一种变电站防爆安全性评估方法
【专利摘要】本发明涉及一种变电站防爆安全性评估方法，包括以下步骤：S1，在爆炸事故发生后的变电站中选取多个被损坏对象作为评估点，建立各评估点的有限元模型并进行数值模拟，分别得到各评估点的动荷载曲线；S2，根据各评估点的动荷载曲线得到对应的爆炸荷载峰值，分别利用爆炸相似律确定各评估点附近区域的爆炸荷载峰值；S3，分别将各评估点及附近区域的爆炸荷载峰值等效成静力荷载；S4，分别根据各评估点及附近区域的静力荷载，进行结构静力学分析，评估变电站的防爆安全性。与现有技术相比，本发明评估结果准确，能为未来变电站的施工建设提供指引，降低爆炸的损失及威胁。
【专利说明】
一种变电站防爆安全性评估方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种防爆安全性评估方法，尤其是涉及一种变电站防爆安全性评估方 法。
【背景技术】
[0002] 变电站是电力系统中变换电压、接受和分配电能、控制电力的流向和调整电压的 电力设施，它的主要设备是开关和变压器，主变压器放置在主变室。变电站通过变压器将各 级电压的电网联系起来。为了把发电厂发出来的电能输送到较远的地方，就必须借助变电 站，先把电压升高，变为高压电，到用户附近再按需要把电压降低。变电站的主要设备和连 接方式，按其功能不同而有差异。
[0003] 变电站爆炸一般由高压设备短路造成。短路发生时，高压设备中的电弧瞬间释放 较大电火花及热量，可能引燃设备中的冷却油而发生爆炸。爆炸会损坏变电站建筑的主体 结构(如混凝土框架结构的板、梁和柱）。在房屋重新使用或修复加固前，需要评估结构安全 性。这一程序中最关键的一点，是确定爆炸荷载的大小与分布，然而对于变电站建筑内的设 备爆炸，爆炸源可释放能量及能量释放速率未知，目前没有一个很有效的爆炸荷载计算方 法，也无法对变电站内各区域进行静力荷载分析，从而评估安全性。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种有效计算出变 电站内各区域静力荷载并进行结构静力分析的变电站防爆安全性评估方法。
[0005] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0006] -种变电站防爆安全性评估方法，包括以下步骤：
[0007] Sl，在爆炸事故发生后的变电站中选取多个被损坏对象作为评估点，获取评估点 的材料、结构和破坏程度，建立各评估点的有限元模型并进行数值模拟，分别得到各评估 点的动荷载曲线；
[0008] S2,根据各评估点的动荷载曲线得到对应的爆炸荷载峰值，分别利用爆炸相似律 确定各评估点附近区域的爆炸荷载峰值；
[0009] S3,根据结构动力学原理，分别将各评估点及附近区域的爆炸荷载峰值等效成静 力荷载；
[0010] S4,分别根据各评估点及附近区域的静力荷载，进行结构静力学分析，评估变电站 的防爆安全性。
[0011] 所述的步骤Sl中，有限元模型的建立和数值模拟采用LS-DYNA软件实现。
[0012] 所述的步骤Sl包括以下步骤：
[0013] Sll，选择评估点，根据评估点的材料和结构，分另键立评估点的有限元模型；
[0014] S12,分别从零开始逐渐增加有限元模型受到的动力荷载，使有限元模型结构被破 坏，直到有限元模型的破坏程度与评估点的破坏程度相等，得到各评估点的动荷载曲线，曲 线横坐标为时间，纵坐标为压强。
[0015] 所述的步骤S2包括以下步骤：
[0016] S21，根据评估点的爆炸荷载峰值确定入射波超压峰值；
[0017] S22，根据式（1)确定爆炸源等效TNT炸药当量，
[0018]
[0019] 其中，Δ ps为入射波超压峰值，单位为kPa，Z为比例距离，Z = R/W1/3，R为距爆炸源 的距离，单位为m，W为TNT炸药当量，单位为吨；
[0020] S23,根据式（1)，确定评估点附近区域的入射波超压峰值，然后确定爆炸荷载峰 值。
[0021]所述的步骤S21和S23中，爆炸载荷峰值除以反射系数为入射波超压峰值。
[0022]所述的步骤S3中，构件的动力系数乘以爆炸荷载峰值得到等效静力荷载。
[0023]所述的步骤S4中，结构静力学分析采用SAP2000软件进行。
