CN115102070A - 一种电气设备的平台型三维隔震装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电气工程技术领域，具体提供了一种电气设备的平台型三维隔震装置，包括：固定于底座基础(7)上的多个用于支撑运动解耦平台(6)的导向柱(3)；运动解耦平台(6)的下表面通过竖向阻尼器(4)和竖向弹簧(5)与底座基础(7)固定连接，运动解耦平台(6)的上表面通过摩擦摆式水平隔震支座(2)与电气设备(1)固定连接。本发明提供的技术方案能够有效的避免传统隔震装置隔震效果差、适应范围小的缺陷。

Description

一种电气设备的平台型三维隔震装置

技术领域

本发明涉及电气工程技术领域，具体涉及一种电气设备的平台型三维隔震装置。

背景技术

变电站设备因为大量使用绝缘材质，如电瓷材料，历来在地震中容易受到损坏。有多类变电站设备需要减隔震技术，才能满足高烈度区抗震设防要求。例如，主变类设备由体积大、重量重的箱体以及箱体顶部柔性的套管组成。全装状态的1000kV主变压器设备，其重量可达520吨，全装状态总长13.5m，总宽8.8m，总高18.24m。该类设备隔震研究的主要目标是减小设备的加速度响应，防止设备倾覆以及瓷套管等发生断裂破坏，基础隔震技术是电站设备有效的地震防护方式之一。在电力设施中研究和采用的隔震主要为水平隔震，相关隔震装置主要包括：橡胶支座与滑移支座组成的复合隔震支座、铅芯橡胶隔震支座、高阻尼橡胶隔震支座，摩擦摆隔震支座等。

目前电力设施的隔震研究主要限于水平方向，对于竖向地震动考虑不足，多数电力设施隔震装置尚不能有效隔离竖向地震动作用。现有三维隔震装置存在构造复杂的问题，且水平地震时竖向隔震装置因为倾覆弯矩的作用而难以正常工作。

发明内容

为了克服上述缺陷，本发明提出了一种电气设备的平台型三维隔震装置。

第一方面，提供一种电气设备的平台型三维隔震装置，所述电气设备的平台型三维隔震装置包括：

固定于底座基础7上的多个用于支撑运动解耦平台6的导向柱3；

运动解耦平台6的下表面通过竖向阻尼器4和竖向弹簧5与底座基础7固定连接，运动解耦平台6的上表面通过摩擦摆式水平隔震支座2与电气设备1固定连接。

优选的，所述导向柱3包括：柔性导向滑板3-4、阻尼器3-5、燕尾板3-6、底座3-7、橡胶垫层3-8、滑块3-9、导轨3-10和抗推柱3-11；

所述抗推柱3-11固定于底座3-7上；

所述导轨3-10固定安装在抗推柱3-11上；

所述滑块3-9与导轨3-10滑动接触；

所述滑块3-9与柔性导向滑板3-4固定连接；

所述阻尼器3-5的一端与柔性导向滑板3-4球铰连接，另一端与底座3-7连接；

所述燕尾板3-6与柔性导向滑板3-4固定连接；

其中，所述滑块3-9与柔性导向滑板3-4之间夹有橡胶垫层3-8。

进一步的，所述导向柱3的设计过程中：

当所述摩擦摆式水平隔震支座2滑移时，将所有摩擦摆式水平隔震支座2的滑移荷载总和的1/2记为F；

当将所述F载施加于所述抗推柱3-11上时，若所述抗推柱3-11的位移量小于0.01H，则该导向柱3合格，否则，该导向柱3不合格；

其中，H为所述抗推柱3-11的高度。

进一步的，所述导向柱3的设计过程中：

调整柔性导向滑板3-4的厚度和橡胶垫层3-8的厚度，直至所述导向柱3在0.5FH的弯矩作用下保持滑动正常。

优选的，所述导向柱3的个数为4个，分别布置于所述平台型三维隔震装置的四角处。

优选的，所述导向柱3的个数为8个，布置于所述平台型三维隔震装置的四面且每个面布置2个。

优选的，所述竖向弹簧5的刚度k满足：

2π(m/k)^1/2>1.5T_g，

上式中，m为电气设备1和运动解耦平台6的总质量，T_g为电气设备1所在地的地震反应谱的特征周期。

优选的，当运动解耦平台6在重力荷载下的位移Δ，所述阻尼器4的位移幅值为±0.5Δ，当加载频率为0.5T_g时，所述阻尼器4的出力之和在0.25G至0.5G之间，其中，T_g为电气设备1所在地的地震反应谱的特征周期，G为重力加速度。

