某高压电流互感器抗震性能分析研究 Analysis of Aseismic Capacity and Seismic Isolation of High Voltage Current Transformer

doi:10.12677/OJAV.2017.52004

Open Journal of Acoustics and Vibration
Vol.05 No.02(2017), Article ID:20908,8 pages
10.12677/OJAV.2017.52004

Analysis of Aseismic Capacity and Seismic Isolation of High Voltage Current Transformer

Xinfeng Dong¹, Tiezheng Huang², Quanjun Zhu³, Meigen Cao⁴, Hao Wang¹, Jianxing Ren¹

●How to Cite this Article

¹School of Energy and Mechanical Engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai

²State Grid Shanxi Economic Research Institute, Taiyuan Shanxi

³Global Energy Interconnection Research Institute, Beijing

⁴China Electric Power Research Institute of SGCC, Beijing

Received: May 21^st, 2017; accepted: Jun. 6^th, 2017; published: Jun. 9^th, 2017

ABSTRACT

According to the weak character of seismic capacity of high voltage current transformer and ensuring no damage at the time of the earthquake, the current transformer is used as research object to carry out the aseismic capacity and seismic isolation analysis. Firstly, the modal analysis of high voltage current transformer is carried out, and the natural frequency and mode shape of the breaker are calculated, and the easily damaged parts of high voltage current transformer are determined. Secondly, according to the standards of the IEEE Std-693-2005 and GB/T13540-92, natural El-centro wave and Taft wave are used to carry out the level excitation of the high voltage current transformer, and the time history analysis of the displacement and stress of the vulnerable parts of current transformer is carried out, and the maximum displacement and maximum stress of vulnerable parts are determined. The above research can provide technical support for the seismic design optimization of the current transformer.

Keywords:High Voltage Current Transformer, Aseismic Capacity, Modal Analysis

某高压电流互感器抗震性能分析研究

董新峰¹，黄铁铮²，朱全军³，曹枚根⁴，王昊¹，任建兴¹

¹上海电力学院能源与机械工程学院，上海

²国网山西省电力公司经济技术研究院，山西太原

³全球能源互联网研究院，北京

⁴中国电力科学研究院，北京

收稿日期：2017年5月21日；录用日期：2017年6月6日；发布日期：2017年6月9日

摘要

针对高压电流互感器抗震能力较为薄弱的问题，以某型电流互感器为研究对象，开展其抗震及减震性能分析研究，旨在确保高压电流互感器在地震发生时的无破坏性。文中基于ANSYS开展电流互感器模态分析研究，获得电流互感器的固有频率和模态振型，确定电流互感器易损坏的部位；根据美国变电站抗震设计推荐规程IEEE Std-693-2005和高压开关设备抗地震性能试验GB/T13540-2009要求，选用天然Elcentro波和Taft波对高压电流互感器进行水平激励，开展易损坏部位的位移和应力时程分析，确定其最大位移和最大应力，为电流互感器的抗震设计优化提供技术支撑。

关键词 :高压电流互感器，抗震能力，模态分析

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1. 引言

电力系统是我国重要的生命线工程，电力系统若遭到破坏，会造成严重的灾害和经济损失。我国是地震灾害比较严重的国家之一，如2008年发生于四川汶川的5.12地震，据不完全统计，仅四川电网就产生约72亿元的经济损失，500 KV及以下电力设备受到了严重的破坏 [1] [2] 。因此提升电力系统设备的抗震性能，深入探索电力设备的抗震理论及抗震性能计算具有重要意义。

在电力设备抗震性能研究方面，国内外学者做了一些研究，如Amir M.等人对高压断路器进行了有限元仿真和地震振动台试验，并比较了两种分析方法，获得了断路器易破坏的位置及破坏形式，为后续断路器的设计、布置形式、布置位置等选择提供了技术支持 [3] ；Robin-Jouan等人使用Computational Fluid Dynamics Tool对SF₆气体进入瓷柱各腔体后的流动性进行了仿真，模拟从300 K升至3000 K时腔室的应力变化，更好地理解SF₆气体在腔体中的流动情况及其对腔室应力的影响 [4] 。Mosalam等人实时混合仿真模拟了高压断路器的抗震性能，并且这种实时混合仿真可以与小型振动台搭建使用，使试验结果更加接近人们的预想结果，使断路器抗震性能的模拟结果更加精确 [5] 。吕红山等提出不同场地的地震动反应谱放大系数分析研究 [6] ；赵灿晖等针对地震时程有限元分析时存在的计算效率低的问题，提出时程分析快速计算方法 [7] ；徐龙军等对地震反应谱进行了总结并对后期发展进行了论述 [8] ；刘晓明等人针对SF6电流互感器开展抗震性能研究 [9] 。

