用于高壓電氣設(shè)備的剪切型鉛減震器性能影響研究①

劉振林,盧智成,孟憲政,韓　嶸

(中國電力科學研究院,北京 102401)

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用于高壓電氣設(shè)備的剪切型鉛減震器性能影響研究①

劉振林,盧智成,孟憲政,韓嶸

(中國電力科學研究院,北京 102401)

作為重要的電氣設(shè)備抗震技術(shù)產(chǎn)品,剪切型鉛減震器能夠有效降低電氣設(shè)備的地震響應(yīng)。但隨著電氣設(shè)備電壓等級的提高,設(shè)備結(jié)構(gòu)規(guī)格不斷增大,其地震作用力顯著增大,對電氣設(shè)備安裝的減震器性能提出了更高要求。通過剪切型鉛減震器的低周反復加載試驗研究,分析其受力模型,對比減震器在不同加載頻率下的力學和阻尼耗能性能,并根據(jù)試驗結(jié)果提出優(yōu)化工藝,進一步提高減震器性能,為電氣設(shè)備抗震能力的提高提供更可靠的技術(shù)保障

電氣設(shè)備; 剪切型鉛減震器; 加載頻率; 性能分析; 屈服力; 有效阻尼比

0　引言

強烈地震是重大的災(zāi)害源,歷史上地震災(zāi)害曾多次對國內(nèi)外電力設(shè)施造成巨大破壞,嚴重影響人民生命財產(chǎn)安全。震害調(diào)研結(jié)果表明,地震中變電站內(nèi)瓷質(zhì)設(shè)備或含瓷質(zhì)套管的設(shè)備破壞現(xiàn)象嚴重,其震害特點主要為瓷套/柱斷裂破壞[1-3]。雖然瓷質(zhì)電氣設(shè)備能夠較好地滿足電氣功能和長久穩(wěn)定運行等要求,但由于瓷是脆性材料,其抗彎性能較差,加之設(shè)備的細高型結(jié)構(gòu)形式,地震時瓷套的根部會承受較大的彎矩作用。這類電氣設(shè)備的固有頻率在地震波的卓越頻率范圍(1～10 Hz)內(nèi),且阻尼較小,一旦接近共振頻率,動力放大作用將顯著增大,使得瓷套由于強度不足而發(fā)生斷裂,造成嚴重損壞現(xiàn)象[4-5]。因此提高電瓷型電氣設(shè)備的抗震能力是提升電力系統(tǒng)抗震安全能力的關(guān)鍵。

我國地震區(qū)劃和電氣設(shè)備抗震分級結(jié)果表明,電力系統(tǒng)作為重要的生命線工程,對其設(shè)備的地震危險性與安全性要求較高[6-7]。而瓷質(zhì)電氣設(shè)備受到制造工藝復雜、成本高等因素制約,很難通過設(shè)備結(jié)構(gòu)自身改造來顯著提高其抗震能力。減震技術(shù)由于原理清晰、吸能耗能效果顯著已廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中[8]。根據(jù)減震技術(shù)產(chǎn)品特點,應(yīng)用于電氣設(shè)備的減震器需在較小的位移下發(fā)揮作用,阻尼力可達到一定數(shù)值來耗散地震作用能量[9]。剪切型鉛減震器耗能高、體積小,能夠較好地適用于正常運行環(huán)境要求高、整體布置空間有限的電氣設(shè)備,且具有安裝簡便、日常免維護等特點[10]。國內(nèi)多位學者對剪切型減震器進行了研究[11],并通過地震模擬振動臺進行了試驗驗證[12-13],使其在變電站電氣設(shè)備中得到了應(yīng)用。

