JPS58214224A - 碍子形変電機器の耐震支持構造 - Google Patents

碍子形変電機器の耐震支持構造

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JPS58214224A
JPS58214224A JP9492182A JP9492182A JPS58214224A JP S58214224 A JPS58214224 A JP S58214224A JP 9492182 A JP9492182 A JP 9492182A JP 9492182 A JP9492182 A JP 9492182A JP S58214224 A JPS58214224 A JP S58214224A
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insulator
coil spring
equipment
seismic
vibration
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JP9492182A
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清 斉藤
有松 啓治
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Hitachi Ltd
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、碍子形変電機器の耐震支持構造の改良に関す
るものである。
1978年宮城県沖地震時、超高圧碍子形質電機器に多
大の被害が発生し、これを契機に変電機器の耐震仕様も
全面的に見直され、設計地震波または共振正弦波等の地
震力に対して動的耐震設計を行ない、これ全検証するこ
とが義務づけられることになった。
碍子形変電機器はその名の通り、対地主絶縁構造材料に
機器架の碍子または碍管が使用されているが、一般に縦
長の構造となり、水平方向の地震力に対して大きな曲げ
モーメントが発生し易い構造であること、また、一般の
金属構造材料に比較してその材料の機械的強度が低いこ
と、更にぜい性材料であるため、その発生応力が碍子ま
たは碍管の破壊強度を超えると、疲労現象等の前兆なく
破壊に至ることなどにより、碍子または碍管が地震時の
最弱点部例なっている。
碍子形変電機器の耐震強度の向上策として、碍子または
碍管の剛性の増大、機器各部の軽量化、重心高さの低下
により碍管に加わる曲げモーメントの低減、機器架台剛
性の増大などが行われており、合理的な設計をすれば、
超高圧以下の機器は殆んどが要求される耐震仕様を満足
できるものになる。しかし、500kV級超超高圧の碍
子形質電機器の一部のものに要求される耐震仕様に対し
て十分なる安全’Jfとれないものが出ている。例えば
電気的な制約から碍管の外径をあまり大きくできず非常
に細長い形状の避雷器や計器用変圧器などが該当する。
これらの機器の耐震強度の向上策の一例として第1図に
示すように、架台1と機器2との間に摩擦形の7リクシ
ヨンダンパ(振動減衰器)3を介在させ、振動減衰器に
より地震入力を摩擦熱に変換し、碍子形機器本体への伝
達地震力を低いレベルに抑え込み、機器本体の加速度応
答を小す<シ、碍子ま友は碍管に働らく曲げモーメント
、曲げ応力を緩和する方法が知られている。
第2図は7リクシヨンダンパ3としても最も一般的な輪
ばね構造のものの断面図である。複数個のそれぞれ輪ば
ねからなる内輪4と外輪5の組合せからなっており、内
輪4の外周側テーバ面6と外輪5の内周側テーバ面7の
接触面に生じる摩擦力が振動の減衰エネルギーとなるわ
けである。このフリクションダンパ3を第1図の上部エ
ンドプレート8と下部エンドプレート9との間に、円周
上等間隔で複数個配列することになるが、フリクション
ダンパ3會有効に作動させるためにはフリクションダン
パ3の上下方向の振動変位量を大きくしてやる必要がめ
る。これは振動モデル的に考えると、架台1と碍子形機
器2との間に、はね常数の小さい回転ばねが挿入された
ことになり、機器の固有振動数が7リタシヨンダンパ3
のないときの1/2〜1/3となることが通例であシ、
このため、フリクションダンパ部近傍を支点とするロッ