优选的，所述摩擦摆式水平隔震支座2包括：通过钢绞线弹簧拉索2-4固定于摩擦摆支座外框2-2内部的摩擦摆支座滑块2-1。

进一步的，所述摩擦摆支座外框2-2内部填充有缓冲材料2-3。

进一步的，所述缓冲材料2-3为蜂窝吸能塑料或金属。

优选的，所述摩擦摆式水平隔震支座2的固有周期大于等于2T_g，其中，T_g为电气设备1所在地的地震反应谱的特征周期，G为重力加速度。

优选的，当所述电气设备1的底边呈矩形时，所述摩擦摆式水平隔震支座2的位移能力大于所述电气设备1的最小边长的0.05倍且小于所述电气设备1的最小边长的0.15倍，当所述电气设备1的底边呈圆形时，所述摩擦摆式水平隔震支座2的位移能力大于所述电气设备1的半径的0.05倍且小于所述电气设备1的半径的0.15倍。

本发明上述一个或多个技术方案，至少具有如下一种或多种有益效果：

本发明涉及电气工程技术领域，具体提供了一种电气设备的平台型三维隔震装置，包括：固定于底座基础7上的多个用于支撑运动解耦平台6的导向柱3；运动解耦平台6的下表面通过竖向阻尼器4和竖向弹簧5与底座基础7固定连接，运动解耦平台6的上表面通过摩擦摆式水平隔震支座2与电气设备1固定连接。本发明提供的技术方案针对电气设备三维隔震需求，实现水平和竖向运动的高效解耦，通过隔震平台和导向柱的共同作用，避免传统竖向隔震支座在有水平地震时，出现竖向位移不协调的问题。避免由此产生的倾斜和竖向运动限制。

进一步的，导向柱的设计采用刚性和柔性结合的设计，实现了水平刚性抗推，但同时可有效释放水平震动的导致的弯矩。将水平支座至于隔震层之上，可以避免水平支座因竖向压力在振动过程中急剧变化而导致性能不稳定的问题。

本发明还提出了刚柔特性导向柱、竖向隔震部件和水平隔震部件的主要参数设计方法，采用该参数设计方法，可对不同类型、大小和重量的变电站电气设备进行三维隔震设计。

本发明对变电站电气设备适用性广，变电站的主变压器、高压并联电抗器、电容器塔、干式电抗器和支撑试换流阀可以适用。

附图说明

图1是本发明实施例的电气设备的平台型三维隔震装置的主要结构示意图；

图2是本发明实施例的不使用竖向导向的传统三维隔震装置结构示意图；

图3是本发明实施例的使用竖向导向的传统三维隔震装置结构示意图；

图4是本发明实施例的平台型三维隔震装置的详细结构示意图；

图5是本发明实施例的导向柱分布示意图；

图6是本发明实施例的导向柱的主要结构示意图；

图7是本发明实施例的摩擦摆式水平隔震支座的主要结构示意图；

其中，1为电气设备；2为摩擦摆式水平隔震支座；3为导向柱；4为竖向阻尼器；5为竖向弹簧；6为运动解耦平台；7为底座基础；8为地面；2-1为摩擦摆支座滑块；2-2为摩擦摆支座外框；2-3为蜂窝吸能缓冲材质；2-4为钢绞线弹簧拉索；3-1为长边方向的导向柱；3-2为短边方向的导向柱；3-3为四角布置的导向柱；3-4为柔性导线滑板；3-5为阻尼器；3-6为燕尾板；3-7为底座；3-8为橡胶垫层；3-9为滑块；3-10为导轨；3-11为抗推柱。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

