Research on Seismic Performance of Current Transformer and Isolation Test
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摘要: 瓷柱型电气设备是变电站最常见的室外高压电气设备，抗震能力较差，历次震害表明该设备损坏是造成电力系统功能失效的主要原因。对110 kV电流互感器进行振动台试验，原设备与安装滑动自复位隔震支座设备同时进行试验，测定设备在不同地震动强度、不同地震波作用下关键位置加速度、位移和应变响应，分析电流互感器抗震性能和隔震支座隔震效果。研究结果表明，地震动峰值加速度为0.4 g时，电流互感器瓷套管根部最大应力为22.4 MPa，电流互感器加速度放大系数为3～8；滑动自复位隔震支座明显降低了电流互感器自振频率，瓷柱型电气设备瓷套管顶部加速度响应降低了80%以上，瓷套管根部应变响应不同程度地降低，说明滑动自复位隔震支座具有良好的隔震效果。Abstract: Porcelain column electrical equipment is the most common type of outdoor high-voltage electrical equipment found in substations. However, porcelain-pillar electrical equipment exhibits poor earthquake resistance, which has been a significant factor in the failure of power system functions during past earthquakes. This paper presents findings from a shaking table test conducted on a 110 kV current transformer, comparing the original equipment with one equipped with sliding self-resetting isolation bearings. The study measures acceleration, displacement, and strain responses at key locations of the device under varying seismic intensities and waveforms to analyze the seismic performance and vibration isolation effectiveness of the isolation bearings. The test results indicate that when the peak acceleration reaches 0.4 g, the maximum stress at the base of the current transformer porcelain is 22.4 MPa. The acceleration amplification coefficient for the current transformer ranges between 3 and 8. Notably, the implementation of the sliding self-resetting isolation bearing significantly alters the natural vibration frequency of the current transformer. The acceleration response at the top of the porcelain column is reduced by over 80%, and the strain response at the base of the porcelain casing also experiences a notable decrease.These findings demonstrate that the sliding self-resetting isolation bearing provides an effective isolation mechanism, significantly enhancing the seismic performance of porcelain column electrical equipment.
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引言
2017年4月12日2时25分，浙江省杭州市临安市（现为杭州市临安区，考虑地震发生时行政区划名称为临安市，本文沿用临安市名称）发生4.2级地震，震中（30.08°N，119.34°E）位于临安市河桥镇与潜川镇交界附近的九龙坑，震源深度16.2km。震中附近的潜川镇、河桥镇震感强烈，於潜镇、太阳镇、湍口镇等地也有较明显的震感。地震发生后，浙江省地震局启动了Ⅲ级响应，组织工作队赶赴地震现场，在对震区地质构造概况、震源机制解、实际震情等情况进行分析的基础上，开展了烈度调查，获取了震区震害分布基本资料，并绘制了地震烈度分布图。
1. 震区地形地貌及地质构造概况
震区在地貌上属于浙西低山丘陵区，地势自西北、西南向东部倾斜。震区在大地构造上属于扬子准地台的钱塘台褶带，新构造运动主要表现为大面积的间歇性升降运动，以整体抬升为主，震区发育第四系早期的坡洪积物、侏罗系凝灰岩、志留系、奥陶系粉砂岩、泥岩及燕山期花岗岩等地层。震中附近发育区域性北东走向的马金-乌镇断裂带（图 1）。马金-乌镇断裂带是浙江省内1条重要的区域性断层（浙江省地质矿产局，1989），控制前新生代地层分区，总体走向约40°，倾向南东，倾角约80°，震区一带断层带宽12km、由多条分支组成，在东山畈采石场观察点见其中一主要分支断层的出露剖面（图 2），剖面上断层切割寒武纪厚层灰色灰岩，剖面中见3个断面（f1、f2、f3），性质皆逆断。其中，f1为单一断面，f2与f3则构成宽约2m的黄褐色粗碎裂岩；f2、f3延伸到冲沟对面，断面及黄褐色粗碎裂岩仍出露清楚（图 3），且沿2个断面还形成1—2cm的灰绿色断层泥，断层泥ESR样品测试结果为（151±30）ka BP，表明断层中更新世有过活动迹象。