针对高压电流互感器重心位置高，耐地震性能较差的特点，本文以某型高压电流互感器为研究对象，开展抗震性能分析，确定地震发生时易发生破坏的关键点和部位。

2. 电流互感器模态分析

2.1. 断路器外形简图及有限元模型

图1是电流互感器外形简图，通过厂家提供的详细零件图进行绘制。图2是相应的有限元模型。三

Figure 1. Structure of current transformer

图1. 电流互感器的结构简图

Figure 2. Finite element model of current transformer

图2. 电流互感器有限元模型

维模型在UG中进行装配，导出扩展名为x_t文件，导入ANSYS中进行有限元分析。

在有限元模型中，各部分主要材料的力学性能参数如表1所示。

在电流互感器有限元模型中，单元类型主要为beam189三维梁单元和mass21质量单元(传感头以及复合绝缘子套管的内部结构采用集中质量进行等效)，底部支架与复合绝缘子套管采用胶装连接，在ANSYS中采用Glue布尔运算进行定义。根据文献 [2] 中的理论公式，可以计算出子套管与支架连接处的弯曲刚度为2.8 × 106 Nm/rad，梁单元的界面惯性矩为1.5 × 10⁻⁶ m⁴ ，同时在有限元模型增加重力载荷(-Y方向)，将上述各值赋予有限元模型。

2.2. 模态分析

将电流互感器底部的支架完全约束，采用分块法提取模态参数，分析模态阶数设定为10，扩展模态阶数设定为10，分析频段为0~100 Hz。表2是断路器在X，Y两方向的固有频率，图3是相应的模态振型图。

由图3模态振型可知，第一阶模态振型主要为复合绝缘子套管绕底部支架的左右摆动(底部支架位移

Table 1. Mechanical performance parameters of the main material

表1. 主要材料的力学性能参数

Table 2. The first two order of current transformer

表2. 电流互感器前两阶固有频率

(a) (b)(c)

Figure 3. The first three mode shapes in two different directions; (a) The first order modal shape in X and Z directions; (b) The second order modal shape in X and Z directions; (c) The second order modal shape in X and Z directions

图3. 电流互感器在不同方向固有频率对应的模态振型；(a) 第1阶X、Z 方向的模态振型；(b) 第2阶X、Z 方向的模态振型；(c) 第3阶X、Z方向的模态振型

Figure 4. Acceleration seismic response curve of electrical equipment

图4. 电气设备的加速度地震反应曲线 [3]

很小)；第二阶模态振型除了第一阶模态振型的运动外，支架上半部分围绕固定端左右摆动；第三阶模态振型主要为复合绝缘子套管饶自身中点的弯曲运动。从电气设备地震反应谱统计曲线(图4)可以发现，加速度响应的最大幅值一般发生在结构1~15 Hz范围内，即15 Hz之下的频率会对电气设备产生较大影响。鉴于此，文中重点分析断路器的第一阶阵型对应的危险部位。

第一阶模态阵型的运动类似于悬臂梁结构，根据材料力学理论可获得如下结论：在高斯白噪声激励

Figure 5. Seismic waves of El-centro and Taft

图5. El-centro波和Taft波的波形图

Table 3. The peak stress and displacement of key parts

表3. 关键部位的位移和应力峰值

下，电流互感器顶端部位的位移最大，易破坏的部位主要集中在：1) 复合绝缘子套管与底部支座的连接处；2) 底部支架与固定端的连接处。

3. 电流互感器危险部位的时程分析

地震波时程响应分析

为了对电流互感器进行地震波分析，根据美国变电站抗震设计推荐规程IEEE Std-693-2005和我国规范“高压开关设备抗震性能试验”GB/T13540-2009的要求进行地震波的选择，本文选择El-centro波、Taft波，波形如图5所示。

在两种地震波作用下，对电流互感器最顶端的位移、子套管与底部支座的连接处(A点)及底部支架与固定端的连接处(B点)的应力进行时程分析，获得相应物理量的峰值，如表3、图6所示。

根据表1材料的许用应力可知，电流互感器危险部位的应力峰值低于许用应力，可以达到抗震要求。

(a) (b)(c)

Figure 6. Seismic waves of El-centro and Taft; (a) the time history of top displacement; (b) the time history of the stress at A point; (c) the time history of the stress at B point

图6. El-centro波和Taft波的波形图；(a) 顶端的位移时程；(b) A点的应力时程；(c) B点的应力时程

4. 结论

1、文中以某型电流互感器为分析对象，通过有限元模型获得高压断路器在X、Z方向前三阶固有频率和模态振型，通过模态振型获得断路器易破坏的部位。

2、文中选择El-centro波和Taft波对电流互感器进行激励，开展电流互感器危险部位的时程分析，提取相应位置的最大应力峰值，结果表明该电流互感器具有较好的抗震性能。

基金项目

国家电网科技项目(SGRI-WD-71-15-010)。

文章引用

董新峰,黄铁铮,朱全军,曹枚根,王昊,任建兴. 某高压电流互感器抗震性能分析研究
Analysis of Aseismic Capacity and Seismic Isolation of High Voltage Current Transformer[J]. 声学与振动, 2017, 05(02): 19-26. http://dx.doi.org/10.12677/OJAV.2017.52004

参考文献 (References)

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