一種變電站複合材料套管抗震極限承載力參數的標定方法與流程

2023-05-11 10:38:36 3

本發明涉及高壓電氣設備抗震性能測試技術領域，更具體涉及一種變電站複合材料套管抗震極限承載力參數的標定方法。

背景技術：
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傳統的變電站高壓電氣設備套管採用電瓷材質，電瓷材料因脆性屬性，容易在地震事件中損壞。複合材料套管是瓷質套管的替代產品，其通過樹脂基玻璃纖維複合材料套管及金屬端具通過環氧樹脂膠體黏接而成。由於玻璃纖維複合材料的良好力學性能，複合材料套管的被認為具有良好的抗震性能而為高烈度地區變電站優先選用。

在工程抗震設計中，構件在地震荷載下的極限承載力是結構體系抗震能力評價的重要參數。然而，作為電氣設備重要結構組件的複合材料套管，其抗震極限承載能力的標定方法卻較為欠缺，具體表現為如下方面

(1)地震模擬振動臺試驗中，難以進行極限狀態下的承載能力試驗。

複合材料套管的地震臺試驗中，往往以設定等級的振動幅值為目標，考核設備是否能夠承受相關等級地震荷載。然而，極限承載能力的標定，需要使所試設備達到損傷臨界狀態。按以往的試驗方法，對一般複合材料套管設備可以通過增大輸入幅值的方法使所試驗設備達到承載力臨界狀態，而對於另外的部分設備，往往受地震模擬震動臺設備能力限制而無法進行損傷極限狀態下的測試。這種情況下，增加輔助試驗裝置，實現極限承載力測試和標定簡單易行具有重要的意義。

(2)單次試驗代價昂貴，相關測試項目難以推廣。

由於單次地震模擬震動臺試驗費用較為昂貴，同時相關試驗設備普及程度低，僅在部分專業抗震試驗研究單位具備條件，一般電氣設備生產廠家和檢測單位不具備相關試驗條件。這種情況下，地震模擬震動臺試驗方法僅能在型式試驗中採用，難以在抽檢環節中推廣。設計易行的試驗方法進行抗震極限承載能力測試，對複合材料套管的抗震性能檢測具有現實的重要性。

技術實現要素：
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本發明的目的是提供一種變電站複合材料套管抗震極限承載力參數的標定方法，條理清晰、可操作性強。

為實現上述目的，本發明採用以下技術方案：一種變電站複合材料套管抗震極限承載力參數的標定方法，包括：

對複合材料套管的首批產品，分別進行地震模擬震動臺試驗和擬靜力抗彎試驗，分別得到抗震極限承載力Mse和抗彎極限承載力Mst；

通過所述抗震極限承載力Mse和抗彎極限承載力Mst計算換算係數r；

對於所述複合材料套管的非首批次產品，進行擬靜力抗彎試驗，得到抗彎極限承載力Mst』；通過所述換算係數r得到抗震極限承載力Mse』。

所述換算係數通過下式確定：

r＝Mse/Mst。

所述地震模擬震動臺試驗的裝置包括設置在所述複合材料套管試件頂部的配重框和設置在所述複合材料套管試件底部的底座；在所述複合材料套管試件上設有應變計和加速度計；在放置所述裝置的檯面上和配重框上設有加速度計。

所述複合材料套管試件的頂部和底部分別設有法蘭；所述法蘭分別通過螺栓與所述底座和配重框連接。

所述應變計對稱軸向分別設置在所述複合材料套管試件的底部法蘭外側和所述底部法蘭內測；所述應變計軸向設置在所述複合材料套管試件上部，靠近所述頂部法蘭的外側、所述複合材料套管試件下部，靠近所述底部法蘭的外側和所述複合材料套管試件的中部外側；所述加速度計設置在所述複合材料套管試件高度的1/4、的1/2和的3/4的外側、所述配重框的中部、所述頂部法蘭的外側、所述底部法蘭的外側和所述複合材料套管試件下部，靠近所述底部法蘭的外側。

在所述地震模擬震動臺試驗過程中，逐級施加地震荷載，輸入的地震波為推薦時程波或按場地地震安全性評價報告選擇人工時程波或實際地震波；輸入加速度峰值從0.1g起，以0.1g為增幅逐級加大地震荷載，直至所述複合材料套管試件達到承載力極限並發生損傷；

根據以下方法判斷在所述地震模擬震動臺試驗中的所述複合材料套管試件的承載力極限：監測所述複合材料套管試件靠近其底部法蘭外側的應變時程，在未達到所述複合材料套管試件承載能力極限時，所述應變時程的曲線對稱；在達到所述複合材料套管試件極限時，所述應變時程的曲線發生畸變；選取所述應變時程的曲線發生畸變時的工況為承載力極限發生的工況；取所述工況下畸變發生時段地震響應的峰值為承載能力極限計算的依據。