隨著電氣設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸與重量的增大,設(shè)備的地震響應(yīng)也隨之增大[14-16],對其使用的減震器性能提出了更高要求。為研究剪切型鉛減震器在隨機地震作用下的性能,本文進行減震器在不同加載頻率下的低周反復拉伸性能試驗,分析其在不同試驗工況下的滯回性能,并根據(jù)試驗結(jié)果進行減震器加工工藝優(yōu)化,使優(yōu)化后的減震器主要性能指標得到顯著提升,以期為電氣設(shè)備地震災(zāi)害防御提供更好的技術(shù)保障。

1　鉛減震器介紹及試驗工況

金屬減震器利用金屬屈服耗散地震能量,電氣設(shè)備所用減震器的核心耗能材料為鉛金屬,受剪切力作用,其基本原理圖如圖1所示。鉛的基本物理特性如表1所列。由于鉛的熔點僅為327.4 ℃,且剛度與強度較低,加之具有面心立方體結(jié)構(gòu)特征,使其具有較高的延性和柔性,故在變形過程中可以吸收大量的能量,并有較強的變形跟蹤能力。受力結(jié)束后動態(tài)回復與再結(jié)晶過程可同時發(fā)生,在應(yīng)力作用下會產(chǎn)生持久的蠕變行為,其組織和性能可恢復到變形前狀態(tài),使其成為抗震、控震的優(yōu)選材料之一[17]。

圖1　剪切型鉛減震器受力原理圖Fig.1　Mechanical principle diagram of the shear lead damper

表1　純鉛的主要物理性能與典型力學性質(zhì)[17]

根據(jù)變電站支柱類電氣設(shè)備結(jié)構(gòu)形式與地震作用特點,將減震裝置布置在支柱類電氣設(shè)備結(jié)構(gòu)底部和設(shè)備坐落的支架頂部間(圖2)。正常使用時發(fā)揮剛性螺栓功能,當?shù)卣鸢l(fā)生時利用該減震器的結(jié)構(gòu)形式與材料性能,增大原有電氣設(shè)備結(jié)構(gòu)體系的阻尼。減震器的屈服行為能夠延長結(jié)構(gòu)的自振周期,使結(jié)構(gòu)避開地震動的卓越頻率范圍,同時其耗能特性較好地吸收和耗散從基礎(chǔ)傳遞來的地震動能量,迅速衰減設(shè)備結(jié)構(gòu)體系的地震響應(yīng),將大部分地震能量吸收并耗散在減震器中,從而保護電氣設(shè)備結(jié)構(gòu)體系。因此減震器本身的性能是至關(guān)重要的。

圖2　電氣設(shè)備用減震器安裝示意圖Fig.2　Installation of the damper used in electric equipment

1.1試驗?zāi)康呐c研究方法

減震器的減震效率受其上部的電氣設(shè)備動力特性影響。由于地震是隨機荷載,其作用頻率也時刻變化,在以往減震器的性能分析時常采用固定的頻率進行加載,而剪切型鉛減震器理論上屬于位移相關(guān)型減震器,即其滯回力學性能不受加載頻率影響。為全面研究鉛減震器的動力特性,分析其力學性能與耗能性能在不同頻率作用下是否存在差異,需開展減震器在不同加載頻率下的性能比較研究。

減震器內(nèi)部鉛耗能為剪切受力,但安裝抗震受力為拉伸式,其性能測試可采用萬能疲勞試驗機進行。圖3為試驗件,采用立式加載方式。減震器在試驗機的安裝方式如圖4所示。在減震器的兩端焊接試驗用連接板,通過螺栓固定在試驗機上。

圖3　減震器試驗件Fig.3　Damper specimen

圖4　試驗加載儀器Fig.4　Test loading equipment

試驗過程中,試驗機的加載臂將通過加載板驅(qū)動擠壓軸產(chǎn)生運動。試驗機主要由SDM100型動靜疲勞試驗機、伺服加載控制系統(tǒng)、量測系統(tǒng)和計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。試驗采用正弦波位移控制加載,根據(jù)電氣設(shè)備結(jié)構(gòu)特點,試驗選取頻率為1、3、5及7 Hz、幅值為±3 mm的正弦波。繪制低周反復滯回曲線,確定關(guān)鍵參數(shù)(初始屈服力、最大屈服力、屈服剛度、滯回環(huán)面積及等效阻尼系數(shù))。

