GIS 抗震性能仿真分析研究

高 洋，沈丰慧

（新东北电气集团高压开关有限公司，沈阳 110025）

0 引言

GIS（气体绝缘金属封闭开关）是指全部或部分采用气体，而不是采用处于大气压力下的空气作为绝缘和灭弧介质的开关设备[1]。GIS 具有结构重心高、结构复杂、技术精密、阻尼小、固有频率小等特点，较易受到地震影响，因此提高GIS 抗震性能成为一项必要的课题[2-5]。

国外学者对电气设备的抗震研究开始于20世纪70 年代。1979 年日本学者首次在电气设备的抗震性能研究中采用了动力方法[6]。美国的Z.Cagnan 及Song Junho 通过试验对电气设备的抗震设计理论、动力特性和可靠度等问题进行了研究[7-8]。

我国开展电气设备抗震研究相比国外较晚，针对整体GIS 设备抗震方面的研究也晚于美国等国家。李学斌等学者采用反应谱分析理论对550 kV GIS 进行地震动特性有限元分析，得出550 kV GIS 在AG5 抗震水平下的地震动响应及GIS 结构的最大应力和变形，提出设计改进意见[9]。李宁等人进行单点地震输入和考虑行波效应的多点地震得到设备的位移与应力，提出不能忽略地震行波效应对整体GIS 结构的影响[10]。杨涛进行了GIS高压开关设备原型结构的模拟地震振动台试验，并利用有限元法计算出GIS 设备的套管处为该电气设备的薄弱点[11]。孙帮新开展特高压单体电气设备的抗震有限元计算和地震模拟振动台试验，通过采取选用复合材料、优化支架及设备结构、创新设备连接导体及金具、采用隔震减震等抗震新技术，可有效改善换流站直流场主要电气设备的抗震性能[12]。谢强对楼面电气设备分别进行了有限元动力特性分析和100 组地震动输入下的时程响应分析，提出楼面反应谱抗震设计方法[13]。樊庆玲对楼面GIS 电气设备整体模型和生产综合楼主结构模型分别进行有限元动力特性分析和地震时程响应分析，提出适当增大规范中对楼面动力反应放大系数的取值[14]。何畅等人提出支架对体系抗震性能有较大影响，加固后的支架能显著提高GIS 套管-支架体系的抗震性能[15]。

同时，国内学者针对于GIS 设备套管抗震方面也进行了深入研究。王晓游运用有限元法计算对比未安装和安装阻尼器的穿墙套管在地震下的响应，得出增设阻尼器可大幅度提高穿墙套管的抗震性能[16]。王革鹏利用有限元静力及反应谱理论，对550 kV 油纸电容式套管进行抗震强度计算并进行了振动台试验，最后将抗震计算的结果与振动台试验的数据相结合，对套管的抗震性能进行评估，验证了套管抗震计算的有效性[17]。王海菠、孙宇晗、石高扬等人开展特高压气体绝缘开关设备瓷套管和复合套管振动台试验，对该振动台进行数值仿真研究，得到套管在不同等级地震激励下关键部位的加速度、应变及位移响应，提出适当增大本体的刚度可以降低套管的地震响应；提出较之瓷质套管，复合套管具有阻尼比高、应力安全裕度大、对加速度的放大效应低的优点，同时基频较低，套管顶部位移较大，可应用于高地震烈度区变电站，但应注意增大上部连接导线冗余长度[18-20]。

虽然国内外学者对于电气设备抗震研究开展了大量工作，但是关于电气设备支架对GIS 整体设备抗震性能影响的相关研究总体较少。降本增效（以下简称“降本”），广义上指企业通过降低成本来增加效益的经营管理策略。微观上指合理、科学地实施降本增效，使企业以较低成本实现更多收益；宏观上指企业节省下的财力、物力等资源再次进行产品的生产与升级，使产品质量更佳，其中设计效益是最大的降本效益的理念[21-23]。因此，本文以某363 kV GIS 设备的实体简化模型为基础，通过采用有限元方法对设备进行响应谱分析，对比分析了套管支架降本前GIS 结构和套管支架降本后GIS 结构的仿真计算结果。该方法对GIS 设备优化设计具有一定的参考价值，可确保变电站稳定运行[24]。

