山東泰開互感器有限公司 郇正軍 李 磊 袁 剛 馬 飛 劉芳芳 吳光斌

地震是影響人類生活的自然災(zāi)害之一。全球每年發(fā)生7級以上強(qiáng)烈地震十余次，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。我國是一個(gè)受地震災(zāi)害嚴(yán)重影響的國家。20世紀(jì)以來我國地震死亡總?cè)藬?shù)已占全球地震死亡人數(shù)的1/2左右。2018年12月全球地震模型發(fā)布了全球地震災(zāi)害與風(fēng)險(xiǎn)報(bào)告，指出中國是全球地震造成經(jīng)濟(jì)損失第二大的國家，無論是準(zhǔn)確的地震預(yù)報(bào)、災(zāi)害評估還是及時(shí)高效的應(yīng)急救援，都需要快速的聯(lián)動響應(yīng)。

高壓套管是電力設(shè)備的關(guān)鍵部件之一，其運(yùn)行狀況關(guān)系到一次設(shè)備的安全運(yùn)行。利用電容分壓器的原理測量高壓，廣泛應(yīng)用于特高壓和特高壓電力系統(tǒng)?？拐鹉芰κ谴_保生產(chǎn)企業(yè)在遭受地震自然災(zāi)害時(shí)避免滲漏，減少對周邊環(huán)境破壞的關(guān)鍵。如何在設(shè)計(jì)階段就了解其結(jié)構(gòu)弱點(diǎn)，進(jìn)而采取相應(yīng)的優(yōu)化改進(jìn)措施是十分必要的。在給定設(shè)防烈度的地震條件下，可保證足夠的安全性和穩(wěn)定性。為實(shí)現(xiàn)這一抗震設(shè)防目標(biāo)，需要根據(jù)初步設(shè)計(jì)方案，在正常工作和地震條件下對關(guān)鍵內(nèi)部構(gòu)件的強(qiáng)度進(jìn)行檢查，以確定設(shè)計(jì)方案是否合理并提出改進(jìn)方案。

1 電容式電壓互感器的特殊性

目前大部分電容式電壓互感器設(shè)備始終處于運(yùn)行狀態(tài)，在電容式電壓互感器中，根據(jù)這些裝置對防護(hù)環(huán)境的需要，對機(jī)房電磁環(huán)境、等電位連接、機(jī)房與線路的屏蔽、加裝防雷設(shè)備等綜合防護(hù)措施有經(jīng)過考慮。抗振技術(shù)可顯著降低電氣設(shè)備設(shè)備結(jié)構(gòu)的自然振動，通過適當(dāng)?shù)淖枘崾乖O(shè)備結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)大大降低。在發(fā)生地震時(shí)防震支架可使設(shè)備本身的變形很小，只發(fā)生很小的剛性變形。

電磁環(huán)境與室內(nèi)綜合接地。在裝置的變流器四周一般設(shè)置有防雷帶、防雷裝置，而在室內(nèi)設(shè)置“法拉第籠”。通過采取上述措施，可降低設(shè)備在遭受雷擊和其它強(qiáng)烈的電磁環(huán)境中的損害，從而確保設(shè)備的長時(shí)間、穩(wěn)定地工作。這些裝置一般都是要接地的，地線在室內(nèi)被收集起來，然后與戶外等電位器相連。

走線架。一般設(shè)備的上走線架和下走線排同時(shí)使用需要防靜電地板，上走線架通常固定在設(shè)備上、下走線架通常固定在房屋地板上，由金屬支架支撐，鋪設(shè)防靜電地板。這使得不僅需要考慮設(shè)備，還需考慮用于室內(nèi)抗振支撐的布線架。此外，承載能力、光照要求、溫濕度要求等特殊要求，使得設(shè)備的抗震軸承實(shí)施與其他行業(yè)有很大不同。還需要考慮通用性要求，如經(jīng)濟(jì)性、安裝方便性等。

2 地震及減震相關(guān)

2.1 地震作用理論與有限元法

目前國內(nèi)外的地震反應(yīng)理論包括靜力理論、反應(yīng)譜理論、時(shí)間過程理論等。靜力理論忽略了結(jié)構(gòu)的動態(tài)性能，將其看作是絕對的剛性，并將其與地面的加速度相等。適合低層剛性結(jié)構(gòu)，在高度上具有均勻的質(zhì)量分布；利用時(shí)程分析原理，將多個(gè)真實(shí)的加速度記錄輸入到結(jié)構(gòu)模型中，計(jì)算出各節(jié)點(diǎn)的位移、速度和加速度隨時(shí)間的變化；美國人在20世紀(jì)40年代提出了反應(yīng)譜論，這一理論將地震過程中的地表因素考慮在內(nèi)。結(jié)構(gòu)的動態(tài)性能和自身的動態(tài)性能是當(dāng)前結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中使用最多的一種。

