一种变压器设备的地震模拟振动试验方法及装置与流程

本发明涉及变压器测试领域，具体涉及一种变压器设备的地震模拟振动试验方法及装置。

背景技术：

通过震害调研显示，电气设备尤其是陶瓷材料构成的电气设备在地震作用下具有较高的易损性。变压器类设备具有体积和重量大等特点，且套管多由陶瓷材料组成，在地震作用下承受较大的地震力，易造成变压器套管损坏或使设备产生较大的位移而丧失电气功能。

变压器是换流站内的核心设备，属于质量较大、重心较低的电气设备。地震作用下，变压器设备的破坏主要表现为安装在变压器本体上的套管破坏，破坏位置往往发生在套管根部。套管类电气设备自身的地震易损性较大，将其安装在变压器上，而变压器本体又对套管的地震响应具有动力放大效应，会进一步威胁套管安全。另外，大型变压器重量高达几百吨，远远超出了现有地震模拟振动台的试验能力，若仅对变压器在地震中易损部件套管进行振动台试验，现有规范缺乏系统的试验方法，如对于特高压设备，缺乏试验过程中对套管安装的技术要求，导致变压器本体对套管的地震动力放大作用不明确等，影响了变压器抗震性能评估结果的准确性。因此针对大型变压器设备开展地震模拟振动台，评估变压器设备的抗震能力和抗震水平，为变压器的抗震优化、抗震措施加强提供技术指导，对于提高变电站在地震作用下的安全稳定运行具有重要的现实意义。

技术实现要素：

为了解决现有技术中所存在的上述不足，本发明提供了一种变压器设备的地震模拟振动试验方法。本发明通过量纲推导，提出了大型变压器缩比例模型地震模拟振动台试验过程中模型的设计原则、变压器套管振动台试验过程中的试验技术要求，为不具备地震模拟振动台试验能力的大型变压器提供了一种试验方法，为大型变压器设备的抗震性能优化、抗震设计、抗震评估提供技术支撑。