1 GIS 组合电器计算模型

仿真分析过程中计算模型的建立是最重要的步骤之一，直接关系到计算效率和结果的准确性。本文以某实体363 kV GIS 设备为原型，利用Creo软件建立简化模型并导入到ANSYS Workbench软件中进行计算分析。模型简化主要包括以下几个方面：

1）简化对结构抗震分析结果无影响的部分细节结构，例如电缆线、法兰之间的螺栓及瓷套管等复杂的内外部结构，对瓷套管的简化保证其质量、体积、惯性矩与实际参数的一致性。

2）对GIS 设备内部复杂的结构（灭弧室及液压弹簧操作机构）采用等效质量代替，主要通过改变计算模型中密度参数来保证简化后部件重心和重量保持一致。

3）忽略地基基础在实际地震中对GIS 设备的影响。

简化后该363 kV GIS 设备的标准间隔主要结构计算模型如图1 所示，主要由断路器开关、电流互感器、隔离开关、接地开关、分母线、L型转角母线、T 型转角母线、均压环、瓷套管、套管支撑罐、过渡母线、液压弹簧机构装置、套管支架、螺柱支撑件等构成，现场安装时通过焊接方式将整体设备固定在现场的预埋件上。363 kV GIS 设备整体模型尺寸约为9 m×0.9 m×8.2 m，重心高度约为3.4 m，总质量约为5 200 kg。罐体材料为铝合金G-AlSi7Mg，套管以高强瓷材料为主，钢支架以Q235 材料为主，具体材料力学性能参数如表1 所示。套管支架降本前与降本后结构如图2、图3 所示。

图1 363 kV GIS 计算模型

图2 降本前套管支架

图3 降本后套管支架

表1 模型中各种材料属性

2 GIS 抗震计算方法

2.1 响应谱曲线

选择不同的地震频谱对计算结果有较大影响，本次计算频谱选用标准GB/T 13540—2009中阻尼比为2%的AG5 响应频谱，阻尼比为2%响应频谱的加速度幅值相比其他响应频谱幅值较大，计算条件最为严苛。

2.2 模态合并算法

线性振动结构，若不考虑阻尼对其振动的影响，振动的微分方程可以表示为：

式中：M 为质量矩阵；K 为刚度矩阵。

其解的形式为：

式中：{X}代表振幅，将式（1）、式（2）组合求解后可得：

特征向量就是仿真模拟求得的模态，模态分析可以得出结构的振动特性。

2.3 响应谱法

响应谱分析基于随机振荡原理[26]，以结构模态分析为基础。

假定有一组N 个自振周期Ti（i=1，2，…，N）不同而阻尼比相同的单自由度系统，在地震加速度作用下，系统的最大绝对加速度响应为Sa（ζ，Ti），i=1，2，…，N，则有：

式中：Sa（ζ，Ti）为绝对加速度反应谱；yg为弹性形变引起的位移。

若以Fmax表示地震惯性力的最大绝对值，即为地震载荷，则有：

根据标准GB/T 13540—2009 对应力组合的要求，使用SRSS（平方和开平方法）的计算方式，其表达式为：

式中：Rmax为模态总体响应；ρij为耦合系数；m和n 为参与叠加的模态数目；Ri，max为第i 阶模态最大响应；Rj，max为第j 阶模态最大响应。所以运用响应谱法计算抗震反映出设备动态特性及地震响应对设备的影响[27]。

3 GIS 边界条件与模态分析

3.1 静载荷的确定

标准GB/T 13540—2009《高压开关设备和控制设备的抗震要求》中规定：计算边界条件为地震烈度与附加载荷组合后作为开关设备总的承载能力，高压开关设备和控制设备固定点之间没有地面移动[28]。根据上述标准要求，计算模型边界条件设置为：断路器和各个单元在ANSYS Workbench 软件中接触面采用bond 处理，断路器支架底面在ANSYS Workbench 软件中采用完全固定约束，风负载为风速V=10 m/s 时的风压P=62.5 Pa，断路器内压施加0.6 MPa，其余气室内压施加0.4 MPa，设备自重，静态套管端子负荷如表2所示。

