CN205298370U - 顶置式多重调谐质量阻尼器减震装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了顶置式多重调谐质量阻尼器减震装置，属于减震装置技术领域，解决了现有调谐质量阻尼器技术无法用于长周期瓷柱型电气设备减震的问题。该减震装置包括支撑装置、质量装置和刚度装置；所述支撑装置包括竖撑组和N层水平支架；所述质量装置包括N枚质量块，其中，N为正整数；质量块通过刚度装置固定安装于支撑装置上。N层水平支架和N枚质量块一一对应，并且质量块放置于水平支架上表面的中心位置。该减震装置特别适用于长周期电气设备，成本低，对设备改变小，基本不会老化。

Description

顶置式多重调谐质量阻尼器减震装置

技术领域

本实用新型涉及顶置式多重调谐质量阻尼器减震装置，属于减震装置技术领域。

背景技术

地震灾害具有突发性和毁灭性，严重威胁着人类的生命和财产安全。瓷柱型电气设备在电力系统中应用得非常广泛，且随着电力工业的发展，输变电设备的等级越来越高，高压瓷柱型电气设备尤其是超高压直流输变电设备越来越和细柔，顶部质量越来越大，对其抗震性能的要求更高。国内外的历次强震中瓷柱型电气设备震害均非常严重，确保瓷柱型电气设备在地震作用下正常工作对保障电力系统安全运行至关重要。

瓷柱型电气设备地震中的损坏形式主要是绝缘子端部漏油和拉断。针对这一情况问题，国内外很多学者采取了不同的措施来提高其抗震性能。有的通过拉线加固等措施来提高侧向刚度，有的采用复合材料代替传统的陶瓷材料，有的在下部支架处设置金属阻尼器等来耗散地震能量，亦有采用基底隔震技术将地震动输入与瓷柱型电气设备隔离的。

调谐质量阻尼器(TMD)是一种广泛应用于土木工程结构的被动减震控制装置，它能根据瓷柱型电气设备的震害特点，降低地震动作用下瓷柱型电气设备的加速度和根部应力反应。

TMD由质量系统、弹簧系统以及阻尼系统组成。地震发生时，被控设备在地震动作用下开始振动，被控设备的振动带动TMD系统共同振动，因为TMD与被控设备之间是弹性连接，TMD与被控设备之间会产生相对运动，如果将TMD自振频率调整到与所控制的瓷柱型电气设备自振频率相近的合适值(精确值可以通过理论计算确定)，TMD将能够提供给设备一个始终与设备惯性力方向相反的力，从而降低了作用于设备上的合力的幅值，也就降低了地震动作用时设备的动力响应。从耗能的角度来看,给TMD设定阻尼，通过TMD的运动耗散地震发生时地面传递给设备的能量，将能量的消耗集中到TMD装置内，这就减少了设备本身所需要吸收的能量，减轻了设备本身可能出现的损坏，从而达到了减轻设备震害的目的。

下面具体分析本实用新型与传统瓷柱型电气设备减震方法比较的优点。现有方法主要有拉线式减震方法、金属阻尼器减震方法、基底隔震技术减震方法、绝缘全封闭式组合电器配电装置减震方法、多重环式调谐质量阻尼器减震装置。

(1)拉线式减震方法：本方法为静力加固法。通过增加多余约束来提高设备抵抗水平地震力的能力。本方法原理简单清晰，但这种加固方式在地震中容易在拉杆或拉线固定部位发生损坏，形成新的薄弱环节，同时因为拉线的安装方式和电气绝缘的要求，本方法对空间要求大。

(2)铅合金减震器减震方法：通过安装铅合金阻尼减震器，改变设备的频率、增加设备的阻尼，降低设备的地震反应。目前该方法在国内已有一些应用，张雪松在文章《安装新型铅减震器的220kV断路器振动台试验》给出了这种减震器的振动台试验结果，结果表明新型铅合金减震器可以降低断路器顶部的加速度和位移，底部瓷套管最大应变可以减少50％以上。本方法对于长周期成分丰富的地震动以及含速度脉冲的近场地震动这两类特殊地震动的减震效果相对较弱。

(3)叠层橡胶隔震支座减震方法：通过改变设备支撑条件，延长设备的自振周期，避开地震动的卓越周期段，从而降低上部设备在地震动作用下的动力响应，同时还可以通过增加铅芯等措施来耗散能量。本方法在不同领域有大量的应用实例，技术成熟减震效果也很好，但这种方法存在以下缺点，首先是橡胶易老化，其次是基础隔震通常会增加隔震支座上部设备的绝对位移反应，绝大多数瓷柱型电气设备上端均有导线连接，位移的增大容易出现设备因导线拉拽而破坏的情况，第三是隔震支座不抗拉，即使不考虑叠层橡胶隔震支座减震方法的前述两个缺点，本方法通常也只能用于基底不出现拉应力的变压器上部套管减震，很难应用于直接安装在地面的大型电流互感器、避雷器等瓷柱型电气设备的减震。

