一种主变设备三维隔震试验方法及装置与流程

1.本发明涉及电气工程和结构工程技术领域，具体涉及一种主变设备三维隔震试验方法及装置。


背景技术：

2.电力变压器是变电站的一个重要组成部分，在特高压(uhv)电网中，1000kv的变压器长度接近11米，高度为16米，重量为570吨。过去对变压器的抗震试验研究主要针对的是电压水平低、几何尺寸小的变压器，或者对于特高压变压器的关键部件进行抗震试验。而对于主变类设备整体，难以开展抗震试验研究。


技术实现要素：

3.为了解决上述特高压主变设备抗震试验中存在的问题，本发明提出了一种主变设备三维隔震试验装置，包括主变设备缩比模型、振动台、传感器和锁定件；
4.所述振动台设置于地面，用于模拟地震；
5.所述主变设备缩比模型设置于所述振动台上，被测三维隔震装置设置于所述振动台与所述主变设备缩比模型之间；
6.根据试验要求确定是否使用所述锁定件将所述被测三维隔震装置与所述振动台和/或所述主变设备缩比模型固定连接；
7.所述传感器设置于所述主变设备缩比模型周围，用于通过监测所述主变设备缩比模型在所述模拟地震作用下的响应，确定所述三维隔震装置的隔震情况。
8.优选的，所述锁定件包括限位杆(12)和紧固件(13)；
9.所述限位杆(12)为杆状，具有多种长度；所述限位杆(12)的两端分别用于与所述振动台和/或所述主变设备缩比模型固定连接；
10.所述紧固件(13)的一端与所述限位杆(12)连接，另一端用于与所述三维隔震装置的上部固定连接。
11.优选的，所述限位杆(12)和所述紧固件(13)具有4种工作状态：
12.第一工作状态，所述限位杆(12)不与所述振动台和所述主变设备缩比模型连接，所述紧固件(13)不与所述三维隔震装置连接，用于所述三维隔震装置水平方向与竖直方向同时隔震情况下的试验；
13.第二工作状态，所述限位杆(12)一端与所述振动台固定连接，所述紧固件(13)与所述三维隔震装置固定连接，用于所述三维隔震装置水平方向隔震试验；
14.第三工作状态，所述限位杆(12)一端与所述主变设备缩比模型固定连接，所述紧固件(13)与所述三维隔震装置固定连接，用于所述三维隔震装置竖直方向隔震试验；
15.第四工作状态，所述限位杆(12)两端分别与所述振动台和所述主变设备缩比模型固定连接，所述紧固件(13)与所述三维隔震装置固定连接，用于所述三维隔震装置的水平方向和竖直方向隔震作用同时锁定情况下的非隔震试验。
16.优选的，还包括上连接板(4)和底板(11)；
17.所述三维隔震装置设置于所述上连接板(4)和所述底板(11)之间；
18.所述上连接板(4)与所述主变设备缩比模型底部连接，所述底板(11)与所述振动台连接；
19.所述限位杆(12)的两端分别通过所述上连接板(4)和/或所述底板(11)与所述主变设备缩比模型和/或所述振动台固定连接。
20.优选的，所述主变设备缩比模型包括连接在一起的主变本体模型(1)、升高座模型(7)、油枕模型(6)、高压套管模型(8)和中压套管模型(9)。
21.优选的，所述升高座模型(7)连接在所述主变本体模型(1)一侧；所述高压套管模型(8)连接于所述升高座模型(7)上方；所述油枕模型(6)连接于所述主变本体模型(1)上方；所述中压套管模型(9)连接于所述主变本体模型(1)上方。
22.优选的，所述传感器包括加速度计、应变片和位移计中的一种或多种；
