CN110110350B - 一种复合支柱绝缘子抗震能力评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合支柱绝缘子抗震能力评估方法，包括：根据结构刚度特征来建立复合支柱绝缘子结构有限元模型；求解复合支柱绝缘子结构有限元模型地震响应时的最大位移和总高度；当所求解得的最大位移和总高度之间的比值大于预先设定的位移比限值，则增大复合支柱绝缘子的刚度，直至所求解得的最大位移和总高度之间的比值小于预先设定的位移比限值；计算复合支柱绝缘子本体的抗震承载能力安全系数是否大于预先设定的安全系数标准值。本发明通过提出结构位移限值和增大安全系数来提高结构的安全性和耐久性，提高复合材料的强度储备，使复合支柱绝缘子在罕遇地震发生后仍可以正常工作，从而提高了变电站的抗震可靠度。

Description

一种复合支柱绝缘子抗震能力评估方法

技术领域

本发明涉及工程与设备抗震领域，具体涉及一种复合支柱绝缘子抗震能力评估方法。

背景技术

目前，特高压交、直流工程中大量采用复合材料支柱类电气设备，复合材料支柱类电气设备在地震等极端灾害作用下的安全可靠性对确保变电站、换流站的安全运行尤为关键。为了提高复合材料支柱类电气设备在地震作用下的可靠度，在产品设计、工程设计及运行阶段需要对复合材料支柱类电气设备进行抗震能力评估。

复合材料支柱类电气设备通常安装在各种型式的设备支架上，设备-支架具有高度高、长细比大的特点，且各个设备在回路中通常以导体金具连接，不同设备之间相互耦联。复合支柱绝缘子作为回路中主要的电气设备，在变电站、换流站中得到了广泛的应用。复合支柱绝缘子结构具有细长的特点，且复合材料的弹性模量小(一般在20-40Gpa之间)，在地震发生时，复合支柱绝缘子顶部易发生大位移，这样会使设备之间电气绝缘距离不满足要求，即使结构复位，也会使结构造成累积损伤，影响电气功能；且复合材料的破坏应力在80-120Mpa之间，而复合支柱绝缘子在破坏时，底部绝缘子根部应力只有40Mpa左右，但安全系数却达到规范中要求的1.67。

目前已有的抗震评估方法针对的是全部支柱类复合材料电气设备，该方法包括如下步骤：(1)对支柱类复合材料电气设备进行整柱抗弯破坏试验，得出设备破坏部位的应力σ_U以及破坏时设备顶部位移u₀；(2)对相同的支柱类复合材料电气设备进行振动台试验，得出破坏部位的应力σ_E和顶部位移u；(3)对设备进行评估：若σ_E≤σ_U/1.67，且振动台试验设备顶部位移u小于等于设备破坏设备整柱破坏位移u₀时，则支柱类复合材料电气设备满足抗震要求。

而目前的评估方法中，由于支柱类复合材料电气设备结构形式多样，无法对位移限值提出一个规定值。且将设备进行抗弯破坏试验的位移作为结构位移限值，标准过于宽松，不适合长细比较大的复合支柱绝缘子。且复合材料的极限应力相比其他材料(如钢材)要低一些，又由于安全系数1.67提供的材料强度储备较低，复合支柱绝缘子在罕遇地震作用下，绝缘子根部断裂概率大大提高，复合支柱绝缘子在罕遇地震作用下，绝缘子根部断裂概率大大提高。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种复合支柱绝缘子抗震能力评估方法，以提高复合支柱绝缘子抗震性能评估的准确性，从而提高复合支柱绝缘子在正常使用阶段的耐久性。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种复合支柱绝缘子抗震能力评估方法，包括：

根据结构刚度特征来建立复合支柱绝缘子结构有限元模型；

求解复合支柱绝缘子结构有限元模型地震响应时的最大位移和总高度；

当所求解得的最大位移和总高度之间的比值大于预先设定的位移比限值，则增大复合支柱绝缘子的刚度，直至所求解得的最大位移和总高度之间的比值小于预先设定的位移比限值；

计算复合支柱绝缘子本体的抗震承载能力安全系数是否大于预先设定的安全系数标准值，若小于，则加强复合支柱绝缘子本体的抗弯刚度，直至复合支柱绝缘子本体的抗震承载能力安全系数大于预先设定的标准值；

当复合支柱绝缘子结构有限元模型地震响应时的最大位移和总高度比值小于预先设定的位移比限值以及复合支柱绝缘子本体的抗震承载能力安全系数大于预先设定的安全系数标准值时，则对复合支柱绝缘子结构有限元模型进行复合支柱绝缘子真型地震试验。

本发明与现有技术相比，其有益效果在于：

本实施例提供的复合支柱绝缘子抗震能力评估方法通过采用先建模的方式，并对复合支柱绝缘子结构模型进行位移以及应力分析判断，通过提出结构位移限值和增大安全系数来提高结构的安全性和耐久性，提高复合材料的强度储备，使复合支柱绝缘子在罕遇地震发生后仍可以正常工作，从而提高了变电站的抗震可靠度。

