CN109390121A - 一种特高压变压器套管的消能减震安装设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种特高压变压器套管的消能减震安装设计方法，包括以下处理步骤：(1)在连接法兰盘上布置非线性阻尼螺栓；(2)布置多个两端分别连接第一升高座和变压器箱体顶部的非线性阻尼器；(3)对称设置多个两端分别连接第二升高座和变压器箱体的非线性阻尼器；(4)设置一端托住第二升高座底端、另一端固定在变压器箱体侧部的非线性阻尼器；所有步骤完成后，即实现消能减震安装。与现有技术相比，本发明可在保证特高压变压器套管电气功能的前提下，对升高座等部件进行消能减震安装，发挥其降低套管地震响应、减震消能、震后自复位等功能，减震机理明确，可用于特高压交流变电站和直流换流站中电力变压器和换流变压器的地震防护。

Description

一种特高压变压器套管的消能减震安装设计方法

技术领域

本发明属于变压器消能减震技术领域，涉及一种特高压变压器套管的消能减震阻尼安装方法。

背景技术

随着我国输变电工程向高压、超高压和特高压方向发展，交流变电站和直流换流站中装备了大量的关键变电设备——也高压变压器和特高压换流变压器。这些特高压变压器体积和质量大，造价高，而且变压器上安装了大量的套管。以往地震中，由于变压器箱体的动力放大作用，变压器套管出现了严重的损毁，致使变电站停运和电网大面积停电。

图1所示为典型的特高压变压器，包括变压器箱体，以及通过升高座2设置在变压器箱体上的套管1，套管1分为两种，包括布置在变压器箱体顶部的第一套管，以及设置在变压器箱体侧壁的第二套管。可以看出，为满足电气功能要求，现有设计的特高压变压器套管设备尺寸细长、重心高，且升高座和套管内部充满绝缘油，导致设备质量较大。因此，套管及升高座对地震作用有明显的放大作用，震中响应强烈，难以满足电气功能要求。此外，目前特高压变压器套管多采用陶瓷或复合玻璃钢为制作材料，其强度较低，因此极易在套管根部发生破裂破坏。

针对变压器在地震中的损毁情况，现有的加固方式一般为通过在变压器套管升高座根部箱壁增设加劲板，以及在升高座顶端设置支撑，来达到降低套管地震响应的目的。但加固方式无法耗能，且套管根部或升高座根部应力较大，地震中易损坏。隔震方面，一般利用叠层橡胶支座、摩擦摆隔震系统、复合隔震支座等对大型变压器进行基础隔震研究和应用，这些隔震措施，通常需要对变压器另外设置特殊的隔震和减震装置，改变了变压器正常工作的基本动力特性，影响了变压器工作性能，而且隔震效果有待实际地震检验。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种特高压变压器套管的消能减震安装设计方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种特高压变压器套管的消能减震安装设计方法，变压器包括变压器箱体、分别通过连接法兰盘安装在变压器箱体顶部和侧壁的升高座(分别为第一升高座和第二升高座)，以及分别固定在第一升高座和第二升高座上的变压器套管(第一变压器套管和第二变压器套管)，所述消能减震安装设计方法包括以下不分先后的处理步骤：

(1)在连接法兰盘上布置非线性阻尼螺栓，使得第一升高座和第二升高座的底部分别与变压器箱体实现阻尼安装；

(2)围绕第一升高座间隔布置多个两端分别连接第一升高座和变压器箱体顶部的非线性阻尼器，对第一升高座进行消能减震处理；

(3)以第二升高座的中心轴线为对称中心，对称设置多个两端分别连接第二升高座和变压器箱体的非线性阻尼器，对第二升高座顶部进行消能减震处理；

(4)设置一端托住第二升高座底端、另一端固定在变压器箱体侧部的非线性阻尼器，对第二升高座底部进行消能减震处理；

所有步骤完成后，即实现消能减震安装。

进一步的，步骤(2)中，围绕第一升高座布置的非线性阻尼器为均匀间隔布置的四个。

进一步的，步骤(3)中，第二升高座与变压器箱体之间的非线性阻尼器为两个。

进一步的，所有非线性阻尼器的两端分别通过连接件连接变压器箱体和第一升高座或第二升高座。

更进一步的，所述连接件与变压器箱体和第一升高座或第二升高座通过焊接固定。

进一步的，步骤(4)中两端分别连接第二升高座底端和变压器箱体侧壁的非线性阻尼器位于步骤(3)中对称设置的两端分别连接第二升高座和变压器箱体的非线性阻尼器的对称面上。

