1、第 卷 第 期 年 月应用力学学报 .收稿日期:修回日期:基金项目:国家重点研发计划资助项目(.)通信作者:车爱兰博士生导师:.引用格式:武鹏崔佳伟车爱兰.基于概率地震需求分析的 罐式断路器耦联体系地震易损性模型.应用力学学报():.():.文章编号:()基于概率地震需求分析的 罐式断路器耦联体系地震易损性模型武鹏崔佳伟车爱兰(上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院 上海)摘 要:变电站作为电力系统的枢纽其抗震性能评估尤为重要其中罐式断路器耦联体系是变电站中的重要设备之一 为研究 罐式断路器耦联体系的抗震性能采用增量动力分析()以及概率地震需求分析()相结合的方法评估了其地震易损性 首先分析了 罐
2、式断路器耦联体系的结构特性和震损特征构建了有限元模型 通过增量动力分析()以地面峰值加速度()为地震动输入参数得到关键易损部位的地震响应 在此基础上通过概率地震需求模型()生成了每个易损部位在不同震损状态下的地震易损性曲线 最后基于可靠度理论计算得到了 罐式断路器耦联体系的地震易损性模型 结果表明可以确定该结构在不同 下发生完全、严重、中度和轻微损坏的概率反映了结构的抗震性能水平例如当 达到.时 罐式断路器耦联体系 种破坏状态的概率分别分 和 关键词:罐式断路器增量动力分析概率地震需求模型可靠度理论易损性中图分类号:.文献标志码:./.():.()().()()第 期武鹏 等:基于概率地震需求
3、分析的 罐式断路器耦联体系地震易损性模型 投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报 .().:电力系统是由发电、变电、输电、配电和用电等环节组成的重要生命线工程是维系现代城市功能与区域经济功能的基础性工程设施系统 变电站是电力系统的重要节点是电能转化电流和电压变换重要场所 地震灾害是威胁变电站安全的一种主要自然灾害历史上曾多次出现地震导致的电力系统严重破坏的情况 年 月唐山发生.级地震电力系统破坏严重变电站共损毁 座断路器损坏率达到 隔离开关损坏率最高达到避雷器损坏率最高达到 年 月美国 地震中变电站损毁 座并造成北美地区 万人的用电中断 年 月内蒙古自治区发生里氏.级地震距离震中 的张家营变电
4、站母线避雷器折断落地最终发展为张家营全站停电 多次经验表明地震对变电站的安全性具有较高的威胁研究其抗震性能和地震易损性对于降低变电站的地震风险具有重要的意义 变电站的功能主要由站内的电力设施实现研究变电站的易损性就是研究站内电力设施的易损性罐式断路器是变电站中的高压配电装置作为变电站的“安全”工具其主要功能为:在正常运行时接通或断开电路在故障发生时快速自动重新关闭闸门的运行及时恢复管道的正常运行在特殊情况下可靠地接通短路电流 可以看出罐式断路器对于变电站的安全运行至关重要一旦在地震中破坏会造成严重的后果探究其地震易损性具有重要意义目前研究电力设施抗震性能和易损性的方法主要有震害统计分析方法、试
5、验法及计算分析方法对于震害统计法刘如山等基于汶川地震变电所电气设备地震损伤数据以地震烈度为地震输入参数采用正态分布拟合了主变压器的易损性曲线 等基于加州变电站地震灾害详细数据绘制了变电站设备失效概率曲线 震害统计法在于震害资料稀缺且具有特殊性不具有较高的应用价值 对于试验法李亚琦等对瓷柱式 断路器进行了振动台试验研究及有限元建模并建立了断路器的理论计算模型首次考虑了长周期成分丰富的地震动以及带有特殊速度脉冲的地震动等特殊地震动输入 李圣等通过试验构建了支柱绝缘子互联体系的地震易损性模型 试验法由于成本高、耗时长很难进行大量的样本试验获得全面的分析数据 对于计算分析方法 等建立变压器的有限元模型