图 2 东山畈附近调查照片及清绘剖面1Figure 2. Fault profile #1 near Dongshanfan1：厚层灰色灰岩；2：逆断层及黄褐色粗碎裂岩
图 3 东山畈附近断层照片及清绘剖面2Figure 3. Fault profile #2 near Dongshanfan1：厚层灰色灰岩；2：逆断层及黄褐色粗碎裂岩；3：逆断层及灰绿色断层泥；4：ESR样点2. 震源机制
采用CAP方法（Zhao等，1994；Zhu等，1996；Wang，2011），计算获得了此次地震的震源机制解。其中，节面Ⅰ走向为298°，倾向87°，滑动角-12°；节面Ⅱ走向为29°，倾向78°、滑动角为-177°；主压应力轴（P轴）方位角平均为253°；主张应力轴（T轴）方位角平均为344°。震源机制解具体数值见表 1，拟合波形如图 4所示，图中红色曲线为理论地震波形，黑色曲线为观测地震波形。
表 1 临安4.2级地震震源机制解参数Table 1. The parameters of focal mechanism solution of Lin'an M 4.2 earthquake最佳双力偶解 节面Ⅰ/° 节面Ⅱ/° 走向 倾向 滑动角 走向 倾向 滑动角 298 87 -12 29 78 -177 应力轴 T轴/° B轴/° P轴/° 方位角 倾角 方位角 倾角 方位角 倾角 344 6 104 78 253 11 
图 4 临安4.2级地震震源机制解参数Figure 4. The focal mechanism solution of the Lin'an M 4.2 earthquakeCAP方法求解震源机制解受震源深度影响较大。通过设置步长1km，搜索不同深度对应的震源机制解，拟合误差越小，深度越准确。最终，得到误差最小的16.2km为此次临安M 4.2地震最佳震源深度（图 5）。
震区现代构造应力场的特征以北东东向水平压应力、北北西向水平张应力为主，北东向断层容易发生右旋走滑错动，震源机制解显示本次地震受大范围构造应力的控制。
3. 现场调查与震害特征
3.1 现场调查
依据《地震现场工作（第3部分）：调查规范》、《地震现场工作（第4部分）：灾害直接损失评估》（中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局等, 2012a, 2012b）及《中国地震烈度表》（GB/T 17742—2008）（中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局等，2009）中的技术要求，主要根据震区人的感觉、器物反应、房屋震害程度等（夏坤等，2011）开展地震烈度调查与评定工作。根据当地政府反馈的震感情况，分别在潜川镇、河桥镇、於潜镇、太阳镇和湍口镇安排调查路线，共25个调查点，取得了震区大量的基础数据和第一手资料，调查范围基本上覆盖了本次地震震区。地震现场调查路线及调查点分布见图 6。
3.2 震区烈度分布情况
通过对25个调查点的震害评估与科学考察，同时收集了当地政府提供的人员伤亡、房屋受损排查情况以及山塘水库基础设施和地质灾害点排查情况，4个调查点的烈度评定为Ⅴ度，分别为潜川镇的五里亭、茶叶山、鱼潭和过水埠，主要分布在震中的东北和西南，Ⅴ度区面积约22.6km2；其余21个调查点烈度评定为Ⅳ度（图 7）。本次地震未造成人员伤亡和较大经济损失。
Ⅴ度区人和器物的反应特征主要为：①震区主要建筑为3层房屋，绝大多数调查点居民居住在2楼，反映震感强烈，多数人梦中惊醒，少数逃出户外，个别居民在室外过夜直至天明；②绝大多数被调查居民听到地声，且反映声音很响，如同打雷的轰轰声或放炮声，部分居民能明确指出声音由震源方向传来；③大多数被调查居民听到门窗、屋顶、屋架颤动作响，且门窗响声较大；④多数被调查居民感觉床和悬挂物有较大幅度的晃动。
Ⅴ度区房屋震害特征主要为：①个别土木、砖木结构房屋有老裂缝加宽、加长及墙皮脱落现象；②个别砌体结构房屋出现细微裂缝和老裂缝加宽、加长及灰土掉落现象（图 8）。
图 8 震中区个别老旧房屋震害特征Figure 8. Earthquake damage characteristics of some old houses at the epicenter area（a）五里亭某户砖木结构房屋二楼窗口下墙皮掉落；（b）新桥头某户土木结构房屋墙体老裂缝加长、加宽；（c）鱼潭村某户砌体房屋老缝加长，瓷砖出现细小裂纹通过调查分析本次地震的房屋破坏情况，认为造成破坏的主要因素有以下方面：
（1）房屋质量
震区内产生破坏的个别房屋属于老旧房屋，建造时基本没有采取任何抗震措施，而且房龄长，一般多在20多年以上，有的甚至30、40年，这些房屋多为夯土（砖、石）墙木结构，或者某一面承重墙为空斗砖墙，由于房龄长、年久失修且普遍存在裂缝，有的墙体已倾斜，特别是房屋的屋顶、屋内木架构，梁木多有腐烂现象；另外，震区内部分建造于2000年以前的砌体房屋中，仅有少数有地梁或圈梁，多数无地梁、圈梁和构造柱，抗震性能较差，加之地基基础的不均匀，个别房屋墙体出现细微裂缝或抹灰缝。
（2）场地效应
震区位于山区，多数自然村分布于陡坡、边坡等地，导致部分调查点上的个别房屋在建造时为天然地基加垒石形成的不均匀基础（属于抗震不利地段），地震时容易产生沉降差异，抗震稳定性差，易出现轻微破坏。
4. 结语
通过对临安4.2级地震开展现场调查，得出如下认识：