キング振動が大きく現われ、碍管の応力は低くなるが、
碍管頂部の撮幅はかなり大きくなり、接続されているリ
ードi(図示せずンのたるみが十分になければ、リード
線が張り合い大きな張力を生じ、機器端子部の破損事故
の原因となったシ、この張力のためリード線を介して接
続されている相手側機器に無理な力が加わりこれを破損
し兼ねない。
また、フリクションダンパ3は内輪4と外輪5との接触
面の摩擦係数が振動減衰性能全支配し、この値が大きい
程性能はよくなるわけであるが、錆の発生や擦過傷の存
在などにより異常に摩擦係数が増大している状態で、地
震力を受けるとかしシ付現象を起こし、ばね効果を失い
必然的に振動減衰性能も失うことになる。
内輪4と外輪5の輪ばねの組合せからなるフリクション
ダンパ3は、接触面の摩擦係数がそれぞれ微妙に違うの
で、ばね特性が変ってくるため、各フリクションダンパ
3の振動荷重の分担にも差が出てくる。フリクションダ
ンパ3はその構造上、材料の降伏応力程度の高応力で使
用されるため、振動荷重分担に大きな差が生じれば、輪
ばねの折損事故?誘起するおそれもある。
更に大きな地震力全受はフリクションダンパ3が作動し
た後、地震力が無くなった時、全フリク2・ヨンダンバ
が児童に当初の設定位置まで復元すること汀、力と変位
の関係がヒステリシス特性全行つこと全利用している)
17クシヨンダンバの本質かlZ)基本的に不可能でち
る。このため、大きな地震力を受けた後、機器の垂@度
が若干傾斜した状態のままとなシ、当初の設置位置にも
どらないと云う欠点もおる。このため、大きな地震力を
受けてフリクションダンパが作動した場合は、全フリク
ションダンパの点検と再設定が必要になる。
フリクションダンパの輪ばねの材質は引張り強さ降伏点
が一般鋼材の3倍以上もある特殊ばね鋼が一般に使用さ
れるが、これ全特殊形状に非常に高精度で加工しなけれ
ばならす、価格もかなり高価になる。
本発明は上記の状況に鑑みなされたものであり、耐震強
度全向上できる碍子形質電機器のITFt震支持構造を
提供することを目的としたものである。
本発明の碍子形質電機器の耐震支持構造は、上下方向位
置に配設された積層ゴム支持装置と、該積層ゴム支持装
置の軸心上中心とする円周上位置に配設されたコイルば
ね及び上下部コイルばね枠力・らなる複数個のコイルば
ね装置とより形Ff2#れた免震支持製置が、機器と架
台もしくは基礎との間に配役てれてなるもので必る。
上記のように、従来、変電機器の耐震強度を向上させる
方策としてフリクションダンパなどの振動減衰器を入れ
る方法が利用でれていたが、系全体の水平方向の固有振
動数i 0.5 HZ程度以下に下げる、いわゆる免震
支持する方式をとり入れることも考えられる。免振支持
と云うのは、地震力に含まれる加振振動数より系の水平
方向の固有振動数を下げることによシ、地震力の機器へ
の伝達成分を実質的に減少させるもので、その固有振動
数ケ0.5 HZ程度以下にした場合、地震波中に含ま
れる多数の振動数成分の内で系と共撮する成分が殆んど
ないためである。この考え方は超高層ビルの耐震設計に
採用されている。超高層ビルの場合は建物自体が長大で
あるため、特別の装置全付加しなくても固有振動数が十
分低くなり免振構造になるが、問題になっている碍子形
質電機器の固有振動数は2〜4Hz位であるため、免振
支持装置全付加する必要がある。
変電機器の免振支持を実現するためには、鉛直方向のば
ね定数が大きく、機器の重量を十分支えられると共に、
水平方向のばね定数が極端に低い支持材が必要である。
従来から振動伝達全抑制するために防振ゴムが広く利用
されているが、ゴムの縦弾性係数は一般にせん断弾性係
数より大きいと云う特徴がある。
今、第3図に示す円柱の防振ゴムを考え、その直径をd
1有効高さ=2hとする。さらに形状を表わす変数とし
て形状率Sを考えると、形状率Sば、8 = AL I
 AF  −・−−” (1)但し、AL:受圧面積(
(π/4 ) d2 )へr:自由面積(側面積=πd
h) この場合、形状率Sは S = d/4 h ・・・・・・・・曲・・・(2)
になるが、一般のゴムの縦弾性係数Eとせん断弾性係数
Gとの比は、Sが大きくなる程大きくなることが知られ
ている。Sが1.0のときこの比は約8倍、S カ5.