1.2試驗測試結(jié)果

試驗測得的滯回曲線結(jié)果如圖5所示。由滯回曲線可見減震器為拉壓同性,即曲線沿加載原點對稱;初始循環(huán)加載時滯回曲線環(huán)較大,隨著加載的穩(wěn)定,滯回曲線環(huán)逐漸縮小至內(nèi)環(huán)穩(wěn)定范圍,加載頻率越大滯回曲線內(nèi)外環(huán)差距越明顯。由于減震器結(jié)構(gòu)參數(shù)一致,得到的不同加載頻率下減震器滯回曲線形狀大體相同,且滯回環(huán)均出現(xiàn)了“缺口”,即在試驗卸載的過程中出現(xiàn)了位移與加載力的不合理變化。

1.3試驗結(jié)果分析

由試驗所得滯回環(huán)的形狀可知,剪切型鉛減震器的恢復力模型較符合雙線性模型(圖6)。將該模型中連接原點與滯回曲線峰值點的直線斜率定義為有效剛度ke,

(1)

其中:dy為屈服位移,

(2)

滯回環(huán)面積(每次循環(huán)所消耗能量值):

Wd=4Qd(do-dy)

(3)

有效阻尼比βe:

(4)

圖7為試驗Py與Pmax對比圖,在加載幅值約為0.4 mm后出現(xiàn)屈服。試驗測得減震器的屈服力均隨加載頻率的增大而增大,該現(xiàn)象符合材料力學性能試驗與加載力速率的基本變化關(guān)系。各試驗中Pmax較Py高3.98%～9.65%,剛度ku屈服前為114.52～119.43 kN/mm,屈服后為1.05～1.17 kN/mm。減震器在拉壓屈服后表現(xiàn)出一定的強化現(xiàn)象,但剛度較小,約為屈服前剛度的1%,即滯回環(huán)較為飽滿,耗能性能良好。

圖5　減震器在不同加載頻率下的試驗滯回曲線Fig.5　Experimental hysteresis curves at different loading frequencies

圖6　雙線性(折線型-應(yīng)變硬化)模型Fig.6　Bilinear (broken-line and strain-hardening)model

相較于理論雙線性模型,試驗測得的滯回環(huán)在卸載時出現(xiàn)了“缺口”。滯回環(huán)面積Wd不易采用公式計算得到,可通過試驗實測數(shù)據(jù)進行積分得到,積分時滯回環(huán)選用內(nèi)環(huán)穩(wěn)定狀態(tài)的數(shù)據(jù)。進一步根據(jù)式(4)計算得到有效阻尼比βe，計算結(jié)果如圖8所示,Wd積分計算值為283.98～392.85 kN·mm,βe為40%～43%。

圖7　屈服力結(jié)果對比Fig.7　Comparison of yield force

不同加載頻率下結(jié)果對比可見:Wd及βe值在1 Hz與3 Hz加載時較為接近；而至5 Hz、7 Hz時,隨著加載頻率的增大Wd顯著增大,相鄰頻率的計算值增大幅度在17%左右,而此時βe隨著加載頻率的增大略有增大,但差距較小。

圖8　有效阻尼比結(jié)果對比Fig.8　Comparison of effective damping ratio

通過以上分析可知,不同加載頻率對剪切型鉛減震器的力學性能結(jié)果有所影響,進而影響耗能大小,但對有效阻尼比影響較小。

2　剪切型鉛減震器性能優(yōu)化研究

2.1加工工藝優(yōu)化

針對上述試驗測得的滯回曲線出現(xiàn)“缺口”現(xiàn)象,分析其原因是由加工工藝引起的,為此提出新工藝方案。為檢驗新工藝性能,新制1個減震器,型號與前述試驗一致,加載頻率為3 Hz,幅值為±3 mm。

