（电机与电器专业论文）变压器抗地震性能的研究.pdf

沈阳i ：业大学博士学位论文 装疗式应予以允分考虑。文中在瓷质套管的可靠性分析计算、电力变压器的抗震加固及 其技术措施等方面都给予了充分的讨沦。 本文还进行了“电力变压器抗震设计规范( 建议稿) ”的编制。 关键词：变压器，地震。措旋 2 a b s t r a c t al o t o f p a r t so f c h i n a a r el o c a t e do na r e a sw h e r es e i s m i ca c t i v i t i e sa r eh i g h c r ，t h ed i r e c t e c o n o m i cl o s s e sc a u s e d e a r t h q u a k e a r en u m b e rh u n d r e d so f m i l l i o n s ，w h i l ei n d i r e c tl o s s e sa t e u n c o u n t a b l e o n eo f t h em a i nr e a s o n sw h i c hi n c r e a s ei ni n d i r e c tl o s s e si sd a m a g e o f e q u i p m e n t s i np o w e r s y s t e mw h i c h r e t a r dt h er e s c u ew o r k s t r a n s f o r m e l l sa r et h ec r i t i c a le q u i p m e n t si ne l e c t r i cp o w e r s y s t e m 1 f t r a n s f o r m e r s d a m a g e d i ne a r t h q u a k e s ，t h ep o w e r s u p p l y w i l lb ec u t ，s u c hw i l lp r o d u c ead i r e c t i m p a c t o v e r o t h e rw o r k i n g p o s t e a r t h q u a k e n l ep e r f o r m a n c e s o f t r a n s f o r m e rw i t hs e i s m i cr e s i s t a n c ea r e d i s c u s s e di nt h i sp a p e r 7 f h ep r e s e n t c a l c u l a t i n gm e t h o d s f o rs e i s m i cr e s i s t a n ta r e ：s t a t i cm e t h o d ，s p e c t r u m r e s p o n s ea n ds t e p - b y - s t e pi n t e g r a t i o n 。t h e r e s u l t si ns t a t i cm e t h o da r em o r ed i f f e r e n tw i t ha c t n a l s i t u a t i o n ；t h i sm e t h o di sd i s p e n s e dw i t hg r a d t m l l y s p e c t r u mr e s p o n s ei sd y n a m i ca n a l y s i s m e t h o di nc o n s i d e r a t i o no f b o t hs t r u c t o r ed y n m n i cp e r f o r m a n c e s , a n dm o v e m e n t so f t h e g r o u n d ，t h et i m e c o n s u f f l eo f c o m p u t a t i o nc a tb em t l c ls a v e dd u et oi t ss i m p l el h e o r ) h n m e d i a t ed y l m m i c a n a l y s i s ( a l s oc a l l e ds t e p b y s t e pi n t e g r a t i o n ji su s e d f o rc a l c t l a t i n gt h e s e i s m i cr e s p o n s eo ft h es t r u c t u r eb yd e s i g n i n gt h eg r o u n da c c e l e r a t i o n t h i sm e t h o di s c o n f o r m e dt oa c t u a ls