0 O、!: キ、約120倍、8dE10で約500
倍、Sが15で約1000倍となる。
ゴムの圧縮ばね定数k k v 、せん断げね定数をk
Hとすると、 kv ”E (AL / h )  −・・・・・・・
・・(3]k H=G (AL / h )  ・・・
・・・・・・・・・ (4)故に、k v/ k H=
 E/ G  ・・・・・・・・・・・・(5)となる
従って、5−15、程度の薄いせんべい状の防振ゴム形
状にすれば、水平方向のげね定数が鉛直方向のばね常数
の約1/1000程度にすることが可能になる訳で本発
明はこの点に着目した訳である。
しかし、1枚の薄円柱の防撮ゴムではhが小さ過ぎ、従
って、kHが大きくなりすき゛るため免震支持にはなり
得ない。このため、これを第4図の如く、ゴム板10と
当板11とを多数枚交互に積層した積層ゴム構造とし、
免震設計に必要なkHになるようにしたものである。こ
の積層ゴムを架台と機器との間に介在させることにより
免撮支持全得るものである。しかし、碍子形質電機器−
長大な鉛直碍管等がこの積層ゴム上に直立することにな
り、この慣性モーメントは相当大きなものとなり、一方
、積層ゴムの等何回転ばね定数は後に述べるように著し
く小さいため、このままでは大きなロッキング振動を生
じ使用に耐えないものになる。このため、本発明は積層
ゴム全機器下端の機器中心軸上に配置し、その外周にロ
ッキング振動抑制用コイルばねを複数個配置し、ロッキ
ング感動を抑制しつつ碍子形質電機器を免振支持するも
のである。
以下本発明の碍子形質電機器の耐震支持構造の一実施例
を第1図ないし第4図と同部品は同符号で示し第5図に
より説明する。架台1と機器2との間には、上部エンド
プレート8と下部エンドプレート9との間の中心部には
積層ゴム支持装置12が挟着固定されている。積層ゴム
支持装置12の中心から半径凡の同心円をピッチサーク
ルとし、この円周上にコイルばね18が等間隔に複数個
配置されている。コイルばね18は上下部エンドプレー
ト8,9にそれぞれ固定された上部コイルばね枠21.
下部コイルばね枠17内に収納され、上下部コイルばね
枠21,17はコイルはね18の周囲を上下に摺動可能
に構成されている。
当板16、抑えボルト19、上部コイルばね枠21によ
り上部側のコイルばね支持部材を形成している。下部コ
イルばね枠17は下部エンドプレート9に固定されてい
るが、上部コイルばね枠8は上部エンドプレート8に固
定されず、水平方向に動き得る摺動面20を形成してい
る。コイルばね18、上下部コイルばね枠21,17に
よりコイルばね装置13を形成している。積層ゴム支持
装置12と複数個のコイルばね装置13とにより免震支
持装置を形成している。
積層ゴム支持装置12の詳細を第6図に示す。
1枚のゴム板10の直径をd1厚さをhとし、これがn
枚積層されている。免震支持装置の上に載せる機器2の
重量を、500kv級の代表類として、4000Kgと
した時、系の水平方向の固有振動数を0.5 Hz以下
の免震支持方式とするための積層ゴム支持装置12の寸
法例は次の如くになる。
d =16crn、 h =0.25crn、 n=1
00枚とすると、受圧面積AL=201α2、形状率S
は、S=d/4h=16/(4X0.25)=16、と
なる。天然ゴム系のゴムを使用すると、G=5に9Ic
m2. E = 5500 K4/cm2  となる。
従って、積層ゴム支持装置12の水平ばね定数KMは、
中40(匂/(7)) こnよシ水平方向の固有撮動数fHは、Wは免震支持装
置上の載荷重量で、本実施例の場合、4000に9、G
は重力の加速度で一般に、980cm/8”であるから
、 となり、実現可能な形状寸法諸元で、免震支持を可能と
することが示芒nる。
一方、留意すべき必要のあるものに、系の鉛直方向の固
有振動数がある。この値が低過ぎ10Hz以下になれば
、地震波の鉛直成分と共振するおそれがある定めである
。一般には系の鉛直方向の固有撮動数は15Hz以上で
あることが望ましい。積層ゴム支持装置12の鉛直方向
のばね定数Kvは、 =44220 (Kf/crnl これにより鉛直方向の固有撮動数fvLd、中1f5.