本发明提供的一种变压器设备的地震模拟振动试验方法，包括：

将被测试件放置在地震模拟振动台上；

在所述被测试件上布置测量仪器，并在试验过程中基于测量仪器获取试验测量值；

基于试验测量值进行计算，获得所述被测试件对应的变压器抗震性能评估结果；

其中所述被测试件包括：基于待试验的变压器原型预先制作成的变压器模型或待试验变压器原型中的套管。

优选的，所述变压器模型的制作，包括：

按变压器原型的几何相似比设计油箱外形，且油箱底板厚度不小于20mm，油箱侧壁及顶部钢板厚度在满足强度的前提下按几何相似比设计；

按照质量相似关系以及铁芯、绕阻的质量分布、重心位置用铁块或铸铁模拟铁芯和绕阻；

各套管模型按照与真实套管几何相似比进行制作，同时套管模型的材料与实际套管的材料和质量相似比相同；

根据实际变压器油枕尺寸和结构形式，按照几何相似比制作变压器模型的油枕；

采用水模拟变压器油箱内的变压器油。

优选的，所述变压器模型的制作，还包括：

制作的变压器模型与变压器原型的应力比为1:1。

优选的，所述基于待试验的变压器原型预先制作成的变压器模型，包括：

当待试验的变压器原型的重量在500吨以上时，变压器模型与变压器原型的几何缩尺比例为1:3或1:4。

优选的，所述将被测试件放置在地震模拟振动台上，包括：

当所述被测试件为待试验变压器原型中的套管时：

将所述套管安装在地震模拟振动台上；且

套管在地震模拟振动台上的安装角度与变压器原型的安装角度一致；

连接套管与振动台试验的构件其固有频率应大于33hz；

当所述被测试件为变压器模型时：将所述变压器模型直接设置于地震模拟振动台上。

优选的，所述将所述套管放置在地震模拟振动台上，还包括：

地震动输入加速度乘以2.0的系数。

优选的，所述在所述被测试件上布置测量仪器，包括：

当所述被测试件为待试验变压器原型中的套管时：

分别在套管顶部、套管与支架连接处以及地震模拟振动台台面上布置加速度传感器和位移传感器，并在套管根部粘贴应变片；

当所述被测试件为变压器模型时：

在变压器模型中的各套管顶端、升高座与箱体连接处、套管与升高座连接处、箱体的4个顶角、各箱体侧板中心、箱盖的中心以及地震模拟振动台台面上分别布置加速度传感器；

在各套管根部沿周向均布应变片；

在各套管的顶部、套管与升高座连接处、箱盖以及地震模拟振动台台面上布置位移传感器；

其中，所述测量仪器包括：加速度传感器、位移传感器和应变片。

优选的，所述当所述被测试件为变压器模型时，还包括：

在变压器模型中箱体的各边中点布置加速度传感器。

优选的，所述基于试验测量值进行计算，获得所述被测试件对应的变压器抗震性能评估结果，包括：

基于被测试件的加速度和位移响应计算试验过程中被测试件基频点处的试验反应谱值；

基于试验过程中测定的被测试件危险断面处最大等效应变和所述试验过程中被测试件基频点处的试验反应谱值，计算地震作用下被测试件的最大等效应力；

基于地震作用下被测试件的最大等效应力计算地震作用效应标准值；

基于所述地震作用效应标准值、风荷载效应标准值、被测试件的自重效应标准值、被测试件内部压力标准值、导线实际拉力和运行荷载，计算被测构件在地震工况下荷载效应；

基于所述被测构件在地震工况下荷载效应分别计算被测试件在荷载作用下产生的总应力和总弯矩；

基于被测试件在荷载作用下产生的总应力和总弯矩与阈值的关系获得变压器抗震性能评估结果；

试验量值包括：被测试件危险断面处最大等效应变、被测试件的加速度和位移响应。

优选的，所述最大等效应力，按下式计算：

式中：σmax为地震作用下被测试件最大等效应力；εmax为试验过程中测定的被测试件危险断面处最大等效应变；e为被测试件弹性模量；ae为地震模拟振动台试验过程中被测试件基频点处的需求反应谱值；aeh为地震模拟振动台试验过程中被测试件基频点处的试验反应谱值。

优选的，所述被测构件在地震工况下的荷载效应，按下式计算：

ze＝zge+zeh+0.25zwk+zpk

式中：ze为被测构件在地震工况下荷载效应；zge为被测试件的自重效应标准值；zeh为地震作用效应标准值；zwk为风荷载效应标准值；zpk为被测试件内部压力标准值、导线实际拉力和运行荷载。

基于同一发明构思，本发明还提供了一种变压器设备的地震模拟振动试验装置，包括：

地震模拟振动台和放置在地震模拟振动台上的被测试件，以及布置在所述被测试件上的测量仪器，所述测量仪器用于在试验过程中获取试验测量值；

所述地震模拟振动台外接的计算机，用于基于试验测量值计算所述被测试件对应的变压器抗震性能评估结果；

其中所述被测试件包括：基于待试验的变压器原型预先制作成的变压器模型或待试验变压器原型中的套管。

优选的，所述放置在地震模拟振动台上的被测试件，包括：

当所述被测试件为待试验变压器原型中的套管时：

所述套管安装在地震模拟振动台上；且

套管在地震模拟振动台上的安装角度与变压器原型的安装角度一致；

连接套管与振动台试验的构件其固有频率应大于33hz；

当所述被测试件为变压器模型时：将所述变压器模型直接设置于地震模拟振动台上。

优选的，所述套管放置在地震模拟振动台上，还包括：

地震动输入加速度乘以2.0的系数。

与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：

本发明提供的技术方案，将被测试件放置在地震模拟振动台上；在所述被测试件上布置测量仪器，并在试验过程中基于测量仪器获取试验测量值；基于试验测量值进行计算，获得所述被测试件对应的变压器抗震性能评估结果；其中所述被测试件包括：基于待试验的变压器原型预先制作成的变压器模型或待试验变压器原型中的套管。本发明提出了变压器模型和变压器原型中套管的地震模拟振动台试验方法，为不具备地震模拟振动台试验能力的大型变压器提供了一种试验途径，为大型变压器设备的抗震性能优化、抗震设计、抗震评估提供技术支撑。

附图说明

图1为本发明提供的一种变压器设备的地震模拟振动试验方法流程图；

图2为本发明基于套管应变计算得到的特高压变压器地震动力放大系数统计图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合说明书附图和实例对本发明的内容做进一步的说明。