i t u a t i o n ，b u tal o to f c a l c u l a t i o n ss h o u l db en e e d e d t h ea b o v e c a l c u l a t i n g m e t h o d sa r ew i d e l yu s e di no t h e rf i e l d ss u c ha sa r c h i t e c t u r a le n g i n e e r i n g b u td e f i c i e n ti n e l e c t r i c a le q u i p m e n ts e i s m i cr e s i s t a n tp e r f o r m a n c e sc a l c u l a t i o n t h ea b o v e c a l c u l a t i n gm e t h o d s a r ea d a p t e dt ot r a n s f o r m e rs e i s m i cr e s i s t a n tc a l c u l a t i o n t h i sp a p e r a n a l y z e d b o t h s p e c t r u m r e s p o n s ea n ds t e p b ys t e pi n t e g r a t i o nb e i n g u s e di nt r a n s f o r m e rs e i s m i cr e s i s t a n tp e r f o r m a n c e s ， a n de s t a b l i s h e dt h et r a n s f o r m e rs e i s m i cr e s i s t a n c es i m u l a t e d c a l c u l a t i n g m e t h o dw h i c hd e d u c e s f r o mc a l c u l a t i o n s f o rm o r e p r a c t i c e t or e s e a r c h i n g w o r k s ，a r e a lw a n s f o r m e r ( 1 0 k v ，6 3 0 k v a ) w a st e s t e do l l v i b r a t i n gp l a t f o r mf o rs e i s m i ca n a l y s i s t h i st y p e t e s ti st h ef i r s to n ei nc h i n a 1 1 1 e c h a n g e o f t r a n s f o r m e rs t r u c t u r e ，d e f o r mo f t a n kw a l l ，s t r e s so n b u s h i n g a r eu n d e r s t o o d s o m ei m p o r t a n t t e s t e dd a t aa r eo b t a i n e dt h et e s t e dd a t aa r es u m m a r i z e da n d a n a l y z e d ，s u c hl a y sa f o u n d a t i o n f o rp r o v i n g r i g h t n e s sa n di m p r o v i n g s i m u l a t e dc a l c u l a t i n g p r o g r a m t h r o u g h r e a lt r a n s f o r m e rs e i s m i ct e s t ，t h ei m p o r t a n td a t ac a nb eo b t a i n e d t h r o u g h a p p l y s i m u l a t e dc a l c u l a t i n g p r o g r a m ，t h ew e a kp o i n t s o i lw a m f o r l n e rs e i s m i ca c t i v i t ya r ef o u n d e d 3 。 