23.所述加速度计设置在所述主变设备缩比模型的高压套管模型(8)、所述主变设备缩比模型的中压套管模型(9)、所述主变设备缩比模型的升高座模型(7)和所述主变设备缩比模型的油枕模型(6)的顶部，所述主变设备缩比模型的主变本体模型(1)的顶部，所述三维隔震装置的顶部，以及所述底板(11)的上表面，用于测量所述加速度计所在位置的加速度值；
24.所述应变片设置在所述主变设备缩比模型的高压套管模型(8)和所述主变设备缩比模型的中压套管模型(9)的根部，用于测量应变片所在位置的应变值；
25.所述位移计设在在所述上连接板(4)和所述底板(11)之间，用于测量所述三维隔震装置的竖向位移。
26.基于同一发明构思，本发明还提出了一种应用主变设备三维隔震试验装置的试验方法，包括：根据试验要求确定所述锁定件分别与所述被测三维隔震装置、所述振动台、所述主变设备缩比模型之间的连接关系；
27.根据试验要求由所述振动台输出模拟的地震动，测量并采集所述主变设备三维隔震试验装置在所述地震波作用下的响应数据；
28.其中，所述主变设备三维隔震试验装置为本发明提出的主变设备三维隔震试验装置。
29.优选的，所述根据试验要求确定所述锁定件分别与所述被测三维隔震装置、所述振动台、所述主变设备缩比模型之间的连接关系，包括：
30.当试验要求为对所述三维隔震装置水平方向与竖直方向同时隔震情况下的试验时，所述锁定件中的限位杆(12)不与所述振动台和所述主变设备缩比模型连接，所述锁定件中的紧固件(13)不与所述三维隔震装置连接；
31.当试验要求为对所述三维隔震装置水平方向隔震试验时，所述限位杆(12)一端与所述振动台固定连接，所述紧固件(13)与所述三维隔震装置固定连接；
32.当试验要求为对所述三维隔震装置竖直方向隔震试验时，所述限位杆(12)一端与所述主变设备缩比模型固定连接，所述紧固件(13)与所述三维隔震装置固定连接；
33.当试验要求为对所述三维隔震装置的水平方向和竖直方向隔震作用同时锁定情况下的非隔震试验时，将所述限位杆(12)两端分别与所述振动台和所述主变设备缩比模型
固定连接，所述紧固件(13)与所述三维隔震装置固定连接。
34.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
35.1、本发明提供的一种主变设备三维隔震试验装置，包括主变设备缩比模型、振动台、传感器和锁定件；根据试验要求确定是否使用所述锁定件将所述被测三维隔震装置与所述振动台和/或所述主变设备缩比模型固定连接。该装置设有用于限制被测三维隔震装置隔震效果的锁定件，所述锁定件连接、拆卸方便，不需要反复装拆被测的三维隔震装置，简单易行。
36.2、本发明提供的一种应用主变设备三维隔震试验装置的试验方法，其中，所述主变设备三维隔震试验装置为本发明提供的一种主变设备三维隔震试验装置。该方法包括：根据试验要求确定所述锁定件分别与所述被测三维隔震装置、所述振动台、所述主变设备缩比模型之间的连接关系；根据试验要求由所述振动台输出模拟的地震动，测量并采集所述主变设备三维隔震试验装置在所述地震波作用下的响应数据。该方法可在同一试验装配中完成隔震和非隔震试验，分别测得所述主变设备缩比模型在隔震和未隔震情况下的地震响应，从而获得被测三维隔震装置的隔震效果，简便易行，可操作性强。
附图说明
37.图1为本发明实施例1提供的主变设备三维隔震试验装置示意图；
38.图2为本发明实施例2提供的锁定件第一种工作状态示意图；
39.图3为本发明实施例2提供的锁定件第二种工作状态示意图；
40.图4为本发明实施例2提供的锁定件第三种工作状态示意图；
41.图5为本发明实施例2提供的锁定件第四种工作状态示意图；
42.图6为本发明实施例2提供的采取气垫车移动并获取主变设备动力特性的示意图。
