CN102706526A - 一种电力变压器及套管抗震试验模型和试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种变压器及套管抗震试验模型和试验方法，所述试验模型包括油箱、升高座、套管、模拟器身、油枕、支架和底座；所述套管包括低压侧套管和高压侧套管，所述升高座包括低压升高座和高压升高座，所述低压侧套管通过所述低压升高座连接所述油箱的一侧，所述高压侧套管通过所述高压升高座连接所述油箱的另一侧，所述油枕通过支架连接到所述油箱的顶部，所述模拟器身位于所述油箱内部，并固定在所述油箱底板上，所述油箱固定在所述底座上。该发明能够真实地反映真型变压器的结构特点，充分考虑了真型变压器的液固耦合、吨位大和尺寸大等特点，真实再现了变压器及套管的地震响应，为变压器抗震设计与试验研究提供了一种新的方法。

Description

一种电力变压器及套管抗震试验模型和试验方法

技术领域

本发明属于工程与设备抗震领域，具体涉及一种电力变压器及套管抗震试验模型和试验方法。

背景技术

电力变压器、电抗器等大型电力设备一般由钢制油箱、器身、套管、绝缘油及电气、冷却、油路等系统构成的一个集电、磁、热等物理特性复杂、结构庞大的体系。国内外震害资料表明：大型电力变压器及套管在地震中的破坏型式呈现多样化，易损性极高，且灾后的恢复难度大，恢复周期长。因此开展大型电力变压器的抗震能力研究是提高整个电力系统抗震安全的重点环节，对确保地震灾区抗震救灾、灾后恢复及电力系统的安全具有重要的现实意义。作为电力系统结构型式最为复杂、最为核心的升压、降压电气设备，随着电压等级及变电容量的提高，大型电力变压器及套管体系的结构型式越来越复杂，变压器的抗震能力已成为变压器设计和应用的重要性能指标。但是，由于变压器及套管体系的设备体型大、重量重，价格昂贵，国内外振动台的承载力、几何尺寸等的限制，开展大型电力变压器的振动台真型试验非常困难，往往需要对结构进行较大的简化或仅开展变压器局部的抗震试验，试验结论不能真实地再现变压器的地震响应，一定程度上影响和制约了变压器抗震技术的发展。

近年来，国内外多次地震灾害的经验表明，变压器等大型电力设备在强震作用下地震易损性极高，导致电力中断，严重影响了灾后人民生命、财产的抢救，并可能导致严重的次生灾害。由于变压器及套管体系的结构型式较为复杂，材料种类多，开展其抗震性能和地震响应的研究，仅靠理论分析是不够的。为了更确切的掌握变压器及套管体系的地震响应特点，指导和验证其理论计算与分析，大力开展变压器及套管体系的抗震试验研究是改进变压器产品设计，提高变压器及套管体系抗震性能的重要手段。上个世纪70年代以来，国内外的研究工作者大力开展电气设备的抗震试验，包括静力试验、动力试验等，取得了显著的成果。其中电气设备地震模拟振动台动力试验是目前研究电气设备抗震性能最准确、最先进的手段，通过各种电气设备的振动台试验，可以真实地模拟或再现地震过程。但由于变压器及套管体系的设备体型大、重位重，价格昂贵，国内外振动台的承载力、几何尺寸等的限制，开展大型电力变压器地震振动台真型试验非常困难，往往对结构进行了大大的简化或开展变压器局部的抗震试验。

美国IEEE693（变电站抗震设计推荐规程）中明确规定，对115kV及以上的变压器油箱本体可采用静力设计法，而对161kV及以上的变压器套管要采用三向地震时程输入下的振动台抗震试验考核。并假定变压器油箱本体为一刚体，设计加工等效的刚性框架，变压器套管按照一定的倾斜角度(20°)安装在框架顶部的刚性法兰上进行套管的抗震试验。Amir S.Gilani等人(1998，1999)参照IEEE693-1997，分别对196kV、230kV、550kV变压器套管在加州大学伯克利分校的振动台上进行了抗震考核试验与分析研究。James Wilcoski and Steven J.Smith(1997)在美国军队结构工程研究中心的振动台上开展了一500kV变压器套管的抗震试验研究，试验也主要是参照了IEEE693-1997。

