4 設計建議 

            筆者通過對上述三個國家的電力設備抗震設計 規范的對比研究及認真思考, 對今后我國高壓電氣 設備瓷套管連接設計及規范的修訂提出以下建議。

            4.1 修訂中國規范中關于法蘭—瓷套管連接設計的 部分內容 

            根據本文第 2 節可知, 中國電力設備抗震設計 規范(GB50260—96)在計算法蘭-瓷 套 管 連 接 彎曲 剛度時出現了明顯錯誤, 建議按本文第 2.2 節給出 的修改后公式進行規范修訂; 規范中應結合美國規 范, 加入對法蘭-瓷套管連接設計的具體構造要求 等相關內容; 針對法蘭-瓷套管連接處在地震時損 壞率極高的問題, 規范中應提出具體的改進措施, 例如在法蘭底部加裝阻尼器或減震器等。 

            4.2 改變電瓷型高壓電氣設備的結構特性

            目前, 許多電瓷型高壓電氣設備存在 “頭重腳 輕” 的問題, 地震時易在根部折斷。 建議優先選用 重心低、 頂部重量輕等有利于抗震結構型式的電氣 設備。 高壓電氣設備的支架應盡量采用鋼結構; 高 壓電氣設備的瓷套管宜采用高強瓷材料, 或選用硅 橡膠瓷套、 FRP 材料瓷套等。

            5 結語 

            由于電瓷型高壓電氣設備法蘭-瓷套管連接處 受震害影響日趨明顯, 如何改進其抗震性能從而最 大程度的減輕震害已成為眾多國內外學者所關注的 重點問題。 

            目前, 美國設計電力設備時, 由 IEEE 主導制 定的美國變電站 抗 震 設 計 推 薦 實 施 規 程 IEEE Std 693 是主要參考規范之一。 美國規范對電氣設備抗 震設計的要求非常細致。 在其附件 R 中, 專門針 對法蘭-瓷套管連接做了非常具體的設計說明。 并 且美國標準更偏重于對電氣設備振動臺試驗的研 究, 從試驗中得到電力設備更加真實的動力反應。 相比美國標準, 中國規范對電氣設備法蘭-瓷套管 連接設計的抗震要求顯得單薄籠統。 

            1980 年日本電氣協會公布《變電站電氣設備抗 震設計指南》JEAG5003-1980, 對于法蘭-瓷套管連 接處的抗彎剛度做了細致的計算說明。 由于阪神地 震規模之大, 造成電力設備嚴重的損壞, 充分顯示 出設計規范的不足。 1998 年, 《電氣設備抗震設計 指南》(JEAG5003-1998)修訂出版, 這一文件是目前 日本電力工程抗震研究的最新成果。 

            中國規范修訂時, 日本電氣設備抗震設計指南 JEAG5003-1980 是主要參考的國外規范之一 , 而 日本規范早在 10 年前已將其 80 版規范根據阪神地 震所出現的問題, 進行了重新修訂。 而中國汶川地 震所釋放的能量是日本阪神地震的 30 倍之多, 但 中國規范中的某些具體條款, 仍然沿用日本 80 版 的老規范 , 并 且 在 借 鑒 法 蘭-瓷 套 管 連 接 設 計 之 處, 出現了非常明顯的錯誤。 因此, 汶川地震出現 大量的電力設備的損毀, 是不足為奇的。 

            綜上所述, 與美, 日兩國最新電力設備抗震設 計規范相比, 目前我國正推廣使用的《電 力設施抗 震設計規范》(GB50260-96)到今天已實施近 12 年, 而汶川地震對按照本規范設計的電力設備的抗震性 能來說是一次全面系統的檢驗。 事實表明, 在經歷 汶川地震的嚴苛考驗后, 對中國電力設施抗震設計 規范的重新審定并修正, 已經刻不容緩。


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