主变压器双重耗能隔震技术研究.pdf

Jun.20232023年6 月Structural EngineersVol.39,No.3第39 卷第3期程师构结主变压器双重耗能隔震技术研究夏懿！薛国斌1*童董倩1冯燕军1 王宁1胡安龙！施卫星2（1.国网甘肃省电力经济技术研究院，兰州7 30 0 5 0；2.同济大学结构防灾减灾工程系，上海2 0 0 0 9 2）摘要为提升针对主变压器等电力设备系统的隔震效率，提出一种具备双重耗能机制的新型隔震支座（Frictional LaminatedRubberBearimg，FLRB），在不同地震作用下分别体现摩擦耗能或铅芯耗能。对应用FLRB的单质点模型进行了时程分析，结果显示FLRB支座在地震作用较小时摩擦耗能起主导作用，地震作用较大时，摩擦耗能和铅芯耗能作用相当。与铅芯橡胶支座LRB相比，同一地震作用下，FLRB可消耗更多的能量，整体水平位移更小，具备更高的水平变形储备。研究结果可应用于高烈度地震作用下电力设备或建筑结构的隔震设计，极罕遇地震作用下FLRB具备显著优势。关键词主变压器，隔震设计，双重耗能，时程分析Research on Dual Energy Consumption Technology of TransformerXIA YiXUE Guobin.*DONG QianFENG YanjunWANG NingHU AnlongSHI Weixing(1.Gansu Electric Power Corporation Economic and Technological Academe,Lanzhou 730050,China;2.Department of Disaster Mitigation for Structures,Tongji University,Shanghai 200092,China)Abstract.To improve the efficiency of isolation systems for main power transformers(MPT)or other powerequipments,this paper proposes a new type of seismic isolator(Frictional Laminated Rubber Bearing,referred to as FLRB later in the text)with a dual energy dissipation mechanism,which can dissipate energy byfriction or lead core respectively under different seismic intenses.Time history analysis has been completed forthe SDOF system with FLRB applied.The results show that when the seismic motion is small,the energy ismainly dissipated by friction,when the seismic motion is strong,the friction and lead core dissipate the energyat the same time.Compared to the laminated rubber bearing(LRB),the FLRB can dissipate more energy witha smaller deformation,which means the FLRB can withstand larger deformation.The research findings of thepaper can be applied in the seismic isolation design of electric equipemens or buildings in high intenseearthquake area,the FLRB will perform much better under extreme rare earthquake motion.KeywordsMPT,isolation design,double energy consumption,time history analysis0引言电力设备为一定范围内工业和居民生活的电力供应提供保障，其重要性不言而喻，因此确保其抗震性能尤为关键1-2 ,重要工业电力设备要进行振动台试验以确保其抗震性能满足工作需求3-4。高坡等5 对主变设备采用隔震技术进行加固，选用9 个LRB300橡胶支座，将传递到电力设备的地震作用降低了6 0%左右。孙宇晗等6 对特高压换流变应用摆式摩擦摆支座进行基础隔震，隔震后应力减小幅度在40%左右。陈寅等7 对一收稿日期：2 0 2 2-0 9-1 4作者简介：夏懿（1 9 7 4-），男，汉族，山东聊城人，工学学士，高级工程师，主要研究方向为电网规划与建设，物资供应链管理。