6 ()Tz ) となり、鉛直方向の剛性は十分にあることが示でれる。
薄いゴム板を多数直列にし、EとGとの比を1000倍
程度にする理由はこのようにfIIを、0、5 Hz以
下、fvを10Hz以上にするためなのである。
積層ゴム支持装置上に搭載される機器の重心の高きが0
の場合にはこれで使用できる訳であるが、笑際には重心
の高爆がOと云うことはあり得す、特に碍子形質電機器
は縦長の念袷、重心位置は非常に高くなり50.OkV
級の場合300crn以上になる例が一般である。この
場合、ロッキング振動と称される揺れ振動が問題になり
、この振動成分が大きくなると、機器の上部の振動振幅
が大きくなり碍子または碍管部に大きなモーメントを生
じる上、場合によっては安定に機器が自立できないで傾
斜したままになることもあり得る。
第7図はロッキング振動を説明するための振動モデル図
、第8図はロッキング撮動中の回転撮動分の等価モデル
図を示す。Cは機器、bはゴム部でるる。ここで、積層
ゴム支持装置の等何回転ばね定数をKa、支持装置面ま
わりの機器の回転慣性モーメン−トを■とす:hば、回
転方向の固有振動数fnば、 で表される。このfRかfvと同様にl0I(z以上と
ならなければ、ロッキング振動成分が大きくなり、理習
的免震構造とはならない。
第9図はKnを求ぬるための説明図である。円板状ゴム
板の坐径を、n=(1/2)d とすると、回転モーメ
ントMは、 Kvθ =     a2” KRθ ・・・・・・・・・・・
・ (7)従って、 となる。
本実施例では、 KR=82/8X44220:3.54X10’ (K
q・tyn/ rad )一方、■は重心高さを3+0
0crnとして、I中4000X3002= 3.60
X10”  (Kq・1ぐ7)i2ンこれより : 0.16 (Hz ) となり、このままではfI!が小さ過ぎる。Kn(’1
この値の100倍以上にしなければ実用的な構造とはな
り得ない。
このため、第5図に示すように、積層ゴム支持装置12
を碍子形機器2の中心軸上に配置し、その外周にロッキ
ング撮動抑制用コイルばね18を複数個配置している。
各コイルばね18のばね定数を、k gp (Ky/ 
on ) lし、コイルばね18の取付ピッチサークル
径をD(crn)、コイld:ネ18の数をjとすると
、このコイルばね群による鉛直方向のばね定数Kv’は Kv’ : j−に8p となる。このKv’が前述の積層ゴム支持装置18のK
vの1/4以下にすることが必要となる。
これはKvとKv’との比で機器2の鉛直荷重の積層ゴ
ム支持装置12とコイルばね群の分担比が定まり、Kv
′がKvに比し太きすぎると、碍子形機器2の荷重がコ
イルばね群に加わり過ぎ、積層ゴム交付装置12による
免震振動の効果を引き出せなくなるからである。
今、jを8本とすると、 このklIPはコイルばねとして容易に実現できる値で
ある。
ここで、コイルばね群による回転ばね定数KR’は、 D=200cm 、 k3p’ = 1380Kg/C
M、  j =8とすれば、 KR’ =1.38X107(0,5+1+0.5+0
+0.5+1+0.5+O) = 5.52X10″(Kq−z〆rad)コイルばね
群による回転はね定数KB’は、積層ブッシング支持装
置12の回転ばね定数Knの約160倍となり、ロッキ
ング振動を十分制御できる値とすることができる。
上記のように構成することにより、積層ゴム支持装置1
2、コイルばね群とも実現できる合理的な形状寸法範囲
で、500kV級で重量4000Kq級の機器用の免震
支持構造を得ることができる。
機器の重量や重心高さ等が変った場合も同様な手法で適
切な形状9寸法を決定することが可能である。
このような免震支持構造の採用により、ロッキング振動
を抑制しつつ、機器系の水平方向の固有振動数を0.5
 Hz以下にすることが可能となるが、機器の水平方向
の撮動撮幅を拘束せぬようにすることが肝要である。こ
のため、上部エンドプレート8の抑えボルト19貫通部
は半径方向に5cr/T程度以上のクリアランスを設け
ておく必要がある。
このクリアランスは、著名な各種地震波を入力したとき
の地震応答解析結果から得られた機器の水平方向の変位
応答値より太きくシ、上部エンドプレート8がコイルば
ね貫通スプリングに接触しないように定められるべきで