参阅附图1，图1是本发明的一个实施例的电气设备的平台型三维隔震装置的主要结构示意图。如图1所示，本发明实施例中的电气设备的平台型三维隔震装置主要包括：

固定于底座基础7上的多个用于支撑运动解耦平台6的导向柱3；

运动解耦平台6的下表面通过竖向阻尼器4和竖向弹簧5与底座基础7固定连接，运动解耦平台6的上表面通过摩擦摆式水平隔震支座2与电气设备1固定连接。

在平台以下，导向柱、竖向弹簧和竖向阻尼器共同作用，起到缓解竖向地震响应的目的，此时底座基础7与运动解耦平台6之间有明显的竖向相对运动，表现为地面竖向震动幅度大频率高，而平台的竖向运动幅度小，频率低。此时，基础与平台之间水平运动因受到导线柱的限制，无面向变化。

在平台以上，摩擦摆式水平隔震支座2发挥作用，起到缓解水平地震响应的目的，表现为电气设备1与运动解耦平台6之间水平相对运动，表现为平台的水平运动幅度大、频率高，电气设备的水平运动幅度小、频率低。此时，电气设备与平台之间无竖向相对运动，且两部分之间的压力传递连续，不因过大的上下运动导致压力骤降或骤减。

需要注意的是，水平支座至于平台之上，竖向支座置于平台之下、水平隔震支座置于平台之上是本发明的特点之一，其位置不可交换。这种设计可以保证水平支座不因过大的竖向震动加速度而发生压力变化，导致过大水平隔震性能发挥不稳定的现象。此特点，对摩擦型水平隔震支座至关重要。

可靠实现对相对竖向运动的导向上是平台型三维隔震装置设计关键。图2和图3是既有的三维隔震的实现方式，既有设计与本发明设计的重要区别之一是既有设计无隔震平台，因此呈现水平隔震支座和竖向隔震支座叠放的形式，那么这个装置仍然为独立的支座。此时，不管在制作内部不使用竖向导向(图2)或者使用竖向导向(图3)，都将在发生地震水平运动下支座竖向减震效能降低的特征，其中图3的导向装置因为过于局限在制作内部，难以承受水平震动导致的弯矩，将发生挤压变形而“卡死”，导致竖向支座不能上下运动的问题。

水平运动对竖向减震产生影响将导致各支座竖向变形量不同，从而上部结构倾斜，影响水平隔震支座效能的发挥，导致竖向和水平向的隔震效果都受影响。在建筑或桥梁的三向隔震中，因为上部结构的重量巨大，支座见竖向位移的差异容易恢复，而在于电气设备的三向隔震中，这种支座间的竖向位移不协调，将直接导致上部设备的可见倾斜。

本发明的平台型隔震设计，严格限制了支座间竖向位移不写协调的问题，如图4所示，导线柱提供的抗倾覆弯矩，可以很好的保证导向作用的发挥。

本实施例中，所述导向柱3的个数为4个，分别布置于所述平台型三维隔震装置的四角处，或者，所述导向柱3的个数为8个，布置于所述平台型三维隔震装置的四面且每个面布置2个。

具体的，平台型三维隔震装置的导向柱设置及其刚度配合是保证水平和竖向运动解耦，发挥三维隔震作用的关键。抗推导向柱的设置方式上，其设置位置在隔震平台的四周，分为在四角布置工四个或者每次布置两个共八个，不应设置多于此数量的导向柱，避免个别导向柱制造问题导致整体平台功能发挥困难，如图5所示。

导线柱的作用下抗水平推力、抗弯矩和竖向导向，其特点是采用刚柔部件结合设计。刚柔特性结合的抗推导向柱由四部分组成，通过刚性部件和柔性部件的结合实现传递剪力和释放弯矩的作用，如图6所示，所述导向柱3包括：柔性导向滑板3-4、阻尼器3-5、燕尾板3-6、底座3-7、橡胶垫层3-8、滑块3-9、导轨3-10和抗推柱3-11；

