瓷柱型高耸电气设备多重环式调谐质量阻尼减震技术研究

Earthquake damage investigation shows that the widely used High-Rise Porcelain Cylindrical Electrical Equipment (HRPCEE) in power supply system is very vulnerable and used to be severely damaged in large earthquake events. For solving this problem, it's very urgent and also an important approach to develop damping techiniques who not only can obviously reduce the seismic inner-force response but also can control the displacement response of the HRPCEE structure. It would be meaningful for protecting the safety of the power system in future earthquakes. For enhancing the seismic resistant capacity of HRPCEE structure, this study will mainly aim on how to develop a kind of shock absorption technique by using Multiple Ring Tuned Mass Damper (MRTMD). Choosing the three types of typical HRPCEE structure (Erecting, Tilting and Combined type) as the object of study, the related existing seismic test results and field investigation data about the earthquake damages will be collected and sorted, the seismic damage mechanism of the HRPCEE structure will be studied and disclosed systematically. Taking the wind vibration control into account, the MRTMD suitable for reducing the earthquake response of the HRPCEE with different structure type will be developed. As well, the ice load, the coupling effect caused by the connected wires and the amplifying effect of different types of supporting structure to the strong ground motion, will also be studied thoroughly for developing the optimum principle of the MRTMD design. Finally, a reasonable design protocol for the MRTMD suitable for the three type of HRPCEE will be established.

国内外震害表明，电力设备系统中广泛应用的瓷柱型高耸电气设备在强烈地震中破坏严重。发展既能够显著降低该类设备结构地震反应内力、又可有效控制其反应位移的阻尼减震技术，是解决其抗震问题的重要途径和迫切需求，对保证电力系统地震安全具有重要意义。 本项目将以如何采用多重环式调谐质量阻尼减震技术来显著提高瓷柱型高耸电气设备抗震性能为研究目标，分别针对具有典型代表性的直立式、倾斜式和组合式三类瓷柱型高耸电气设备，系统总结既有抗震试验成果以及震害调查数据，深入研究揭示瓷柱型高耸电气设备地震破坏机理；兼顾风振反应控制，发展适用于具有不同结构特点的瓷柱型高耸电气设备的多重环式调谐质量阻尼减震技术；综合考虑裹冰荷载的影响规律、连接导线的牵连耦合以及下部支撑结构对地震动的放大作用，研究提出瓷柱型高耸电气设备多重环式调谐质量阻尼器设置优化设计准则，建立瓷柱型高耸电气设备多重环式调谐质量阻尼减震设计理论。

国内外震害表明，作为电力系统关键组件的瓷柱型电气设备，即使完全满足电气设备的抗震设计要求，在强烈地震发生时破坏现象仍十分突出，表现出抗震性能普遍较差的特征。本文对瓷柱型电气设备的地震易损性进行了较系统研究，并以此为基础，对可明显提升瓷柱型电气设备抗震能力的减震方法进行了较深入研究。主要工作如下：1、建立了瓷柱型电气设备的地震易损性分析方法，给出了典型瓷柱型电气设备的易损性分析模型和结果。以典型230 kV和550 kV隔离开关为例，建立了两种典型隔离开关基于试验检验的有限元模型，进行了典型瓷柱型电气设备抗震能力易损性分析；选用峰值地面加速度和峰值响应加速度两种地震动度量指标，分析给出了设备整体和部件的易损性曲线模型和参数。2、研究了典型瓷柱型电气设备连接母线内力的影响因素，给出了一种考虑地震作用的软母线最短合理长度的确定方法。建立了试验验证的软母线有限元模型，考虑不同连接形式和松弛比，通过调整松弛度参数，得到不同母线松弛度时设备端子处的最大水平力，根据输入地震动强度等级所允许的设备端子处的最大水平力，给出了软母线最小松弛度的确定方法。以两组实际工程中的典型互连电气设备为例，计算了不同松弛度时互连设备软母线所对应的最大水平力，验证了方法的有效性。3、提出了一种基于调谐质量阻尼器原理的瓷柱型电气设备减震方法，通过振动台试验和数值分析验证了方法的有效性。以220 kV电流互感器为例，建立了相应的有限元模型，并与振动台试验对比验证了其准确性。设计了一种适用于该电流互感器的调谐质量阻尼器减震装置，给出了多重调谐质量阻尼器在谐波作用下考虑不同质量比及不同减震单元数量的优化参数。通过有限元方法进行动力时程分析，分析了该减震方法的有效性和鲁棒性，给出了地震动作用下的减震装置建议质量比和减震单元数量。分析了频率失调效应和导线不确定性对调谐质量阻尼器减震效果的影响。