ある。この構造において、当板16及び上部コイルばね
枠21と、上部エンドプレート8の水平方向摺動面の摩
擦力が摩擦ダンパとして作用するので、著しく簡単な構
造で振動減衰効果を上げることができる。特に当板16
と上部エンドプレート8との間に加わる鉛直方向荷重は
、コイルばね18によって安定化されているから各コイ
ルばね上のプレートと上部エントフL’  )間に生ず
る摩擦力のアンバランスミj少なく良好な撮動減衰器と
して作用する。
このように本実施例の変電機器の耐震支持構造は構成さ
れ、積層ゴム支持装置の外周側にコイルばねを円周上に
配置することにより、比較的縦長の積層ゴムを用いる場
合にも安定性が高く、その結果、比較的重量の軽い変電
機器の免震にも用いることができる。そして、積層ゴム
が万一破損した場合でも周囲のコイルばねたけて機器を
支持する、ことができるバックアップ構造となっている
また、水平面内で作用する摩擦ダンパを用いるので摩擦
ダンパ用として特別の取付高さを必要としない。さらに
、円形のゴム板からなる積層ゴムを用いているので方向
性のない免震支持ができ、摩擦ダンパによって生じる水
平方向の残留変位は、コイルばねを下方に押し下げるだ
けで容易に除去でき、摩擦板の保守点検も容易である。
そして、ロッキング撮動がコイルばね群で抑制されるた
め、機器頂部の変位応答は小さく抑えることができるの
で、リード線との相互干渉はほとんど受けない。
次に、ガスブッシングに笑施した場合の他の実施例につ
いて従来構造を述べた後説明する。
近年、ガスしゃ断器、ガス複合開閉器、カス絶縁開閉装
置、ガス絶縁母線が広く採用されるようになり、これら
機器、装置類と気中母線、架空線との接紐部には、ガス
ブッシングが一般に使用されている。
そして、送変電容量の増大にともない送電電圧が高くな
り、現在では500kV送電系統が実用化てれているが
、近い将来1000kV送電の実用化が計画されている
。これらの送電系統に使用宴れる変電機器にはガスブッ
シングが広く採用されており、送電電圧が高くなると絶
縁距離を犬きく確保する必要があるため、碍管長さく高
さ)、碍管胴面径を大きくする必要がある。例えば、碍
管長さく高さ)についてみると、定格電圧275kV級
の場合、約3m、50kV級の場合約6〜7m、100
0kV級の場合約12mとなっており、定格電圧に略比
例して犬きくなっている。碍管胴面径、碍管肉厚も一般
的に碍管長さく高は)が大きくなるにつれて略比例して
大きくなっている。このため、1000kV級ガスブツ
ソングの耐震性能は特別な対策を行わなけれは、500
kV級の場合に比較して耐震的には略2倍と厳しくなり
耐震仕様を満足できなくなる。
ここで1000kV級ガスブッシングの耐震強度の向上
策が重要な問題となっているが、その向上策の従来の構
造を第10図により説明する。碍管22の取付フランジ
34とタンク72ンジ27との間に、可撓継手35及び
振動減衰器36が取り付けられ、振動減衰器36にて碍
管22の加速度応答を小さくシ、碍管22の曲げモーメ
ント、曲げ応力を緩和する方法が知られている。この方
法の場合、撮動減衰器36を有効に作動させるため7ラ
ンジ27とフランジ34の相対変位を大きく形成するこ
とが必要となり、このため、フランジ27とフランジ3
4との間を可撓接手35で接続する必要が生じ、かつ、
この可撓接手35はブッシング及びタンク本体25の内
圧に耐えることが要求される。また、本方式の場合、7
ランジ27と7ランジ34の相対変位が大きくなるが、
これはブッシングの共振撮動数の低下をきたし、ブッシ
ングの水平変位は大きくならざるを得す、中心導体28
の水平変位も大きくなる。このため、中心導体28と下
部端子30との間の可撓接続構造も特殊な方式の開発が
必要になってくる。尚、第10図において、23は上部
碍管金具、24は下部碍管金具、25はタンク本体、2
6はタンク補強材、29は上部端子、31は接続導体、
32は絶縁支持台、33は絶縁ガスである。
次に、第11図、第12図により実施例のブッシングの
対震支持構造について説明する。第11図は第5図のA
部分と同部分の詳細図、第12図は免震支持構造を本体
タンクと基礎間に取付けた状態の縦断面図である。第1