[0024] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0025] (1)由于变电站周边环境较复杂，爆炸冲击波存在多重反射采，用数值模拟得到爆 炸载荷，得到的结果贴近实际情况。
[0026] (2)有限元模型的建立和数值模拟采用LS-DYNA软件实现，使用方便，有助于进行 爆炸过程与结构反应的一体化分析。
[0027] (3)利用爆炸相似律和结构动力学原理得到评估点附近区域的等效静载荷，从而 对个评估点及附近区域进行结构静力学分析，评估变电站的防爆安全性，评估结果与实际 一致;数值分析对象少，计算量小。
[0028] (4)结构静力学分析采用SAP2000,空间建模方便，荷载计算功能完善，可从CAD等 软件导入，文本输入输出功能完善。
【附图说明】
[0029]图1为本发明方法的流程图；
[0030]图2为本实施例采用的爆炸荷载曲线形式；
[0031]图3为本实施例反射系数与入射角的关系图；
[0032] 图4为本实施例变电站内某窗户本构模型图；
[0033] 图5为本实施例作用在窗户上的时程曲线图；
[0034]图6为本实施例超压峰值为4.5kPa时节点51位移时间曲线；
[0035]图7为本实施例超压峰值为4.5kPa时节点51加速度时间曲线；
[0036]图8为本实施例荷载峰值为4.51kPa时节点51的位移时间曲线；
[0037]图9为本实施例220kV变电站压强-时间曲线图；
[0038]图10(a)为本实施例Ql水平荷载(Y向）分布图；
[0039]图10(b)为图10(a)的1-1剖视图。
【具体实施方式】
[0040]下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案 为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于 下述的实施例。
[0041 ] 实施例
[0042] 如图1所示，一种变电站防爆安全性评估方法，包括以下步骤：
[0043] Sl，在爆炸事故发生后的变电站中选取多个被损坏对象作为评估点，获取评估点 的材料、结构和破坏程度，采用LS-DYNA软件建立各评估点的有限元模型并进行数值模拟， 分别得到各评估点的动荷载曲线；
[0044] 爆炸最重要的一个特征就是在爆炸点周围介质中发生急剧的压力突跃，这种突跃 是造成周围介质破坏的直接原因。具体来说，当炸药在空气中爆炸时，炸药所内含的化学能 会在极短的时间内转变为热能，并且将反应物瞬间加热到3~5 X IO3K的高温和1.0 lkPa的 高压状态。这样，爆炸气体产物便会向周围迅速膨胀做功，同时高速冲击着周围的空气，从 而形成空气冲击波。由于这种冲击波是受到波阵面后方的爆炸气体产物及空气强烈压缩而 形成的，因此冲击波波阵面通过前后的介质的状态参数是不连续的，是一种突跃的间断变 化。当爆炸产物停止膨胀时，空气冲击波就与爆炸产物脱离，并独自向前传播，而此时爆源 附近由于得不到空气的及时补充，形成了空气稀疏区，即所谓的负压区。
[0045] 这样的爆炸冲击波作用到建筑物表面后，便形成爆炸荷载。爆炸荷载可以通过经 验公式或者数值模拟两种方法来确定，当爆炸发生在自由空气中时，若距离目标结构较远， 用经验公式也能满足精度要求;但当爆炸周边环境较复杂时，爆炸冲击波的多重反射等效 应则不能忽略，这时通过数值模拟可以得到较好的结果。
[0046] 当研究较复杂结构内部发生的爆炸，或者建筑群中发生的爆炸时，由于此时爆炸 冲击波会在结构的多个表面发生不同程度的反射，而不同方向反射回来的冲击波再彼此叠 加，这使得实际作用到某构件表面的爆炸荷载变得异常复杂。在这种情况下，仅仅使用爆炸 荷载的经验公式很难得到令人满意的结果。为此，不少学者与研究机构针对爆炸荷载计算 的不同需求相继开发了相应的计算软件。这些爆炸荷载计算软件中，以ANSYS公司的 AUT0DYN3D和LS-DYNA最为著名。这两款软件除了可以计算爆炸荷载外，还具有强大的有限 元计算功能，可以对复杂的结构进行分析。另外软件具备的流固耦合分析功能也有助于进 行爆炸过程与结构反应的一体化分析。很多学者均使用这两款软件分析了爆炸荷载作用下 构件或结构的反应。本发明也使用LS-DYNA对爆炸冲击波在自由场空气及有障碍墙阻挡下 的传播进行数值模拟，并与经验公式的结果进行对比以确定数值模拟的相关算法及材料参 数。
