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[摘 要]对特高压气体绝缘金属封闭开关设备（以下简称GIS）结构进行分析，得出特高压GIS抗震薄弱部件。依托相关计算和真型试验，并对特殊工况进行分析，得出特高压GIS能够满足规定的抗震要求。通过特高压GIS抗震研究，为地震高烈度地区变电站及其它产品的设计提供技术支撑。
[关键词]特高压GIS；抗震研究；真型试验；特殊工况分析
中图分类号：TM595 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）09-0133-01
1 引言
目前是特高压电网密集建设时期，根据国网公司的规划，至2020年建成“五纵五横”共计27条特高压线路。特高压电网作为今后的主骨干网络，其运行的安全稳定性要求更高。特高电网最重要的组成部分，特高压GIS因其结构有“细、高、柔、重”等特点，地震易损性高，一旦受到地震损害，会波及全国许多区域。故亟需开展特高压GIS的抗震研究。
2 特高压GIS设备中抗震薄弱部品的分析
经过特高压示范工程及后续工程的沉淀，目前特高压GIS布置和基础的设计趋于标准化。特高压GIS多采用“一字形”布置，一个完整串三个间隔布置在一个基础大板上，分支套管布置在单独的大板，基础大板与大板之间设置伸缩缝。一个整体大板上的GIS设备，除出线套管的重心较高外，其余设备的重心均较低。而特高压GIS设备的支架，设计时即考虑了足够的强度，经过相关计算，具有较大的安全系数，对地震波的放大作用极小。故在地震波作用下，同一大板上的设备之间的变形和应力均较小，仅需考虑不同大板之间设备的影响，以及重心较高的GIS套管的应力变化。
特高压GIS在9级烈度地震加速度的作用下，基础大板与大板之间的位移量无相关数据。为了吸收由地震波引起的大板之间的位移，使大板之间设备不受地震波引起的应力，在大板与大板之间均设置了能够吸收径向、轴向位移的波纹管。此波纹管设计时要求高的径向和轴向变形。而设备内部的触指和触头经过特殊设计，亦有很好的径向和轴向位移吸收量。即在9级烈度的地震作用下，波纹管的变形量足以吸收因地震波作用引起的壳体应力，而特殊设计的触指和触头，亦能吸收因地震波作用引起的内部导电回路的应力。
通过以上分析，基础大板与大板之间的设备能够承受9级烈度的抗震要求，以下着重对套管的抗震性能进行分析。
3 特高压GIS套管抗震计算及真型试验
为了估算特高压瓷套管的抗震能力，利用ANSYS等软件，通过建立模型、静力分析、模态分析、地震加速度反应谱分析等，最后得出估算结果。按照规定的9级烈度地震加速度，阻尼比取2%，并考虑风载，内压等叠加的静力载荷。计算并得出结果：特高压GIS套管在9级烈度地震波作用下，其应力小于材料的许用应力，且有一定的安全裕度。
为进一步验证特高压GIS的抗震性能，国网公司组织GIS厂家进行了特高压GIS套管抗9级烈度的地震真型试验。根据要求套管需带上蔽环，套管塔形筒和套管支架均与工程实际使用一致，套管内部为1个大气压的空气。套管出厂时进行完备的出厂试验，并确认运到试验场地的状态。
根据国家电网公司企业标准，采用推荐的白噪声随机波作为测试套管的动力特性激励，利用人工合成地震波作为地震作用。由于竖向地震作用对单柱式电气设备的影响较小，因此此次试验不考虑竖向地震作用。同时，对于轴对称设备而言，由于不会出现明显的扭转振型，一个水平方向上的地震输入不会造成另一个水平方向上明显的震动响应，也就是说水平方向两个方向的地震响应基本上是相互独立的。考虑到两个方向的地震输入中加速度峰值的不同步，因此可以认为单水平向地震与水平向地震作用效果相当，只需要进行单水平向地震试验就能够判断设备的抗震能力。
套管抗震试验流程：①输入白噪声，测定设备的自振频率和阻尼比；②输入人工波，进行迭代，满足反应谱容差控制要求；③输入白噪声，检测试品有无结构性损伤；④输入人工波，以9级烈度加速度进行抗震试验；⑤输入白噪声，检测试品有无损伤。试验过程中采用加速度计及铂式电阻应变片进行数据采集以进行分析。
通过对采集的数据进行分析发现：在输入目标峰值加速度的情况下，可测得瓷套管根部最大应变值。根据反应谱容差控制要求，依据瓷套的弹性模量，可求得调整后的应力值。再组合风压载荷并考虑内压后的应力值，与计算结果非常接近，且小于该瓷套管的容許应力值。因此判定该特高压GIS套管顺利通过9级烈度的地震真型试验，可满足高烈度地区变电站需求。
