基于特高压复合套管的多环形调谐液体阻尼器及其方法与流程

本发明属于特高压电工技术领域，特别是涉及特高压电气设备振动控制技术。

背景技术：

特高压复合套管是我国特高压电网中的一种重要元件。其起着连接变压器本体和外来导线的作用。复合套管与传统的瓷套管相比，具有憎水性好、体积小、质量轻等特点。套管结构通常直接固定于变压器顶板或变压器突出的升高座上。套管作为一种类似于悬臂梁的长悬臂结构，在地震作用下，极易发生破坏。一般来说，特高压复合套管顶部的集油盒内的变压器油会降低结构的基频，而且会增加结构的低阶频率，这对于特高压复合套管的抗震是不利的。

目前，针对套管结构的减震措施主要有以下几种：1、通过增加变压器顶板的刚度，来减小顶板变形对套管根部输入的影响。2、在升高座和变压器箱体之间增加斜向支撑，以减小升高座对输入荷载的放大作用。3、在变压器底部设置摩擦摆系统，或者在套管根部增设隔离式高阻尼橡胶支座或钢丝绳隔振器，通过基础的阻尼器耗能来减少传递到套管的能量。其中，1和2的减震措施主要是通过增加套管根部的刚度来减小变压器本体结构对外荷载的放大作用。但套管根部的刚性约束会进一步增加套管根部的应力，同时也会增加设备的造价。第3种减震措施则会明显的增加套管顶部的位移，如果套管顶部位移过大，则会通过导线对相邻设备产生影响，不利于整个变电设备的安全运行。

关于多调谐液体阻尼器的设置方法，主要是在设定好的频带内，等间隔设置不同个数的调谐液体阻尼器。该种设置方法需要人为给定减震带宽，针对不同个数的调谐液体阻尼器都需要进行验证以给出最优的调谐阻尼器个数。该种多调谐液体阻尼器的设计方法受人为因素的影响，而且寻找最优调谐液体阻尼器个数的效率低下。

技术实现要素：

为了克服上述不足，本发明提出了基于特高压复合套管的多环形调谐液体阻尼器及其设计方法。多环形调谐液体阻尼器充分利用复合套管顶部集油盒提供的环形空间，通过对集油盒高度、集油盒半径以及集油盒内液体高度的优化来得到多环形调谐液体阻尼器，进而达到减震的目的。多环形调谐液体阻尼器主要是通过液体运动的迟滞性来提供阻碍结构运动的作用力和液体的晃荡进行耗能。本发明所采用的多环形调谐液体阻尼器的设计方法是基于结构和多调谐液体阻尼器系统的频率响应曲线进行设计的。将复合套管结构简化为单自由度体系(sdof)，根据结构的频响曲线设置第一个环形调谐液体阻尼器(atld1)；绘制sdof-1atld体系的频响曲线，根据该曲线的两个峰值来设置第二个环形调谐液体阻尼器(atld2)和第三个环形调谐液体阻尼器(atld3)；绘制sdof-3atld体系的频响曲线，其中，3atld表示考虑前三个环形调谐液体阻尼器，根据该频响曲线的两个峰值设置第四个环形调谐液体阻尼器(atld4)和第五个环形调谐液体阻尼器(atld5)；依次类推，可以设置多环形调谐液体阻尼器。该种多环形调谐液体阻尼器的设计方法基于结构的频响曲线进行设计，其物理意义明确，且能够较快的得到最优的环形调谐液体阻尼器的个数。而且，该多环形调谐液体阻尼器可提供较宽的减震频带，可以适用于不同场地条件。

本发明的技术方案：

基于特高压复合套管的多环形调谐液体阻尼器，多环形调谐液体阻尼器充分利用复合套管顶部集油盒提供的环形空间，通过对集油盒高度、集油盒半径以及集油盒内液体高度的优化设计，得到多环形调谐液体阻尼器。

将复合套管简化为sdof，其传递函数h(ω)表达式为：

式中，i²＝-1，δs为复合套管的阻尼比，取2％；β＝ω/ωs为激励圆频率和结构圆频率的比值；

sdof-natld体系的传递函数的表达式为：

其中

式中，i²＝-1，n为atld的个数，β＝ω/ωs为激励圆频率和结构圆频率的比值，μ1j＝m1j/ms为第j个atld的一阶晃荡质量与结构质量的比值，γ1j＝ω1j/ωs为第j个atld的一阶晃荡圆频率与结构圆频率的比值，δs为复合套管的阻尼比，取2％；ζ1j为第j个atld的一阶晃荡阻尼比；

第j个atld的一阶晃荡阻尼比ζ1j的表达式：

式中，ν为液体的运动粘度，ω1j为第j个atld的一阶晃荡圆频率,r2j为第j个atld的外半径，kj＝r1j/r2j为第j个atld的内半径和外半径的比值，hj为第j个atld内液体的高度；

第j个atld内液体晃荡一阶频率f1j的表达式为：

其中

式中，r2j为第j个atld的外半径，kj为第j个atld的内半径r1j和外半径r2j的比值，g＝9.8m/s²为重力加速度，hj为第j个atld内变压器油的高度；

第j个atld内液体一阶晃荡质量m1j与液体总质量mj的比值：

其中，

式中，ξ1j可根据第j个atld的半径比kj由公式(5)求得，rj为第j个atld的半径，r2j为第j个atld的外半径，kj＝r1j/r2j为第j个atld的内半径和外半径的比值，hj为第j个atld内变压器油的高度；j1()和n1()分别为第一类一阶贝塞尔函数和第二类一阶贝塞尔函数；