沈阳工业大学博士学位论文 一一一 b a s e do na b o v er e s e a r c h ，t h et r a n s f o r m e rd e s i g ns p e c i f i c a t i o n a n dc a l c u l a t ec f i t e d af o rs e i s m i c r e s i s t a n ta r eg i v e n w h e n e a r t h q n a k e t a k ep l a c e ，m a i nd a m a g e so nt r a n s f o r m e ri sa sf o l l o w ： b u s h i n g r o o ta r eb r o k e n ，w e l d i n gb e t w e e nt r a n s f o r m e rm o u n t i n gp a da n d r a i la r eb r o k e no r m o u n t i n gp a dd e r a i l e d ，a c c e s s o r i e so f t r a n s f o r m e r o re a r t h e db o l ts h o m t h e r e f o r eo nt h es t a g e o f t r a n s f o r m e rd e s i g na n d m o u n t s i t e ，t h eb u s h i n g s e i s m i cr e s i s t a n tp e r f o r m a n c ea n d t r a n s f o r m e rm o u n t i n gs c h e m e ss h o u l db et a k e nm o r ec o n s i d e r a t i o n t h er e l i a b i l i t yo f p o r c e l a i nb u s h i n g ，e n f o r c e m e n to f t r a n s f o r m e rs e i s m i cr e s i s t a n c ea n d s o m et e c h n i c a lm e a s u r e sa r es u f f i c i e n t l ya n a l y z e di nt h i sp a p e r t h et r a n s f o r m e rs e i s m i cr e s i s t a n td e s i g nc r i t e r i a ( p r o p o s a l ) a r ea l s ow o r k e d o u ti nt h i s d a p e r k e yw o r d s ：t r a n s f o r m e r ，e a r t h q u a c k ，1 i v 。i l l ：l l b l l i t ： d 一 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究：t ： 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 丁作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：黾强：沙y 3 | 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：磕盏导师签名：虚! 堡堕日期： 1 绪论 绪论 我闰属十多地震国家，上个世纪，世界各地发生的七级以上地震有l 分之发生在 我困。图1 1 为有关专家绘制的世界范围内的地震高发区分布图，从图中可以看出戒国 很大部分地区位于地震高发区范围内。而我国又是一个人口密度较大的国家，一些西 山人门以一k 的城市就建在地震区，所以由于地震而产生的影响是巨大的。 地震是电气设备尤其是高压、超高压电气设备的重要环境条件之，电器设备的防 震在国外是很活跃的“生命线地震工程”的重要组成部分。因此，电力系统一旦失效或 遭到破坏，就会造成严重的灾害和难以估量的直接和间接经济损失。强烈的地震，可以 在很短的刚问内造成巨大的危害。国内外历次大地震的统计表明：电力系统的易损性是 极高的。尽管其修复费用只占全部震后重建费用的一小部分，但其绝对值还是相当可观 的，而且电力系统失效造成的间接损失更是巨大的：不仅严重影响正常的生产、生活和 抗震救灾工作，随之而来的次生灾害还可能给社会带来难以预料的后果，例如火灾、缺 水、断电等。我国唐山发生的7 8 级大地震，致使唐山地区电力系统瘫痪，较长时、r 帕q 断水、断电，造成严重的社会和经济后果，死亡2 4 万人，伤1 6 万人，直接经济损失 1 0 0 多亿元人民币，间接经济损失无法估算：1 9 8 9 年美国o a k l a n d 地震后发生的大面 积火灾，正是由于停电导致供水系统瘫痪无法及时救火造成的瞳1 。所有这些都是突出 的实例，说明电力工程设备抗地震性能好坏的影响是很重要的口 1 粕，也给我们提出了 如何将地震这种自然灾害带来的损失降至最低或尽量避免损失的问题。 据统计，目前我国发电设备总装机容量已达到3 6 亿k w ，计划2 0 2 0 年达到9 6 亿 k w 【”，则每年至少需新增设备o 3 5 亿k w 左右，如装机容量与变压器容量比按1 ：1 0 考虑，则年需变压器3 5 亿k v a 左右。