4 一些特殊工况的分析
特高压GIS套管抗震试验时，套管内部没有充SF6气体，设备未带电。虽然顺利通过试验，且通过试验后，进行的后续密封和绝缘试验亦顺利通过。但难免会有人质疑：在地震的瞬时，因瓷套、中间屏蔽、接地屏蔽、导体之间振动频率不同，会出现其四者之间不同轴，局部之间绝缘距离过小的现象，套管是否会出现绝缘击穿的问题。在地震的瞬时，因套管的振动，套管下法兰与塔形筒连接部位受力不均，套管是否会出现漏气的问题。
回答以上问题，首先应理解国网公司推进特高压GIS套管抗震研究的意图。国网公司要求的是在规定的地震加速度作用下特高压电网能够安全运行，而真型试验后的绝缘和密封试验，均说明该套管在规定的加速度地震作用后，能够满足强度、绝缘和密封要求。套管的绝缘裕度是按照2400kV设计的，而实际运行电压仅为635kV，在地震波作用的瞬时，即使瓷套、中间屏蔽、接地屏蔽、导体之间有不同轴现象，因实际运行电压较低，亦不会出现绝缘放电问题。即使在地震的瞬时出现非常高的过电压，出现放电现象，上级保护也会动作，此时的放电是自恢复放电。即过后立即送电，不会影响电网的运行。如果在地震的瞬时，套管与塔形筒之间密封圈受力不均，出现局部微露现象，但其作用时间短，对整个套管气室来说，气室气压几乎不会有变化，且在地震过后，可立即对气室补气，也不会影响产品的安全运行。
5 总结
特高压GIS整块基础大板上的设备，受地震影响较小。基础大板与大板之间设备，通过设置波纹管和特殊结构电连接，能够避免或最大限度的降低地震影响。套管是GIS抗震最为薄弱环节，但无论是从理论计算还是从真型试验，均表明特高压GIS套管能够满足9级烈度地震要求。在该地震烈度的作用下，即使瞬时有自恢复放电和微漏现象，亦不影响特高压GIS安全可靠运行。
参考文献
[1] 吴敬儒，徐永禧.我国特高压交流输电发展前景[J].电网技术，2005
[2]王晓琪，吴春风等.1000kV GIS用套管设计[J].高电压技术，2008，34（9）：1792-1796.
[3] 《特高压瓷套管电气设备抗震设计及减震装置安装与维护技术规程》（Q/GDW 11132-2013）.
[4] 《电力设施抗震设计规范》（GB50260-2013）
[关键词]特高压GIS；抗震研究；真型试验；特殊工况分析
中图分类号：TM595 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）09-0133-01
1 引言
目前是特高压电网密集建设时期，根据国网公司的规划，至2020年建成“五纵五横”共计27条特高压线路。特高压电网作为今后的主骨干网络，其运行的安全稳定性要求更高。特高电网最重要的组成部分，特高压GIS因其结构有“细、高、柔、重”等特点，地震易损性高，一旦受到地震损害，会波及全国许多区域。故亟需开展特高压GIS的抗震研究。
2 特高压GIS设备中抗震薄弱部品的分析
经过特高压示范工程及后续工程的沉淀，目前特高压GIS布置和基础的设计趋于标准化。特高压GIS多采用“一字形”布置，一个完整串三个间隔布置在一个基础大板上，分支套管布置在单独的大板，基础大板与大板之间设置伸缩缝。一个整体大板上的GIS设备，除出线套管的重心较高外，其余设备的重心均较低。而特高压GIS设备的支架，设计时即考虑了足够的强度，经过相关计算，具有较大的安全系数，对地震波的放大作用极小。故在地震波作用下，同一大板上的设备之间的变形和应力均较小，仅需考虑不同大板之间设备的影响，以及重心较高的GIS套管的应力变化。
特高压GIS在9级烈度地震加速度的作用下，基础大板与大板之间的位移量无相关数据。为了吸收由地震波引起的大板之间的位移，使大板之间设备不受地震波引起的应力，在大板与大板之间均设置了能够吸收径向、轴向位移的波纹管。此波纹管设计时要求高的径向和轴向变形。而设备内部的触指和触头经过特殊设计，亦有很好的径向和轴向位移吸收量。即在9级烈度的地震作用下，波纹管的变形量足以吸收因地震波作用引起的壳体应力，而特殊设计的触指和触头，亦能吸收因地震波作用引起的内部导电回路的应力。
通过以上分析，基础大板与大板之间的设备能够承受9级烈度的抗震要求，以下着重对套管的抗震性能进行分析。