E-mail:联系作者：薛国斌，男，高级工程师，研究方向为电力系统结构设计。E-mail：1 0 6 0 9 5 48 q q.c o m93结构工程师第39 卷第3期抗震与抗风750kV电抗器采用LRB300-60铅芯橡胶支座进行隔震设计，结果显示，隔震后电力设备加速度峰值减小7 6%。程永锋等8 对典型1 0 0 0 kV高抗模型进行了缩比模型动力试验，使用了铅芯橡胶支座和普通橡胶支座组合隔震，试验结果显示，隔震效率在6 3%以上。毛宝俊等9 对5 0 0 kV变压器进行了地震易损性分析，并采用了摩擦摆支座进行了隔震分析，底部弯矩降低约40%。孙新豪等1 0 同样研究了5 0 0 kV变压器采用摩擦摆支座的隔震效果，结果显示隔震效率在45%8 0%，且地震作用越大隔震效率越高。王梁坤等1-1 4 研究了半主动、自变频以及自适应调谐质量阻尼器(TMD)在结构地震作用下的消能减震效果，结果表明，相对于传统的被动式TMD,新型TMD具备更好的减震效果。目前电力设备（如主变压器等）常用的隔震支座有摩擦摆支座和铅芯橡胶支座。在高烈度区，较大的地震作用对隔震支座来说是一个严峻挑战。由于地震作用剧烈，无论采用摩擦摆支座还是铅芯橡胶支座，均会受到相应的尺寸限制。为提高隔震支座在极罕遇地震下的水平变形能力，本文拟提出一种具备两种耗能机制的隔震支座，并对其隔震效果进行研究分析。1双重耗能隔震支座设计本文研究对象为一330 kV主变压器，总重约300吨。示意图如图1 所示。拟在该主变压器基座处设置1 2 套隔震支座，以34格局进行布置。该主变压器场地地震基本烈度为8 度，地震动峰值加速度为0.2 0 g，设计地震分组为第三组，场地类别为第类，反应谱特征周期为0.45 s。图1变压器三维示意图Fig.13D diagram of substation针对该隔震对象，本文拟采用一种新型隔震支座FLRB进行研究分析。其构造如图2 和图3所示。该隔震支座主体仍为一铅芯橡胶支座（或为高阻尼隔震支座），与上支座板采用低摩擦滑动面相连，摩擦面为不锈钢板-聚四氟乙烯。上支座板四周设置柔性限位环，即在钢环内侧嵌有柔性材料，在发生接触时扩大接触面并减小接触力，同时还可以产生微小变形进行缓冲。在地震作用下，摩擦面耗能和铅芯耗能同时发挥作用。如图4所示，当地震作用较小时（多遇地震或者罕遇地震时程低峰段等），柔性限位未发挥作用；以滑动摩擦变形为主，摩擦耗能起到主导作用，当地震作用较大时，上支座板内侧与铅芯支座外侧接触后，铅芯支座以剪切变形为主，铅芯耗能起到主导作用。图2FLRB支座三维模型Fig.23Ddiagram.of FLRB橡胶支座摩擦滑动面柔性限位图3FLRB支座剖面示意图Fig.3Sectional drawing of FLRB(a)平衡状态(b)小变形(c)大变形图4FLRB支座变形状态Fig.4Thedeformation of FLRBFLRB隔震支座的典型恢复力模型如图5 所示，由摩擦耗能段和铅芯滞回耗能段组成。在有限元软件SAP2000中可采用多个连接单元并联或串联的方式拟合本文中FLRB座的滞回曲线，94EarthquakeandindReanceStructural EngineersVol.39,No.3FrictionIsolator（FI）单元模拟摩擦耗能，MultilinearElastic（M E）单元模拟柔性限位装置功能,Rubber Isolator(RI)则模拟铅芯橡胶支座。具体体现为FI与ME并联成整体后，再与RI串联。4FD儿滞回耗能摩擦耗能段滞回耗能图5典型FLRB支座恢复力模型Fig.5The restoring force of FLRB2隔震性能研究为研究FLRB在各种不同等级地震作用下的隔震效果，应选取多遇地震、设防地震、罕遇地震等工况进行时程分析。同时考虑到建筑隔震设计标准规定，在极罕遇地震作用下,对特殊设防类建筑应进行结构及隔震层的变形验算。地震工况输入地面加速度峰值（Peak of Ground Acceleration，PGA)统计见表1。表1地震工况时程幅值（cm/s）Table1Amplitudesof Time History工况多遇设防罕遇极罕遇PGA702004006002.1地震波选取本文选取1 条人工波和2 条天然波进行时程分析。天然波地震波信息见表2。下文中以A1表示人工波工况，以T1和T2表示天然波工况地震波时程曲线如图6 所示表2天然波信息Table 2Info of Natural ground motions名称年份台站震级持时/sRSN26991999CHY0246.215.1Eureka MyrtleRSN82619927.0120.6&West(c-Sl)/0510152025303540时间/s(c-Sl)/一0-105101520 2530 35404550时间s(c_Sw)0.50MA-0.5-1.0051015 202530354045时间/s图6地震波时程曲线Fig.6Time history of seismic motions2.2隔震支座滞回曲线对该主变压器设置1 2 套FLRB支座进行振动控制，支座参数见表3。