所述抗推柱3-11固定于底座3-7上；

所述导轨3-10固定安装在抗推柱3-11上；

所述滑块3-9与导轨3-10滑动接触；

所述滑块3-9与柔性导向滑板3-4固定连接；

所述阻尼器3-5的一端与柔性导向滑板3-4球铰连接，另一端与底座3-7连接；

所述燕尾板3-6与柔性导向滑板3-4固定连接；

其中，所述滑块3-9与柔性导向滑板3-4之间夹有橡胶垫层3-8。

上述设计的要点在于外侧的支柱是刚性的，提供所需的抗推力。而内侧的连接件是刚柔特性结合的。在传递推力时，燕尾板与滑块中心平齐，水平推力以刚性方式传递。在传递弯矩时，柔性导线滑板和橡胶垫层共同作用，使该导线柱可以发生足够量的转动位移，从而避免了在水平力和弯矩共同作用下导向柱竖向运动不畅的问题。导向柱内的阻尼器为速度相关型粘滞阻尼器，可以用于调谐导向滑板与抗推柱之间相对运动，避免过快的相对运动下，摩擦阻尼急剧增大的问题。同时，该阻尼装置也作为体系竖向阻尼的一部分。

在一个实施方式中，所述导向柱3的设计过程中：

当所述摩擦摆式水平隔震支座2滑移时，将所有摩擦摆式水平隔震支座2的滑移荷载总和的1/2记为F；

当将所述F载施加于所述抗推柱3-11上时，若所述抗推柱3-11的位移量小于0.01H，则该导向柱3合格，否则，该导向柱3不合格；

其中，H为所述抗推柱3-11的高度。

进一步的，所述导向柱3的设计过程中：

调整柔性导向滑板3-4的厚度和橡胶垫层3-8的厚度，直至所述导向柱3在0.5FH的弯矩作用下保持滑动正常。

上述是三维隔震平台运动解耦的关键，在本发明的结构中，上述要求容易满足，而在传统设计中，其导向部分难以在0.5FH的作用下正常发挥导向作用，从而出现竖向滑动阻滞和上部结构倾斜的问题。

平台型三维隔震装置应用的竖向隔震支座部分采用弹簧和阻尼器的组合。在竖向隔震参数设计上，所述竖向弹簧5的刚度k满足：

2π(m/k)^1/2>1.5T_g，

上式中，m为电气设备1和运动解耦平台6的总质量，T_g为电气设备1所在地的地震反应谱的特征周期。

本实施例中，当运动解耦平台6在重力荷载下的位移Δ，所述阻尼器4的位移幅值为±0.5Δ，当加载频率为0.5T_g时，所述阻尼器4的出力之和在0.25G至0.5G之间，其中，T_g为电气设备1所在地的地震反应谱的特征周期，G为重力加速度。

电气设备引线的连接设计，冗余度应大于边长或半径的0.3倍取值，推荐端部为分裂软导线的形式。

通过多条地震波输入下的结构动力学计算，上述参数设计时，使用本发明的隔震结构可实现良好的竖向隔震效果。

水平隔震支座应采用可恢复的限位措施，这类方式包括但不限于在摩擦摆支座周围的缓冲材质、钢绞线弹簧的拉索，如图7所示，所述摩擦摆式水平隔震支座2包括：通过钢绞线弹簧拉索2-4固定于摩擦摆支座外框2-2内部的摩擦摆支座滑块2-1，其中，所述摩擦摆支座外框2-2内部填充有缓冲材料2-3。所述缓冲材料2-3为蜂窝吸能塑料或金属。

本实施例中，所述摩擦摆式水平隔震支座2的固有周期大于等于2T_g，其中，T_g为电气设备1所在地的地震反应谱的特征周期，G为重力加速度。

优选的，当所述电气设备1的底边呈矩形时，所述摩擦摆式水平隔震支座2的位移能力大于所述电气设备1的最小边长的0.05倍且小于所述电气设备1的最小边长的0.15倍，当所述电气设备1的底边呈圆形时，所述摩擦摆式水平隔震支座2的位移能力大于所述电气设备1的半径的0.05倍且小于所述电气设备1的半径的0.15倍。