本文提出了一種利用單個(gè)顆粒體系在真實(shí)地震中的反應(yīng)分析方法。在此基礎(chǔ)上，提出了在地震作用下粒子橫向地震作用的幅度及方向隨時(shí)間的推移，一般僅在地震作用下進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。目前國內(nèi)對變壓器結(jié)構(gòu)應(yīng)力的研究多是以有限元為基礎(chǔ)，基本思路是把連續(xù)模型分解成若干個(gè)以特定形式相互連接、相互耦合的有限元，再通過節(jié)點(diǎn)和單元的概念對結(jié)構(gòu)狀態(tài)下的應(yīng)力進(jìn)行求解。本文利用有限元軟件對裝置的地震反應(yīng)進(jìn)行了分析，在有限元計(jì)算中，通常應(yīng)用頻譜分析和暫態(tài)動態(tài)技術(shù)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震響應(yīng)分析。瞬態(tài)動態(tài)技術(shù)取決于輸入地震加速度的時(shí)間。目前這個(gè)工程還沒有任何地震加速度的特別紀(jì)錄，故本文運(yùn)用頻譜分析技術(shù)進(jìn)行了裝置的地震計(jì)算與分析。

2.2 減震隔震技術(shù)概述

隔震技術(shù)。電壓互感器隔離技術(shù)是利用隔震裝置將電壓互感器基礎(chǔ)與主體結(jié)構(gòu)連接固定，一旦發(fā)生地震，電壓互感器基礎(chǔ)部分的地震波能力將被電壓互感器本體中的隔震裝置阻擋。除結(jié)構(gòu)外，減少了地震波對電壓互感器主體結(jié)構(gòu)的影響。

減震技術(shù)。是利用連接件將電壓互感器固定連接在一定位置。在地震中這些連接件會通過其結(jié)構(gòu)和形狀的變化，如壓縮、彎曲、偏移等而被消耗。從電壓互感器基層傳輸?shù)牡卣鸩ɡ滏溈蓽p少地震波的影響壓在變壓器上部結(jié)構(gòu)上，從而達(dá)到減少主體結(jié)構(gòu)振動的目的。

總之，我們認(rèn)為：子宮平滑肌瘤是多因素、多種生長因子共同作用的結(jié)果，降低性激素水平，阻斷WT-1基因位點(diǎn)，均能達(dá)到阻止肌瘤生長或使其萎縮甚至消失的目的。

目前，阻尼式電壓互感器阻尼技術(shù)占據(jù)了電壓互感器阻尼技術(shù)應(yīng)用市場的85%。就像汽車中的減震器一樣，是通過減震器中的彈簧或液壓裝置本身的壓縮或變形來吸收地震發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的能量。作為在美國長期從事軍事和航天研究的公司，美國泰勒公司很早就開始了阻尼式減震器在減少物體振動方面的積極作用的生產(chǎn)和開發(fā)過程，早在1950年代就開始嘗試阻尼式減振器在電壓互感器阻尼技術(shù)中的應(yīng)用，尤其是在美國的大型或超大型橋梁和軍用電壓互感器等重要電壓互感器中，泰勒幾乎占據(jù)了60%以上的市場份額。根據(jù)阻尼裝置吸收和消耗外界能量的方式，可分為速度相關(guān)阻尼器、位移相關(guān)阻尼器和復(fù)合阻尼器。

2.3 抗震設(shè)計(jì)參數(shù)

設(shè)計(jì)參數(shù)。軸承材料參數(shù)及性能：Q235A，彈性模量210GPa，泊松比0.3，密度7800kg/m3，137MPa，許用剪應(yīng)力84MPa；16MnDR，彈性模量198GPa，泊松比0.3，密度7850kg/m3，181MPa，許用剪應(yīng)力109MPa；45鋼，彈性模量210GPa，泊松比0.3，密度7850kg/m3，166MPa，許用剪應(yīng)力100MPa。

抗震設(shè)防目標(biāo)。在8度地震烈度條件下，如果設(shè)備不移位或支架不損壞，即認(rèn)為不會對外界造成破壞，達(dá)到預(yù)設(shè)的抗震設(shè)防目標(biāo)。