[0047]步骤Sl具体包括：
[0048] Sll，选择评估点，根据评估点的材料和结构，分别建立评估点的有限元模型；
[0049] S12,分别从零开始逐渐增加有限元模型受到的动力荷载，使有限元模型结构被破 坏，直到有限元模型的破坏程度与评估点的破坏程度相等，得到各评估点的动荷载曲线，曲 线横坐标为时间，纵坐标为压强。
[0050] 爆炸冲击波随时间变化的规律是一条曲线，当爆炸距离目标较远或者研究对象为 单个结构构件时，可以使用简化的折线形式描述构件所受到的爆炸荷载。一般而言，爆炸冲 击波的负压区对刚度较大的结构构件，特别是钢筋混凝土构件的影响可以忽略不计，因此 可以在分析时不考虑负压区。不少学者在研究爆炸荷载作用下目标反应时，都会将曲线的 冲击波荷载时程曲线予以简化，最方便的简化就是认为爆炸荷载是从峰值随时间线性衰减 到O的脉冲荷载;如果考虑爆炸冲击波的升压时间，可以采用两折线来表示;若考虑爆炸荷 载的逐步衰减，可以采用三折线的形式;甚至有时可以直接将爆炸荷载当作一个均布荷载 施加在研究对象上，这一般属于爆燃的情况。另外，在研究爆炸冲击对玻璃幕墙的影响时， 则必须将负压区也予以考虑。
[0051] 本发明在爆炸荷载作用下构件反应分析时，为简化起见，采用了图3所示的爆炸荷 载形式。
[0052] S2,根据各评估点的动荷载曲线得到对应的爆炸荷载峰值，分别利用爆炸相似律 确定各评估点附近区域的爆炸荷载峰值；
[0053] 具体包括：
[0054] S21，根据评估点的爆炸荷载峰值确定入射波超压峰值，爆炸载荷峰值除以反射系 数为入射波超压峰值；
[0055] 爆炸产生的冲击波在自由空气中以入射波的形式传播，当碰到密度大于空气的建 筑结构时，会发生冲击波的反射，先前的入射波会以反射波的形式向爆源回弹。而结构所受 到的爆炸荷载正是这个反射冲击波。
[0056] 反射波的超压比入射波来得大，一般可达到入射波超压的2倍以上，不同的入射角 也会造成反射波超压的不同。一般将反射波与入射波的超压比值A Pr/ △仏定义为反射系数 Cra，反射系数与入射角的关系如图2所示，对于本实施例超压相对较低以及入射角大多为 60-90度的情况，反射系数近似取2;
[0057] S22，根据式（1)确定爆炸源等效TNT炸药当量，
[0058]
[0059] 其中，Δ ps为入射波超压峰值，单位为kPa，Z为比例距离，Z = R/W1/3，R为距爆炸源 的距离，单位为m，W为TNT炸药当量，单位为吨；
[0060] 由于直接通过大当量炸药的原型试验来研究爆炸冲击波通常比较困难，且费用高 昂。为了使得小药量试验所得数据及针对特定情况计算所得的结果能扩大应用范围，必须 建立爆炸的相似定律。通过相似定律的相似变换，可以将小尺寸模型中得到的基本规律推 广到实际模型中去。
[0061] 爆炸相似律又称为立方根定律，主要描述相似的爆炸现象之间的规律性。该规律 性一般表述为:两个不同尺寸、相同成分、几何相似的炸药在相同大气中爆炸时，在相同的 比例距离上产生幅值相等的两个自相似爆炸波。其中的比例距离Z = R/WV3(R为爆炸距离;W 为TNT炸药的当量）。
[0062] 爆炸相似律是设计试验模型、将模型试验结果推广到原型应用的主要依据。爆炸 现象中确定相关参数(如峰值超压等）的公式均由相似理论建立。本实施例的式（1)即根据 爆炸相似率建立；
[0063] S23,根据式（1)，确定评估点附近区域的入射波超压峰值，然后确定爆炸荷载峰 值。
[0064] S3,根据结构动力学原理，分别将各评估点及附近区域的爆炸荷载峰值等效成静 力荷载。
[0065]根据静/动内力等效原则，得到构件的动力系数。用动力系数乘以动荷载峰值得到 等效静荷载，然后采用目前基于静力学的计算方法设计构件
[0066] S4,分别根据各评估点及附近区域的静力荷载，采用SAP2000软件进行结构静力学 分析，评估变电站的防爆安全性。
[0067]以某实际发生爆炸的IlOkv变电站内的一扇窗户为例，首先建立有限元模型，在模 型中窗户采用*MAT_ELASTIC材料，弹簧采用*MAT_SPRING_ELASTIC材料，本构模型见图4，失 效变形取为3mm。假设作用在窗户上的时程曲线的持时见图5,即选取爆炸总持时为100ms， 相应的超压峰值则通过迭代试算分析得到。