Howard Matt and AndréFiliatrault(2004)在UC-San Diego大学开展了一台真型的525kV变压器及套管模型的振动台试验，变压器油箱的几何尺寸为：2.68×3.02×6.95m，油箱重为：29.8t。试验时没有考虑变压器油、铁心、绕组等附属设施，且没有采用真型套管，而是根据真型套管仿制了一根质量、刚度、重心及自振频率较为接近的套管模型。Anshel Schiff(2007)针对IEEE693-2005中有关变压器套管的抗震考核条款进行了分析，通过对多次试验结果、震害及分析研究成果，提出了该规程中不合理的内容，例如相关条款不适用于非水泥胶装和中心紧固套管，变压器油箱的动力放大系数的适用性等问题。

日本对电气设备的模拟地震动试验研究工作也很重视，大多采用大型振动台上的真型试验，用以测试电气设备的抗震能力并验证抗震设计的合理性和可靠性。日本东京电力公司(1993)为了验证其开发的消能减震装置的有效性，设计了一台275kV缩比例（1:2）、重量为35吨钢箱+混凝土的变压器试验模型，套管采用一支140型，重量为515kg的真型套管进行振动台地震模拟试验。K.Kagemamori,H.yamaguchi等人(1996)通过在振动台上进行了一台22kV小型变压器的试验来验证锚固螺栓破坏过程，变压器的容量为150kVA，重量为1.6t。

日本普利斯通公司联合美国加州大学、台湾国家地震研究中心（N.Murota，Maria Q.Feng，Gee Yu Liu，2005）设计了一台变压器模型框架及真型套管的振动台试验研究。在台湾国家地震研究中心（NCREE）5m×5m大型地震模拟振动台上进行了两次试验。第一次试验的模型总重量为23.5吨，使用了2支台湾电力公司提供的69kV和161kV TOSHIBA公司生产的真型套管；第二次试验的模型总重量为14.1吨，框架外形尺寸不变，降低了铅配重的重量，使用了1支161kVTOSHIBA公司生产的真型套管。变压器油箱采用框架+配重模拟，没有考虑变压器油的影响。

国内有关大型电力变压器及套管体系的振动台试验研究几乎是空白，仅是开展了少数几个10kV的变压器抗震试验。上个世纪八十年代，燕山石油化工公司“变压器抗震鉴定标准编写组”在振动台上进行了4台6-10kV1000kVA及以下电力变压器的模拟地震试验，测得变压器本体上部的加速度值是振动台输入加速度值的1.2-2.0倍。哈尔滨工程大学（李子国等，1996）开展了一台型号为S7—200/10的10kV变压器振动台试验研究。该试验是在国家地震局工程力学研究所的大型地震模拟振动台（5m×5m）上进行，考虑到S7—200/10型变压器油箱本体的刚度较大，对输入的地震动进行了比例压缩。该项试验研究对象电压等级较低，其结构特点和大型电力变压器的结构相比，差距甚大。

中、日、美等国的已有大型电力变压器及套管体系的振动台试验研究较少。由于变压器及套管体系的结构复杂，价格昂贵，振动台规模及载重的限制，进行真型变压器及套管的振动台试验，往往较为困难。现有变压器及套管的振动台试验往往对试验对象进行了较多的简化，忽略了一些结构的重要因素，如不考虑铁芯、绕组、变压器油或采用模型套管，或者采用框架加配重的方式模拟变压器油箱本体，或者仅进行变压器套管的抗震考核试验，将变压器油箱本体简化为等效动力放大系数，安装在刚度较大的框架上，或者进行小型的真型变压器试验，较难真实反映大型电力变压器及套管体系的抗震能力。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种电力变压器及套管抗震试验模型和试验方法；充分考虑了真型变压器的液固耦合、吨位大和尺寸大等特点，真实再现了变压器及套管的地震响应，为变压器抗震设计与试验研究提供了一种新的方法。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

一种变压器及套管抗震试验模型，所述试验模型包括油箱、升高座、套管、模拟器身、油枕、支架和底座；所述套管包括低压侧套管和高压侧套管，所述升高座包括低压升高座和高压升高座，所述低压侧套管通过所述低压升高座连接所述油箱的一侧，所述高压侧套管通过所述高压升高座连接所述油箱的另一侧，所述油枕通过支架连接到所述油箱的顶部，所述模拟器身位于所述油箱内部，并固定在所述油箱底板上，所述油箱固定在所述底座上。