所以每年用于变压器的投资数以百亿计，如前所 述，若变压器本身的可靠性不高，不仅直接损失巨大，其间接损失更是无法计算，因此 必须提高变压器的运行可靠性。 目前，地震这一环境条件日益被国内外所重视。臼本、智利、美国、法国、德国等 国家，都先后制订了本国的电气设备( 包括核电站的电气设备) 的抗地震措施标准或导 则。 沈阳工业大学博士学位论文 图1 1 世界范围内地震高发区分布图 从国内的实际需要来看，提高我国高压、超高压电气设备的抗震能力势在必行。随 着电压等级的x t 高、设备容量的增大，以及社会对电力供应可靠性的要求越来越高，保 乜力系统只有一定的抗震能力，已经成为必须尽快解决的课题。所以本课题进行变压 2 绪论 器的抗地震性能研究具有重要的理论和实际意义。影响变压器可靠性的因素较多，通常 有电、磁、热、力等几个方面。电的方面主要是对主、纵绝缘进行研究，使变压器的电 场和冲击梯度分布尽可能均匀；磁的方面主要是对主磁通和漏磁通进行研究，对漏磁通 进行控制；热的方面主要是对温度分布进行研究，防止局部过热的产生；力的方面主要 是对变压器耐受突发短路的能力进行研究，使变压器具有足够的承受短路力强度。“七 五”以来，有关部门组织相应的科研院所对以上几个方面进行了研究，研究编制出了计 算机模拟计算程序，在实际应用中也取得了一定的效果。但随着电压等级的提高、变压 器容量的增大，以及新技术的采用，又相继产生了些新的问题，对变压器抗震问题的 研究就是其中之一。 有关变压器类产品设计的抗震问题，近些年才开始进行研究，目前5 0 0 k v 互感 器，5 0 0 k v 电力变压器的设计等，开始考核抗地震能力问题。但这方面的技术资料很 少，如何在设计上采取有效措施，使其地震时不致损坏，特别是在强地震时，产品安余 可靠，还需进一步研究和探索。抗地震问题已经被做为继电、磁、热、力之后，变压器 的第五项可靠性指标来考核。 综上所述，无论从社会的角度还是从企业的角度，针对当前电力设施地震易损性 高，抗地震相关研究较弱的现状，开展实验与理论研究，以减少地震造成的损失，确保 l 乜力系统的安全运行是一项意义重大的课题。随着我国国民经济的飞速发展，对电力系 统稳定性的要求与日俱增。因此，电力系统抗地震研究当然也包括变压器的抗地震研 究，这对于我国现代化建设更具现实意义。 1 1 地震 地震的发生与发展如图1 2 所示，从震源由地层深处岩层以波的形式向地表层传 播，通过地基其振幅被放大渤3 ，因此需要周密地研究这种地震动的传递结构并进行抗 震设计。但是考虑到变电站设置在各种不同的地基上，而且数量又多，为谋求设计的简 化利标准化，作为设i 十基础，假定作用在包括地基影响在内的地表面的地震力如下： ( 】) 水、f 加速度 a 根据有关地震研究部门对未来5 0 年内地表面水平加速度预测值可以得知，人部 分地区地震水平加速度在3m ，s t 以下。 一3 沈阳t 业大学博士学位论文 图1 2 地震波向地表面传递的传递结构 表1 1 为中国地震烈度表1 ，从表中看出地表面峰值加速度3m s 。相当于级 地震，这是非常严重的。但从过去发生的地震也可以推测地表面水平加速度绝大部分在 3 m s 一2 以下。 表1 1 中国地震烈度表 存地面上人房屋震害程度水甲向地面运动 烈 的感觉震害现象平均震 其他震害现象 峰值加峰值速 艘 害指教 速度枷s 一2度，ms 1 l 无感 n 室内个别静止中 人有感觉 i i 室内少数静止中门、窗轻微悬挂物微动 人肯感觉作响 i v室内多数人、室门、宙作响 悬挂物明显摆动，器皿作 外少数人肯感觉，响 少数人梦中隙醒 v 室内曾地、室外门窗、屋不稳定嚣物摇动或魏倒 也3 l00 3 多数人有感觉，多顶、屋架颤动 f 0 2 2 f 0 0 2 数人梦中惊醒作响灰土掉 0 4 4 10 0 4 1 落，抹灰出现 微细裂缝，有 檐乩掉落，个 别屋顶烟囱掉 稀 4 多数人站立不 损坏一墙体 o 0 1 0 j 河岸和松软土出现裂缝， 0 6 300 6 i 稳，少数人京述户出现裂缝，檐f 饱和沙层出现喷沙冒水；有 ( 0 4 5 m 0 5 外瓦掉落，少数 的独立砖烟囱轻度裂缝 08 9 ) 0 0 9 ) 屋顶烟囱裂 缝、掉落 大多数人慷逃户 轻度破坏一 o lj 坷岸出现塌方，饱和沙层 12 50 1 3 外骑自行车的人局部破坏，开 0 3 0 常见喷沙冒水松软土地上 f 0 9 0 ( o 1 0 有感觉，行驶中的裂，小修或不地裂缝较多；大多数独立砖 1 7 7 ) 0 1 8 、 汽车钾乘人员有感需要修理可继烟囱中等破坏 觉续使用 【多数人摇晃颠 中等破坏一 o3 i 干硬土上亦出现裂缝；大 25 002 5 簸行走困难结构破坏，需 o5 0 多数独立砖烟囱严重破坏； f l7 8 f 0 1 9 03 5 1 要修复才能使树捎折断；房屋破坏导致人 35 3 ) 用畜伤亡 j x行动的人摔倒 严重破坏一 o5 1 干硬土上出现许多地方有 5 0 0o5 0 结构严重破 0 7 0 裂缝；基岩可能出现裂缝、 ( 35 4 m3 6 坏，局部倒错动；滑坡塌方常见；独立 7 0 7 )o7 i ) 塌，修复困难砖烟囱许多倒塌 f骑自柏= 车的人会大多数倒塌o 7 1 山崩和地震断裂出现；1 0 0 0 10 0 摔倒，处不稳状态 0 9 0 基岩上拱挢破坏：大多数独 f 70 8 f 07 2 的a 会摔离原地，立烟囱从根部破坏或倒毁 1 4 1 4 ) l4 1 ) 有抛起感 l 普遍倒塌 o 9 l 地震断裂延续很长：大量 i o o 山崩滑坡 i 地面目g 烈变化，山河改观 注：表中的数量词：“个别”为l o 咀t ；“少数”为1 0 5 0 ；“多数”为5 0 - - 7 0 ；“大多数”为 7 0 9 0 ；“营趟”为9 0 0 o 以上。 