基于全概率理论的电瓷型电气设备地震失效概率评估方法
【专利摘要】本发明提供了一种基于全概率理论的电瓷型电气设备地震失效概率评估方法，包括步骤1：计算电瓷型电气设备的强度随机参数R；步骤2：计算地震作用随机参数S；步骤3：构建电瓷型电气设备的能力-需求模型g(X)；基于强度随机参数R和地震作用随机参数S，用Monte Carlo法分析电瓷型电气设备的失效概率；步骤4：依据失效概率绘制电瓷型电气设备的易损性曲线。与现有技术相比，本发明提供的一种基于全概率理论的电瓷型电气设备地震失效概率评估方法，可评估设备在不同等级地震动响应下的失效概率，分析结果具有统计意义与评估作用。
【专利说明】基于全概率理论的电瓷型电气设备地震失效概率评估方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种电气设备地震失效概率评估方法，具体涉及一种基于全概率理论 的电瓷型电气设备地震失效概率评估方法。
【背景技术】
[0002] 电瓷材料由于其具有良好的绝缘性和使用稳定性，广泛应用在电气设备中。变电 站内支柱类瓷材料电气设备（主要有避雷器、互感器、断路器、支柱绝缘子、隔离开关等）结 构形式细高，固有频率分布在1?IOHz之内，属于地震敏感性结构，容易在地震中发生类共 振现象，且瓷材料阻尼比小，更易引起较大的地震响应；此外，该类设备的关键结构为电瓷 瓷套，属脆性材料，强度低，变形与储能能力差。因此，变电站电瓷型电气设备在地震中极易 发生破坏。
[0003] 国内外电瓷型电气设备的大量震害调研结果表明：该类设备绝大部分损坏为瓷套 根部开裂或断裂。这属于物理失效，瓷套根部是瓷套部分最大应力处，地震反应中结构强度 最薄弱部分在强烈振动中就会出现这种物理失效。
[0004] 目前对单体设备抗震设计的规范主要为：GB 50260-2013《电力设施抗震设计规 范》和GB/T 13549-92《高压开关设备抗震性能试验》、《导体和电器选择设计技术规定》。抗 震验算的原则推荐采用瓷件的容许应力，当抗震计算或抗震试验所得最大应力值只要小于 容许应力即认为满足抗震要求。瓷件的容许应力根据统计规律，按下式（1)计算：
[0005] [a] = X-3S (1)
[0006] 其中，所述[0 ]为容许应力，单位MPa ;所述T为各试品应力平均值，单位MPa ;所 述S为标准偏差。
[0007] 但目前制造厂按式（1)确定瓷件的容许应力有一定困难，大部分厂家只能提供瓷 件的破坏弯矩和破坏应力，针对这种情况，规范又采用安全系数法，设计要求为：
[0008] a Ja tot ^ 1. 67 (2)
[0009] 其中，〇 为地震作用和其他荷载产生的总应力，〇 v为瓷件的破坏应力，L 67为 最小安全系数。
[0010] 同时，现有规范中关于电气设备的抗震能力分析主要采用反应谱法，该方法根据 电气设备结构特点与工程场地情况，定量的得到设备在地震作用下的力学响应结果。但该 方法无法考虑实际地震作用时，地震运行极不规则的波形，且震动是迅速变化的，具有明显 的随机特性。采用确定性的结构强度与地震作用参数，使得抗震计算方法存在很大的不确 定性与盲目性，不能确保满足设防标准的抗震能力要求，也无法评估不同地震动响应下设 备安全度，因此需要提供一种用于评估电气设备在地震作用下的可靠度的技术方案。
【发明内容】
[0011] 为了满足现有技术的需要，本发明提供了一种基于全概率理论的电瓷型电气设备 地震失效概率评估方法，所述方法包括：
[0012] 步骤1 :计算所述电瓷型电气设备的强度随机参数R ;
[0013] 步骤2 :计算地震作用随机参数S ;
[0014] 步骤3 :构建所述电瓷型电气设备的能力-需求模型g(X);基于所述强度随机参 数R和地震作用随机参数S，用Monte Carlo法分析电瓷型电气设备的失效概率；