得到的FLRB在不同地震作用下的支座滞回曲线如图7 所示。当PGA=0.07g或0.2 0 g时，设备响应较小，此时FLRB中仅发生摩擦耗能部分，当PGA=0.40g或0.6 0 g时，位移超出滑动位移限值50mm，柔性限位装置和铅芯支座发生接触，此后铅芯支座也进行耗能。图8 显示了正则化的累积耗能曲线，纵轴表示耗能。从图8 可以看出，在PGA=0.07g或0.2 0 g时，铅芯耗能相对摩擦耗能可以忽略。在PGA=0.40g时，铅芯耗能与摩擦耗能之比在0.2 3 0.5 0之间，说明能量主要以摩擦耗能方式损耗。在PGA=0.60g时，铅芯耗能与摩擦耗能之比在0.8 2 1.22之间，基本相当，某些工况下铅芯耗能比摩擦耗能更多。从曲线中还可以看出，摩擦耗能基本发生在时程的全过程，其累积能量一直增加；而铅芯耗能集中在时程的局部时段，主要是地震波的峰值段附近，当地震波的峰值较低的时段，摩擦耗能仍起主导作用。2.3隔震前后动力响应对比采用FLRB进行隔震后，设备的地震作用放大系数统计见表4，多遇地震下隔震效率2 8%，设防地震下隔震效率5 0%，罕遇地震下隔震效率48%，极罕遇地震下隔震效率43%，均起到了很好的隔震作用。95抗震与抗风结构工程师第39 卷第3期PGA=0.07 gPGA=0.20 gPGA=0.40 gPGA=0.60g505050100500000-50-50-50-50-1000100-1000100-1000100-200-1000100 200位移/mm位移/mm位移/mm位移/mm505050100500000-50-50-50-50-100-1000100-1000100-1000100-200-1000100200位移/mm位移/mm位移/mm位移/mm505050100500000-50-50-50-50-100-1000100-1000100-1000100-200-1000100200位移/mm位移/mm位移/mm位移/mm图7不同峰值下FLRB滞回曲线Fig.7The hysteresis curves of FLRB with variable PGAPGA=0.07 gPGA=0.20 gPGA=0.40gPGA=0.60g1.01.01.01.00.50.50.50.50102030400102030400102030400102030 40时间/s时间/s时间/s时间/s1.01.01.01.51.00.50.50.50.501020 304001020304001020 3040010203040时间/s时间/s时间/s时间/s1.01.01.01.00.50.50.50.5010203040010 2030400102030 40010203040时间/s时间/s时间/s时间/s铅芯耗能摩擦耗能图8 正则化累积耗能曲线Fig.8Normalized accumulating energy curves表3FLRB支座参数Table 3Parameters of FLRB摩擦系数0.06滑动位移限值/mm50屈服力/kN40屈服前刚度/(kNmml)6刚度比0.077表4隔震效率Table 4Seismic Isolation Efficiency%工况0.07g0.20g0.40g0.60gA137576158T128504843T24866604996Structural EngineersVol.39,No.3Earthquakea.CnoReStance3与LRB隔震支座响应对比为研究FLRB支座相对于传统LRB支座的优势，本节采用相同参数的LRB对该主变压器设备进行了隔震研究，LRB支座隔震参数见表5。表5LRB支座参数Table5Parameters of LRB屈服力/kN40屈服前刚度/（kNmm)6刚度比0.077以下为各工况下两种支座的隔震效果对比分析。3.1设备动力响应对比FLRB和LRB两种支座隔震后主变压器设备加速度响应见表6。FLRB相对LRB提升效果见表7。由于摩擦耗能主要在小变形下发挥作用，因此当PGA=0.07g或0.2 0 g时，FLRB相对于LRB提升效果更佳显著，响应可进一步减小40%以上。表6设备加速度响应Table6Accelerations of Isolated target%支座工况0.07g0.20g0.40g0.60gA10.440.841.642.56FLRBT10.520.912.073.79T20.470.721.862.65A11.041.542.363.31LRBT10.931.643.114.63T21.111.592.042.97表7FLRB提升效果Table 7The Improved effect ofFLRB%工况0.07g0.20g0.40g0.60gA157.545.430.622.6T144.344.633.518.1T257.754.48.910.83.2铅芯支座位移对比由于FLRB具备两种耗能机制，在相同的地震作用下，相对于LRB隔震，FLRB中的铅芯支座应具有更小的水平变形，即距水平极限变形应具有更多的变形储备，以下对比FLRB方案中铅芯支座水平变形和LRB方案中支座水平变形。