[0068]经过迭代分析得到相应的峰值为4.5kPa时(见图5)，得到的窗户位移时程曲线，加 速度时程曲线见图6和图7。其中节点51是位于窗户模型的右上角。
[0069]当峰值为4.51kPa时，窗户飞出，位移没有震荡回到初始位置，而是逐步增大，见图 8。这表明全部弹簧失效了。
[0070] 利用以上的分析方法可以得到相应的IlOkV变电站的超压峰值荷载，由于在实际 中存在两种变电站类别，由于并不存在220kV发生爆炸的数据，故此处根据类比分析的方 法得到相应220kV的超压峰值荷载，具体过程如下。
[0071] 根据提供资料可知，爆炸源为主变室的机器用油，因此根据油量的多少作为类比 标准。发生的爆炸的变电站油量为15吨，220kV变电站的油量存在两种规格此处取为70吨， 根据TNT等效的原则可以计算得出相应的等效TNT重量，然后根据IlOkV的计算方法即可得 到相应的等效静力荷载。图9为220kV变电站压强-时间曲线。
[0072] 由数值模拟得到的是动力荷载时程曲线，在实际应用不太方便，因此需要通过一 定原则将动力荷载转化为等效的静力荷载。由结构动力学知识，根据静/动内力等效原则， 得到构件的动力系数。用动力系数乘以动荷载峰值得到等效静荷载。然后采用目前基于静 力学的计算方法设计构件，即
[0073] qe = KdPc
[0074] 式中：qe为作用在墙上的均布等效静荷载标准值，Kd为动力系数，P。为作用在墙上 的动荷载最大压力，其中K d的取值按下式计算：
[0075]
[0076] [β]为结构构件的延性系数，在本实施例取1.25。
[0077] 表4.1 IlOkV等效静力荷载表
[0079] 注:I、表4.1中R为距离爆炸源的距离;P为相应的等效静力荷载；
[0080] 2、表4.1适用于IlOkV变电站。
[0081 ] 表4.2 220kV等效静力荷载表
[0083]对于11OkV变电站，计算得到的等效静力荷载见表4 · 1。表4 · 1仅给出以0 · 5米为步 长的结果。依据参与爆炸的油量百分比相同的假设，得到220kV变电站发生爆炸的等效静力 荷载，见表4.2。
[0084]当采用等效静荷载法进行结构动力计算时，宜将结构体系拆成顶板、外墙、底板等 结构构件，分别按照单独的等效单自由度体系进行动力分析。本实施例对主变电室进行结 构静力分析时，将主变室拆分为隔墙单元、顶板单元和框架结构三部分分别进行分析。 [0085]下面以隔墙单元为例，对静力分析进行说明。
[0086]具体步骤如下：①将构件划分为若干个规则单元;②计算出每个单元形心至爆炸 源的距离;③根据附录B计算出每个单元上需要施加的静力荷载;④设置好边界条件后，可 以对模型进行计算。
[0087] I IOkV变电站建筑物占地面积960平方米，总建筑面积2405平方米。为梁板式筏板 基础的现浇框架结构，地上二层，半地下一层。建筑物长42.45米，宽22.60米，建筑物总高 12.4米。±0.000m以上楼板、梁、柱、楼梯均为C30混凝土。±0.000m标高以下填充墙采用240 厚MUlO烧结环保型淤泥砖，RMlO商品砂浆砌筑。标高±0.0 OOm以上墙体采用240厚MU7.5烧 结环保型淤泥砖，除底层采用RMlO商品砂浆砌筑，其余楼层均采用RM7.5混合砂浆砌筑。发 生爆炸的主变室为1#主变室，下面主要分析1#主变室地面以上部分结构构件。
[0088] 根据填充墙施工的做法，即填充墙和框架柱采用柔性连接可以判断，填充墙四边 连接更接近于铰接。填充墙在较大水平荷载作用下，会发生剪切破坏。根据填充墙所用材 料，结合《砌体结构设计规范》(GB50003-2011)可知首层砌体抗剪强度标准值为0.272MPa (抗剪强度设计值乘以材料分项系数所得），二层砌体抗剪强度标准值为〇.224MPa。砖的弹 性模量及泊松比按照规范取值，分别取16000MPa和0.15。
[0089] 发生爆炸的房间为1#主变室，爆炸后受损较严重的墙为主变室与散热器室间隔墙 及及其对侧隔墙(两面隔墙对称，简称Ql)，另外两侧隔墙受影响相对较小（简称Q2)。首先选 取受损较严重的隔墙进行静力分析。Ql长9.6m，高取首层层高5m。在进行计算时，不考虑地 震和风荷载。将Ql划分为7(长度方向）X5(高度方向）的单元，通过计算每个单元距离爆点 的距离分别施加均布荷载，具体如图l〇(a)、(b)所示。
