在各类自然灾害中, 强烈地震是对生命线工程威胁最大的灾害之一^[1,2,3,4]。近些年来, 地震的破坏能力一次次在世人面前得到了展示, 强烈的地震会使各类结构遭受严重破坏, 甚至彻底丧失工作能力。以往的震害分析均表明, 作为生命线工程重要组成部分的电气设备, 在地震受损严重, 以至于引起不可估量的损失和后果, 这种后果不仅仅影响整个电网的安全运行, 而且还有可能引发次生灾害, 严重危害人民群众的生命财产和日常生产及生活^[5,6,7]。

　　 目前, 绝大多数电气设备的抗震性能分析仅针对单体设备, 而在实际工程应用中, 整个变电系统是由电气设备通过管母、金具和软导线相互连接组成的, 由于地震作用的复杂性和互连设备的相互耦合作用效应, 单独设备的抗震性能分析已不能满足特高压工程的需求^[6,7]。我国的《电力设施抗震设计规范》 (GB 50260—2013) ^[8]中仅要求对单独设备进行抗震性能验证, 并没有考虑电气设备互连后对设备抗震性能的影响。考虑到实际情况均为多个多种设备相互连接的应用方式, 设备与设备之间通过管母和金具或者软导线连接到一起组成不同的回路^[9,10,11]。在日本Miyagi地震中发现, 尽管独立设备抗震性能的论证表明设备可以抵抗同等强度地震的破坏力, 但是很多设备都遭到了严重损坏。1986年美国的加州North Palm Springs地震、1988年加拿大魁北克省的Saguenay地震以及1995年日本的Kobe地震中也都有类似的情况发生, 2008年汶川地震现场震害调查也发现一些设备的破坏是由于相邻设备通过母线牵拉而造成的。由此可见, 相互连接的电气设备地震耦合效应对设备抗震性能有较大影响, 尤其是具有不同动力特性的电气设备相互连接后, 设备间的地震耦合效应在一定程度上加大了设备的震害^{[12,13,14,15,16]}。鉴于上述原因, 依旧按照单独设备的抗震性能来评估回路系统的抗震能力无疑会留下很多未知的安全隐患。

　　 本文针对特高压回路系统各参数对设备抗震性能的影响进行综合研究, 探寻有利于回路系统抗震性能的各参数取值的最佳范围和回路系统中放大系数 (有、无支架情况下设备底部应力的比值) 随着支架刚度增大的变化规律。

　　 特高压高压并联电抗器 (简称高抗) 回路一般由避雷器、支柱绝缘子、互感器及高抗等设备通过硬管母或软导线等连接组成。考虑到本研究对象中互感器和高抗通过软导线与回路中管母连接, 因此选取支柱绝缘子、避雷器及其对应支架和管母组成的回路系统进行研究。支架根开为1.2m, 主材截面为194×12, 辅材截面为83×8, 避雷器支架高度为6.75m, 绝缘子支架高度为5.27m。高抗回路数值模型如图1所示, 管母 (截面为250×8) 中心距地高度为17m, 其中避雷器通过管母滑动金具与管母连接, 支柱绝缘子通过管母固定金具与管母连接。图中沿管母长度方向为X向, 水平垂直于管母方向为Y向, 沿回路高度方向为Z向。

　　 根据《电力设施抗震设计规范》 (GB 50260—2013) 的要求, 按照8度设防烈度, 0.65s特征周期构造地震加速度反应谱, 电气设备的阻尼比取2%, 生成的地震加速度反应谱曲线如图2所示。反应谱的卓越频率范围为1.54~10Hz, 加速度峰值为0.63g, 10Hz以后地震加速度峰值逐渐衰减。反应谱分析过程中支架底部固接, 地震输入为水平向基础激励, 为1.0倍地震荷载。

　　 特高压工程中, 各电气设备安装在不同的支架上, 并通过管母、金具和软导线等连接到一起组成特高压回路系统, 整个系统的抗震性能会受到多个设备及连接方式的影响, 本节将重点研究支架刚度、设备间距和管母的变化对系统抗震性能的影响, 为回路的抗震性能优化提供指导。优化的主要目标是寻求合理的特高压高抗回路中设备设计参数匹配原则, 降低设备的地震响应。

　　 对于整个回路系统, 支架作为系统的根基, 其刚度得到了保证才能使系统发挥更好的抗震性能, 但支架的刚度过大则会造成原材料的过度浪费, 支架的刚度小则不能保证抗震需求, 所以合理的支架设计不仅能节约资源, 还会对系统的抗震性能提供可靠的保证。本节通过改变支架型材的弹性模量来改变支架的刚度, 研究不同支架的刚度对系统抗震性能的影响。随着支架的弹性模量从1.5×10¹⁰~5.1×10¹¹Pa逐渐增大, 支架频率、设备顶部最大位移、系统滑动金具最大相对滑动位移和支架动力放大系数的变化如图3~5所示。图中jyz代表支柱绝缘子设备, blq代表避雷器设备。