非线性阻尼器和非线性阻尼螺栓的最优组合状态的设计原则为选定地震作用下，套管顶部加速度和位移、套管根部应力、整体结构耗能这三项指标综合评价最优。由于不同工程的场地条件不同，对应选取地震波不同，且双非线性结构难以给出确定性公式，因此，目前暂无计算公式。可通过有限元计算软件进行数值模拟分析，查看上述三项指标。有限元建模控制条件包括：1.几何尺寸条件。包括阻尼器安装角度、升高座连接点应满足具体特高压变压器整体尺寸要求；2.电气条件。包括升高座连接点应满足特高压变压器的电气绝缘距离要求。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)特高压变压器的套管升高座根部与变压器箱体的连接法兰盘处，采用非线性阻尼螺栓连接，可以很好地解决升高座根部在地震中的摆动问题。具体表现为以下三点：首先，升高座摆动会带动根部阻尼螺栓的转动，通过阻尼螺栓内的阻尼材料消耗大量的地震动能量；其次，由于采用非线性阻尼螺栓，当升高座根部与箱体的相对转角过大或相对转动速度过大时，阻尼螺栓刚度会急剧增大，提供极大的抵抗矩，起到限制升高座根部转角和转速的功能，大幅度降低特高压变压器套管地震摆动响应；另外，利用阻尼螺栓内部材料的自复位特性，震后为特高压变压器套管提供良好的自复位能力，保证震后套管与邻近设备的绝缘距离等电气要求，为震后变电站快速恢复电力功能提供保障。

(2)由于升高座根部转动和升高座自身弯曲变形，都会引起升高座顶端与箱体之间的相对平动，因此在升高座顶端和箱体之间采用非线性阻尼器进行连接，升高座顶端相对于箱体的平动可以很好地激发阻尼器内部阻尼材料的变形，从而发挥阻尼器的减震消能、降低特高压变压器套管地震响应和震后自复位功能。

(3)阻尼螺栓(本发明采用非线性阻尼螺栓)能降低特高压变压器套管升高座的刚度，引起震中升高座根部与变压器箱体之间的相对转动，从而很好的发挥阻尼螺栓的消能减震作用。但是，只采用阻尼螺栓时，虽能较好的发挥阻尼螺栓的功能，但升高座和套管的震中响应会明显放大，且风荷载作用下也易引起较大响应，难以保障变压器套管功能要求，此外，升高座根部应力较大，易引起结构破坏；反之，当只采用阻尼器时，升高座刚度过大以致震中难以发生与变压器箱体间的相对平动，阻尼器效果难以发挥，且套管根部应力过大，易引起结构破坏。因此，同时采用非线性阻尼螺栓和非线性阻尼器，并将两者参数调节至最优组合状态，是解决上述问题的关键所在。阻尼器和阻尼螺栓参数的调节，包括阻尼器安装角度、阻尼器升高座连接点高度、阻尼螺栓安装数量，以及阻尼材料非线性参数等。

附图说明

图1为现有的特高压变压器的结构示意图；

图2为对特高压变压器顶部的变压器套管的消能减震阻尼安装后的示意图；

图3为图2中变压器顶部的升高座部分的放大示意图；

图4对特高压变压器侧壁的变压器套管的消能减震阻尼安装后的示意图；

图5为图4中变压器侧壁的升高座部分的放大示意图；

图中标记说明：

1-变压器套管，2-第一升高座，3-第一阻尼器，4-阻尼螺栓，5-连接件，6-第二阻尼器，7-连接法兰盘，8-第二升高座。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