（1）震源机制解显示长轴方向为北东向，与马金-乌镇断裂带走向基本一致；地震现场地震烈度调查结果表明，本次地震的影响烈度最高为Ⅴ度，面积22.6km2，烈度圈长轴方向为北东向，与地震震源机制解及北东向马金-乌镇断裂带方向一致。
（2）本次地震震中附近的潜川镇、河桥镇震感强烈，但未造成人员伤亡和较大经济损失，震中区少数房屋有轻微开裂和老裂缝加长、加宽现象。
（3）与浙江省内其它类似震级大小的地震相比，此次地震震源深度较深（16km），地面的地震破坏影响相对较小，因此虽然震感强烈，但震害相对较轻。
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图 5 x+y+z向输入0.4 g El Centro 波时x向相对位移时程曲线
Figure 5. Time history of relative displacement in x direction when 0.4 g El Centro wave is input in x+y+z direction
图 6 x向0.3 g地震动激励下瓷套管顶部-根部x向相对位移时程曲线
Figure 6. Time-history diagram of relative displacement in x direction of porcelain top-porcelain root under 0.3 g x-direction seismic excitation
图 7 隔震支座x向相对位移
Figure 7. Relative displacement value of isolation bearing in x direction
图 8 x向0.2 g地震动激励下瓷套管顶部x向加速度时程曲线
Figure 8. Acceleration time history in x direction of porcelain top under 0.2 g x seismic excitation
图 9 x向0.4 g地震动激励时瓷套管根部应变时程曲线
Figure 9. Strain time history of porcelain root under 0.4 g x seismic excitation
表 1 电流互感器自振频率（单位：赫兹）
Table 1. Natural frequency of current transformer （Unit: Hz）
隔震支座设置情况 试验前 试验后 x向 y向 x向 y向 无隔震支座 4.20 3.61 4.20 3.61 滑动自复位隔震支座 1.47 1.26 1.58 1.47 
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表 2 El Centro波作用下瓷套管顶部-根部最大相对位移
Table 2. Maximum relative displacement of porcelain top-porcelain root under El Centro
峰值加速度 激励方向 x向最大相对位移/mm 隔震率/% y向最大相对位移/mm 隔震率/% 无隔震 隔震 无隔震 隔震 0.2 g x 10.2 3.2 68.6 3.3 1.3 60.6 y 2.5 0.9 64.0 4.4 3.6 18.2 x+y 9.0 4.1 54.4 6.6 4.4 33.3 x+y+z 11.4 6.4 43.9 9.7 7.0 27.8 0.3 g x 16.2 7.7 52.5 5.0 2.4 52.0 y 3.8 1.9 50.0 7.8 7.0 10.3 x+y 14.6 9.4 35.6 13.4 7.2 46.3 x+y+z 17.2 19.3 −12.2 15.6 11.0 29.5 0.4 g x 23.4 21.0 10.3 8.1 4.6 43.2 y 4.4 3.4 22.7 13.6 13.1 3.7 x+y 21.1 25.5 −20.9 16.7 12.8 23.4 x+y+z 24.5 61.1 −149.4 20.5 20.1 2.0
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表 3 x向地震动激励下设备x向峰值加速度
Table 3. x-direction peak acceleration value of equipment under x-direction seismic excitation
地震动峰值加速度/g 地震波 台面峰值加速度/g 瓷套管顶部峰值加速度/g 放大系数 隔震率/% 有隔震 无隔震 0.2 El Centro 0.27 0.15 1.00 3.70 85.00 Taft波 0.20 0.18 0.98 4.90 81.63 人工波 0.19 0.17 1.08 5.68 84.26 0.3 El Centro 0.39 0.21 1.65 4.23 87.27 Taft波 0.29 0.17 2.10 7.24 91.90 人工波 0.27 0.22 1.64 6.07 86.59 0.4 El Centro 0.51 0.25 2.86 5.61 91.26 Taft波 0.41 0.20 2.01 4.90 90.05 人工波 0.37 0.27 2.78 7.51 90.29
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表 4 x向地震动激励下瓷套管根部x向最大应变值
Table 4. Maximum strain value of porcelain root in the east-west direction under x-direction seismic excitation
