大型电力变压器及套管振动台抗震试验研究

( 1． China Electric Power Research Institute of SGCC，Beijing 100055 ，China; 2． Guangdong Key Laboratory of Earthquake Engineering ＆ Applied Technique( Guangzhou University) ， Guangzhou 510405 ， China; 3． Sichuan Electric Power corporation of SGCC，Chengdou 610041 ，China)
展变压器及 套 管 的 振 动 台 试 验 研究 较 少， 哈尔滨 工程 开 展了 大学李子国与沈阳变压器研究 所 郭 振 岩 等 S7 － 200 /10 10 kV 一 台型号为 的 小型变压器的振动台 试验研究。 从 已 有 的 有 关 变 压 器 抗 震 试 验 的 文 献 来 看， 所开展的 振 动 台 试 验 变 压 器 模 型 或规模 与 真 型 电 力变压器有较大的差别， 对 结构 进行 了 较 大 的 简 化， 很 难真实并准确地重演变压 器 － 套 管 体系 的地 震响 应 特 性， 相关结论还有待进 一 步 研究。 为 此， 本文结合国内 大型电力变 压 器的 真 实 结构 特 点， 设计了一台单相电 力变压器油箱、 器 身 及 油 枕 模 型， 并安装 两 极 500 kV、 220 kV 真型套管。开展变压器 ～ 套管 体系 的 动力 特 性 研究， 探析变压器油箱本 体 的 加 速 度 放 大 系 数， 套管等 关键部位的加速度、 位移、 应 力 或 应 变 等地 震响 应 特 点 及其抗震能力薄弱环节。 为 改 进 变 压 器 － 套 管 体系 的 抗震设计， 提高其抗震能力提供参考。
图1 汶川地震中变压器套管破坏现象 Fig． 1 Transformer bushing seismic damage in 5． 12 Wenchuan earthquake
的抗震设计 或抗 震 能 力 验 算 统 一抗 震 设 计 条 件， 采用 统一的抗震标准， 利于产 品的 标 准 化， 从而提高变压器 及其它电气设备的抗震能力。 考虑我国现 有 的经 济 技术 水 平， 结 合 国 内外有 关 电气设备抗 震 设防 的 思 想， 本 文 将 变 压 器及 套 管 的 抗
振 第 30 卷第 11 期
动与Biblioteka 冲击 Vol． 30 No． 11 2011
JOURNAL OF VIBRATION AND SHOCK

大型 电 力变 压 器 及 套 管振动 台 抗 震 试 验 研 究
［11 ， 12 ］
Tab． 1 Transformer seismic damage statistics
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变压器抗震能力考核水平的划分
目前， 中国关 于 变 压 器及 套 管 的 抗 震 设 计 与 振 动 台试验考核 原 则 主要是 参 照 我 国建 筑 抗 震 设 计 规范， 即根据工程建设所在地的 设防 烈 度 来 进行 产 品和 工程 的抗震设计。 变 压 器及 套 管 和 其 它 电 气 设备一 样， 使 用前其工程 所 在 地 未 知， 如 仅 用设防 烈 度 的 概 念 来 指 。 导设 计 是 不 科 学 的 国 外 如 美 国 ( IEEE Std． 693 － 2005 ) 、 日本( JEAG 5003 － 1998 ) 对 电 气 设备 的 抗 震 设 而 是 仅 从 电 气 设备 本 身 所 具有 防是不以区 域 划 分 的， 的抗震能力上做出规定。 因 此， 可 从 经 济 性、 通 用 性和 标准化等方 面综合 考虑， 将 变 压 器及 套 管 等电 气 设备
收稿日期: 2010 － 07 － 28
修改稿收到日期: 2010 － 10 － 27
1975 年生 第一作者 曹枚根 男， 博士，
3 台、 220 kV 变压器 损 毁 40 台、 110 kV 变 压 器 损 毁 66
第 11 期
曹枚根等: 大型电力变压器及套管振动台抗震试验研究
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台， 而因套管损 坏 导致 变 压 器 无 法 正 常 工 作 的各电 压 等级的变压 器 共 有 73 台。 可 见 中、 高 压套 管 的 断裂、 套管与法兰 脱 离、 错位或漏油是变压器破坏或失效的 ， 一个 重 要 原 因 见 图 1 ， 大 多 数 变 压 器的 漏 油 都 是 由 于 套管的损坏 引 起 的， 因 此提 高 变 压 器 套 管 的 抗 震 能 力 是非常有必要的。
Shaking table test on seismic performance of large power transformer with bushings
2 CAO Meigen1， ，ZHOU Fulin2 ，TAN Ping2 ，FAN Rongquan3 ，LU Zhicheng1 ，ZHANG Xuesong1
［1 ］ 3 ］ 。而有关文献资料表明［2， : 变压器在地震中的破
坏表现多样， 灾后的恢复 难 度 大， 因 此提 高 变 压 器的 抗 震能力是提高电力系统的 抗 震 安 全的 重 点 环 节。 据 对
［2 ］ 110 kV 汶川地震变压 器 损 坏 的 不完 全统计 ( 表 1 ) ， 及以上主变压器 受 损 109 台， 其 中 500 kV 变 压 器 损 毁
表1 5． 12 汶川大地震变压器损毁统计 in 5． 12 Wenchuan earthquake 破坏类型 电压等级 500 kV 220 kV 110 kV 35 kV 10 kV 主变 渗油 2 18 20 2 0 主变动作 重瓦斯 0 2 0 0 0 差动 0 2 0 0 0 主变 脱轨 0 4 3 1 0 套管 1 14 43 11 4
［13 ］ 震能力划分三个 等 级 ， 分别 为 普 通 抗 震 能 力 考 核水 平、 中等抗震能力考核水 平 和 高 等 抗 震 能 力 考 核水 平。