如图1所示，本发明提供了一种变压器设备的地震模拟振动试验方法，包括：

s1将被测试件放置在地震模拟振动台上；

s2在所述被测试件上布置测量仪器，并在试验过程中基于测量仪器获取试验测量值；

s3基于试验测量值进行计算，获得所述被测试件对应的变压器抗震性能评估结果；

其中所述被测试件包括：基于待试验的变压器原型预先制作成的变压器模型或待试验变压器原型中的套管。

本发明提供的大型变压器设备地震模拟振动台试验共分两部分内容，一部分为大型变压器缩比例模型地震模拟振动台试验，另一部分为变压器原型套管地震模拟振动台试验。其中大型变压器缩比例模型地震模拟振动台试验是针对整个变压器的所比例模型试验，通过对设备模型进行试验，利用量纲推导原理，可将试验结果换算到原型结构，进而评估原型结构的抗震性能。考虑到套管是变压器结构在地震作用下的薄弱部位，对于变压器本体参数不明确的变压器结构，可通过原型套管的试验，评判变压器的抗震性能。变压器原型套管地震模拟振动台试验是单纯针对变压器原型套管的振动台试验，试验过程中考虑变压器箱体对套管的地震动力放大作用，通过对原型套管的振动台试验，直接评估变压器的抗震性能。

(1)大型变压器缩比例模型地震模拟振动台试验

根据buckinghamπ定理，对于结构的地震反应问题，线弹性范围内可表达为如下函数关系：

σ＝f(l,e,ρ,t,r,v,a,g,ω)

其中σ为结构反应应力，l为构件尺寸，e为构件弹性模量，ρ为构件密度，t为时间，r为位移，v为速度，a为加速度，g为重力加速度，ω为频率。选取l、e、ρ三者为基本量，则其余各量可表达为l、e、ρ的幂次单项式，进而可得无量纲积π：

π0＝σ/e

π1＝l/l

π2＝e/e

π3＝ρ/ρ

π4＝t/(le^-0.5ρ^0.5)

π5＝r/l

π6＝v/(e^0.5ρ^-0.5)

π7＝a/(l^-1eρ^-1)

π8＝g/(l^-1eρ^-1)

π9＝ω/(l^-1e^0.5ρ^-0.5)

定义sn为模型与原型之间的物理量(n)相似比，欲使模型试验能模拟原型结构的地震反应，各量的相似比需要满足：

sσ＝se，sr＝sl，

其中下标m表示模型，p表示原型。

由于试验中的重力加速度不可改变，所以有即导致se、sl、sρ不能独立地任意选择。为解决这一问题，目前主要由以下三种相似模型：

1)忽略重力模型：忽略对重力加速度的模拟，即忽略sg＝1的相似要求，此时se、sl、sρ仍然能够独立地任意选择。

2)人工质量模型：根据se＝slsρ，可得其中sm为模型质量与原型质量的比值。

3)欠人工质量模型：牺牲掉一部分对重力加速度的模拟，即仅保证具体取值根据施加配重情况而定。

对于大型变压器结构，若采用人工质量模型和欠人工质量模型，则需在变压器模型结构上增加配重，由于模型缩尺后其承载构件截面尺寸减小，承载力降低，在一定程度上增加了缩比例模型的试验实施难度，综合考虑振动台性能、试验实施及模型加工难度，对于大型变压器结构，推荐采用忽略重力模型进行地震模拟振动台试验，模型各构件的材料与原型相同，仅是尺寸的缩小。对于原型结构重量在500吨以上的变压器，模型与原型的几何缩尺比例推荐为1:3或1:4。模型中各物理量的相似关系如表1所示。

表1各物理量的相似关系

大型变压器缩比例模型地震模拟振动台试验中变压器模型各部件的设计原则及相关要求如下：

油箱的设计：油箱外形按原型的几何相似比设计，考虑到油箱底部与地震模拟振动台台面连接，因此油箱底板适当加厚，厚度可按不小于20mm设计，油箱侧壁及顶部钢板厚度在满足强度的前提下按几何相似比设计。

铁芯、绕阻的设计：铁心是用导磁性很好的硅钢片叠装组成的闭合磁路，是变压器电磁感应的磁通路。铁心的组成，除了铁心本身之外(导磁体)，还应包括紧固结构、绝缘结构、接地结构、散热结构以及其它铁心附件等部分。绕阻是变压器的电路部分，一般情况下可分高、低压绕阻，即一次、二次绕阻，它是由绝缘铜线或铝线绕成的多层线圈套装在铁心上。由于铁芯、绕阻位于油箱内部且浸在变压器油中，安装固定条件较好时，外力作用下较少发生结构性破坏，因此模型设计时，仅按照质量相似关系以及铁芯、绕阻的质量分布、重心位置等用铁块或铸铁模拟铁芯和绕阻。