多环形调谐液体阻尼器的设计原理如图2所示，图中natld表示前n个atld。根据公式(1)绘制sdof的频响曲线，通过设置atld1可使频响曲线的峰值a降低到b点，此时，atld1的一阶晃荡频率f11与结构基频fs调谐，即f11＝fs，跟公式(4)和(5)对atld1的内半径r11、外半径r21和液体高度h1进行设计。将以上设计参数代入公式(6)可求得atld1的一阶晃荡质量m11，液体的晃荡阻尼ζ11可由公式(3)求得。根据公式(2)绘制sdof-1atld的频响曲线，通过设置atld2和atld3使频响曲线的峰值c和e分别降至d和f，对应的一阶频率分别为f12＝fs·β2和f13＝fs·β3，根据公式(4)和(5)对atld2和atld3的内半径r12、r13、外半径r22、r23、和液体高度h2、h3进行设计。分别将其代入公式(6)可求得atld2和atld3的一阶晃荡质量m12和m13，液体的晃荡阻尼ζ12和ζ13可由公式(3)求得。根据公式(2)绘制sdof-3atld的频响曲线，通过设置atld4和atld5使频响曲线的峰值g和j分别降至h和k,对应的一阶频率分别为f14＝fs·β4和f15＝fs·β5，根据公式(4)和(5)对atld4和atld5对的内半径r14、r15、外半径r24、r25、和液体高度h4、h5进行设计。依次类推，可以设计atld6、atld7…。

最后，通过地震动时程分析来观察多环形调谐液体阻尼器对复合套管动力响应的减震效果，进而给出最优的环形调谐液体阻尼器的个数。

与现有技术相比，本发明的有益效果是充分利用复合套管顶部集油盒内提供的空间进行多环形调谐液体阻尼器设计，所采用的多环形调谐液体阻尼器的设计方法物理意义明确，且能够快速确定最优环形调谐液体阻尼器的个数。该多环形调谐液体阻尼器可提供较宽的减震频带，可以适用于不同场地条件下特高压复合套管的减震设计。

附图说明

图1是设置多环形调谐液体阻尼器的特高压复合套管结构示意图；

图2是多环形调谐液体阻尼器设计原理示意图；

图3是套管顶部位移峰值随环形调谐液体阻尼器个数的变化图；

图4是套管根部弯矩峰值随环形调谐液体阻尼器个数的变化图；

图5是设置5atld前后套管顶部位移时程对比图；

图6是设置5atld前后套管根部弯矩时程对比图。

图1中：1、导电杆；2、atld1；3、atld2；4、atld3；5、atld4；6、atld5；7、集油盒。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

(1)多环形调谐液体阻尼器的设计

选取1100kv特高压复合套管，其结构简图如图1所示，结构的质量为5212kg。采用有限元软件ansys进行模态分析，求得该结构的基频fs＝0.841hz。

该1100kv复合套管顶部的集油盒提供的环形容器的内半径为0.048m，外半径为0.37m。结构阻尼比βs＝2％，由公式(1)可得到sdof的频响曲线，设置atld1，令f11＝fs＝0.841hz，代入公式(4)和(5)可求得对应的液体高度h1＝0.143m。将h1代入公式(6)可求得atld1的一阶晃荡质量m11＝37.02kg，频率比γ11＝1，一阶晃荡阻尼比δ11＝1.07％由公式(3)求得；将以上参数代入公式(2)可得到sdof-1atld的频响曲线，设置atld2和atld3，令f12＝fs·β2＝0.807hz，f13＝fs·β3＝0.883hz，分别代入公式(4)和(5)可求得对应的液体高度h2＝0.127m，h3＝0.162m。将h2和h3代入公式(6)可求得atld2和atld3的一阶晃荡质量m12＝33.80kg，m13＝40.47kg，频率比γ12＝0.96，γ13＝1.05，一阶晃荡阻尼比δ12＝1.19％和δ13＝0.97％由公式(3)求得；依次类推可以得到atld4、atld5…的设计参数，前七个atld的设计参数如表1所示。

表1matld传递函数计算参数表

将设计好的多环形调谐液体阻尼器分层叠放在套管顶部的集油盒内部，如图1所示。

(2)结果分析

选取实测地震动对设置多环形调谐液体阻尼器前后的1100kv特高压复合套管进行动力时程分析。分别提取套管顶部的位移峰值和套管根部的弯矩峰值随atld个数的变化如图2和图3所示。由图可知，当在1100kv特高压复合套管顶部设置5atld时，对该套管结构的减震效果最好。此时，对套管顶部位移的减震率达到了49.86％，对套管根部弯矩的减震率达到了50.96％。图4和图5给出了在设置5atld前后的套管顶部的位移时程曲线和套管根部的弯矩时程曲线。从图中可以看出，在整个地震动激励过程中，5atld均具有较好的减震效果。

本项发明提出的多环形调谐液体阻尼器及其设计方法能够有效的减小1100kv特高压复合套管的动力响应。针对该复合套管结构，5atld为其最优的多环形调谐液体阻尼器的设计方案，且此时的减震效果能够达到50％左右。该多调谐液体阻尼器充分利用了套管顶部集油盒提供的环形空间，并分层置于集油盒内部。该减震装置具有可操作性强、减震效果好的特点。