表8 结果显示LRB最大水平位移为表8LRB支座位移Table8Displacements ofLRBmm工况0.07g0.20g0.40g0.60gA14.816.645.480.5T14.221.083.6144.2T25.716.038.477.4144.2 mm,出现在工况T1中。表9FLRB支座铅芯部分变形Table9Displacement of LRB part of FLRBmm工况0.07g0.20g0.40g0.60gA11.803.6219.3656.02T11.803.5331.9395.96T21.672.7422.8674.62表1 0FLRB支座滑动部分变形Table 10Displacement of Slidepart of FLRBmm工况0.07g0.20g0.40g0.60gA113.1640.2753.2155.80T123.7938.6854.4658.77T25.6630.3553.7357.06100橡胶支座部分u/滑动部分PGA=0.07g0-100010203040时间/s100橡胶支座部分/滑动部分PGA=0.20g0-100010203040时间/s橡胶支座部分100滑动部分PGA=0.40g0-100010203040时间/s橡胶支座部分100滑动部分PGA=0.60g0-100010203040时间/s图9FLRB橡胶及滑动部分水平变形Fig.9Displacements of rubber isolator part and frictionslide part of FLRB97结构工程师第39 卷第3期抗震与抗风表9 和表1 0 分别为FLRB支座中的LRB部分和滑动部分的水平变形。表1 0 为摩擦滑动部分变形,该部分变形限值为5 0 mm，由于设置了柔性接触，在接触后仍能产生一定微小变形，因此该部分变形最大为5 8.7 7 mm,且仅在罕遇地震和极罕遇地震工况达到5 0 mm以上，说明仅在这两工况出现柔性接触的情况，在多遇地震和设防地震作用下，支座总体位移小于5 0 mm，未发生柔性接触。表9 中显示FLRB中的铅芯支座部分水平变形最大值为9 5.9 6 mm，相较于LRB方案中的144.2mm，橡胶剪切变形减小了33.4%，体现出了FLRB相对于LRB在高烈度地震作用下的优势。图9 在A1工况下为FLRB支座中橡胶剪切变形和摩擦滑动变形时程曲线。当PGA=0.07g或0.20g时，几乎无橡胶剪切变形，只有摩擦滑动变形，当PGA=0.40g或0.6 0 g时，橡胶支座仅在地震波峰值段发挥一定变形，当地震作用较小时橡胶支座不再参与耗能，而摩擦滑动变形持续在整个时程全过程，始终发挥耗能作用。FLRB同时具备摩擦和滞回耗能两种耗能机制，本节仅比较FLRB和LRB的耗能效果，同等地震作用下，耗能更多，位移更小。实际上，与同样参数的滑动支座对比可以看出，在小震和中震情况下，由于铅芯支座不耗能且未发生碰撞，因此两者耗能情况基本相等，在罕遇地震和极罕遇地震作用下,FLRB中有额外的铅芯耗能，因此其耗能效果更优。4结论本文通过对一具备双重耗能机制的新型隔震支座（FLRB)系统进行时程分析，得到如下结论：（1）FLRB隔震支座的典型滞回曲线体现了双重耗能机制。在多遇地震和设防地震时，滞回曲线极小，此时主要是通过滑动摩擦耗能。在罕遇地震时，FLRB柔性限位发生作用，铅芯部分参与耗能，铅芯耗能与摩擦耗能比例在0.2 3 0.5 0 之间，仍以摩擦耗能为主。在极罕遇地震作用下，铅芯耗能与摩擦耗能比例在0.8 2 1.2 2 之间，耗能作用相当，此时处于双重耗能完全发挥阶段。（2）与LRB方案相比，使用FLRB隔震效果更佳。多遇地震下,LRB屈服程度较低，此时FLRB的摩擦耗能相对LRB最为显著,减震效果可提升44%57%。随着地震作用增加，铅芯耗能占比的逐渐提升，减震效果提升优势下降，但在极罕遇地震下仍相对LRB方案提升了1 0%左右。（3）从FLRB方案支座的铅芯部分位移和LRB方案水平位移对比可以看出，同等地震作用下，FLRB方案中铅芯部分位移相对LRB小40%左右，说明FLRB更适用于大变形情况（4）本文提出的具备双重耗能机制的新型隔震支座FLRB,相对于LRB,在同一地震水平下消耗了更多的地震能量，铅芯部分产生更小的剪切变形，可以替代LRB在电力设备的隔震设计中发挥更好的减震效果。本文研究的具备双重耗能机制的FLRB支座对于高烈度区重要电力设备的隔震具备很好的应有价值，在建筑结构或者其他领域设备隔震中亦可推广应用。参考文献1 程永锋，朱祝兵，卢智成，等.变电站电气设备抗震研究现状及进展J.建筑结构，2 0 1 9，49（S2：356-361.Cheng Yongfeng,Zhu Zhubing,Lu Zhicheng,et al.Researchn state anddevelopmentof seismicperformance 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