套管的设计：各套管模型按照与真实套管几何相似比进行制作，应保证套管模型的材料与实际套管相同，且质量相似比保持不变。

油枕的设计：根据实际变压器油枕尺寸和结构形式，按照几何相似比制作。

变压器油的模拟：由于水的密度与变压器油的密度相差不大且容易获取，因此选择水来模拟油箱内的变压器油。虽然两者粘度差别较大，但是由于实际运行中变压器油通常充满整个变压器箱体，晃荡效应较小，液体粘性的差异对试验结果影响较小。

(2)变压器原型套管的地震模拟振动台试验

1)变压器本体地震动力放大系数取值

对于在振动台试验中不采用缩比例模型的大型变压器，可通过对原型套管的振动台试验，直接评估变压器的抗震性能，试验过程中考虑变压器本体对套管的地震动力放大作用。中国电力科学研究院有限公司通过对变压器设备的地震响应规律研究发现，由于地震波经变压器本体传到套管后，地震波的频谱特性发生了改变，因此，以套管的加速度响应作为变压器本体动力放大系数的计算依据并不合适。而峰值应力响应往往是评价套管地震反应强烈程度的重要指标，也是判断变压器结构是否发生损伤、破坏的重要依据，因此把应力响应作为地震动力放大系数的评判依据更加合理。

图2是基于套管应变计算得到的特高压变压器地震动力放大系数统计图，计算方法为：相同地震工况下，变压器套管各应变片的峰值应变响应与单体套管峰值应变响应的比值。从图中统计数据可知，变压器本体对套管的地震动力放大系数最大为1.87。当特高压变压器本体刚度、套管动力特性以及本体与套管之间连接方式变化时，地震动力放大系数总是小于2.0，因此2.0的地震动力放大系数取值基本能够包络本体刚度变化、套管动力特性以及本体与套管之间连接方式对套管地震动力放大作用取值。

综上所述，应根据应力响应计算变压器本体的地震动力放大作用，并将特高压变压器本体地震动力放大系数定义为：相同地震作用下，变压器套管安装在本体时的峰值应力响应与安装在刚性支架时的峰值应力响应的比值。结合仿真和试验结果，建议特高压变压器本体的地震动力放大系数取2.0。

2)变压器原型套管地震模拟振动台试验过程中的相关要求：

a)试验过程中，变压器套管的安装角度与套管在变压器箱体上的安装角度一致。

b)连接套管与振动台试验的构件应具有足够刚度，在底端固定的情况下，其固有频率应大于33hz，以保证传到套管上的地震波与振动台台面的地震波具有一致的频谱特性。

c)考虑变压器本体2.0的地震动力放大作用，将地震动输入加速度乘以2.0的系数。

(3)地震模拟振动台试验过程中测点布置原则

试验所用的测量仪器为加速度传感器、位移传感器和应变片，各类型测点布置原则及说明如下：

1)加速度测点的数量和位置应能足够反应变压器及测试套管的动力性能。为测量各套管的加速度响应，在变压器各套管顶端布置加速度传感器。为获得变压器本体的地震动力放大效应，在升高座与箱体连接处以及升高座与套管连接处分别布置加速度传感器。为获得油箱的动力响应，在变压器箱体的4个顶角、各箱体侧板中心、箱盖的中心以及振动台台面布置加速度传感器。另外通道数足够的情况下，在箱体各边中点也布置加速度传感器，以获得更加详细和全面的变压器箱体动力响应。

2)按照计算和以往的工程经验，套管的最大应力出现在套管根部，因此在套管根部沿周向均布应变片，通过测量套管根部的最大应变计算得到套管根部最大应力。

3)为测量各套管顶部的位移响应，在各套管的顶部布置位移计。为测量套管的相对位移响应，在套管与升高座连接处布置位移计。在箱盖适宜位置布置位移计测量变压器箱体顶端的位移响应。在振动台台面上布置位移计测量台面的位移响应。

4)对于套管原型地震模拟振动台试验，分别在套管顶部、套管与支架连接处以及振动台台面上布置加速度传感器和位移计，测量套管与支架的加速度、位移响应以及振动台台面输出的加速度、位移时程等信息。在套管根部粘贴应变片，测量套管的应变响应。