平台型三维隔震装置应用变电站的主变压器、高压并联电抗器、电容器塔和干式电抗器。其中应用于主变压器和高压并联电抗器时，根据变压器的中心位置进行隔震平台的布置；应用于电容器塔和干式电抗器时应在设备底部与隔震装置之间设计刚性连接板。其他支柱类型的电气设备，不适用于本发明提出的平台型三维隔震装置。

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保护范围之内。

Claims (13)

1.一种电气设备的平台型三维隔震装置，其特征在于，所述装置包括：

固定于底座基础(7)上的多个用于支撑运动解耦平台(6)的导向柱(3)；

运动解耦平台(6)的下表面通过竖向阻尼器(4)和竖向弹簧(5)与底座基础(7)固定连接，运动解耦平台(6)的上表面通过摩擦摆式水平隔震支座(2)与电气设备(1)固定连接。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述导向柱(3)包括：柔性导向滑板(3-4)、阻尼器(3-5)、燕尾板(3-6)、底座(3-7)、橡胶垫层(3-8)、滑块(3-9)、导轨(3-10)和抗推柱(3-11)；

所述抗推柱(3-11)固定于底座(3-7)上；

所述导轨(3-10)固定安装在抗推柱(3-11)上；

所述滑块(3-9)与导轨(3-10)滑动接触；

所述滑块(3-9)与柔性导向滑板(3-4)固定连接；

所述阻尼器(3-5)的一端与柔性导向滑板(3-4)球铰连接，另一端与底座(3-7)连接；

所述燕尾板(3-6)与柔性导向滑板(3-4)固定连接；

其中，所述滑块(3-9)与柔性导向滑板(3-4)之间夹有橡胶垫层(3-8)。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述导向柱(3)的设计过程中：

当所述摩擦摆式水平隔震支座(2)滑移时，将所有摩擦摆式水平隔震支座(2)的滑移荷载总和的1/2记为F；

当将所述F载施加于所述抗推柱(3-11)上时，若所述抗推柱(3-11)的位移量小于0.01H，则该导向柱(3)合格，否则，该导向柱(3)不合格；

其中，H为所述抗推柱(3-11)的高度。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述导向柱(3)的设计过程中：

调整柔性导向滑板(3-4)的厚度和橡胶垫层(3-8)的厚度，直至所述导向柱(3)在0.5FH的弯矩作用下保持滑动正常。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述导向柱(3)的个数为4个，分别布置于所述平台型三维隔震装置的四角处。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述导向柱(3)的个数为8个，布置于所述平台型三维隔震装置的四面且每个面布置2个。

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述竖向弹簧(5)的刚度k满足：

2π(m/k)^1/2>1.5T_g，

上式中，m为电气设备(1)和运动解耦平台(6)的总质量，T_g为电气设备(1)所在地的地震反应谱的特征周期。

8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，当运动解耦平台(6)在重力荷载下的位移Δ，所述阻尼器(4)的位移幅值为±0.5Δ，当加载频率为0.5T_g时，所述阻尼器(4)的出力之和在0.25G至0.5G之间，其中，T_g为电气设备(1)所在地的地震反应谱的特征周期，G为重力加速度。

9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述摩擦摆式水平隔震支座(2)包括：通过钢绞线弹簧拉索(2-4)固定于摩擦摆支座外框(2-2)内部的摩擦摆支座滑块(2-1)。

10.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述摩擦摆支座外框(2-2)内部填充有缓冲材料(2-3)。

11.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述缓冲材料(2-3)为蜂窝吸能塑料或金属。

12.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述摩擦摆式水平隔震支座(2)的固有周期大于等于2T_g，其中，T_g为电气设备(1)所在地的地震反应谱的特征周期，G为重力加速度。

13.如权利要求1所述的装置，其特征在于，当所述电气设备(1)的底边呈矩形时，所述摩擦摆式水平隔震支座(2)的位移能力大于所述电气设备(1)的最小边长的0.05倍且小于所述电气设备(1)的最小边长的0.15倍，当所述电气设备(1)的底边呈圆形时，所述摩擦摆式水平隔震支座(2)的位移能力大于所述电气设备(1)的半径的0.05倍且小于所述电气设备(1)的半径的0.15倍。

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