(4)摩擦摆系统减震方法：通过改变设备支撑条件，延长设备的自振周期，避开地震动的卓越周期段以降低设备的动力响应。摩擦摆隔震支座综合了滑动轴承和摆运动的概念，采用隔震装置以后系统的频率主要由摆的几何参数确定、同时通过滑动面的摩擦耗散能量。摩擦摆隔震装置在建筑领域已有大量的应用，但在瓷柱型电气设备的减震应用中还存在一些问题，一是增大了上部设备位移、二是这种隔震支座不抗拉。

(5)全封闭式组合电器配电装置(GIS)减震方法:与常规配电装置不同，GIS将断路器、隔离开关、快速或慢速接地开关、电流互感器、避雷器、母线等元件通过封闭式组合，加装在一个充满一定压力的SF6气体的仓内，电气绝缘可依靠仓内SF6气体保证，SF6气体同时也起灭弧介质的作用。本方法的优越性很多，占地面积小，设备布置重心低，在国内外也应用的越来越多。但GIS前期投资大，是分散式元件投资的30-40倍；且GIS组合电器一旦发生故障，后果要比敞开式变电站严重得多；同时，四氟化硫气体的泄露也会造成相应的环境等问题。

(6)多重环式调谐质量阻尼器减震装置(专利号：ZL201520260800.7)：本方法采用调谐质量阻尼器原理，具有成本低、对空间要求小、基本不存在老化问题的优点。不过本方法所采用的环式弹簧的可变形范围相对较小，对特大地震安全裕度不足。

实用新型内容

本实用新型为解决现有技术中存在的问题，提出了顶置式多重调谐质量阻尼器减震装置，所采取的技术方案如下：

所述减震装置包括支撑装置、质量装置和刚度装置；所述支撑装置包括竖撑组1和N层水平支架2；所述质量装置包括N枚质量块3，其中，N为正整数；所述质量块3通过刚度装置固定安装于支撑装置上。

优选地，所述N层水平支架2和N枚质量块3一一对应，并且质量块3放置于水平支架2上表面的中心位置。

优选地，所述支撑装置还包括螺母4、螺栓5和垫片6；所述螺母4、螺栓5和垫片6组合安装于竖撑组1底端。

优选地，所述水平支架2采用十字形平面支架，所述十字形平面支架的四个顶点分别固定焊接于竖撑组1的各竖撑上。

优选地，所述水平支架2所在平面垂直于竖撑组1的各竖撑。

优选地，所述N层水平支架2之间相互平行。

优选地，所述刚度装置包括吊环螺母7和拉簧8；所述拉簧8的一端通过吊环螺母7固定安装于竖撑组1的竖撑上，另一端通过吊环螺母7固定安装于质量块3上。

优选地，所述拉簧8平行于水平支架2所在平面。

优选地，所述拉簧8处于张开状态。

优选地，所述质量块3的质量比范围为1％-100％，甚至更高，并不需要限于传统意义上的5％以内，考虑到本类设备的特点，可以根据减震需求来调整质量环的质量。其中，质量比为减震装置与安装该减震装置的瓷柱型电气设备质量之比。

本实用新型有益效果：

(1)、本实用新型可以用于长周期的设备减震。随着自振周期的增加，质量块在减震时所需要的运动冲程会成平方倍增大。现存的同类装置的振子可运动冲程都很小，很难用于自振周期大于0.2s的设备减震，而在地震中，长周期的电气设备的震害远高于短周期的电气设备。长周期设备的减震需求更高，却没有相应的减震技术，本实用新型可以实现长周期的设备减震。

(2)、质量块的质量比不限于传统意义上的5％以内，可以增加至100％，大质量比在增加减震幅度方面效果显著，同时，大质量比可以增加减震效果对不同地震动的稳定性。

(3)、本实用新型对强震具有相当的安全裕度，输入的地震动加速度峰值在0.25g、0.50g和1.0g时，本实用新型的减震效果基本保持稳定。

(4)、减震效果明显，以某220kV的电流互感器为例(质量960kg，一阶自振频率为5Hz)，占设备质量6％的本实用新型可以平均降低峰值位移和峰值加速度至无控时的50％；