通过布置测量仪器测量的试验量值包括：套管根部的应变响应、套管顶部的加速度和位移响应、变压器本体顶部及升高座顶部的加速度和位移响应。

(4)抗震性能评估

地震作用下设备最大等效应力σmax根据试验过程中测定的设备危险断面处最大等效应变εmax和设备弹性模量按下式计算得到：

式中：ae为地震模拟振动台试验过程中设备基频点处的需求反应谱值(rrs)；aeh为地震模拟振动台试验过程中设备基频点处的试验反应谱值(trs)。

电气设备力学性能评估时应考虑不同荷载之间的组合，电气设备的地震作用效应和其它荷载效应的组合，应按式下式计算：

ze＝zge+zeh+0.25zwk+zpk

式中：ze为地震工况下荷载效应标准值组合；zge为设备自重效应标准值；zeh为地震作用效应标准值；zwk为风荷载效应标准值，特高压设备按照设备应用所在地100年一遇的设计风速取值，其它电压等级电气设备按照设备应用所在地50年一遇的设计风速取值；zpk为设备内部压力标准值、导线实际拉力和运行荷载等。

电气设备的力学性能评估验算，应保证设备根部或其它危险断面处产生的应力值小于设备或材料的容许应力值。当采用破坏应力或破坏弯矩进行验算时，套管应力及弯矩应分别满足下列公式的要求：

荷载作用产生的套管和绝缘子总应力应按下式验算：

式中：σtot为荷载组合作用下产生的总应力(pa)；σv为设备或材料的破坏应力值(pa)；k为荷载作用下设备的安全系数，在大风等长期荷载作用下取2.5；在地震短时荷载作用下，对于瓷质类电气设备取1.67。

荷载作用产生的瓷套管和瓷绝缘子总弯矩应按下式验算：

式中：mtot为荷载组合作用下产生的总弯矩(n·m)；mv为设备或材料的破坏弯矩(n·m)。

本发明针对变压器原型套管与变压器模型，提供了两个并行的抗震试验，可根据实际情况并考虑各个试验方法的优缺点灵活选取。由于套管是变压器结构在地震作用下的薄弱部位，对于变压器本体参数不明确的变压器结构，在考虑变压器本体的地震动力放大系数的情况下通过原型套管的试验，评判变压器的抗震性能。

本发明相对于现有技术作出了下列贡献：

1、大型变压器缩比例模型地震模拟振动台试验中油箱、铁芯绕阻、套管和油枕的设计原则，变压器油的模拟方法。

2、连接套管与振动台试验的构件应具有足够刚度，在底端固定的情况下，其固有频率应大于33hz，以保证传到套管上的地震波与振动台台面的地震波具有一致的频谱特性。

3、以据应力响应计算变压器本体的地震动力放大作用，通过变压器原型套管地震模拟振动台试验评判套管的抗震性能时，变压器本体地震动力放大系数取值为2.0。

实施例2

基于同一发明构思，本发明还提供了一种变压器设备的地震模拟振动试验装置，包括：

地震模拟振动台和放置在地震模拟振动台上的被测试件，以及布置在所述被测试件上的测量仪器，所述测量仪器用于在试验过程中获取试验测量值；

所述地震模拟振动台外接的计算机，用于基于试验测量值计算所述被测试件对应的变压器抗震性能评估结果；

其中所述被测试件包括：基于待试验的变压器原型预先制作成的变压器模型或待试验变压器原型中的套管。

实施例中，所述放置在地震模拟振动台上的被测试件，包括：

当所述被测试件为待试验变压器原型中的套管时：

所述套管安装在地震模拟振动台上；且

套管在地震模拟振动台上的安装角度与变压器原型的安装角度一致；

连接套管与振动台试验的构件其固有频率应大于33hz；

当所述被测试件为变压器模型时：将所述变压器模型直接设置于地震模拟振动台上。

进一步的，所述套管放置在地震模拟振动台上，还包括：

地震动输入加速度乘以2.0的系数。

实施例中，所述计算装置具体用于：

基于被测试件的加速度和位移响应计算试验过程中被测试件基频点处的试验反应谱值；

基于试验过程中测定的被测试件危险断面处最大等效应变和所述试验过程中被测试件基频点处的试验反应谱值，计算地震作用下被测试件的最大等效应力；

基于地震作用下被测试件的最大等效应力计算地震作用效应标准值；

基于所述地震作用效应标准值、风荷载效应标准值、被测试件的自重效应标准值、被测试件内部压力标准值、导线实际拉力和运行荷载，计算被测构件在地震工况下荷载效应；

基于所述被测构件在地震工况下荷载效应分别计算被测试件在荷载作用下产生的总应力和总弯矩；

基于被测试件在荷载作用下产生的总应力和总弯矩与阈值的关系获得变压器抗震性能评估结果；

试验量值包括：被测试件危险断面处最大等效应变、被测试件的加速度和位移响应。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。