2.4 有限元模擬分析

模型建立與簡化。用力學(xué)模型軟件建立并將其作為stp存儲，然后引入有限元軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分和計(jì)算；網(wǎng)格劃分。為方便網(wǎng)格劃分加入不同的材料屬性，采用先建立構(gòu)件再進(jìn)行整體裝配。引入模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，通常應(yīng)遵守兩條基本原則：第一要有一個(gè)良好的單元形態(tài)，二是最小單元的數(shù)量。此外一般采用六面體的方法進(jìn)行網(wǎng)格分割，既能保證計(jì)算精度又能降低計(jì)算工作量。

定義約束。在本文中將變流器和托架的觸頭作為滑動約束觸頭，而聯(lián)接塊的觸頭被設(shè)定為滑動約束觸頭，螺桿、頂出桿和聯(lián)接塊是不能滑動的結(jié)合觸頭；求解。在完成了以上的預(yù)處理設(shè)定后再進(jìn)行求解，最終將靜態(tài)和頻譜分析相結(jié)合。在模態(tài)分析完成后，以地震加速度為頻譜類型確定激勵(lì)方向，并將加速度譜曲線添加到頻譜中進(jìn)行頻譜分析。在頻譜分析結(jié)束后進(jìn)行模式合并，將計(jì)算結(jié)果輸入數(shù)據(jù)庫，并將其與靜態(tài)分析結(jié)果結(jié)合起來得出最終的地震響應(yīng)。

3 地震分析

在靜載荷作用下，抽取靜等應(yīng)力、提取自振頻率和模態(tài)，并將其應(yīng)用于相應(yīng)的結(jié)構(gòu)自振頻率，并將其與靜力分析結(jié)果結(jié)合起來。通過對其進(jìn)行頻譜分析，得出了該結(jié)構(gòu)的總當(dāng)量應(yīng)力。

3.1 地震荷載

8度地震加速度曲線。

3.2 地震分析。

3.2.1 預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析

提取自重下電壓互感器設(shè)備內(nèi)部元件的前2個(gè)固有頻率，當(dāng)勵(lì)磁響應(yīng)譜頻率停留在5.973Hz和17.648Hz時(shí)，會出現(xiàn)相應(yīng)的變形趨勢。

等效應(yīng)力。在將8級地震響應(yīng)譜應(yīng)用于內(nèi)部構(gòu)件后，等效力云圖、連接塊等效力云圖、頂桿等效應(yīng)力云圖、推桿等效應(yīng)力云圖、推桿等效應(yīng)力云圖的最前端的通道被抽出。最大根應(yīng)力發(fā)生在套管的基部。由不同部位的應(yīng)力變化趨勢可知，下部3個(gè)部位的應(yīng)力差別很小，而上部3個(gè)部位的應(yīng)力變化較大，表明下部3個(gè)部位的應(yīng)力有明顯的差別。結(jié)構(gòu)的受力更加合理，上部3個(gè)井筒整體設(shè)計(jì)的危險(xiǎn)性較大，其危險(xiǎn)性也較大。從整體構(gòu)造來看下部套管對地震的損傷較大，上部套管的強(qiáng)度損失較大。

關(guān)鍵構(gòu)件的位置偏移：在對等效作用力進(jìn)行校核的同時(shí)也要考慮到關(guān)鍵部位的位移，確定了車架前端槽鋼的關(guān)鍵部位。觀測了不同方向時(shí)x、z方向的關(guān)鍵點(diǎn)的位移和振動頻率之間的關(guān)系。發(fā)現(xiàn)在激勵(lì)頻率低于220Hz的情況下，不管激勵(lì)方向是什么，代表點(diǎn)的位移在1.0E～15m左右；當(dāng)激發(fā)頻率提高時(shí)，其變形量由開始逐漸增加到0，隨后快速上升；在所研究的頻域中，代表點(diǎn)x方向的最大位移為2.2E～09m，而z方向上的最大值為2.6E～09m。結(jié)果表明，不管激勵(lì)方向是什么，在接近150Hz的振動頻率時(shí)，代表點(diǎn)在x-方向和z方向上的位移最大；表示點(diǎn)x方向上的最大位移為0.05米，z方向的最大位移為0.004米左右。

3.3 結(jié)果評價(jià)

采用力學(xué)建模軟件進(jìn)行等效建模，并采用有限元分析軟件對模型進(jìn)行仿真分析。結(jié)果表明，在8度軸向地震條件下，無論激振方向如何設(shè)備初步設(shè)計(jì)都不合格，不滿足相應(yīng)材料的許用應(yīng)力要求。