43.图中：1、主变本体模型；2、三向隔震装置；3、位移计；4、上连接板；5、锁定件；6、油枕模型；7、升高座模型；8、高压套管模型；9、中压套管模型；10、振动台、11、底板；12、限位杆；13、紧固件；14、气垫车。
具体实施方式
44.为了更好地理解本发明，下面结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的说明。
45.实施例1
46.本发明实施例1提供一种主变设备三维隔震试验装置，如图1所示，包括主变设备缩比模型、振动台10、传感器、上连接板4、底板11和锁定件5。振动台10设置于地面，用于模拟地震；三维隔震装置设置于上连接板4和所述底板11之间；上连接板4与主变设备缩比模型底部通过螺栓连接，底板11与振动台通过螺栓连接；根据试验要求确定是否使用所述锁定件将所述被测三维隔震装置与所述振动台和/或所述主变设备缩比模型固定连接；传感器设置于所述主变设备缩比模型周围，用于通过监测所述主变设备缩比模型在所述模拟地震作用下的响应确定所述三维隔震装置的隔震情况。
47.锁定件包括限位杆12和紧固件13；限位杆12为圆柱杆，具有多种长度；限位杆12的两端分别用于与所述振动台和/或所述主变设备缩比模型固定连接；紧固件13为板状，一端
设有通孔，套在限位杆12的杆身上，另一端用于与所述三维隔震装置的上部固定连接。
48.限位杆12和紧固件13具有4种工作状态：
49.如图2所示，第一工作状态，限位杆12不与振动台和主变设备缩比模型连接，紧固件13不与三维隔震装置连接，用于三维隔震装置水平方向与竖直方向同时隔震情况下的试验；
50.如图3所示，第二工作状态，限位杆12一端与振动台固定连接，紧固件13与三维隔震装置的上部通过螺栓固定连接，用于三维隔震装置水平方向隔震试验；
51.如图4所示，第三工作状态，限位杆12一端与主变设备缩比模型通过螺栓固定连接，紧固件13与三维隔震装置的上部通过螺栓固定连接，用于三维隔震装置竖直方向隔震试验；
52.如图5所示，第四工作状态，限位杆12两端分别与振动台和主变设备缩比模型通过螺栓固定连接，紧固件13与三维隔震装置的上部通过螺栓固定连接，用于三维隔震装置的水平方向和竖直方向隔震作用同时锁定情况下的非隔震试验。
53.如图1所示，主变设备缩比模型包括连接在一起的主变本体模型1、升高座模型7、油枕模型6、高压套管模型8和中压套管模型9。各部分模型通过焊接或螺栓固定连接在一起，主变设备缩比模型的重心和形心与主变设备保持一致。升高座模型7位于主变本体模型1一侧，高压套管模型8位于升高座模型7上方，油枕模型6位于主变本体模型1上方，中压套管模型9位于主变本体模型1上方。其中，主变本体模型1、升高座模型7、油枕模型6采用钢材制作，高压套管模型8和中压套管模型9采用玻璃纤维复合材料制作。
54.传感器包括加速度计、应变片和位移计，如图1所示，加速度计设置在主变设备缩比模型的高压套管模型8、中压套管模型9、升高座模型7和油枕模型6的顶部，主变设备缩比模型的主变本体模型1的顶部，被测的三维隔震装置的顶部，以及底板11的上表面，用于测量加速度计所在位置的加速度值；应变片设置在主变设备缩比模型的高压套管模型8和中压套管模型9的根部，用于测量应变片所在位置的应变值；为了测量多个三维隔震装置竖向位移之间的差异，在上连接板4和底板11之间设置了位移计，用来监测相邻三维隔震装置的竖向位移差是否超过限值，用于判断是否有发生倾覆的风险，以及是否需要增加抗倾覆措施。
55.实施例2