6、通过增量动力分析法得到了两种损坏状态下的易损性曲线 边晓旭等基于地震动聚类方法分析了变电站设备的易损性该方法能在减少地震动样本输入的同时保证结果的准确性 通过计算分析方法进行电气设备的易损性分析不但成本低、精确度高而且能够考虑到各种地震动情况下结构性能反应 而且目前关于罐式断路器易损性的研究非常少通过计算分析法研究其地震易损性具有较高的应用价值本研究基于概率地震需求分析构建了 罐式断路器耦联体系的地震易损性模型 首先分析了其结构特性、震损状态确定了其失效模式和抗震性能评价指标定义了 种震损状态其次通过增量动力分析以 为地震动强度指标得到个关键易损部位的地震响应之后通过概率地震需求模型()生成了
7、每个易损部位在不同性能水准下的地震易损性曲线最后基于可靠度理论计算得到了 罐式断路器耦联体系的地震易损性模型 方法与原理.构建易损性模型的基本思路地震易损性模型就是通过概率的方法构建地震 应用 力 学 学 报第 卷投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报动输入特性与结构功能损伤之间的关系以便预测它在未来地震中失效的概率 概率地震需求模型()是构建结构地震易损性模型的手段之一 在 中结构的响应用工程需求参数来确定而工程需求参数可以通过增量动力分析()来进行计算结构系统的易损性与关键易损部位的易损性可以通过可靠度理论进行确定 基于此本研究构建 罐式断路器耦联体系地震易损性模型的思路如图 所示图 罐式
8、断路器耦联体系地震易损性模型构建过程.增量动力分析增量动力分析()就是对结构体系进行多次的动力时程分析根据计算结果可以得到结构体系的动力反应并可将结果应用到结构基于性能的评估中 若将计算结果绘制成曲线则可以更为直观地了解结构体系在地震激励下的反应变化情况 是将一条地震动记录分别乘上一系列比例因子从而“调幅”为一系列地震动记录然后在这组“调幅”后地震记录的作用下求得结构的动力响应最后通过绘制 曲线来评估结构的性能“调幅”可以通过下式来体现即()其中:为调幅前的加速度记录值是()的简写 为调整系数 为调幅后的加速度记录值根据文献当地震强度指标为 时可以利用表 所示的调幅水平进行地震动强度幅值调制表
9、 地震动强度调幅原则.结构的自振周期 调幅水平.概率地震需求模型利用概率地震需求模型()构建了地震易损性模型 的主要目的是建立某类型结构的地震动强度与地震需求之间的概率关系 假设结构的地震需求 和地震动强度 服从对数正态分布则其关系为()()()()其中、为未知参数需要通过回归分析求得由此进一步可以得到条件对数标准差/的一个估计/()()()()其中:为第 个地震需求峰值为第 个地震动峰值结构的破坏概率表示为 /()/()其中:为结构抗震能力的中值 为结构抗震能力的标准差/为结构抗震需求的对数标准差.可靠度理论可靠度理论给出了系统的可靠性分析方法如果一个系统的子系统之间相互独立则这些子系统之间
10、输入串联关系 在这种情况下系统的失效概率的一阶边界为()()()其中:()为单个子系统的失效概率为系统的失效概率第 期武鹏 等:基于概率地震需求分析的 罐式断路器耦联体系地震易损性模型 投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报式()中的下边界表示子系统失效事件完全相关时系统的失效概率上边界表示子系统失效事件相互排斥时系统的失效概率 当子系统失效事件在统计上相互独立时上边界可改写为 ()()罐式断路器耦联体系的地震易损性模型.罐式断路器耦联体系罐式断路器是变电站中高压配电装置 高压电路中开关电器切断具有电流的电路时断开的触头之间将会产生电弧这时电路实际上并没有被切断直到触头间电弧熄灭后电路才真正断