記所述配重框與配重質量為m1，配重框中心距所述底部法蘭距離為h1，取所述配重框中心處承載力極限加速度響應峰值為a1；記複合材料套管試件的上部段的質量為m2、中部段的質量為m3-m5和下部段的質量為m6；所述上部段為由頂部法蘭的頂端向下到所述頂部法蘭高度的2倍處；所述下部段為由底部法蘭的底端向上到所述底部法蘭高度的2倍處；所述中部段為除去所述上部段和下部段；將所述中部段平均分為三段，由上到下的質量依次 記為m3、m4和m5；所述複合材料套管試件由上到下的各段質量的加速度峰值分別對應為a2-a6；所述複合材料套管試件的極限抗彎承載力Mse，通過下式確定：

所述擬靜力抗彎試驗的裝置包括設置在所述複合材料套管試件底部的底座和通過加載端固定裝置與所述複合材料套管試件連接的作動器；在所述複合材料套管試件上設有應變計；在加載端位置設置位移測量計，用於測量加載端的水平位移。

所述複合材料套管試件的底部設有法蘭；所述法蘭通過螺栓與所述底座連接；所述加載端固定裝置為夾具，包括用於連接所述複合材料套管試件和作動器的可預緊的抱箍；所述作動器對其懸臂端施加推力；所述應變計對稱軸向分別設置在所述複合材料套管試件的底部法蘭外側和所述底部法蘭內測；所述應變計軸向設置在所述複合材料套管試件上部，靠近所述頂部法蘭的外側、所述複合材料套管試件下部，靠近所述底部法蘭的外側和所述複合材料套管試件的中部外側。

在所述擬靜力抗彎試驗過程中，通過所述作動器對其懸臂施加荷載，由位移量控制加載量，所述荷載的施加速率為5mm/min，通過單向加載或往復加載,直至所述試件發生破壞，且所述試件發生破壞時其承載力下降為未破壞時最大承載力的80％；當進行所述往復加載時，每一級別位移增量為10mm；

按如下方法判定在所述擬靜力抗彎試驗中，所述複合材料套管試件承載能力極限：取所述擬靜力抗彎試驗得到的加載端位移d-加載力F曲線，所述加載端位移d-加載力F曲線由線性上升段、塑性上升段和下降段組成，取線 性段終點為承載能力極限點，記此時的加載位移為dy，加載力為Fy；並得到複合套管在擬靜力抗彎試驗中的極限承載力值Mst，通過下式確定：

Mst＝Fy*h

其中，h為加載端至底部法蘭的距離。

和最接近的現有技術比，本發明提供技術方案具有以下優異效果

1、本發明技術方案對非首批次產品減少了地震臺試驗項目，在保證結果有效性的前提下簡化了試驗過程；

2、本發明技術方案節省了試驗費用；

3、本發明技術方案不僅能在型式試驗中採用，也能在抽檢環節中推廣；

4、本發明技術方案在選取更好性能的複合材料套管能，具有重要的意義；

5、本發明技術方案減小複合材料套管在地震中的損壞率。

附圖說明

圖1為本發明實施例單節複合材料套管地震臺試驗裝置結構示意圖；

圖2為本發明實施例的底座結構俯視圖；

圖3為本發明實施例的底座結構正視圖；

圖4為本發明實施例配重框結構正視圖；

圖5為本發明實施例配重框結構仰視圖；

圖6為本發明實施例的未到達極限狀態下，應變片曲線圖；

圖7為本發明實施例的極限狀態下，應變片曲線圖；

圖8為本發明實施例的極限狀態下，應變片曲線圖示意圖；

圖9為本發明實施例的地震臺試驗中複合套管極限承載力計算示意圖；

圖10為本發明實施例的單節複合討論套管擬靜力抗彎試驗裝置示意 圖；

圖11為本發明實施例的加載端位移d-加載力F曲線示意圖；

其中，1-配重框，2-複合材料套管試件，3-底座，4-安裝孔，5-吊裝孔。

具體實施方式

下面結合實施例對發明作進一步的詳細說明。

實施例1：

本例的發明提供一種變電站複合材料套管抗震極限承載力參數的標定方法，包括：

1)對某規格的複合材料套管的首批產品，分別進行地震模擬震動臺試驗和擬靜力抗彎試驗，分別得到抗震極限承載力Mse和抗彎極限承載力Mst,計算換算係數

r＝Mse/Mst

2)對於某規格的非首批次複合材料套管產品，即可僅進行擬靜力抗彎試驗，通過換算係數得到抗震極限承載力Mse』＝r*Mst』。

現對上述承載能力標定方法的依據進行闡述。地震荷載下變電站複合材料套管的破壞模式一般為彎曲破壞模式，表現為套管於金屬法蘭之間的連接破壞、複合材料套管的破壞或法蘭盤於法蘭筒體的破壞。需要注意的是，雖然破壞模式同為彎曲破壞模式，地震荷載因其為動態的衝擊荷載，與靜力荷載有差異。所以地震模擬震動臺試驗中得到的極限承載力Mse與擬靜力試驗中得到的極限承載力Mst有差異。而同種規格的不同批次產品中，因其採用了相同的結構和材料，Mse與Mst之間的差異趨勢是一致的。所以，在標定r＝Mse/Mst之後，對於不同批次產品的抽檢，可以通過修正擬靜力試驗結果 的方式得到複合材料套管的抗震極限承載力。