附图说明

图1为本发明实施例提供的复合支柱绝缘子抗震能力评估方法的流程图；

图2为本方法应用的直观说明图；

图3为复合支柱绝缘子结构有限元模型的建模示意图；

图4为新松波时程分析结构位移云图；

图5为新松波时程分析结构应力云图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。

实施例：

参阅图1所示，本实施例提供的复合支柱绝缘子抗震能力评估方法包括如下步骤：

步骤100：根据不同种类复合支柱绝缘子结构的特点，确定结构刚度特性，建立复合支柱绝缘子结构有限元模型。

步骤200：求解复合支柱绝缘子结构有限元模型地震响应时的最大位移u(mm)和总高度H(mm)。

步骤300：计算最大位移u(mm)与复合支柱绝缘子总高度H(mm)之间的比值是否小于预先设定的位移比限值(Δ)；

若最大位移u(mm)与复合支柱绝缘子总高度H(mm)之间的比值小于预先设定的位移比限值(Δ)，则满足位移限值要求；不满足则要求增大复合支柱绝缘子或设备支架的刚度(如加大绝缘子截面面积)，重新计算。

由于复合支柱绝缘子高度随电压等级不断加大，所以不同高度的绝缘子位移限值也不同。通过对大量的振动台试验以及有限元模拟得出数据的分析验证，在可满足设备互连设计要求，并综合设备满足电气性能要求下，本申请提出不同高度复合支柱绝缘子在不同地震设防烈度下的位移比限值(Δ)，如表1所示：

表1不同高度复合支柱绝缘子在不同地震设防烈度下的位移比限值(Δ)表

步骤400：计算复合支柱绝缘子本体的抗震承载能力安全系数是否大于预先设定的安全系数标准值

在校核内力时，不再使用《电力设施抗震设计规范》(GB50260-2013)中规定安全系数1.67，而是将安全系数调整至2.5。若复合支柱绝缘子结构最大应力σ≦对应破坏应力σ_u/2.5，即复合支柱绝缘子抗震承载能力安全系数满足σ_cr/σ_tot≥2.5或M_cr/M_tot≥2.5，若满足则可以确定支柱类复合材料电气设备满足抗震设防要求；若不满足，则加强设备的抗弯能力，重新分析。

步骤500：对复合支柱绝缘子结构有限元模型进行真型地震试验

按设防等级、工程重要性、技术成熟程度等判断是否需要进行真型振动台试验。如果需要，则按设防要求确定试验输入加速度等级，选择合适的地震时程，并考虑支架放大系数，进行复合支柱绝缘子真型地震试验。

在进行试验时可在设备顶部、设备连接处、连接导线等关键部位设置加速度传感器，测试地震输入时关键部位的加速度、位移响应(如绝缘子顶部)；在设备根部设置应变片，测试根部的应变响应。最后得出设备在X向、Y向的最大位移u(mm)；通过应力应变关系：σ_c＝E_c*ε_av/λ(其中：σ_c为按实测应变换算应力(MPa)；Ec为弹性模量；ε_av为实测应变均值；λ为谱修正值)，计算结构的最大应力σ(Mpa)，并将实验结果代入步骤300、400判断复合支柱绝缘子顶部位移和抗震承载力是否达到要求，若不满足则进行调整，直至满足要求为准

下面，以某一换流站800kV复合支柱绝缘子为例，通过对比不同加速度峰值地震作用下的位移表与应力表，说明本申请提出位移限值和增大安全系数的依据：

表2为不同地震作用下800kV复合支柱绝缘子顶部位移表

表3为不同地震作用下800kV复合支柱绝缘子根部应力表

《电力设施抗震设计规范》(GB50260-2013)中规定安全系数大于1.67可以理解为：复合支柱绝缘子结构某部位最大应力小于其极限应力的60％，剩余40％极限应力为复合材料的强度储备。

从表1、2中可以看出，复合支柱绝缘子顶部位移较大，但此时对应的绝缘子根部最大应力较小。若位移超限时，导致结构耐久性降低，但此时的结构的安全系数依然大于1.67。这使得在评估复合支柱绝缘子抗震性能时，出现位移限值和安全系数这两个判据不匹配的问题。

因此，提高复合材料的强度储备、对复合支柱绝缘子的顶部位移设限对复合支柱绝缘子进行抗震性能评估尤为重要，同时也提高了复合支柱绝缘子在罕遇地震作用时的抗震可靠度。

本方法最后将复合材料的强度储备从40％提高到60％，即安全系数从1.67提高到2.5。并参照《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)中5.5.1“多、高层钢结构弹性层间位移角限值为1/250“，综合考虑复合支柱绝缘子的复合材料特性和结构长细比大的特点，提出不同高度(即不同电压等级)复合支柱绝缘子位移比限值为表。