11、开 而罐式断路器就是用来熄灭电弧保护整个电网的安全 罐式断路器往往与周围的隔开开关等形成耦联体系在地震中往往相互影响如图 所示在进行有限元计算之前需要对结构进行一定的简化 本研究采用 有限元软件进行建模构建有限元模型如图 所示 结合 罐式断路器耦联体系的结构特征选用杆单元进行建模材料参数根据规范国家电网输变电工程通用设计进行选取 所建立模型的固有频率为.与文献试验结果吻合证明了该模型的合理性图 罐式断路器耦联体系的结构示意图.简化有限元模型主要分为 个部分:罐式断路器套管隔离开关套管罐式断路器的灭弧室 支撑结构和连接结构皆为钢管 根据国家电网输变电工程通用设计得到主要的结构、几何和材料参数如表
12、 所示图 罐式断路器耦联体系的有限元模型.表 罐式断路器耦联体系的几何和材料参数.序号参数取值套管节数套管长度/.套管外径/.套管壁厚/.套管弹性模量/套管密度/()套管泊松比.中支撑圆管长度/.中支撑圆管外径/.序号参数取值中支撑圆管壁厚/.横向圆管高度/横向圆管外径/.两边支撑圆管外径/.斜向变截面圆管高度/.斜向变截面圆管长度/.斜向变截面圆管外径/.斜向圆管外径/.应用 力 学 学 报第 卷投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报.罐式断路器耦联体系的结构特性对于 罐式断路器耦联体系来说底部的灭弧室和钢管支柱刚度较大在地震中很少发生破坏根据以往的经验上部的绝缘子套管是脆性结构在地震中很容
13、易开裂或折断由此表 确定了失效模式与关键易损部位如图 所示表 罐式断路器耦联体系失效模式与关键易损部位.编号失效模式关键易损部位套管的弯曲破坏隔离开关套管根部最大应力 断路器套管根部最大应力 套管顶部位移超限隔离开关套管顶部位移 隔离开关套管顶部位移 罐式断路器套管顶部位移 在电力设施易损性模型中关键部位的极限状态或抗震能力是指完全、严重、中度、轻微 种损伤状态的定量描述所依据的原则为:一旦发生震损对电力设施功能的主要影响程度、恢复所需要时间和成本 根据变电站(换流站)抗震安全风险评估导则表 给出了电力设施 种性能水准即对应本研究 种震损状态的定义但是在易损性评估中还需要对其进行定量描述 根据
14、复合绝缘子套管的结构性能和材料性能认为当套管位移超过结构高度的/最大拉应力超过 时套管将发生完全损坏 根据文献选取完全损伤参数值的 倍、.倍和.倍作为严重、中度和轻微损伤极限状态如表 所示表 罐式断路器耦联体系的 种震损状态.编号震损等级状态轻微破坏功能不受损中度破坏部分功能短暂中断后可恢复严重破坏部分功能中断可在一段时间内(如 )修复完全破坏主要功能受损需要较长时间(如 )才可能修复表 罐式断路器耦联体系的极限状态参数.关键易损部位极限状态完全严重中度轻微/.增量动力分析进行 之前需要选择大量的地震动时程记录 所选的地震波应具有多种适用性且不应受场地的限制 此外还应考虑大周期范围内的地震动记
15、录的离散性即确保偶然的不确定性 本研究采用太平洋地震工程研究()强地震数据库地震动记录系列 根据.节所构建的有限元模型首先计算了 罐式断路器耦联体系的特征周期为.高电压等级变电站的选址一般远离地震带且场地条件较好由此合理的 地震波选择原则见表 表 地震波的选取原则.参数特征周期/场地条件地震分组地震影响系数属性值.由此根据上述条件从 强震运动数据库中选出 条地震波如表 所示该结构的特征周期为.根据表 所示的地震动强度调幅原则 个地震动数据的振幅调整比为.、.、.、.、.、.、.、.、.、.、.、.、.、.这样共得到 条地震动记录 基于 条地震波采用 对 罐式断路器耦联体系进行了有限元分析 然后