所述低压侧套管通过法兰盘连接在所述低压升高座上，所述高压侧套管通过所述法兰盘连接在所述高压升高座上；所述油箱及油枕内部装满水，用以模拟变压器油。

所述模拟器身包括器身箱体和位于器身箱体内部的配重。

所述低压侧套管与铅直方向成0°～45°安装，所述高压侧套管与铅直方向成0°～20°安装。

所述模拟器身采用螺栓固定在所述油箱底板上；所述油箱采用焊接方式固定在所述底座上。

一种变压器及套管抗震试验方法，所述试验方法包括以下步骤：

步骤1：建立所述试验模型；

步骤2：组装所述试验模型，并将其固定在地震模拟振动台上；

步骤3：设置地震响应测量点并选择测量仪器；

步骤4：确定地震输入的波形与幅值，规划试验输入工况；

步骤5：统计分析响应数据，评估抗震性能。

所述步骤1中，所述试验模型与真型变压器在X向和Y向的油箱刚度保持一致。

所述步骤2中，安装所述试验模型的升高座、套管、油枕和模拟器身，所述油箱及油枕内部装满水用以模拟变压器油。

所述步骤2中，所述试验模型通过螺栓固定在地震模拟振动台上。

所述步骤3中，所述测量仪器设置于所述油箱下部、顶部、油枕、升高座和套管顶部，所述测量仪器包括加速度传感器、位移传感器和应变计，用以测试地震输入时所述油箱下部、油箱顶部、油枕、升高座和套管的加速度、位移及应变响应。

所述加速度和位移的测量点设置于振动台台面、油箱底部、油箱顶部、升高座顶部和套管顶部，共设置X向、Y向和Z向共3个方向的加速度传感器和位移传感器。

所述套管的根部对称设有4个应变计，用以测试瓷套管根部的应变响应。

所述应变计的测量点设置于所述油箱底部、箱壁中部、支架和升高座上，所述应变计的设置方向按照地震输入下的构件或板件主变形方向设置。

所述步骤4中，输入不同频谱特性的天然地震波、人工地震波和套管共振拍波；所述天然地震波、人工地震波的加速度幅值为0.2g、0.4g和0.6g，加速度幅值0.2g、0.4g和0.6g分别对应所述变压器及套管的普通、中等和高等抗震能力考核；所述套管共振拍波的加速度幅值为0.15g、0.3g和0.4g，加速度幅值0.15g、0.3g和0.4g分别对应所述变压器及套管的普通、中等及高等抗震能力考核。

所述步骤5中，分析电力变压器油箱本体及升高座的加速度动力放大系数，用以等效油箱本体的动力放大作用。

所述步骤5中，统计分析所述变压器及套管的加速度、位移及应变的响应数据，评估所述变压器及套管的抗震性能，并对其抗震能力进行判断。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1.法兰盘上设有不同规格尺寸的多套螺孔，低压升高座满足与不同类型、不同电压等级的低压侧套管通过法兰盘组装，模拟不同电压等级的电力变压器；高压升高座满足与不同类型、不同电压等级的高压侧套管通过法兰盘组装，模拟不同电压等级的电力变压器；

2.试验模型结构尺寸与我国220kV、330kV、500kV真型单相变压器的外型尺寸较为接近，能真实地反映真型变压器的结构特点，能真实再现变压器在地震作用下的地震响应特点，为开展电力变压器的抗震试验与研究提供了方法；

3.底座上设有模拟器身，并在油箱箱体及油枕内部装满水，真实反映了真型变压器器身、油体及油箱壳之间的液固耦合特点；

4.由于振动台能力的限制，配重的重量虽然小于真实结构的重量，但配重通过底座与振动台台面连成一体，配重对变压器及套管的地震响应的影响较小。

附图说明

图1是本发明试验模型结构图；

图2是本发明实施例中试验模型主视图；

图3是本发明实施例中试验模型侧视图；

图4是本发明实施例中试验模型俯视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1-图3，一种变压器及套管抗震试验模型，所述试验模型包括油箱、升高座、套管、模拟器身、油枕、支架和底座；所述套管包括低压侧套管和高压侧套管，所述升高座包括低压升高座和高压升高座，所述低压侧套管通过所述低压升高座连接所述油箱的一侧，所述高压侧套管通过所述高压升高座连接所述油箱的另一侧，所述油枕通过支架连接到所述油箱的顶部，所述模拟器身位于所述油箱内部，并固定在所述油箱底板上，所述油箱固定在所述底座上。