2.2試驗結(jié)果分析

圖9為試驗測得的新工藝減震器試驗滯回曲線,可見新減震器在進行拉伸性能試驗時,其滯回曲線無明顯的“缺口”,與理論雙線性模型曲線更為接近,即滯回環(huán)更為飽滿,表明其耗能將更為優(yōu)秀。

圖9　新工藝減震器試驗滯回曲線Fig.9　Experimental hysteresis curves of the improved damper applying a new technology

進一步分析新工藝制作的減震器性能參數(shù)的試驗數(shù)據(jù),比較1.3節(jié)3 Hz試驗分析結(jié)果,對比結(jié)果如表2所列。由結(jié)果可知采用新工藝制作的減震器在力學性能指標、耗能和有效阻尼比大小上均有顯著提高。

表2　工藝改進前后試驗分析結(jié)果對比

3　結(jié)論

(1)剪切型減震器的受力模型為雙線性模型,屈服前剛度為114.52～119.43 kN/mm,屈服后為1.05～1.17 kN/mm,有效阻尼比計算值為40%～43%;

(2)試驗加載頻率為1 Hz和3 Hz時,減震器的力學與阻尼性能基本一致,當加載頻率進一步加大時,試驗的初始屈服力、最大屈服力及滯回環(huán)面積均隨加載頻率的加大而增大,但有效阻尼比基本不受加載頻率的影響;

(3)通過改進加工工藝,新工藝生產(chǎn)的減震器在力學性能、耗能指標及阻尼特性上均有顯著提高,其吸能耗能性能也得到了進一步改善。

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Performance of a Shear Lead Damper Applied to High-voltage Electrical Equipment

LIU Zhen-lin,LU Zhi-cheng,MENG Xian-zheng,HAN Rong

(China Electric Power Research Institute,Beijing 102401,China)

An excellent electrical technology product,electrical porcelain is widely used in power equipment. But during several earthquake research studies,we found that porcelain power equipment is highly vulnerable to earthquakes and any anti-seismic performance is difficult to enhance by means of structure optimization. As an important piece of seismic technology,the shear lead damper can effectively reduce the seismic response of electrical equipment. Nevertheless,the larger the electrical equipment,the stronger the seismic force that the electrical equipment can bear,which leads to a high demand for lead dampers. A low cycle reverse-loading experiment on a shear lead damper was conducted and the mechanical and damping characteristics at loading frequencies of 1 Hz,3 Hz,5 Hz and 7 Hz analyzed. The hysteresis curves at different loading frequencies indicated that the restoring force model of the shear lead damper conforms to bilinear model modality; the pre-yield stiffness was 114.52～119.43 kN/mm,the post-yield stiffness 1.05～1.17 kN/mm,and the effective damping ratio value 40%～43%. When the loading frequency increased to 5 Hz or 7 Hz,the mechanical and damping properties of the shear lead damper were basically consistent with those at 1 Hz and 3 Hz. The initial and maximum yield forces,and the hysteresis loop area of the test increased with increased loading frequency,but the effective damping ratio was unaffected. The hysteresis loops from the 4 tests were not full and round,which affected the dissipation capacity of the damper and may be caused by the processing technology. According to the test results,the processing technology was optimized. The test hysteresis loop of an optimized damper was full,and the indexes of mechanical properties and energy consumption,and the damping characteristics all increased. All of the above can improve the performance of the damper and provides reliable technical support for the improvement of the seismic capacity of electrical equipment.

electrical equipment; shear lead damper; loading frequency; performance analysis; yielding force; effective damping ratio

2015-11-18

劉振林(1987-),男,碩士,工程師,研究方向為電力系統(tǒng)抗震可靠性與減震技術(shù)研究。E-mail:liuzhenlin@epri.sgcc.com.cn。

TU352.1+1

A

1000-0844(2016)04-0564-06

10.3969/j.issn.1000-0844.2016.04.0564