b 根据对全国典型发电厂及变电站所在地区基岩的最大加速度的计算，以及未来 5 0 年基岩最大加速度的预测值，可以推算出地表层加速度值超过3m s 。2 的概率是很小 的。 通过以卜说明可以看出，作为电气设备( 包括变压器) 的抗震设计基础，在进行电 7i 设备的抗地震设计时，将地表面地震的水平加速度规定为3 m s ：是妥当的，可以被使 刚单位所接受。 一5 沈f j f | 【业人学博士学位论文 ( 2 ) 垂直加速度 图1 3 给出了根据过去观测的数据求得的垂直加速度与水平加速度之比值。可见垂 直加速度大致为水平加速度的二分之。由于垂直加速度影响小，对多数电气设备在结 构的抗地震上不考虑垂直加速度的影响。但是，那些容易受垂直加速度影响的特殊设备 ( 例如穿墙套管等) ，则需要考虑垂直加速度。一般地说，由于水平加速度与垂真加速 度波形不尽十h ，基本不会在同一时m j 出现峰值，凶此将水平加速度与垂直加速度分丌 2 】j 1 以研究。 簧 蕈 繁 蟹 层 褶 图1 3 垂直加速度与水平加速度的比值 1 2 地震产生的危害 大规模的震害调查研究始于1 9 6 4 年美国的阿拉斯如大地震。从那以后世界各地又 有很多震害发生”2 “1 ，限于篇幅不做详细介绍，这里仅就部分高压电器类的产品做一 简介。表1 2 给出了部分高压电气设备的震害情况呻 。 当地震烈度为度时高压电气设备即被震损( 折断、裂缝) 破坏、而且比 较严重。表1 2 中所列高压电气设备多为体形细高，阻尼比小，且由脆性瓷件作绝缘套 管或承重立柱，抗地震能力低。是强震时造成电网解列、瘫痪的主要原因之一。国内外 历次大地震时。高压电气设备被震断、震损的相当普遍，迫使发，供电中断、给国计民 生和电力企业造成了重大损失，也给抗震救灾工作带来了严重困难。我国海城、唐山 地震时，都发生过震后停电造成钢厂钢水凝固于炉膛、厂矿竖窑无电、无水被烧坏报废 等，“重损失。 6 绪论 表j 。2 高压电器震害情况 地震地点 设备名称所在 程 震害情况 凄地地震烈 力) ( 年 广东河源2 2 0 k v 精离开关 新丰江水电站 共7 组，震坏5 组，土要是设备的瓷柱震 l 断裂纹 【6 23 ) 2 2 0 k v 避雷嚣新丰江水电站 共2 组震坏l 组。设备瓷柱被震断 j l l o k v 避雷器新丰江水电站 共4 组震坏2 组，设备瓷柱被震断 l 辽 r 海域断路器 营口一次变电站 6 6 k v 断路器有抽相空气间隙弧光放电，击 穿铁帼，有三相中间连板对地飞弧，烧坏瓷表面 ( 7 52 ) 鞍山红旗堡变电站 2 2 0 k v 断路器三相9 个瓷柱全震断一台口 本产6 6 k v 断路器脱扣掉闸 营口地区 用户断路器拭震坏9 6 台 l 暇离并关营口一次变电站 三组6 6 k v 隔离开关因地震次生灾害被烧毁 1 鞍山红旗堡变电一组2 2 0 k v 开关触头被震开触头被电弧严 重烧损，一组2 2 0 k v 开关折断一个瓷柱 鞍山地区4 4 k v 、6 6 k v 、2 2 0 k v 水平旋转式开关有2 1 组 触头震开1 5 2 0 。 避雷器鞍山红旗堡变电站 2 2 0 k v 避雷器一相被震裂之后被风折断 营口地区 用户避雷器震坏6 4 台 v 电压互感器鞍山红旗堡变电站 一1 台2 2 0 k v 电压互感器瓷套被震裂渗油 i 电流互感器 营口一次变电坫 6 6 k v 电流互感暑有两相瓷套被震烧砗，线i 圈外绝缘层和引线被烧毁 营口地区 用户的电流互感器震蚜饵5 5 台 v m 梢台电容器营口一次变电站两台2 2 0 k v 耦合电容器根部瓷柱被震裂另l 一台因顶部线夹拉断砸坏 牛庄二次变电站一台6 6 k v 祸台电容器底座3 个支持绝缘子全i 断、摔倒在地 鞍山红旗堡变电站 一台2 2 0 k v 祸台电容器两相瓷柱根部被震断 v j i 套管和支持绝缘子牛序二次变电站 穿墙套管被母线桥支架拉裂 v l 鞍山地区母线和水泥电抗器的支持绝缘予共震坏几 十个 河北唐山f z 一3 5 避雷器唐山 一台瓷柱爆炸破碎，一台瓷柱被震裂 s 卜2 2 0 少油断路北京老君堂变电站一瓮柱被震折断 v ( 7 67 ) 2 2 0 k v 斯路器 厝山地区百5 9 坡震坏 避宙器唐山地区 有4 5 被震坏 隔离开关唐山地区有2 5 被震坏垤f 。7 沈阳工业大学博士学位论文 地震地点 世符名称 所在工程程害情况袁糌 前苏联 自从2 0 世纪7 0 年代以后，前苏联科研对抗震工作发展较快，他们在结构抗震理论 和实用计算方面做了大量工作，其成果体现在1 9 8 1 年6 月全苏技术标准委员会批准的 规范c h 。