所述低压侧套管通过法兰盘连接在所述低压升高座上，所述高压侧套管通过所述法兰盘连接在所述高压升高座上；所述油箱及油枕内部装满水，用以模拟变压器油。

所述模拟器身包括器身箱体和位于器身箱体内部的配重。

所述低压侧套管与铅直方向成0°～45°安装，所述高压侧套管与铅直方向成0°～20°安装。

所述模拟器身采用螺栓固定在所述油箱底板上；所述油箱采用焊接方式固定在所述底座上。

附图1--图3为参照国内相同类型的三相电力变压器设计的实施例，变压器油箱结构外形尺寸为：长3.524m，宽2.424m，高3.172m。套管安装角度分别设置为12°和30°。变压器油箱本体装配重量为8.97吨，配重的重量为0.659吨，模拟器身框架重量1.14吨，模拟器身配重为10.40吨；500kV套管重2.1吨，220kV套管重0.47吨。油枕容积为1.65立方米，按照100%盛水，水重量1.65吨；油箱容积为21.89立方米，模拟器身框架排水量为2.14立方米，按照100%盛水，水重量19.75吨。试验变压器及套管体系的装配总重为45.32吨，其中水重20.74吨。变压器及套管体系各部分的装配质量见附表1。

附表1

一种变压器及套管抗震试验方法，所述试验方法包括以下步骤：

步骤1：建立所述试验模型；

步骤2：组装所述试验模型，并将其固定在地震模拟振动台上；

步骤3：设置地震响应测量点并选择测量仪器；

步骤4：确定地震输入的波形与幅值，规划试验输入工况；

步骤5：统计分析响应数据，评估抗震性能。

所述步骤1中，所述试验模型与真型变压器在X向和Y向的油箱刚度保持一致。

所述步骤2中，安装所述试验模型的升高座、套管、油枕和模拟器身，所述油箱及油枕内部装满水用以模拟变压器油。

所述步骤2中，所述试验模型通过螺栓固定在地震模拟振动台上。

所述步骤3中，所述测量仪器设置于所述油箱下部、顶部、油枕、升高座和套管顶部，所述测量仪器包括加速度传感器、位移传感器和应变计，用以测试地震输入时所述油箱下部、油箱顶部、油枕、升高座和套管的加速度、位移及应变响应。

所述加速度和位移的测量点设置于振动台台面、油箱底部、油箱顶部、升高座顶部和套管顶部，共设置X向、Y向和Z向共3个方向的加速度传感器和位移传感器。

所述套管的根部对称设有4个应变计，用以测试瓷套管根部的应变响应。

所述应变计的测量点设置于所述油箱底部、箱壁中部、支架和升高座上，所述应变计的设置方向按照地震输入下的构件或板件主变形方向设置。

所述步骤4中，输入不同频谱特性的天然地震波、人工地震波和套管共振拍波；所述天然地震波、人工地震波的加速度幅值为0.2g、0.4g和0.6g，加速度幅值0.2g、0.4g和0.6g分别对应所述变压器及套管的普通、中等和高等抗震能力考核；所述套管共振拍波的加速度幅值为0.15g、0.3g和0.4g，加速度幅值0.15g、0.3g和0.4g分别对应所述变压器及套管的普通、中等及高等抗震能力考核。

所述步骤5中，统计分析所述变压器及套管的加速度、位移及应变的响应数据，评估所述变压器及套管的抗震性能，并对其抗震能力进行判断。

所述步骤5中，分析电力变压器油箱本体及升高座的加速度动力放大系数，用以等效油箱本体的动力放大作用，附表2为不同地震激励下变压器油箱及升高座顶部加速度峰值及动力放大系数。

附表2

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (18)

1.一种变压器及套管抗震试验模型，其特征在于：所述试验模型包括油箱、升高座、套管、模拟器身、油枕、支架和底座；所述套管包括低压侧套管和高压侧套管，所述升高座包括低压升高座和高压升高座，所述低压侧套管通过所述低压升高座连接所述油箱的一侧，所述高压侧套管通过所述高压升高座连接所述油箱的另一侧，所述油枕通过支架连接到所述油箱的顶部，所述模拟器身位于所述油箱内部，并固定在所述油箱底板上，所述油箱固定在所述底座上。