地震动峰值加速度/g 地震动 无隔震最大应变值 有隔震最大应变值 隔震率/% 东 西 东 西 0.2 El Centro波 19.8×10−6 105.2×10−6 92.3×10−6 68.4×10−6 12.2×10−6 Taft波 18.0×10−6 126.0×10−6 84.1×10−6 114.4×10−6 9.2×10−6 人工波 20.3×10−6 65.0×10−6 38.0×10−6 45.9×10−6 29.4×10−6 0.3 El Centro波 31.5×10−6 112.8×10−6 77.7×10−6 92.1×10−6 18.4×10−6 Taft波 30.6×10−6 135.1×10−6 72.5×10−6 80.7×10−6 40.2×10−6 人工波 27.4×10−6 105.4×10−6 78.4×10−6 96.7×10−6 8.3×10−6 0.4 El Centro波 49.2×10−6 267.0×10−6 96.2×10−6 162.3×10−6 39.2×10−6 Taft波 33.8×10−6 323.3×10−6 62.1×10−6 116.1×10−6 58.3×10−6 人工波 41.5×10−6 271.0×10−6 134.8×10−6 54.2×10−6 50.3×10−6
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柏文,戴君武,周惠蒙等,2016. 基于MRTMD的瓷柱型电气设备减震技术研究. 地震工程与工程振动,36(3):111−117.Bai W., Dai J. W., Zhou H. M., et al., 2016. Damping method for porcelain cylindrical electrical equipment based on MRTMD. Earthquake Engineering and Engineering Dynamics, 36(3): 111−117. (in Chinese) 柏文,戴君武,周惠蒙等,2018. 瓷柱型电气设备的MTMD减震方法试验研究. 高电压技术,44(3):841−848.Bai W., Dai J. W., Zhou H. M., et al., 2018. Application of multiple tuned mass dampers on seismic protection of porcelain cylindrical electrical equipment. High Voltage Engineering, 44(3): 841−848. (in Chinese) 柏文,戴君武,杨永强,2019. 瓷柱型电气设备基于BI-TMD的混合控制减震研究. 中国电机工程学报,39(13):3939−3946.Bai W., Dai J. W., Yang Y. Q., 2019. Effectiveness study of combined control strategy based on base isolation and tuned mass damper on porcelain cylindrical equipment. Proceedings of the CSEE, 39(13): 3939−3946. (in Chinese) 李圣,卢智成,邱宁等,2015. 加装金属减震装置的1000kV避雷器振动台试验研究. 高电压技术,41(5):1740−1745.Li S., Lu Z. C., Qiu N., et al., 2015. Study on shaking table test of 1000kV surge arrester with metal damper device. High Voltage Engineering, 41(5): 1740−1745. (in Chinese) 刘如山,张美晶,邬玉斌等,2010. 汶川地震四川电网震害及功能失效研究. 应用基础与工程科学学报,18(S1):200−211.Liu R. S., Zhang M. J., Wu Y. B., et al., 2010. Damage and failure study of Sichuan electric power grid in Wenchuan earthquake. Journal of Basic Science and Engineering, 18(S1): 200−211. (in Chinese) 刘如山,刘金龙,颜冬启等,2013. 芦山7.0级地震电力设施震害调查分析. 自然灾害学报,22(5):83−90.Liu R. S., Liu J. L., Yan D. Q., et al., 2013. Seismic damage investigation and analysis of electric power system in Lushan M S 7.0 earthquake. Journal of Natural Disasters, 22(5): 83−90. (in Chinese) 柳永玉,王均梅,王晓琪等,2010. 500kV电流互感器抗震性能分析. 世界地震工程,26(1):219−223.Liu Y. Y., Wang J. M., Wang X. Q., et al., 2010. Seismic performance analysis of 500kV current mutual transformer. World Earthquake Engineering, 26(1): 219−223. (in Chinese) 卢智成,邱宁,程永锋等,2015. 特高压TYD1000型电容式电压互感器抗震试验研究. 高电压技术,41(11):3694−3701.Lu Z. C., Qiu N., Cheng Y. F., et al., 2015. Study on seismic experiment of Ultra High voltage TDY1000 capacitive voltage transformer. High Voltage Engineering, 41(11): 3694−3701. (in Chinese) 尚守平,崔向龙,2016. 