單節複合材料套管地震臺試驗裝置

試驗裝置如圖1所示，其主體由複合材料套管試件2、配重框1和連接底座3組成，各部分之間通過螺栓連接；試驗測量裝置包括應變計和加速度計。

連接底座3用於連接試振動臺面與試件，如圖2-圖3，其底部上下端面以及加勁肋板厚大於2cm，從而連接底座有較大的剛度；複合材料套管試件2的底部法蘭與底座連接，頂部法蘭與配重框1連接；配重框1為方形，底板和壁厚宜取5-10mm,如圖4-圖5，根據施加配重的質量設計其大小；應變計均按試件的軸向粘結，測量位置分別為底部法蘭外側對稱位置、套管底部內側對稱位置、套管外側靠近底部法蘭端部位置、套管中部外側、套管外側靠近頂部法蘭位置；加速度計測量振動方向和垂直振動方向的振動時程，安裝位置為臺面、試件各1/4位置處、試件套管表面靠近底部法蘭處和配重框中部。

配重框1的質量可按如下方式選擇，220kV複合套管施加配重為750kg,500kV複合套管施加配重為1500kg，500kV以上設備施加配重應另行計算確定。

地震臺試驗中複合套管承載能力極限狀態的判定與極限承載力值的標定

在地震臺試驗過程中，應逐級施加地震荷載，輸入地震波為推薦時程波或按場地地震安全性評價報告選擇人工時程波或實際地震波，輸入加速度峰值從0.1g起，以0.1g為增幅逐級加大地震荷載，直至試件達到承載力極限狀態並發生損傷。

地震臺試驗中複合套管承載力極限狀態根據以下規則判斷：監測套管外側靠近底部法蘭端部位置的應變時程，在未達到承載能力極限狀態時，該位置的應變時程曲線基本對稱，如圖6；在極限狀態下，應變片曲線發生較大畸變，如圖7和8；選取應變時程曲線發生畸變工況為承載力極限狀態發生的工況，如圖7中1.88g工況；取該工況下畸變發生時段地震響應的峰值，如圖7中8-10s時段，為承載能力極限狀態計算的依據。

地震臺試驗中複合套管極限承載力按以下規則計算：如圖9，記配重框1與配重質量為m1，配重框1中心距套管法蘭距離為h1，取該處承載力極限狀態下加速度響應峰值為a1；記複合套管的上部段的質量為m2、中部段的質量為m3-m5和下部段的質量為m6；所述上部段為由頂部法蘭的頂端向下到所述頂部法蘭高度的2倍處；所述下部段為由底部法蘭的底端向上到所述底部法蘭高度的2倍處；所述中部段為除去所述上部段和下部段；將所述中部段平均分為三段，由上到下的質量依次記為m3、m4和m5；所述複合材料套管試件由上到下的各段質量的加速度峰值為a2-a6；得到試件的極限抗彎承載力Mse為：

其中，加速度峰值a2-a6分別對應從以下加速度計中獲取；放置在頂部法蘭外側的加速度計、設置在所述複合材料套管試件高度的1/4、的1/2和的3/4的外側的加速度計、設置在所述複合材料套管試件下部，靠近所述底部法蘭的外側的加速度計。

單節複合材料套管擬靜力抗彎試驗裝置

單節複合討論套管擬靜力抗彎試驗裝置如圖10所示，試驗裝置主體分 為四個部分，分別為連接底座3，複合材料套管試件2、加載端夾具和作動器；試驗測量裝置包括應變測量裝置和位移測量裝置。

其中，連接底座的用於固定試件，試件直立於連接底座3上，並通過螺栓連接；加載端夾具為一可預緊的抱箍裝置，用於連接複合材料套管試件2和作動器；作動器用於施加懸臂端推力。測量裝置中應變計的測量位置同地震臺試驗中描述，位移測量裝置布置於加載位置，測量加載端的水平位移。

擬靜力抗彎試驗中複合套管承載能力極限狀態的判定與極限承載力值的標定

在試驗過程中，通過作動器施加懸臂荷載，由位移量控制加載，荷載施加速率可以為5mm/min，可以選擇進行單向加載或往復加載(往復加載時每一級別位移增量可以為10mm),直至試件發生破壞，且承載力下降為最大承載力的80％。

承載能力極限狀態的判定按如下方法進行：取試驗得到的加載端位移d-加載力F曲線，如圖11所示，曲線在加載後期曲線的形狀可能有不同模式，但在前期曲線形狀一般較為統一。曲線由線性端上升、塑性上升段和下降段組成，取線性段終點為承載能力極限狀態點，記此時的加載位移為dy，加載力為Fy。

得到複合套管在擬靜力抗彎試驗中的極限承載力值Mst為

Mst＝Fy*h

最後應當說明的是：以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非對其限制，所屬領域的普通技術人員儘管參照上述實施例應當理解：依然可以對本發明的具體實施方式進行修改或者等同替換，這些未脫離本發明精神和範 圍的任何修改或者等同替換，均在申請待批的本發明的權利要求保護範圍之內。