(5)、对空间和位移要求小，对被减震电气设备干扰小，基本不存在老化问题。

附图说明

图1为本实用新型所述减震装置整体结构示意图；

图2为本实用新型所述支撑装置等视图；

图3为本实用新型所述刚度装置与质量块连接等视图；

图4为本实用新型所述刚度装置与质量块连接俯视图；

图5为本实用新型所述刚度装置与支撑装置连接示意图；

图6为本实用新型所述支撑装置与电气设备连接细节图；

图7为图6中A处放大图；

(1，竖撑组；2，水平支架；3，质量块；4，螺母；5，螺栓；6，垫片；7，吊环螺母；8拉簧)。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型做进一步说明，但本实用新型不受实施例的限制。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”和“竖着”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接连接，亦可以是通过中间媒介间接连接，可以是两个部件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

此外，在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”、“多组”、“多根”的含义是两个或两个以上。

以下实施方式中所用材料、仪器和方法，未经特殊说明，均为本领域常规材料、仪器和方法，均可通过商业渠道获得。

顶置式多重调谐质量阻尼器减震装置安装于瓷柱型电气设备顶部的吊装环位置，用以降低地震动作用下瓷柱型电气设备的动力响应。

该减震装置包括支撑装置、质量装置和刚度装置；所述支撑装置包括竖撑组1和N层水平支架2；质量装置包括N枚质量块3，其中，N为正整数，质量块3并不局限于一种形状，其形状可根据减震装置的实际应用而变化；质量块3通过刚度装置固定安装于支撑装置上。N层水平支架2和N枚质量块3一一对应，并且质量块3放置于水平支架2上表面的中心位置。支撑装置还包括螺母4、螺栓5和垫片6；螺母4、螺栓5和垫片6组合安装于竖撑组1底端，实现支撑装置与瓷柱型电气设备顶部吊装环连接。水平支架2采用十字形平面支架，所述十字形平面支架的四个顶点分别固定焊接于竖撑组1的各竖撑上，其所在平面垂直于竖撑组1的各竖撑，并且N层水平支架2的每层支架之间相互平行。刚度装置包括吊环螺母7和拉簧8；拉簧8的一端通过吊环螺母7固定安装于竖撑组1的竖撑上，另一端通过吊环螺母7固定安装于质量块3上。拉簧8平行于水平支架2所在平面，拉簧8在安装时进行预张拉，使得拉簧8在地震动作用时始终处于受拉状态。质量块3占设备质量的质量比不限于传统的5％以下，根据减震需要，可以提高至100％，甚至更高。

本减震装置可以实现对一阶或者多阶调谐质量阻尼器(TMD)的控制，其中，阶数与质量块3的枚数N一一对应，每一质量块3与相应的拉簧8组成一个TMD，控制同一或者不同振型；质量块3通过挤压拉簧8给支撑装置施加与设备水平运动加速度方向相反的力，降低瓷柱型设备的动力响应，达到减轻瓷柱型电气设备震害的目的。根据《建筑抗震规范》GB50011确定设备安装地区的抗震设防烈度，结合质量块3的质量以及所控制振型对应的频率值可以确定支撑装置所需要的冲程以及拉簧8所需要的刚度。地震动的主要频率成分在1-10Hz之间，有一定的频带宽度，与此同时，瓷柱型电气设备的振动是多阶振型耦合的结果，因此采用了多重TMD，每个质量块和对应的弹簧相当于一个独立的TMD控制设备的某一频带范围，多重TMD共同作用以实现对更宽频带范围的控制，多重TMD的运用降低了减震效果对地震动的频谱差异的敏感程度，增加了减震的稳定性。

减震装置控制频率的实现可以通过以下途径实现：(1)保持质量块3的质量不变，改变拉簧8的参数来实现减震装置对不同频率的控制，即适应不同震动频率和类型的地震；(2)保持拉簧8参数不变，改变质量块3的质量来实现减震装置对不同频率的控制，即适应不同震动频率和类型的地震，其中，途径(1)的减震效果优于途径(2)。

该减震装置的主要特点是：特别适用于长周期设备、减震效果稳定、对设备的干扰小、不易老化、成本低。和拉线加固方法相比，本实用新型对空间要求小，不会形成新的薄弱部位；和铅合金阻尼减震方法相比，本实用新型对于不同类型地震动稳定性更好；另外，不同于基础隔震牺牲隔震支座上部设备的绝对位移来降低设备的峰值加速度、绝缘子根部和法兰接合处的峰值应力，本实用新型可以同时实现对峰值加速度和峰值位移的降低，并且适用的瓷柱型电气设备类型也更广泛；和多重环式调谐质量阻尼器减震装置，本实用新型的振子的可变形能力显著提高，特别适用于长周期设备的减震。