2.根据权利要求1所述的变压器及套管抗震试验模型，其特征在于：所述低压侧套管通过法兰盘连接在所述低压升高座上，所述高压侧套管通过所述法兰盘连接在所述高压升高座上。

3.根据权利要求1所述的变压器及套管抗震试验模型，其特征在于：所述油箱及油枕内部装满水，用以模拟变压器油。

4.根据权利要求1所述的变压器及套管抗震试验模型，其特征在于：所述模拟器身包括器身箱体和位于器身箱体内部的配重。

5.根据权利要求1所述的变压器及套管抗震试验模型，其特征在于：所述模拟器身采用螺栓固定在所述油箱底板上；所述油箱采用焊接方式固定在所述底座上。

6.根据权利要求1所述的变压器及套管抗震试验模型，其特征在于：所述低压侧套管与铅直方向成0°～45°安装，所述高压侧套管与铅直方向成0°～20°安装。

7.一种变压器及套管抗震试验方法，其特征在于：所述试验方法包括以下步骤：

步骤1：建立所述试验模型；

步骤2：组装所述试验模型，并将其固定在地震模拟振动台上；

步骤3：设置地震响应测量点并选择测量仪器；

步骤4：确定地震输入的波形与幅值，规划试验输入工况；

步骤5：统计分析响应数据，评估抗震性能。

8.根据权利要求7述的变压器及套管抗震试验方法，其特征在于：所述步骤1中，所述试验模型与真型变压器在X向和Y向的油箱刚度保持一致。

9.根据权利要求7述的变压器及套管抗震试验方法，其特征在于：所述步骤2中，安装所述试验模型的升高座、套管、油枕和模拟器身，所述油箱及油枕内部装满水用以模拟变压器油。

10.根据权利要求7述的变压器及套管抗震试验方法，其特征在于：所述步骤2中，所述试验模型通过螺栓固定在地震模拟振动台上。

11.根据权利要求7述的变压器及套管抗震试验方法，其特征在于：所述步骤3中，所述测量仪器设置于所述油箱下部、顶部、油枕、升高座和套管顶部，所述测量仪器包括加速度传感器、位移传感器和应变计，用以测试地震输入时所述油箱下部、油箱顶部、油枕、升高座和套管的加速度、位移及应变响应。

12.根据权利要求11述的变压器及套管抗震试验方法，其特征在于：所述加速度和位移的测量点设置于振动台台面、油箱底部、油箱顶部、升高座顶部和套管顶部，共设置X向、Y向和Z向共3个方向的加速度传感器和位移传感器。

13.根据权利要求11述的变压器及套管抗震试验方法，其特征在于：所述套管的根部对称设有4个应变计，用以测试瓷套管根部的应变响应。

14.根据权利要求11述的变压器及套管抗震试验方法，其特征在于：所述应变计的测量点设置于所述油箱底部、箱壁中部、支架和升高座上，所述应变计的设置方向按照地震输入下的构件或板件主变形方向设置。

15.根据权利要求7述的变压器及套管抗震试验方法，其特征在于：所述步骤4中，输入不同频谱特性的天然地震波、人工地震波和套管共振拍波。

16.根据权利要求15述的变压器及套管抗震试验方法，其特征在于：所述天然地震波、人工地震波的加速度幅值为0.2g、0.4g和0.6g，加速度幅值0.2g、0.4g和0.6g分别对应所述变压器及套管的普通、中等和高等抗震能力考核；所述套管共振拍波的加速度幅值为0.15g、0.3g和0.4g，加速度幅值0.15g、0.3g和0.4g分别对应所述变压器及套管的普通、中等及高等抗震能力考核。

17.根据权利要求7述的变压器及套管抗震试验方法，其特征在于：所述步骤5中，分析电力变压器油箱本体及升高座的加速度动力放大系数，用以等效油箱本体的动力放大作用。

18.根据权利要求7述的变压器及套管抗震试验方法，其特征在于：所述步骤5中，统计分析所述变压器及套管的加速度、位移及应变的响应数据，评估所述变压器及套管的抗震性能，并对其抗震能力进行判断。

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