3 特高压GIS套管抗震计算及真型试验
为了估算特高压瓷套管的抗震能力，利用ANSYS等软件，通过建立模型、静力分析、模态分析、地震加速度反应谱分析等，最后得出估算结果。按照规定的9级烈度地震加速度，阻尼比取2%，并考虑风载，内压等叠加的静力载荷。计算并得出结果：特高压GIS套管在9级烈度地震波作用下，其应力小于材料的许用应力，且有一定的安全裕度。
为进一步验证特高压GIS的抗震性能，国网公司组织GIS厂家进行了特高压GIS套管抗9级烈度的地震真型试验。根据要求套管需带上蔽环，套管塔形筒和套管支架均与工程实际使用一致，套管内部为1个大气压的空气。套管出厂时进行完备的出厂试验，并确认运到试验场地的状态。
根据国家电网公司企业标准，采用推荐的白噪声随机波作为测试套管的动力特性激励，利用人工合成地震波作为地震作用。由于竖向地震作用对单柱式电气设备的影响较小，因此此次试验不考虑竖向地震作用。同时，对于轴对称设备而言，由于不会出现明显的扭转振型，一个水平方向上的地震输入不会造成另一个水平方向上明显的震动响应，也就是说水平方向两个方向的地震响应基本上是相互独立的。考虑到两个方向的地震输入中加速度峰值的不同步，因此可以认为单水平向地震与水平向地震作用效果相当，只需要进行单水平向地震试验就能够判断设备的抗震能力。
套管抗震试验流程：①输入白噪声，测定设备的自振频率和阻尼比；②输入人工波，进行迭代，满足反应谱容差控制要求；③输入白噪声，检测试品有无结构性损伤；④输入人工波，以9级烈度加速度进行抗震试验；⑤输入白噪声，检测试品有无损伤。试验过程中采用加速度计及铂式电阻应变片进行数据采集以进行分析。
通过对采集的数据进行分析发现：在输入目标峰值加速度的情况下，可测得瓷套管根部最大应变值。根据反应谱容差控制要求，依据瓷套的弹性模量，可求得调整后的应力值。再组合风压载荷并考虑内压后的应力值，与计算结果非常接近，且小于该瓷套管的容許应力值。因此判定该特高压GIS套管顺利通过9级烈度的地震真型试验，可满足高烈度地区变电站需求。
4 一些特殊工况的分析
特高压GIS套管抗震试验时，套管内部没有充SF6气体，设备未带电。虽然顺利通过试验，且通过试验后，进行的后续密封和绝缘试验亦顺利通过。但难免会有人质疑：在地震的瞬时，因瓷套、中间屏蔽、接地屏蔽、导体之间振动频率不同，会出现其四者之间不同轴，局部之间绝缘距离过小的现象，套管是否会出现绝缘击穿的问题。在地震的瞬时，因套管的振动，套管下法兰与塔形筒连接部位受力不均，套管是否会出现漏气的问题。
回答以上问题，首先应理解国网公司推进特高压GIS套管抗震研究的意图。国网公司要求的是在规定的地震加速度作用下特高压电网能够安全运行，而真型试验后的绝缘和密封试验，均说明该套管在规定的加速度地震作用后，能够满足强度、绝缘和密封要求。套管的绝缘裕度是按照2400kV设计的，而实际运行电压仅为635kV，在地震波作用的瞬时，即使瓷套、中间屏蔽、接地屏蔽、导体之间有不同轴现象，因实际运行电压较低，亦不会出现绝缘放电问题。即使在地震的瞬时出现非常高的过电压，出现放电现象，上级保护也会动作，此时的放电是自恢复放电。即过后立即送电，不会影响电网的运行。如果在地震的瞬时，套管与塔形筒之间密封圈受力不均，出现局部微露现象，但其作用时间短，对整个套管气室来说，气室气压几乎不会有变化，且在地震过后，可立即对气室补气，也不会影响产品的安全运行。
5 总结
特高压GIS整块基础大板上的设备，受地震影响较小。基础大板与大板之间设备，通过设置波纹管和特殊结构电连接，能够避免或最大限度的降低地震影响。套管是GIS抗震最为薄弱环节，但无论是从理论计算还是从真型试验，均表明特高压GIS套管能够满足9级烈度地震要求。在该地震烈度的作用下，即使瞬时有自恢复放电和微漏现象，亦不影响特高压GIS安全可靠运行。
参考文献
[1] 吴敬儒，徐永禧.我国特高压交流输电发展前景[J].电网技术，2005
[2]王晓琪，吴春风等.1000kV GIS用套管设计[J].高电压技术，2008，34（9）：1792-1796.
[3] 《特高压瓷套管电气设备抗震设计及减震装置安装与维护技术规程》（Q/GDW 11132-2013）.
[4] 《电力设施抗震设计规范》（GB50260-2013）