由此可知，本实施例提供的复合支柱绝缘子抗震能力评估方法通过采用先建模的方式，并对复合支柱绝缘子结构模型进行位移以及应力分析判断，通过提出结构位移限值和增大安全系数来提高结构的安全性和耐久性，提高复合材料的强度储备，使复合支柱绝缘子在罕遇地震发生后仍可以正常工作，从而提高了变电站的抗震可靠度。

为了更清楚直观地说明本实施例提供的复合支柱绝缘子抗震能力评估方法，下面结合附图2来进行说明：

图2中，X1为7度设防时设备顶部位移；X2为8度设防时设备顶部位移；X3为9度设防时设备顶部位移；X4为9度罕遇地震时设备顶部位移；支架-设备体系总高度H＝H1+H2；H1为设备支架高度；H2为复合支柱绝缘子本体高度；σ1为顶部复合绝缘子根部应力；σ2为第二节复合绝缘子根部应力；σ3为底部复合绝缘子根部应力。

(1)当H≦8000mm时，设备顶部位移应满足：

X1/H<1/250；

X2/H≤1/200；

X3/H≤1/100；

X4/H≤1/50

(2)当8000<H≦20000mm时，设备顶部位移应满足：

X1/H≤1/250；

X2/H≤1/150；

X3/H≤1/75；

X4/H≤1/30；

当顶部位移满足要求后则可以验算绝缘子支柱本体根部应力，则验算σcr/σ3的值是否大于2.5。若大于2.5，复合支柱绝缘子通过基于位移-应力双判据抗震能力评估，该复合支柱绝缘子抗震性能良好。

下面以滇西北特高压新松换流站800kV复合支柱绝缘子为例，运用本申请方法评估其抗震能力是否合格，并验证设备在罕遇地震的抗震性能。

1、建立结构的有限元模型，如图3所示；

2、根据工程要求输入新松波(0.4g)、El centro波和Taft波进行地震响应分析并得出结构顶部位移，如图4所示，并验证最大位移u(mm)与复合支柱绝缘子总高度H(mm)的比值是否满足专利中位移限值Δ的要求。

最后得出结构顶部最大位移u＝109.1，位移比u/H＝0.0064小于专利中规定的位移限值1/75，结构满足位移要求。

3、在位移满足要求后，验证复合支柱绝缘子根部应力是否满足安全系数大于2.5的要求，如图5所示：

最后得出底部绝缘子根部最大应力σ＝32.7，安全系数σ_cr/σ_tot＝3.67大于专利中提出的2.5，结构应力满足要求。

4、将通过本方法评估考核的复合支柱绝缘子A与未通过本方法评估考核的复合支柱绝缘子B对比。(其中A的绝缘子截面半径比B的绝缘子截面半径大)。

具体方法为将A、B进行罕遇地震下的有限元仿真模拟，对比两个复合支柱绝缘子的抗震性能。

表4为A、B复合支柱绝缘子在罕遇地震下的位移对比表

表5为A、B复合支柱绝缘子在罕遇地震下的应力对比表

由以上两表数据不难看出，复合支柱绝缘子B在罕遇地震作用下的位移超限，绝缘子根部安全系数为1.08，此时复合支柱绝缘子B的电气性能和封闭性能将大大降低，退出工作。对复合支柱绝缘子进行抗震加固或采用减、隔震装置也是提高抗震性能的方法。但是考虑到经济性等方面的因素，加大绝缘子截面面积是最有效的方案。

通过本申请方法评估考核的复合绝缘子A具有较大的强度储备，在罕遇地震作用时的抗震性能良好。

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种复合支柱绝缘子抗震能力评估方法，其特征在于，包括：

根据结构刚度特征来建立复合支柱绝缘子结构有限元模型；

求解复合支柱绝缘子结构有限元模型地震响应时的最大位移和总高度；

当所求解得的最大位移和总高度之间的比值大于预先设定的位移比限值，则增大复合支柱绝缘子的刚度，直至所求解得的最大位移和总高度之间的比值小于预先设定的位移比限值；

计算复合支柱绝缘子本体的抗震承载能力安全系数是否大于预先设定的安全系数标准值，若小于，则加强复合支柱绝缘子本体的抗弯刚度，直至复合支柱绝缘子本体的抗震承载能力安全系数大于预先设定的标准值；

当复合支柱绝缘子结构有限元模型地震响应时的最大位移和总高度比值小于预先设定的位移比限值以及复合支柱绝缘子本体的抗震承载能力安全系数大于预先设定的安全系数标准值时，则对复合支柱绝缘子结构有限元模型进行复合支柱绝缘子真型地震试验。

2.如权利要求1所述的复合支柱绝缘子抗震能力评估方法，其特征在于，所述安全系数标准值为2.5。

3.如权利要求1所述的复合支柱绝缘子抗震能力评估方法，其特征在于，所述预先设定的位移比限值和不同高度的复合支柱绝缘子结构总高度在不同地震设防烈度相关；

所述复合支柱绝缘子结构总高度由复合支柱绝缘子高度和设备支架高度组成；所述复合支柱绝缘子安装在设备支架上。

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