[0090] 计算结果显示，Ql在等效静力荷载作用下时，墙体中间位置的上部和下部剪应力 最大，最大值为0.291MPa，大于砌体抗剪强度标准值0.272MPa(标准值由《砌体结构设计规 范》(GB50003-2011)表3.2.2中抗剪强度设计值乘以材料分项系数所得）。其他部位应力相 对较小，没有达到砌块的剪应力标准值。同时，墙体中部位移最大，水平向位移最大值为 12.1_。这也和实际情况(即该面墙体中间位置上下部有较多较大裂缝)比较相符。
[0091 ] Q2长6.4m，高度同Ql。计算方法和Ql类似，不同之处在于Q2为外墙，需要考虑当天 的风荷载。经查询换算，需要在Q2施加同爆炸荷载方向相反的0.039kN/m2。计算结果表明， Q2在等效静力荷载作用下，墙体中剪应力最大值为0.138MPa，没有达到抗剪强度标准值。同 时墙体最大位移出现在中部，位移最大值为4.9mm。
[0092] Q1、Q2位置对应的上一层分别进行了类似的分析计算，结果表明，在等效静力荷载 作用下，墙体均没有达到最大应力标准值，最大剪应力分别为〇. 165MPa和0.098MPa，最大位 移则分别为6.2mm和3.1mm，均远小于下一层。Ql和Q2及其位置对应的上层墙体均没有破坏， 和实际情况一致。
[0093] 在获得评估结果以后，在以后的设计、施工中，在现有设计的基础上对规划布局、 隔离、选材等方面进行改进，来抵抗爆炸荷载，降低爆炸的损失及威胁。
【主权项】
1. 一种变电站防爆安全性评估方法，其特征在于，包括以下步骤： S1，在爆炸事故发生后的变电站中选取多个被损坏对象作为评估点，获取评估点的材 料、结构和破坏程度，建立各评估点的有限元模型并进行数值模拟，分别得到各评估点的动 荷载曲线； 52, 根据各评估点的动荷载曲线得到对应的爆炸荷载峰值，分别利用爆炸相似律确定 各评估点附近区域的爆炸荷载峰值； 53, 根据结构动力学原理，分别将各评估点及附近区域的爆炸荷载峰值等效成静力荷 载； 54, 分别根据各评估点及附近区域的静力荷载，进行结构静力学分析，评估变电站的防 爆安全性。2. 根据权利要求1所述的一种变电站防爆安全性评估方法，其特征在于，所述的步骤S1 中，有限元模型的建立和数值模拟采用LS-DYNA软件实现。3. 根据权利要求1所述的一种变电站防爆安全性评估方法，其特征在于，所述的步骤S1 包括以下步骤： S11，选择评估点，根据评估点的材料和结构，分别建立评估点的有限元模型； S12,分别从零开始逐渐增加有限元模型受到的动力荷载，使有限元模型结构被破坏， 直到有限元模型的破坏程度与评估点的破坏程度相等，得到各评估点的动荷载曲线，曲线 横坐标为时间，纵坐标为压强。4. 根据权利要求1所述的一种变电站防爆安全性评估方法，其特征在于，所述的步骤S2 包括以下步骤： S21，根据评估点的爆炸荷载峰值确定入射波超压峰值； S22，根据式(1)确定爆炸源等效TNT炸药当量，其中，APs为入射波超压峰值，单位为kPa，Z为比例距离，Z = R/WV3，R为距爆炸源的距 离，单位为m，W为TNT炸药当量，单位为吨； S23,根据式(1)，确定评估点附近区域的入射波超压峰值，然后确定爆炸荷载峰值。5. 根据权利要求4所述的一种变电站防爆安全性评估方法，其特征在于，所述的步骤 S21和S23中，爆炸载荷峰值除以反射系数为入射波超压峰值。6. 根据权利要求1所述的一种变电站防爆安全性评估方法，其特征在于，所述的步骤S3 中，构件的动力系数乘以爆炸荷载峰值得到等效静力荷载。7. 根据权利要求1所述的一种变电站防爆安全性评估方法，其特征在于，所述的步骤S4 中，结构静力学分析采用SAP2000软件进行。
【文档编号】G06F17/50GK106055832SQ201610455286
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年6月22日
【发明人】王建军, 陈祖元, 梁海生, 吕征宇
【申请人】国网上海市电力公司, 国网上海电力设计有限公司