16、将 个关键易损部位的动力响应值分别绘制在直角坐标系和对数坐标系下 图、图 分别为 和 的增量动力分析结果即 条地震波在不同 水平下结构关键易损部位的地震响应值其中红线为其中值由此可以根据该结构进行概率地震需求分析 图 展示了某地震波在某 水平下的有限元计算结果包括结构地震响应状态和分布第 期武鹏 等:基于概率地震需求分析的 罐式断路器耦联体系地震易损性模型 投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报表 选取的地震波记录波信息.序号发震时间和位置震级()/.序号发震时间和位置震级()/.().图 增量动力分析.图 增量动力分析.图 罐式断路器某工况下地震响应结果.应用 力 学 学 报第 卷投稿网站:
17、/.微信公众号:应用力学学报.罐式断路器耦联体系的地震易损性模型 完成 以后通过 计算结构的地震易损性 将 的计算结果代入式()与()中计算各关键易损部位的/值如表 所示然后根据表 的计算结果结合各易损部位的极限状态通过式()可得其易损性曲线图 所示为 和 的易损性曲线 罐式断路器耦联体系的各个关键易损部位相互独立则其为串联系统各个关键易损部位在不同 下四种极限状态的失效概率值代入公式()和()中可以得到 罐式断路器耦联体系的易损性模型 如图 所示 可以看出当 达到.时 罐式断路器耦联体系四种破坏状态的概率分别分 和 表 各关键易损部位的对数标准差.易损部位回归方程判定系数 对数标准差/相关系
18、数().().().().().().().().().().图 和 的易损性曲线.图 罐式断路器耦联体系的地震易损性模型.结 论本研究分析了 罐式断路器耦联体系的结构特征、震损特征通过国家电网输变电工程通用设计获得了结构的几何和材料参数并构建了有限元模型在此基础上采用、和可靠度理论构建了其地震易损性模型主要结论如下第 期武鹏 等:基于概率地震需求分析的 罐式断路器耦联体系地震易损性模型 投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报)罐式断路器耦联体系的特征周期为.在地震中其隔离开关套管和罐式断路器套管是关键易损部位并且主要的失效模式为套管顶部的位移超限和根部的弯曲破坏)通过 罐式断路器耦联体系的地
19、震易损性模型可以确定该结构在不同 下发生完全、严重、中度和轻微损坏的概率反映了结构的抗震性能水平从而可以对 罐式断路器耦联体系进行基于预定概率的抗震设计或震后评估参考文献:龙凯左正兴.连续体结构拓扑优化的节点独立连续映射法.应用力学学报():.():().文波牛荻涛.大型变电站主厂房地震易损性研究.土木工程学报():.():().于文申世元王图亚等.城市变电站抗震能力评价方法研究.建筑科学():.():().程永锋朱全军卢智成.变电站电力设施抗震措施研究现状与发展趋势.电网技术():.():().王连环.包头地震灾害的启示.华北电业():.():().刘如山舒荣星熊明攀.变电站高压电气设备易损
20、性研究.自然灾害学报():.():().():.李亚琦李小军.导线对电瓷型电气设备地震反应的影响.地震工程与工程振动():.():().李圣程永锋卢智成等.支柱绝缘子互连体系地震易损性分析.中国电力():.():().:.边晓旭谢强.基于地震动聚类的变电站设备易损性分析.中国电机工程学报():.():().:.刘洪波孙伟轩张玉鑫等.框架结构的输入地震动记录调幅方法试验研究.地震工程与工程振动():.():().:.姚继涛杨梓橦胡玉坤.构件适用功能要求的模糊性及可靠度分析方法.应用力学学报():.():().谢强王亚非朱瑞元.不同垂度导线连接变电站实体耦联设备振动台试验研究.地震工程与工程振动():.():().陶长志.罐式断路器绝缘拉杆的受力分析及强度校核.电气工程学报():.():().刘铁林孙宇城张柔佳.地震动数据库中含速度脉冲近场地震记录.防灾减灾工程学报():.():().(编辑 李坤璐)