以下各实施例中，阻尼器优选采用非线性阻尼器，采用现有市售常规种类型号即可，阻尼螺栓也优选采用非线性阻尼螺栓，采用现有市售常规型号即可，其余部件或结构，如无特别说明，则也表明为本领域的常规结构。

一种特高压变压器，其结构如图1所示，包括变压器箱体、分别通过连接法兰盘7安装在变压器箱体顶部和侧壁的升高座(分别为第一升高座2和第二升高座8)，以及分别固定在第一升高座2和第二升高座8上的变压器套管1(第一变压器套管1和第二变压器套管1)。

针对上述大型变压器的地震易损性问题，本实施例特别提出了一种特高压变压器套管1的消能减震安装设计方法，具体为：

在变压器的升高座(即第一升高座2)顶端与变压器箱体之间，按90°的两两之间的夹角设置四个非线性阻尼器(即第一阻尼器3)，并在升高座根部与变压器箱体的连接法兰盘7处均匀布置阻尼螺栓4(优选采用非线性阻尼螺栓)，参见图2和图3所示。第一阻尼器3一端通过连接件5与第一升高座2侧壁连接，另一端通过连接件5和变压器箱体顶部连接。第一升高座2顶端的地震响应能带动第一阻尼器3运动，发挥阻尼器的消能减震作用，同时由于非线性阻尼器的刚度特性，能很好的限制升高座顶端的地震平动响应。阻尼螺栓4安装在第一升高座2根部的连接法兰盘7上，用于连接第一升高座2与变压器箱体，升高座在地震中的摆动会引起根部的连接法兰板相对于变压器箱体顶部平面的转动，带动阻尼螺栓4运动，发挥阻尼螺栓4的消能减震作用，同时由于非线性阻尼螺栓的刚度特性，能很好的限制第一升高座2根部的地震转动响应。

图4所示为典型特高压变压器侧壁的第二变压器套管1的阻尼装置安装方式，具体为：在变压器套管1的第二升高座8顶端和变压器箱体之间，对称布置两个非线性阻尼器(即第二阻尼器6)，由于侧壁的第二升高座8沿侧壁面法线方向有外伸悬臂段，该悬臂段会显著放大竖向地震作用的影响，因此在侧壁第二升高座8的悬臂段(即底部)与变压器箱体侧壁之间设置非线性阻尼器，此外，在第二升高座8根部与变压器箱体侧壁的连接法兰盘7处同样均匀布置非线性阻尼螺栓，布置详图如图4所示。第二阻尼器6一端通过连接件5与第二升高座8侧壁连接，另一端通过连接件5和变压器箱体顶部连接。第二升高座8顶端的水平向地震响应能带动第二阻尼器6运动耗能，同时由于非线性阻尼器的刚度特性，能很好的限制第二升高座8顶端的水平向地震平动响应。第二阻尼器6一端通过连接件5与第二升高座8悬臂段侧壁连接，另一端通过连接件5和变压器箱体侧壁板连接。第二升高座8悬臂段的竖向地震响应能带动第二阻尼器6运动耗能，同时非线性阻尼器能很好的限制升高座悬臂段竖向地震平动响应。阻尼螺栓4均匀安装在第二升高座8根部的连接法兰盘7上，连接第二升高座8与变压器箱体，第二升高座8在地震中的摆动会引起根部的连接法兰板相对于变压器箱体侧壁平面的转动，带动阻尼螺栓4运动耗能，同时由于非线性阻尼螺栓的刚度特性，能很好的限制升高座根部的地震转动响应。

本实施例的安装方式的关键点包括以下三个方面：

(1)阻尼器安装角度和连接点位置。不同型号变压器套管1和升高座的尺寸、材料不同，对应的刚度也不相同，且不同型号变压器套管1的电气绝缘距离也有所差异，因此，阻尼器安装的角度和升高座连接点高度都要针对性设计，以符合不同型号变压器的需求；