4 防震方案的比選

抗震的實(shí)質(zhì)是吸收振動引起的位移，在空間上可將其分解成垂直和水平方向，在同一水平面上，水平方向上的水平位移可劃分為橫向和縱向兩種。

4.1 整體性方案

將設(shè)備所處的房子地板作為一個(gè)單元，并鋪設(shè)多根縱梁和橫梁。在縱梁上安裝一塊能吸收縱向位移的橡膠并與地面連接；縱、橫兩根橫梁與四壁之間有一個(gè)限位裝置，它可在垂直方向上吸收位移，在橫向上作為一個(gè)固定的功能，在橫梁上設(shè)有一個(gè)縱向和橫向的導(dǎo)軌，在導(dǎo)軌上設(shè)有一個(gè)支撐裝置，該支撐裝置與設(shè)備和設(shè)備相連。為了方便設(shè)備和設(shè)備的分級接地，在抗震支架上設(shè)置走線槽，并與支架外側(cè)的接地母線相連。

4.2 分散性方案

裝置四個(gè)角落作為分散單元，每一個(gè)都有四個(gè)抗震支架?？拐鹬Ъ芘c設(shè)備、設(shè)備可靠連接，接地端由電線連接?？拐鹬Ъ芏佳b有接地導(dǎo)線并與接地母線可靠地相連。為提高分散式抗震支座的整體和可靠性，采用鋼帶、鋼管等方式在支座的表面設(shè)置了連接接頭，并將四個(gè)支座聯(lián)接在一起。它的抗震作用是由一個(gè)獨(dú)立的支架組成的，每一個(gè)支架由上、下兩個(gè)部件組成，上部用于吸收橫向位移、下部用于吸收縱向位移，上部分橫向和縱向兩部分分別用于吸收橫向和縱向的位移。

4.3 上掛式方案

上部懸掛式抗震支座的設(shè)計(jì)主要由縱梁、橫梁、縱向固定裝置、橫向固定裝置組成，縱向橫梁的下部設(shè)有懸吊架與裝置裝置連接，從而將裝置吊在縱梁上。接地線等應(yīng)按規(guī)范的安裝項(xiàng)目進(jìn)行，上部懸掛式減震支架能吸收一切變形，它與地面式結(jié)構(gòu)的區(qū)別在于它的主要承載力是向下的、而不是承載力，它的主要承載力是上部的縱向橫梁，它的受力形式是不同的，所以它吸收變形的主要部件是懸掛在上面的連接件。

4.4 分析與比選

整體式結(jié)構(gòu)具有良好的抗震整合性，即使在較大的荷載下也能保持平穩(wěn)；在設(shè)備安裝過程中，后期不需要更換抗震支架；此外，縱、橫梁的布置還可與地網(wǎng)、室內(nèi)接地連接預(yù)留部分等互相配合，對整體接地有一定的輔助作用。但整體方案的實(shí)施較困難，對住宅外形的要求比較高，與分散式方案相比缺乏靈活性。如室內(nèi)需上下走線架同時(shí)使用，則會影響到走線架的走向，從而造成設(shè)備與設(shè)備間的距離增大而造成信息傳遞不夠快，造成設(shè)備利用率低等問題。且整體方案的成本相對于分散式方案來說要高，如后期不進(jìn)行設(shè)備間的改建，將會產(chǎn)生很大的浪費(fèi)。

與整體式結(jié)構(gòu)相比，分散式結(jié)構(gòu)具有更好的經(jīng)濟(jì)效果，每增設(shè)一套裝置或者裝置就會添加一套抗震支架；支座即不需要對房子的外形進(jìn)行設(shè)計(jì)，也不需要對房子的外形進(jìn)行比較規(guī)范；安裝時(shí)無須對墻體進(jìn)行任何改動，工作量更少；不會對下穿線框產(chǎn)生任何影響，可以按照傳統(tǒng)的方法進(jìn)行。采用鋼帶和鋼管連接，提高了系統(tǒng)的整體可靠性，為增加接地的可靠性各支座必須單獨(dú)接地。與地表方案相比，采用上懸式方案，其橫向位移和縱向位移的吸收型結(jié)構(gòu)較為簡便，不需采用多個(gè)結(jié)構(gòu)組合，但因要架設(shè)縱橫梁而耗費(fèi)大量的材料，而不需采用整體式結(jié)構(gòu)。