表2 GIS 开关设备套管端子拉力

3.2 降本前GIS 结构模态分析

对结构进行ANSYS Workbench 静力模块分析，在此计算结果基础上采用模态分析模块，以四面体方式对计算模型进行网格划分，划分后其节点数量为882 825，单元数量为485 637。根据GB/T 13540—2009 要求，需对35 Hz 以下的振型进行计算，得到其前17 阶固有频率如表3 所示，降本前GIS 结构前2 阶振型如图4、图5 所示。

图4 降本前GIS 结构第1 阶振型

图5 降本前GIS 结构第2 阶振型

由表3 可以看出，该结构前2 阶固有频率分别为4.138 5 Hz 和4.160 9 Hz，分布在4～5 Hz；前4 阶固有频率分布在4～10 Hz。而地震的频带宽度为0.5～10 Hz，主要频带为1～5 Hz[29]，因此该设备存在发生共振的可能，需要进行进一步响应谱计算分析。

表3 GIS 开关设备前17 阶固有频率

根据图4、图5 可以看出，结构下部分振动较少，结构顶部振动较大，套管顶部振动处于危险区域，因此，前期设计时应采取必要措施加强套管的抗震能力。仿真计算结果符合以往高压开关在地震中破坏部位统计分布结果。

3.3 降本后GIS 结构模态分析

从前期设计思路上采用降低结构的重心方法设计一种低成本套管支架，在不改变其他GIS 结构及功能的基础上降低整体设备重心位置。这种设计方法不但可以降低生产成本，还可以有效避免共振和提高结构的抗震能力[30]。降本后GIS 结构前2 阶阵型如图6、图7 所示。

图6 降本后GIS 结构第1 阶振型

图7 降本后GIS 结构第2 阶振型

使用新结构套管支架后，整体设备重心位置由3.343 m 降低至3.271 m。由图6、图7 可以看出，降本后GIS 结构前2 阶固有频率分别为5.057 5 Hz 和5.073 9 Hz，相比降本前GIS 结构前2 阶固有频率有所增加。降本后GIS 结构下部分振动较少，结构顶部振动较大，套管顶部振动处于危险区域。降本后GIS 结构前2 阶固有频率分布在5～6 Hz，脱离了地震卓越频率区（1～5 Hz），因此降本后GIS 结构抗震性能有所提升。

通过ANSYS Workbench 模态分析模块，计算得出降本前与降本后2 种GIS 结构前17 阶固有频率，具体计算结果如图8 所示。由图8 可以看出，降本后GIS 结构前17 阶固有频率相比降本前均有所提高，其中前10 阶固有频率值提高相对较大。由此证明，降低结构重心高度，结构固有频率有所提高，可有效减少在地震主要频带1～5 Hz 范围内出现的振型数量，从而提高结构抗震性能。

图8 2 种结构的前17 阶频率

4 GIS 设备响应谱分析

对计算模型水平方向（X 向和Z 向）分别施加阻尼比2%的AG5 响应频谱，对于垂直方向抗震水平、方向系数为水平方向的0.5，选用SRSS 方法进行求解计算[25]。

4.1 X+Y 向地震响应谱计算结果

X+Y 向地震响应频谱和附加载荷共同作用下，瓷套管最大响应及结构各主要部件计算最大应力值见表4—6，套管位移云图见图9—10，支架计算应力云详见图11—12。

图9 降本前套管位移分布云图

图10 降本后套管位移分布云图

图11 降本前套管支架应力分布云图

表4 2 种结构的套管最大响应（X+Y 向）

表5 模型中各部件计算最大应力（X+Y 向）

表6 套管和环氧树脂计算最大应力（X+Y 向）

由表4 可知，在X+Y 向地震烈度与附加载荷组合共同作用下，降本前GIS 结构与降本后GIS 结构的瓷套管X 方向位移值分别为26.64 mm和20.64 mm，降本后GIS 结构的瓷套管X 方向位移值相对较小。2 种结构最大位移值位置均在套管顶部，这和结构模态分析第1 阶、第2 阶振型特性完全相符。由图9、图10 可知，降本后结构套管总变形量相比降本前结构套管总变形量有所减小。