兀i i 一7 8 1 中。 规范还考虑了建筑物的重要性和它破坏后可能产生的后果，规定了建筑物重要性系 数州以修f 有关计算公式计算出的地震荷载值。 在确定结构在地震作用下的强度时，规范考虑了地震作用较短暂这一因素的影响， 规定结构的抗震强度为设计材料强度乘以特性系数。 舰范中建议采用振型组台法进行抗震设计计算，取前三个振型，采用均方根计算内 力。 一l o ( 4 ) 中国 1 9 7 5 年海城地震时，许多电力设施遭到了破坏m 1 ，唐山地震后，京、滓、唐地区 电网大面积停电，后果寸+ 分严重，引起有关方面对电力设施抗地震问题的重视。随着电 躯等级的逐步提高，电力设施的抗地震阀题显得愈来愈重要。 近年来，我国开始对电力设施的抗地震能力进行研究，原第一机械工业部抗震室、 西北电力设计院等对电力设施的震害机理、抗地震计算和原型试验方面开展了一些工 作。，1 9 8 1 年，原第一机械工业部抗震室在国家地震局工程力学研究所的协助f ，刈 s w 1 1 0 少油断路器、s w 一2 2 0 少油断路器、f z - 11 0 阀型避雷器、z s 。2 2 0 棒式绝缘子进 行了实际样件试验，比较了有无减震器时诸设备的动力反应，验证了减震效率口均在 3 0 以上。西北电力设计院与七0 三所合作，研制了高压电器阻尼器，并用于z s 一 2 2 0 4 4 0 型棒式绝缘子等设旌，减震效果良好，瓷柱根部动应力可降低一一倍。 1 9 8 2 年5 月，原城乡建设环境保护部召开的全国地震工程科研协调会议上提出的重 点科研项目，其中包括有电力设施在内的工程设备抗地震设计计算方法的研究及减震消 能装置的研究。1 9 8 3 年6 月，我匡i 提出编制“电力设施抗震设计标准”的任务，1 9 8 4 年 又确定为电气设备抗震规范”，由西北电力设计院主持，积极组织国内各角关方面 的力量丌展这一工作。经过几年的共同攻关，于1 9 8 9 年完成了电力设施抗震规范( 送审 稿) ，1 9 9 1 年国家地震局批准了“电力系统地震灾害的预测及其防灾对策”课题，并于 1 9 9 4 年9 月完成最终成果报告】。于同年发表“电气设备抗震能力问题的探讨”一文 ”o j ，出版一本专著3 。目前我国对电力设施的抗地震研究工作正在逐步深入地进行。 如前所述，电力设施的抗地震研究工作有其重要的理论价值和经济效益，而目前对 变压器抗地震能力的研究工作还很不深入，特别是我国这方面工作起步较晚，理论和试 验研究都与匡l 际先进国家存在很大的差距。在计算方法、抗地震设计标准、抗地震措施 等方面还有大量的问题需要进行深入的研究。 1 4 本文研究的主要内容 本文将在总结国内外电气设备抗地震研究成果的基础上，对变压器的抗地震问题进 行理论分析和实验研究，主要就以下几个方面开展工作： 沈阳工业大学博士学位论文 1 变压器抗地震仿真计算的研究：对所有变压器进行抗地震的模拟试验是不现实 的，而考核变压器的抗地震性能又是一个受到普遍关心的问题，最好的办法就是在计算 机f ：进行变压器抗地震性能的仿真计算，找出变压器在遭受地震时易受损坏的薄弱部 位，在变压器的设计 中对这些部位进行加强，从而提高变压器的耐受地震强度。 2 将计算分析方法扩展到高电压大容量变压器上：电压越高、容量越大的变压器， 其电压覆盖的范围越广，停电造成的影响越大，对经济和社会带来的损失就越严重。因 此，仿真计算程序的应用范围应扩展到高电压大容量变压器上。找出提高变压器耐受地 蔗陆能的方法，提高变压器在地震时的运行可靠性。 3 变压器产品耐受地震的试验研究：变压器相对于其他电气设备，存在体积火、重 量藿的特点，我国的地震试验台都无法满足对高电压大容量变压器进行产品试验的要 求。而对本课题，通过试验取得变压器在地震中的第一手试验数据是至关重要的。本论 文首先对低电压小容量变压器进行抗震试验，取得试验数据，然后通过试验结果与计算 结果进行比较，对所编制的计算程序进行验证。 4 通过计算和试验所取得的寺目关资料，归纳出变压器在防震上应采取的措施。 1 5 课题预计创新之处 1 在围内首次进行变压器在地震状态下的模拟试验，通过输入不同的地震波形， 获得了许多宝贵的数据，为进一步进行变压器的抗地震性能研究取得第一手数据； 2 在阎一液耦合状态下，建立适用于变压器类产品的耐地震能力的仿真计算方 法： 3 提出“中国变压器类产品抗震设计规范l 建议稿) ”，为进行变压器类产品的 抗震设计奠定r 基础： 4 通过论文的研究工作，找出了变压器耐受地震能力较差的薄弱环节，并提出改 进的技术措施，进一步满足电力用户提出的提高变压器运行可靠性的要求。 1 2 结构在地震时的反应分析 2 结构在地震时的反应分析 以往对于抗地震的研究多是针对大的建筑，如高楼大厦、楼堂馆所等，而在其它领 域的抗地震研究却很薄弱。由于近年来深刻认识到高压电器在抗地震方面的重要性，所 以开始对高压电器的抗地震性能进行研究，而对变压器抗地震性能进行研究更是处于起 步阶段，目前还没有单独针对变压器抗地震的计算方法。