　　 从分析结果可看出, 支架刚度与回路系统的抗震性能有密切的关系, 综合支架刚度对系统中设备顶端位移、滑动金具的最大相对滑动位移和支架动力放大系数的影响, 得到如下结论:

　　 (1) 随着支架弹性模量的增加, 各设备顶端的位移和金具的最大相对滑动位移呈减小的趋势。

　　 (2) 从图5可以看出, X向地震作用下, 放大系数开始处于上升阶段, 到达峰值后逐渐减小最终趋于平稳;在Y向地震作用下, 放大系数开始处于上升阶段, 到达峰值后不再有明显的减小最终趋于平稳。

　　 (3) 总体上看, X向和Y向地震作用下, 支架动力放大系数随支架频率的增大逐渐趋于平稳, 当支架频率增大到15Hz之后, 该规律更加明显。

　　 改变回路系统中避雷器和绝缘子的间距, 研究设备间距变化对系统抗震性能的影响。分析过程中避雷器和绝缘子之间的间距从4.5m增大到12.5m, 每增加1m增加一个回路, 得到九个回路, 并对各个回路分别施加相同的地震作用。整理计算结果, 设备应力最大值、滑动金具最大相对滑动位移、金具最大内力汇总结果如图6~8所示。从分析结果可看出, 设备间距的改变, 会对整个回路系统的抗震性能产生影响, 分析结果如下:

　　 (1) 设备间距变化时, 设备应力的变化幅度小于设备位移和金具与端子竖向内力的变化幅度。

　　 (2) 随着设备间距的增大, 滑动金具的最大相对滑动位移也会随之增大。

　　 (3) 设备间距的变化对金具与端子水平向内力影响很小, 但对X向地震作用下金具与端子竖直内力的影响明显, 总体来看, 金具与端子垂直向受力随设备间距的增大呈降低趋势。

　　 系统中起到联络设备和运输电力功能的管母, 在整体的抗震性能中同样有着举足轻重的作用。单体设备的分析是否适用于回路系统, 管母的刚度起到重要的作用。现针对回路系统中常用的两根管母型号进行有针对性的分析对比, 方案如下:1) 方案1:管母截面为250×8的回路系统;2) 方案2:在方案1基础上管母截面由250×8改成250×10, 其他保持不变。各方案在地震作用下的分析结果如表1, 2所示。

　　 综合表中数据可看出, 各方案在管母变化时, 回路系统中设备的应力变化范围在4%以内, 管母壁厚变化对设备的应力变化幅度相对较小。虽然Y向地震作用下两方案在金具最大竖向内力相差41.91%, 但由于该工况下两方案的金具最大竖向内力分别为10.57N和15.00N, 值远小于其他工况的3 000N以上的内力值, 因此在对比分析时可忽略该工况, 除该工况外, 其他各工况各方向金具内力变化幅度均在8%以内。

　　 为了研究互连电气设备的抗震性能, 通过国际上通用的有限元分析软件建立了特高压工程回路系统数值模型, 对回路系统进行地震加速度反应谱分析, 得到了一些有针对性的规律及如下结论:

　　 (1) 支架刚度的增大引起回路系统中设备顶端位移和金具相对滑动位移的减小, 随着支架刚度的增大, 回路在X向地震作用下时, 支架动力放大系数先增大, 到达峰值后逐渐减小最终趋于平稳;回路在Y向地震作用下时, 支架动力放大系数逐渐增大, 到达峰值后不再明显减小最终趋于平稳;总体上看, X向和Y向地震作用下, 支架动力放大系数随支架频率的增大逐渐趋于平稳, 当支架频率增大到15Hz之后, 该规律更加明显。综合本文研究, 建议在设计电气设备支架时, 要保证支架的刚度适中, 建议不低于7Hz, 这样不至于因支架刚度过低而导致放大系数的过大或因支架的刚度过大而造成原材料的浪费。

　　 (2) 设备间距变化主要影响设备位移和金具与端子竖向受力, 综合考虑设备间距对回路系统的影响, 在满足电气要求的前提下, 应使设备间距控制在合理的范围内, 结合本文分析结果, 建议回路系统中支撑设备的间距不宜过小或过大, 在满足电气设备工艺要求的前提下以不小于5m和不超过9m为宜。

　　 (3) 截面为φ250/8或φ250/10的两根管母的变动对整体回路的抗震性能影响较小, 对设备应力的影响小于4%, 对相对滑动位移的影响小于2%, 对金具内力的影响小于8%。