由图11、图12 可知，GIS 结构套管支架的最大等效应力值降本前与降本后分别为107.24 MPa 和68.80 MPa，均位于套管支架上部，降本后GIS 结构套管支架的等效应力值相对较小。

图12 降本后套管支架应力分布云图

由表5—6 可知，在AG5 抗震水平下2 种GIS 结构各部件计算应力最大值均小于标准GB/T 13540—2009 中要求的许用应力值，且具有较大的安全裕度。降本后GIS 结构各部件计算应力最大值相比降本前均有所降低。

4.2 Z+Y 向地震响应谱计算结果

Z+Y 向地震响应谱和静载荷共同作用下，套管最大响应及结构各主要部件计算最大应力见表7—9，套管位移云图见图13—14，支架计算应力云图见图15—16。

图13 降本前套管位移分布云图

图14 降本后套管位移分布云图

图15 降本前套管支架应力分布云图

表7 2 种结构的套管最大响应（Z+Y 向）

表8 模型中各部件计算最大应力（Z+Y 向）

表9 套管和环氧树脂计算最大应力（Z+Y 向）

由表7 可知，在Z+Y 向地震烈度与附加载荷组合共同作用下，降本前GIS 结构与降本后GIS结构的瓷套管Z 方向位移值分别为55.16 mm 和38.3 mm，降本后GIS 结构的瓷套管Z 方向位移值相对较小。2 种结构最大位移值位置均在套管顶部，这和结构模态分析第1 阶、第2 阶振型特性完全相符。由图13、图14 可知，降本后GIS 结构套管总变形量相比降本前GIS 结构套管总变形量有所减小。

由图15、图16 可知，降本前GIS 结构与降本后GIS 结构套管支架的最大等效应力值分别为220.4 MPa 和195.02 MPa，降本后GIS 结构套管支架的等效应力值相对较小。

图16 降本后套管支架应力分布云图

由表8—9 可知，在AG5 抗震水平下2 种GIS 结构各部件计算应力最大值均小于标准GB/T 13540—2009 中要求的许用应力值，降本后GIS结构各部件计算应力最大值相比降本前GIS 结构各部件计算应力最大值均有所降低。

对比X+Y 向和Y+Z 向地震响应谱计算结果可知，降本后GIS 结构各主要部件计算位移与应力值相比降本前的较小，因此降本后GIS 结构抗震性能相比降本前GIS 结构抗震性能有所提高。同时，Y+Z 向各部件计算结果的位移与应力值相对X+Y 向计算结果较大，故该363 kV GIS 设备在Y 和Z 方向整体结构刚度相比X 和Y 方向整体结构刚度较小。

5 结论

本文以某363 kV GIS 设备的实体简化模型为基础，通过采用有限元方法对设备进行模态分析和响应谱分析，对比分析了降本前和降本后2种GIS 结构的振动特性以及动力响应，得出以下结论：

1）降本前GIS 结构前2 阶固有频率分布在4～5 Hz，降本后GIS 结构前2 阶固有频率分布在5～6 Hz，脱离了地震卓越频率区（1～5 Hz），降本后结构前17 阶固有频率对比降本前结构前17 阶固有频率均有所提高。

2）从模态分析振型图可得，GIS 设备下部分结构振动较少，顶部振动较大且危险区位于套管顶部，不利于设备安全稳定运行。降低结构重心位置，结构固有频率增大，降低了设备发生共振的可能性，避开了地震卓越频率区，因此地震反应较小。

3）对比X+Y 向和Y+Z 向地震响应谱计算结果可知，Y+Z 向各部件计算结果的位移与应力值相对较大，故该型363 kV GIS 设备在Y 和Z 方向结构整体刚度相比X 和Y 方向结构整体刚度较小。

4）在AG5 抗震水平下，降本前和降本后2 种GIS 结构各部件计算应力最大值均小于标准GB/T 13540—2009 中要求的许用应力值。降本后结构各主要部件计算位移与应力值相比降本前较小，因此降本后GIS 结构抗震性能相比降本前GIS 结构抗震性能有所提高。综上所述，2 种GIS 结构设备均满足AG5（0.5g）抗震水平。