由于大型电力变压 器 结构 复 杂， 体 型 庞 大， 重量重 等特点， 以现有的振动台 试 验 条 件 的 限 制， 开展真型变 压器振动台试验研究的 困 难 比 较 大。 日 本 东 京 电 力公 司( 1993 年) 设计了一台 275 kV 缩 比 例 ( 1 : 2 ) 、 重量 为 35 t 钢箱 混凝 土 变 压 器 试 验 模 型， 套 管 采 用一 支 140 型， 重量 为 515 kg 的 真 型套 管 进行 振 动 台 地 震 模拟试 ［3 ］ 验， 主要验 证 所 设 计的 摩擦 消能减 震 的 减 震 效 果 。 日本关西电 力公 司 ( 1996 年 ) 为 了 验 证 锚 固 螺栓破 坏 过程， 在振动台上进行了 一 台 22 kV， 容 量 为 150 kVA， 重量为 1． 6 t 的小型变压器的试验 。日本 Bridgestone ［6 ， 7 ］ 公司与 美 国 California 大学 Irvine 分 校 的 研究 人 员 为了验证所 设 计的 两 套 隔 震 减 震 系 统的 减 震 效 果， 在 台湾国家地震研究中心开 展了 变 压 器 框 架 模 型 及 真 型 套管的振动台试验研究。 此 外 美 国 太 平 洋地 震研究 中 心( PEER) 的研究 人 员
Abstract:
Earthquake damage experiences in our country and abroad show the weak seismic performance of power
transformer with bushings subjected to intense earthquake as 5． 12 Wenchuan great earthquake． Consulting Chinese current transformer structure characteristics， an experimental model of transformer was designed． Actual porcelain bushings of 220 kV and 500 kV were mounted on the experimental model． New threegrade guidelines about transformer seismic fortification were put forward． Dynamic characteristics of transformer with bushings were tested under white noise excitation． In shaking table test，simulated earthquake were developed in xdirection or ydirection by inputting actual seismographic record，artificial waves and resonant beatwave etc． as seismic waves respectively． Seismic response time history curves and data of acceleration，displacement and strain at key positions were acquired． The seismic response characteristics were further found by analyzing a great deal of data of seismic response of transformer and bushings． The above test and research have a great referencial significance for the amendment of related seismic norms and for improving the antiseismic capacity and design of transformerbushing system． Key words: power transformer; porcelain bushing; earthquake disaster; shaking table test; earthquake response; antiseismic capacity assessment 变压器是电 力 系 统 结构 型 式 最 为 复 杂、 最为核心 的电气设备之一。变压器一 般 由 油 箱、 器身( 绕组和铁 心) 、 套 管、 油 枕、 散 热 器等 组 成， 变压器油箱内部充满 了绝缘油。随 着 电 压 等 级 及 变 电 容 量 的 提 高， 变压器 电 压 等 级 越 来 越 高， 变 压 器的 的结构型式越来越复杂， 自身振动与 地 震 成 为 影响变 压 器 正 常 运 行 的 重 要 因 素， 国内 外 开 展 了 大 量 的 变 压 器 振 动 监 测 与 治 理 研 究
用振动台模拟地震试验是研究变压器及套管抗震性能最 准确、 最 先 进 的 手 段。首 先 根 据 中 国 现 有 变 压 器的 结构 特 点， 设 500kV 套 管 为国 内 生 产 的 真 型套 管， 计了一台变压器试验模型，其中 220kV、 同 工程 实 际 一 样 安装 在 变 压 器 模 型 上。 首 先， 提出了三等级变压器抗震能力考核水平的新概念; 其次， 在 白 噪声 激 励 下 的 完 成 了 变 压 器及 套 管 的 动力 特 性 测试; 最 Y 单向实震记录、 后， 输 入 X、 人工波、 共振拍波等地震波， 开展变压器及套管的在普通和中等抗震 能 力 水 平 下 的 振 动 台 模 拟地震试验， 得到了试验对象关键部位的加速度、 位移及应变等地震响应时程曲线。通过上述研究， 进一步掌握了变 压 器 规范具有重 要 及套管体系的地震响应规律和抗震薄弱环节。试验研究对今后变压器及套管的抗震设计或修正相关规程、 的参考意义。 关键词: 电力变压器; 瓷套管; 地震灾害; 振动台试验; 地震响应; 抗震能力考核 中图分类号: TM41 文献标识码: A
曹枚根
1， 2
，周福霖2 ，谭
2 3 1 1 平 ，范荣全 ， 卢智成 ，张雪松
( 1． 中国电力科学研究院， 北京 100055 ; 2． 广州大学 广东省地震工程与应用技术重点实验室， 广州 510405 ; 3． 四川省电力公司， 成都 610041 )
摘
要: 5． 12 汶川大地震等国内外的震害经验表明: 变压器及套管在 强 震 作用 下 的 抗 震 能 力 比 较 薄 弱。目 前， 利