根据测试所得的频率值调谐本实用新型的三阶控制频率，考虑到工程实际，当减震装置质量比在10％以内时，本实用新型推荐控制设备一阶自振频率的1.0、0.8、0.6倍；当减震装置质量比在50％时，本实用新型推荐控制设备一阶自振频率的0.7、0.5、0.3倍；当减震装置质量比在100％时，本实用新型推荐控制设备一阶自振频率的0.4、0.3、0.2倍；质量比在这中间时，可以采用线性插值方法得到。

针对本减震装置，选取了某厂家生产的220kV的电流互感器进行有限元减震模拟，输入8条比较有代表性的地震动(ElCentro、Northridge、Kobe、LomaPrieta、VictoriaMexico、集集、卧龙、人造地震动)进行动力时程分析。有限元结果表明，(1)、本实用新型适用于长周期的电气设备的减震；(2)、本实用新型的减震效果良好，占瓷柱型电气设备质量6％的本实用新型可以平均降低峰值位移和峰值加速度至无控时的50％；(3)、本实用新型对强震具有足够的安全裕度，输入的地震动加速度峰值在0.25g、0.50g和1.0g时，本实用新型的减震效果基本保持稳定。

针对本实用新型加工了实体模型，于2015年7月15日在中国地震局工程力学研究所恢先地震实验室进行了振动台试验，实验表明，本装置减震效果良好，可用于长周期设备减震。

实施例1：

结合图1至图7对本实用新型所述减震装置做详细说明。

该减震装置包括支撑装置、质量装置和刚度装置；所述支撑装置包括竖撑组1和3层水平支架2，其中，竖撑组1包括四根竖撑；质量装置包括3枚质量块3。质量块3为圆柱形，质量块3通过刚度装置固定安装于支撑装置上。每层水平支架2上都放置一枚质量块3，并且质量块3放置于水平支架2上表面的中心位置。支撑装置还包括螺母4、螺栓5和垫片6；螺母4、螺栓5和垫片6组合安装于竖撑组1底端，实现支撑装置与瓷柱型电气设备顶部吊装环连接。水平支架2采用十字形平面支架，所述十字形平面支架的四个顶点分别固定焊接于竖撑组1的各竖撑上，其所在平面垂直于竖撑组1的各竖撑，并且3层水平支架2的三层支架相互平行。刚度装置包括吊环螺母7和四根拉簧8；一根拉簧8的一端通过吊环螺母7固定安装于对应的一根竖撑上，另一端通过吊环螺母7固定安装于质量块3上。四根拉簧8均平行于水平支架2所在平面，拉簧8在安装时进行预张拉，使得拉簧8在地震动作用时始终处于受拉状态。质量块3占设备质量的质量比为6％。

虽然本实用新型已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本实用新型，任何熟悉此技术的人，在不脱离本实用新型的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本实用新型的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (10)

1.顶置式多重调谐质量阻尼器减震装置，其特征在于，所述减震装置包括支撑装置、质量装置和刚度装置；所述支撑装置包括竖撑组(1)和N层水平支架(2)；所述质量装置包括N枚质量块(3)，其中，N为正整数；所述质量块(3)通过刚度装置固定安装于支撑装置上。

2.根据权利要求1所述减震装置，其特征在于，所述N层水平支架(2)和N枚质量块(3)一一对应，并且质量块(3)放置于水平支架(2)上表面的中心位置。

3.根据权利要求1所述减震装置，其特征在于，所述支撑装置还包括螺母(4)、螺栓(5)和垫片(6)；所述螺母(4)、螺栓(5)和垫片(6)组合安装于竖撑组(1)底端。

4.根据权利要求2所述减震装置，其特征在于，所述水平支架(2)采用十字形平面支架，所述十字形平面支架的四个顶点分别固定焊接于竖撑组(1)的各竖撑上。

5.根据权利要求2所述减震装置，其特征在于，所述水平支架(2)所在平面垂直于竖撑组(1)的各竖撑。

6.根据权利要求2所述减震装置，其特征在于，所述N层水平支架(2)之间相互平行。

7.根据权利要求1所述减震装置，其特征在于，所述刚度装置包括吊环螺母(7)和拉簧(8)；所述拉簧(8)的一端通过吊环螺母(7)固定安装于竖撑组(1)的竖撑上，另一端通过吊环螺母(7)固定安装于质量块(3)上。

8.根据权利要求7所述减震装置，其特征在于，所述拉簧(8)平行于水平支架(2)所在平面。

9.根据权利要求7所述减震装置，其特征在于，所述拉簧(8)处于张开状态。

10.根据权利要求1所述减震装置，其特征在于，所述质量块(3)与安装质量块(3)的电气设备的质量比范围为1％—100％。