1図において37は機器取付座、38は基礎取付座であ
る。第11図の免震支持構造において、薄い防振ゴムの
せん断方向のばね定数は圧縮方向のばね定数の1/10
00以下にすることができるので、この薄い防撮ゴムを
複数枚直列に重ね合せることにより、系の水平方向の固
有振動数を0.5 Hz以下とするものである。このよ
うに水平方向の固有撮動数が低くなると、地震波との共
振現象が現われず、耐震性能が上がることになる。しか
し、積層ゴム支持装置だけでは大きなロッキング振動を
生じるので、これを抑制するため、この外周にコイルば
ね群を配置するように形成されている。
第12図は1000kV!itガスブツシング装置にこ
の免震支持装置を装着した実施例である。タンク7ラン
ジ27と基礎41との間に第11図に示す免震支持装置
40が4個所(取り付けられている。このように構成す
ることにより、タンク本体25は水平方向に最大数mの
振動振幅を受けるが、ブッシング碍管にかかる曲げモー
メントは免震され大幅に低減するばかりでなく、碍管2
2と中心導体28との相対変位も特に問題とはならす従
来構造のままでよい。但し、タンク本体25と基礎41
との水平相対変位が最大数mであるため水平母線部に可
撓継手39と可撓端子42を配置しこの相対変位を円滑
に吸収できるようになっている。尚、タンク本体25部
分を含む重量は、1000kV級ガスブッシング引出部
で約20〜30トンとかなり重くなることから本実施例
のように、タンクフランジ27と基礎41間に免震支持
装置40を複数個配設することが著しく有効である。本
実施例も上記実施例と同様の作用効果を有する。
以上記述した如く本発明の碍子形質電機器の耐震支持構
造は、耐震強度を著しく向上できる効果を有するもので
ある。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来の碍子形質電機器のi1震支持構造の概略
図、第2図は第1図のフリクションダンパの断面図、第
3図は本発明の碍子形質電機器の耐震支持構造の実施例
に使用する防振ゴム板の斜視図、第4図は第3図のゴム
板の積層状態の斜視図、第5図は第4図の積層ゴム支持
装置を取り付けた本発明の碍子形質電機器の耐震支持構
造の実施例の断面図、第6図ないし第9図はそれぞれ各
種のばね定数の説明図、第10図は従来のガスブッシン
グの耐震支持構造の断面図、第11図は本発明の碍子形
質電機器の耐震支持構造の他の実施例のガスブッシング
免震支持装置の詳細図、第12図は第11図の免震支持
装置を取り付けたガスブッシング而1震支持構造の断面
図、第13図は第12図の■−■矢視矢視面断面図る。 1・・・架台、2・・・碍子形機器、8・・・上部エン
ドプレート、12・・・積層ゴム支持装置、13・・・
コイルばね装置、16・・・当板、17・・・下部コイ
ルばね枠、18・・・コイルげね、19・・・抑えボル
ト、21・・・上部コイルばね枠、40・・・免震支持
装置、41・・・基礎。 第 5 回 第 z 図 1、+ f77図      笛?図 第 //  図 ffy  、12  口 4!2.325

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、上下方向位置に配設された積層ゴム支持装置と、該
    積層ゴム支持装置の軸心を中心とする円周上位置に配設
    されたコイルばね及び上下部コイルばねからなる複数個
    のコイルばね装置とにより形成された免震支持装置が、
    機器と架台もしくは基礎との間に配設されてなること全
    特徴とする碍子形変電機器の耐震支持構造。 2 上記コイルばねの上端側に取り付けられた上部エン
    ドプレートが上部側のコイルばね支持部材に水平方向に
    摺動自在に取シ付けられている特許請求の範囲第1項記
    載の碍子形変電機器の耐震支持装置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006210074A (ja) * 2005-01-26 2006-08-10 East Japan Railway Co 高電圧用碍子設備および避雷器免震装置

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