56.某1000kv特高压变压器其主体是一个充满变压器油的油箱，油箱内有铁芯和线圈组件，油箱长11.5米，宽4.2米，高5.0米，由钢板制成，重量高达520吨。三种瓷套管固定在油箱顶板或侧板上，高压套管长11.0米，重量7.6吨，中压套管长3.53米，低压套管长2.1米，套管由瓷质材料制成，两端有金属法兰。瓷部件的杨氏模量约为100gpa。油枕和风扇固定在变压器的油箱上。总重量约为570吨。
57.现有技术中对于主变类设备整体，由于其体型巨大难以开展真型抗震试验研究。缩比模型试验是结构工程开展试验研究的主要方法，然而对于特高压主变设备的缩比模型试验，却在主变设备动力特性的获取和缩比模型的制作方面存在难点。
58.本发明实施例2针对上述问题，提出一种应用主变设备三维隔震试验装置的试验方法，其中，主变设备三维隔震试验装置为实施例1所述的主变设备三维隔震试验装置。
59.该方法包括：
60.a、对所述三维隔震装置水平方向与竖直方向同时隔震情况下的试验
61.如图2所示，锁定件中的限位杆12不与振动台和主变设备缩比模型连接，锁定件中的紧固件13不与三维隔震装置连接；启动振动台，输出模拟的地震动，测量并采集主变设备三维隔震试验装置在所述地震波作用下的响应数据。
62.b、对三维隔震装置水平方向隔震试验
63.如图3所示，限位杆12一端与振动台通过螺栓固定连接，紧固件13与三维隔震装置的上部通过螺栓固定连接；启动振动台，输出模拟的地震动，测量并采集主变设备三维隔震试验装置在所述地震波作用下的响应数据。
64.c、对三维隔震装置竖直方向隔震试验
65.如图4所示，限位杆12一端与主变设备缩比模型通过螺栓固定连接，紧固件13与三维隔震装置的上部通过螺栓固定连接；启动振动台，输出模拟的地震动，测量并采集主变设备三维隔震试验装置在所述地震波作用下的响应数据。
66.d、对三维隔震装置的水平方向和竖直方向隔震作用同时锁定情况下的非隔震试验。
67.如图5所示，将限位杆13两端分别与振动台和主变设备缩比模型通过螺栓固定连接，紧固件10与被测三维隔震装置的上部通过螺栓固定连接；启动振动台，输出模拟的地震动，测量并采集主变设备三维隔震试验装置在所述地震波作用下的响应数据。
68.分析上述试验获得的测试数据，从而获取三维隔震装置的隔震性能。
69.对于三维隔震装置的隔震效果，通过以下方法来进行评价：
70.对于油箱，分别测得隔震和未隔震的油箱顶部的加速度响应值来进行隔震效率的比较，对于套管，套管属于细、长、柔结构，对于弯矩比较敏感，测量隔震和未隔震下的套管顶端的加速度响应值和竖向应变值来进行隔震效率的比较。
71.因此，以主变本体底部或顶部加速度隔震率的均值作为主变本体地震响应隔震率的指标；以套管顶端的加速度响应值和套管根部的竖向应变值作为衡量隔震率的指标；采用三维隔震装置相邻隔震支座之间的竖向位移一致性作为三维隔震装置的竖向运动一致性指标，用来判断三维隔震装置是否有发生倾覆的风险。
72.本实施例中所采用的主变设备缩比模型通过以下方法制作：
73.(1)获取主变设备的动力特性和振动台的尺寸。
74.一般获取特高压主变动力特性时，需要使用力锤或激振器激振，操作较为复杂，且激振力过小时难以得到准确结果，激振力过大时可能造成套管损伤。
75.本发明提供的技术方案为，在主变总装厂房内，配合生产过程获取主变设备的动力特性。如图6所示，针对总装厂房内全装状态的主变设备，在高压套管顶部、中压套管顶部、油枕顶部、高压套管底部和油箱上部布置三向加速度计，采用气垫车顶升并移动全装状态的主变，进行0.5m/s的移动后停止，测试该过程高压套管顶部、中压套管顶部、升高座端部、油枕、主变本体顶部的加速度，提取减速过程中各测点的加速度时程数据。