(2)阻尼螺栓4布置数量和密度分布。不同型号变压器套管1和升高座尺寸不同，地震中弯矩力臂随之变化，因此升高座底部弯矩设计值不同；此外，根据变压器外形和使用场地不同，变压器升高座根部不同方向受力强度也不同，因此阻尼螺栓4的安装不一定沿法兰均匀分布。因此阻尼螺栓4数目需要根据变压器进行针对性设计；

(3)阻尼器和阻尼螺栓4材料参数组合。安装采用非线性阻尼器和阻尼螺栓4，防止风荷载和工作振动下，变压器响应过大。但为了防止，升高座刚度过大，阻尼装置难以发挥作用；升高座刚度过小，正常工作下响应过大；阻尼器和阻尼螺栓4刚度不协调，地震作用下出现薄弱环节等，需要优化阻尼器和阻尼螺栓4材料的参数，选取最优组合。

本实施例提出一种特高压变压器套管1消能及减震阻尼安装方式，同时采用非线性阻尼螺栓和非线性阻尼器，并将两者参数调节至最优组合状态，既能一定程度上降低升高座刚度，且阻尼器又能对升高座顶端有一定的限位和分力作用，能大幅降低甚至抑制特高压变压器套管1的地震响应，同时发挥很好的消能减震功能。

上述安装方式的主要特点是：利用升高座地震响应带动阻尼器和阻尼螺栓4运动，起到消能减震的目的；利用非线性阻尼器和非线性阻尼螺栓的刚度特性，对升高座和套管的位移和速度起到限制作用，大幅降低甚至抑制特高压变压器套管1的地震响应；利用阻尼器和阻尼螺栓4内部材料的自复位特性，震后能为特高压变压器套管1提供良好的自复位能力，保证震后套管与邻近设备的绝缘距离等电气要求，为震后变电站快速恢复电力功能提供保障。上述提出的阻尼安装方式构造和原理简单，消能减震效果明显。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种特高压变压器套管的消能减震安装设计方法，变压器包括变压器箱体、分别通过连接法兰盘安装在变压器箱体顶部和侧壁的第一升高座和第二升高座，以及分别固定在第一升高座和第二升高座上的第一变压器套管和第二变压器套管，其特征在于，所述消能减震安装设计方法包括以下不分先后的处理步骤：

(1)在连接法兰盘上布置非线性阻尼螺栓，使得第一升高座和第二升高座的底部分别与变压器箱体实现阻尼安装；

(2)围绕第一升高座间隔布置多个两端分别连接第一升高座和变压器箱体顶部的非线性阻尼器，对第一升高座进行消能减震处理；

(3)以第二升高座的中心轴线为对称中心，对称设置多个两端分别连接第二升高座和变压器箱体的非线性阻尼器，对第二升高座顶部进行消能减震处理；

(4)设置一端托住第二升高座底端、另一端固定在变压器箱体侧部的非线性阻尼器，对第二升高座底部进行消能减震处理；

所有步骤完成后，即实现消能减震安装。

2.根据权利要求1所述的一种特高压变压器套管的消能减震安装设计方法，其特征在于，步骤(2)中，围绕第一升高座布置的非线性阻尼器为均匀间隔布置的四个。

3.根据权利要求1所述的一种特高压变压器套管的消能减震安装设计方法，其特征在于，步骤(3)中，第二升高座与变压器箱体之间的非线性阻尼器为两个。

4.根据权利要求1所述的一种特高压变压器套管的消能减震安装设计方法，其特征在于，所有非线性阻尼器的两端分别通过连接件连接变压器箱体和第一升高座或第二升高座。

5.根据权利要求4所述的一种特高压变压器套管的消能减震安装设计方法，其特征在于，所述连接件与变压器箱体和第一升高座或第二升高座通过焊接固定。

6.根据权利要求1所述的一种特高压变压器套管的消能减震安装设计方法，其特征在于，步骤(4)中两端分别连接第二升高座底端和变压器箱体侧壁的非线性阻尼器位于步骤(3)中对称设置的两端分别连接第二升高座和变压器箱体的非线性阻尼器的对称面上。