本章主要是总结其他领域已取 得的抗地震研究的成功的计算经验，目的是为下一章研究变压器抗地震的计算方法打基 础。 一个结构的不同部位，在地震中的反应是有区别的。比如一个高层建筑，高楼层的 人对地震的感觉比低楼层的人的感觉要明显。所以，要对一个物体的抗地震性能进行研 究，必须对该物体中各部位的反应有所了解，找出薄弱点，并对其固有性能进行研究， 才能得出结论。 结构的地震反应决定于地震动和结构特性，特别是动力特性。因此，地震反应分析 的水平也是随着人们对这两方面认识的深入而逐步提高。前几十年研究中的收获是对地 震动的谱成分和结构的非弹性有了比较深入的认识，近一、二十年更进一步认识了地震 动的活动性与地震动的不确定性以及结构物在各不同破坏阶段的特征。因此，在结构地 震分析方面也随之有了相应的进展。结构地震反应分析的发展过程可以分为静力、反应 谱、动力三个阶段“，特别是自从1 9 5 6 年举行第一届世界地震工程会议以来，结构抗 地震理沦有了很大发展。目前对近代结构的研究有如下特点：在工程建设中考虑抗地震 验算并为此而制定的各种抗地震规范越来越多，近代结构的抗地震危害的经验开始增 多；新的理论研究和试验研究越来越接近实际情况；计算技术基本可以满足工程计算的 要求。 抗地震计算理论有以下三种： i 静力法 静力理论是计算地震荷载的最初理论，它假设结构为绝对刚体，因而其任何一点的 加速度都与地面加速度相同。于是可把地震惯性力看作是由结构质量、重力加速度和地 震系数( 地面运动最大加速度和重力加速度数值的比值) 三者的乘积所表示的静荷载。 这个方法既不考虑结构的动力特性，也不反映地面运动的特征，其计算结果不符合实 。1 3 沈j 业人学博十学位论文 际。但由于计算简单，而且按照这个方法设计的一些刚性建筑物曾很好地经受了强烈地 震的考验，凼嗬至今仍被一些国家所采用。 2 反应谱法 这是。i 十考虑结构动力特性和地面运动特征的动力分析法。它假设结构为弹性体， 先求出其自振周期和振型，在特定的地震时地面运动加速度过程的作用下，求出各个振 型的结构地震反应，最后按一定的组合方法进行组合，得到结构的地震反应。这个方法 山r 理论简便、计算省时，为世界各国所广泛采用“。 3 直接动力分析法 也称逐步积分法，它是根据设计地震的地面运动加速度过程，直接计算结构的地震 反应。这个方法比较符合实际，但计算量很大。 上述三个方法中，静力法已逐步被淘汰，因此本文将着重讨论反应谱方法和逐步积 分法。 2 1 实际结构在地震动作用下的理论分析( 反应谱理论) 在实际结构的抗震设计中，世界各国通常采用的是反应谱理论。这不仅因为反应谱 理论比较简便、计算比较节省时间，更重要的是应用此理论得出的结果更具有普遍意 义。 反应潜理论包括如下三个基本假定： i 结构物的地震反应是线性的，可以采用叠加原理进行振型组合。 2 现有反应谱在结构所有支承处的地震动都完全相同。 3 结构物最不利的地震反应为其最大的地震反应，而与其它动力反应参数无关，如 达到最大值附近的次数或概率。 211 单自由度体系的地震反应与反应谱 电力变压器抗震计算的理论是以多自由度体系的振动理论为基础的。然而，单自由 度体系的振动理论却是多自由度体系的振动理论的基础。因此先简单介绍单自由度体系 的振动问题。 ( 一) 动力方程 1 4 结构在地震时的反应分析 如图2 1 所示，设有一线性单自由度体系，在基础支承处受到地震动加速度x 。( ，) 的 作j = ； j ，质点胛上受到动力pf f j 的作用，从结构动力学原理知道 f + ? 西+ 石+ 一p = 0 式中：，= 一( 矗+ 膏) 为质点mj 二的惯性力； g = 一h 为弹性体系的恢复力，膏为体系的弹簧常数或刚度； d = 一d 为体系的阻尼力。c 为阻尼常数：x 为质点的相对位移 “”表示对时间 的微分。 由此得单自由度体系运动方程为 m j + c x + 缸= p ，戚o x ( ! j m 一 x s ( 符号上的 ( 2 1 ) 图2 1 单自由度体系的地震反应 若只考虑该单自由度体系的地震反应，则取pr d = 0 。由此得单自由度体系的运动方程7 为 主+ 2 手m 量+ 珊2 x = 一戈o ( 2 2 ) 式中：fu = e f m , “。= k m ,f 为阻尼比，u 为体系的自振圆频率。对于电力设施f = 0 0 3 。 ( 二) 动力方程的解答 由于在地震动过程中激励膏。( f ) 极不规则( 见图2 2 2 5 ) ，无法将全过程用解 析式表示，所以式( 2 2 ) 也只能通过数值计算求解。如果给定任意波形的激励羲( 小 对于线性体系，则微分方程( 2 2 ) 的解可以根据叠加原理通过杜哈曼( d u h a m a ) 积分 求得： 一1 5 一 声= =|：7土卜 沈阳工业大学博士学位论文 一吉“( ) e 4 。( t - r ) s 幽和叫曲 ( 2 3 ) = 瓜为有阻尼自振圆频率。 上式说明，在激励磊( f ) 的作用下，支点响应规律是一个衰减的正弦变化过程。 ( 三三) 反应谱 反应谱就是在地震过程中，描述结构中不同部位的变量随着地震动而产生的响应的 变化规律，式( 2 3 ) 是单自由度的相对位移变化规律。同样可以得到相对速度i ( f ) 和绝 对加速度少r ，分别为： 硼) = 一去如( r ) e - 和( t - r ) s i n c o ( ) d r ( 2 加) 一詈f “r ) e - 5 。”( t - r ) c o s 阿( ) + 州r ( 2 4 b ) y ( t ) 一告如( 咖嘲妒f 】s i n ( ) + 2 州r ( 2 4 c ) 式中：珊= i 二了，t g 口= 矗厅二f ，当阻尼很小时，f 2 l ，则上式变为： 砌) 一去f ( r ) e - a ( t - r ) s i n 叫_ ) d r i ( f ) 一j i 。( 咖制r c 。s ( f f ) d f j j ( ，) = 一p 。( r ) e - 4 m ( t - r ) s i n 删( f r ) = 一2 x ( ，) 由此可以计算出相对位移反应谱s r f ，u ，相对速度反应谱sr f ，。j 和绝对加速度 豇惭谜s j fe ) ) s a 4 ，国) = j x 酬 = j 。x 。，e - 4 6 ( t - r ) s i n c o c r r ，a r j 。 2 5 8 s 。( f ，m ) = j 膏( f ) f = i ；f 膏。，p 一；c 卜f ，c 。s 甜c r r ，d r f 2 5 b j 1 6 结构在地震时的反应分析 配( 孝，c o ) = l j j ( r ) i 。= 。2 配( 善，) ( 四) 地震荷载 ( 2 5 c ) 在地震工程中，地震荷载是以加速度形式给出的，同时，随着处理问题的方法刁i 同 其荷载的形式也不同。当用反应谱理论处理问题时，加速度时程是以反应谱的形式给出 的；当采用逐步积分法时，加速度时程不变( 保留原记录) 。 加速度反应谱曲线是根据固定阻尼比f 和给定的一条地震时地面运动加速度时程 x o “1 绘制的。不同的地震记录会有不同的反应谱曲线。下面给出本文所要用的反应谱魄 线。 通常电力设施的阻尼比f 在0 0 2 o 0 4 之间，本文取f = o 0 3 。图2 2 2 5 给出被 试变压器样机在进行试验时所用加速度时程的谱曲线。由于变压器本体自振频率很高 ( 超过l o h z ) ，为真实模拟变压器结构在地震时可能产生的破坏形式并找出其薄弱环 节，将实际地震记录进行压缩。图2 2 图2 5 是压缩后的反应谱曲线。图2 2 和图2 3 分别为能级是2 3m s2 和6m s 一2 唐l j 余震( 宁河) 天津记录( 频率被1 ：7 压缩) 绘制的加 速度反应谱曲线，场地土为类土：图2 4 为给定能级是1 9 4m f z ，唐山余震( 迁安) 记录( 频率1 ：2 压缩) 绘制的加速度反应谱，场地土为i i 类：图2 5 是能级为4 3m s 2 ，美国p a c o i m a 地震记录( 频率1 ：7 压缩) 绘制的加速度反应谱曲线。其激励为 x ，、f ，) 。 图2 2 唐山余震( 宁河) 天津记录加速度反应谱( 2 3 m s 一2 ) ( 频率压缩l ：7 ) 1 7 一 o o o o 五hmqu罐 沈甜业入学博士学位论文 s p e 。；。瓠。1l d ，。嚣罗p “ 图2 3 唐【j 余震( 宁河) 天津记录加速度反应谱( 6 0 m s z ) ( 频率压缩l ：7 ) 图2 4 唐山余震( 迁安) 记录加速度反应谱( 1 9 4m s 一2 ) ( 频率压缩1 ：2 ) 印，。 + ，知。1f d 0 署芦“”“ 图2 5 美国p a c o i m a 地震记录加速度反应谱( 4 3m - s - 2 ) ( 频率压缩1 ：7 ) 1 8 一 舌hb田u辩一 结构在地震时的反廊分析 存结构抗震没计时，我们不可能预先知道建筑物将遭到怎样的地面运动，也就无法 知道王。( r ) 是怎样旧焚化曲线。日耵解决坯个i j 题的 陆足，戢f r 多个地震的地吲还明删 速度l 己录，一求出它们的谱曲线，重迭在一起，并画出一条光滑的平均线。这条曲线 就称为标准反应谱曲线。 电力设计规范中所给出的谱曲线，即可以做为标准谱曲线。图2 6 图2 9 分别给 出了i 、l i 、l i i 、类四类土壤在、i x 烈度地震f 的加速度反应谱曲线，其 i i - f = o 0 3 。 图2 6i 类土加速度反应谱 轨。n 8 5 。毋品譬茹 图2 71 i 类土加速度反应谱 1 9 0 5_#e 沈阳工业大学博士学位论文 图2 8i i i 类土加速度反应谱 s p o j8 j 8 ，7 ，6m 一0 ，s ( d m 】 图2 9i v 类土加速度反应谱 212 多自由度体系的地震反应 实际工程中常见的结构物大都是多自由度体系，至于所选自由度的个数，要视需要 的精度而定。我们仍沿分析单自由度体系地震反应时的途径来分析多自由度体系的地震 反应。 ( 一) 运动方程 i 议图2 1 0 所示的一个二层楼房的计算简图( 也可以看作是变压器沿高度分布的不同 部分) ，