76.对上述获得的各测点加速度时程数据进行频谱分析，具体为：计算高压套管顶部测点与升高座顶部测点之间的频率响应函数，得到高压套管的基频，并从频率响应曲线中拟合识别阻尼；计算中压套管和主变油箱顶部测点之间的频率响应函数，得到中压套管的基频，并从频率响应曲线中拟合识别阻尼；计算油枕和主变油箱顶部测点之间的频率响应
函数，得到油枕的基频，并从频率响应曲线中拟合识别阻尼；计算主变油箱顶部测点与油箱底部测点之间的频率响应函数，得到油箱的基频并识别阻尼。
77.通过对波形数据进行傅里叶变换得到以下频率结果：油箱频率18hz(x)和12hz(y)，油枕频率6hz(x)和1.9hz(y)，高压套管频率1.9hz(x)和1.7hz(y)，中压套管频率3.6hz(x)和3.6hz(y)。
78.本发明实施例1提供的获取主变设备动力特性的方法，结合了主变生产过程的环境，与传统的激励振动测试动力特性的方法更为实用，测试结果更加有效，具有很大的可行性。
79.(2)基于主变设备的动力特性、主变设备的尺寸与振动台的尺寸确定主变设备缩比模型与主变设备的相似比，以及主变设备缩比模型的材质。
80.主变缩比模型是根据主变设备动力特性测试结果制作的动力等效模型，模型的结构尺寸依据地震模拟振动台的尺寸和原型主变的尺寸选取，由于底部单位面积的压力对于摩擦类水平减震装置和弹簧阻尼类竖向减震装置的减震效果至关重要，因此需要保证主变设备底部单位面积的压力不变。计长度相似比r
l
，根据以下相似关系进行主变缩比模型的设计：质量相似比取r
l2
，时间相似比为(r
l
)
0.5
，频率相似比为1/(r
l
)
0.5
。为保证加速度相似比为1，试验在1g重力加速度场进行。
81.根据在(1)中获得的主变设备高压套管和中压套管的阻尼确定主变设备缩比模型中的高压套管模型8和中压套管模型9所用材质，在本实施例中，选用与主变设备的高压套管和中压套管材料阻尼接近的玻璃纤维复合材料。使用玻璃纤维复合材料有两点优势，一是该材料与金属法兰连接结构的阻尼比与原型套管与金属法兰连接结构的阻尼比类似，两种材料与金属法兰连接结构的阻尼比均为0.01-0.03；二是加工和连接方便，金属法兰与玻璃纤维复合材料管材之间可使用结构胶粘接。
82.(3)根据主变设备缩比模型与主变设备的相似比、主变设备缩比模型的材质，结合主变设备各个组成部分参数制作主变设备缩比模型。
83.由于主变设备采用的壁厚为12-16mm，若直接按尺寸比例缩比，模型的板厚应为2-3mm，过小的板厚将造成加工困难。根据(2)中确定的主变设备缩比模型与主变设备的尺寸、质量和频率的相似比，设计并制作主变设备缩比模型，而不需要对复杂的油箱和内部构造进行缩比，从而降低了缩比模型制作的复杂性。针对油枕，可简化内部液体的粘滞性，将液体等效为质量计入模型中。
84.主变设备缩比模型包括主变本体模型1、升高座模型7、油枕模型6、高压套管模型8和中压套管模型9，各部分模型通过焊接或螺栓固定连接在一起，主变设备缩比模型的重心和形心与主变设备保持一致。其中，主变本体模型1、升高座模型7、油枕模型6采用钢材制作，高压套管模型8和中压套管模型9采用(2)中确定的玻璃纤维复合材料制作。
85.该主变设备缩比模型的制作方法符合结构动力学理论，目标明确，同时操作性强。
86.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。