[0015] 步骤4 :依据所述失效概率绘制所述电瓷型电气设备的易损性曲线。
[0016] 优选的，计算所述强度随机参数R包括，基于Weibull分布函数建立电瓷型电气设 备的强度概率模型F(X):
【权利要求】
1. 一种基于全概率理论的电瓷型电气设备地震失效概率评估方法，其特征在于，所述 方法包括： 步骤1 :计算所述电瓷型电气设备的强度随机参数R ; 步骤2 :计算地震作用随机参数S ; 步骤3 :构建所述电瓷型电气设备的能力-需求模型g(X);基于所述强度随机参数R和 地震作用随机参数S，用Monte Carlo法分析电瓷型电气设备的失效概率； 步骤4 :依据所述失效概率绘制所述电瓷型电气设备的易损性曲线。
2. 如权利要求1所述的评估方法，其特征在于，计算所述强度随机参数R包括，基于 Weibull分布函数建立电瓷型电气设备的强度概率模型F(X):
其中，所述A为电瓷型电气设备的实际构件在地震作用下最大应力处的有效截面积； 所述Atl为与所述实际构件对应的试验样品的有效截面积； 所述Θ为尺度因子；所述m为Weibull系数； 所述X为电瓷型电气设备构件截面强度变量。
3. 如权利要求1所述的评估方法，其特征在于，计算所述地震作用随机参数S包括： 步骤2-1 :建立电瓷型电气设备结构有限元模型，对所述有限元模型进行自振分析，获 取振型参与质量至少为90%的前N阶振型； 步骤2-2 :计算地震作用中平稳随机过程的最大均值μ κ ;
其中，所述N为振型数目； 所述为电瓷型电气设备结构在地震反应谱计算中第j振型的最大反应，计算公式 为： Dj = Pj σ j ⑶ 其中，所述％.为第j振型的振型反应均方差； 所述h为第j振型的振型反应峰值因子，计算公式为：
步骤2-3 :计算地震作用中平稳随机过程的均方差〇 κ ;
所述q为地震作用中的方差因子，计算公式为：
其中，所述Y2为地震反应谱参数，所述T为强震持时。
4. 如权利要求1所述的评估方法，其特征在于，所述步骤3中能力-需求模型g(X)为： g (X) = R-S (7) 其中，所述X为电瓷型电气设备构件截面强度变量。
5. 如权利要求1所述的评估方法，其特征在于，所述步骤3中用Monte Carlo法分析电 瓷型电气设备的失效概率包括： 步骤4-1 :用Monte Carlo法分别模拟在W个不同等级地震作用下电瓷型电气设备的 强度随机参数R，并记录R1, R2,...，Ri,...，Rw，W至少为10 ;以及分别模拟在W个不同等级 地震作用下的地震作用随机参数S，并记录S1, S2,...，Si,...，Sw ; 每个等级地震作用的模拟次数为IXlO8; 步骤4-2 :计算在第i个等级地震作用下的失效概率A ;
其中，所述Mi为第i个等级地震作用下电瓷型电气设备失效的次数，所述失效的判 断条件为所述能力-需求模型g (X) < 〇 ; 步骤4-3 :重复执行所述步骤4-2,计算在W个不同等级地震作用下电瓷型电气设备的 失效概率 A, f2, ·. ·，A, ·. ·，fw。
6. 如权利要求1或5所述的评估方法，其特征在于，步骤4中绘制电瓷型电气设备的易 损性曲线包括： 用最小二乘法拟合在W个不同等级地震作用下电瓷型电气设备的失效概率 f\, f2,. . .，fi,. . .，fw，得到所述易损性曲线。
【文档编号】G06F17/50GK104392060SQ201410728257
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年12月4日 优先权日:2014年12月4日
【发明者】刘振林, 卢智成, 孙宇晗, 钟珉 申请人:国家电网公司, 中国电力科学研究院