基础隔震研究与应用的新进展及问题. 广西大学学报(自然科学版),41(1):21−28.Shang S. P., Cui X. L., 2016. New progress and problems in research and application of base isolation. Journal of Guangxi University (Natural Science Edition), 41(1): 21−28. (in Chinese) 杨长青,2011. 基于地震动参数高压电气设备的易损性分析. 哈尔滨:中国地震局工程力学研究所.Yang C. Q., 2011. Vulnerability analysis of high-voltage electrical equipment based on ground motion parameter. Harbin:Institute of Engineering Mechanics,China Earthquake Administration. (in Chinese) 尤红兵,赵凤新,2013. 芦山7.0级地震及电力设施破坏原因分析. 电力建设,34(8):100−104. doi: 10.3969/j.issn.1000-7229.2013.08.019You H. B., Zhao F. X., 2013. M 7.0 earthquake in Lushan and damage cause analysis of power facilities. Electric Power Construction, 34(8): 100−104. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1000-7229.2013.08.019 张军,齐立忠,李科文等,2011. 电瓷型高压电气设备的抗震试验及有限元分析. 电力建设,32(7):6−10. doi: 10.3969/j.issn.1000-7229.2011.07.002Zhang J., Qi L. Z., Li K. W., et al., 2011. Shock test and finite element analysis of porcelain high-voltage electrical equipment. Electric Power Construction, 32(7): 6−10. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1000-7229.2011.07.002 张雪松,代泽兵,曹枚根等,2013. 安装新型铅减震器的500kV氧化锌避雷器动力特性. 重庆大学学报,36(7):66−73. doi: 10.11835/j.issn.1000-582X.2013.07.012Zhang X. S., Dai Z. B., Cao M. G., et al., 2013. Dynamic behavior of 500 kV metal oxide arresters with a new type of lead dampers. Journal of Chongqing University, 36(7): 66−73. (in Chinese) doi: 10.11835/j.issn.1000-582X.2013.07.012 Alessandri S., Giannini R., Paolacci F., et al., 2015. Seismic retrofitting of an HV circuit breaker using base isolation with wire ropes. Part 1: preliminary tests and analyses. Engineering Structures, 98: 251−262. Dusicka P., Riley M. J., Kraxberger K., et al., 2013. Shaking response of tall high-voltage equipment retrofitted with friction dampers. In: Structures Congress 2013: Bridging Your Passion with Your Profession. Pittsburgh: American Society of Civil Engineers, 1381−1390. Ju Y. Z., Wu X. L., 2013. Analysis of vibration isolator’s anti-seismic performance in porcelain SF6 high voltage circuit breaker. Applied Mechanics and Materials, 448 −453 : 2045−2048. Kar R., Rainer J. H., Lefrançois A. C., 1996. Dynamic properties of a circuit breaker with friction-based seismic dampers. Earthquake Spectra, 12(2): 297−314. doi: 10.1193/1.1585881 Lau D. L., Tang A., Pierre J. R., 1995. Performance of lifelines during the 1994 Northridge earthquake. Canadian Journal of Civil Engineering, 22(2): 438−451. doi: 10.1139/l95-052 -
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