сейсмозащитное опорное устройство для электрооборудования подстанций

Формула изобретения

СЕЙСМОЗАЩИТНОЕ ОПОРНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ПОДСТАНЦИЙ, включающее опору и демпфер, установленный между опорой и электроаппаратом оборудования, отличающееся тем, что опора выполнена в виде сваи-стойки, а демпфер - в виде верхней и нижней жестких кольцевых пластин и гибких вертикальных стержней, равномерно установленных между пластинами и прикрепленных своими концами к их внешним боковым торцам, причем стержни изогнуты в вертикальной плоскости по форме полуокружности, а кольцевые пластины выполнены со сквозными отверстиями под элементы для крепления пластин к соединительным деталям электроаппарата и опоры, при этом внешний радиус кольцевых пластин, радиус R_с сваи-стойки, радиус R изгиба стержней, их диаметр d и количество n определены из соотношений

r= (079-1,0)R_с;

R/= -0,5-2,0;

0,035 d/<0,085,<BR> исключая область резонанса n 8.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к строительству и может быть использовано для обеспечения сейсмостойкости оборудования подстанций, устанавливаемого на опорах, при землетрясении и с интенсивностью 6 баллов и более.

Известно сейсмостойкое устройство, содержащее расположенные друг над другом стаканы с вогнутыми опорными поверхностями, образованными вращением кривых колотоид, переходящих к середине стаканов в прямую линию, и установленный между опорными поверхностями стаканов элемент подвижной связи, выполненный в виде шара [1]

Описанная конструкция при землетрясении силой в 9 баллов полностью перекрывает амплитуду колебаний почвы, принятую институтом Физики Земли и равную 8,1-16 мм.

Недостатком известной конструкции является сложность ее выполнения, большая материалоемкость, а также невозможность использования для стержневых конструкций электрооборудования подстанций из-за сложности сочленения с опорой и защищаемым электроаппаратом.

Известно сейсмозащитное опорное устройство для электрооборудования, преимущественно электроизоляторы, включающее мачты, траверсы, закрепленные на верхних торцах мачт, и опорные элементы, выполненные в виде вертикальных стоек, опертых нижними торцами на грунтовое основание и шарнирно соединенные верхними торцами с электрооборудованием. Шарнирное соединение представляет собой трубку, закрепленную к закладной детали вертикальной стойки, в которую вставлена пружина и цилиндрическая пластинка. На пластинке выполнено шаровое углубление, в которое своим нижним сферическим торцем вставлен штырь, соединенный верхним торцем с фланцем электрооборудования. В нижней части трубки выполнены отверстия, предназначенные для вытекания попадающей в трубку воды [2]

Описанное устройство является наиболее близким по функциональному назначению к предложенному.

Задача изобретения заключается в обеспечении сейсмостойкости при землетрясении до 9 баллов путем снижения вибрационных нагрузок, передаваемых на защищаемый электроаппарат.

Задача решается за счет того, что в сейсмозащитном опорном устройстве для электрооборудования подстанций, включаю- щем опору и демпфер, установленный между опорой и электроаппаратом оборудования, опоры выполнена в виде сваи-стойки, а демпфер в виде верхней и нижней жестких горизонтальных пластин и вертикальных стержней, равномерно установленных между пластинами и прикрепленных своими нижними концами к их внешним боковым торцам, причем стержни изогнуты в вертикальной плоскости по форме полуокружности, а кольцевые пластины выполнены со сквозными отверстиями под элементы для крепления пластин к соединительным деталям электроаппарата и опоры, при этом внешний радиус кольцевых пластин, радиус R_c сваи-стойки, радиус R изгиба стержней, их диаметр d и количество n определены из соотношений

(0,79-1,0)

R/ 0,5-2,0

0,035 d/ < 0,085, исключая область резонанса n 8.

На фиг.1 представлено схематическое изображение предложенного устройства с защищаемым электроаппаратом; на фиг.2 демпфер, вид сбоку; на фиг.3 разрез А-А на фиг.1.

Устройство содержит закрепленную в грунте стойку-сваю 1 с соединительным элементом 2 и демпфер 3. Защищаемый электроаппарат 4, оснащенный соединительным элементом 5, установлен на демпфере 3. Соединительные детали могут быть выполнены в виде фланцев. Демпфер 3 выполнен в виде двух жестких кольцевых пластин 6 и 7 с отверстиями 8 (фиг.2) для соединения с помощью крепежных элементов (не указаны) с соединительными деталями 2 и 5 соответственно стойки-сваи 1 и защищаемого электроаппарата 4. Верхняя 6 и нижняя 7 кольцевые пластины соединены между собой равномерно расположенными по их внешним торцам криволинейными стальными стержнями 9 с осью в виде полуокружности радиуса R.

Выбор внешнего радиуса кольцевых пластин 6 и 7, количества n и диаметра d стержней 9 и их зависимости от радиуса R изгиба (кривизны) стержней 9 определяется при проведении динамического анализа реакции стержневых конструкций защищаемого электроаппарата при интенсивности сейсмических воздействий в 9 баллов.

С механической точки зрения защищаемый электроаппарат 4 стержневой конструкции, закрепленный на стойке-свае 1, представляет собой систему из двух вертикальных стержней. При воздействии сейсмической волны интенсивностью свыше 6 баллов происходит значительное колебание грунта, в результате чего может быть разрушен электроаппарат 4 в месте крепления к стойке-свае 1. Для предотвращения разрушения электроаппарата стержневой конструкции между последним и стойкой-сваей 1 устанавливается закрепленный демпфер 3, который принимает на себя сейсмическую нагрузку. Стержни 9 демпфера, закрепленные равномерно к торцам жестких кольцевых пластин 6 и 7, воспринимает сейсмическую волну, приходящую с любого направления, и в случае интенсивности сейсмической волны свыше 6 баллов происходит деформация стержней 9, что предотвращает разрушение электроаппарата 4 в опасном сечении, прилегающем к демпфирующему элементу.

Динамический анализ реакции стержневых конструкций (защищаемого электроаппарата 4) при интенсивных сейсмических воздействиях проводится на основе численного интегрирования системы дифференциальных узлов уравнений, полученных с использованием метода конечных элементов

M + B + kf Q где f(t)-m мерный вектор узловых перемещений;

M, В, К матрицы инерции, демпфирования и жесткости размерностью

Q(t)-m мерный вектор внешних нагрузок, приведенный к узлам конечных элементов.

Алгоритм численного нахождения оптимальных параметров демпфера 3 состоит из следующих основных этапов. Сначала выбираются основные варьируемые параметры: диаметр d криволинейного стержня, его радиус кривизны R и число стержней n. Далее организуются циклы по этим параметрам и при каждом значении d, R и n вычисляются значения функционала. В пространстве варьируемых параметров подбираются такие их значения, которые приводят к минимальным значениям функционала

I(d, R, n) __ min Однако может оказаться, что минимальные значения функционала I(d, R, n) окажутся в области таких значений варьируемых параметров, при которых в системе сейсмозащиты возникнут чрезмерные напряжения и деформации, что может привести к аварийной ситуации разрушению демпфера 3 или опрокидыванию электроаппарата 4. Поэтому критерий оптимизации должен быть дополнен дополнительными условиями

max/_s(t) < _*

t

max/M_o(t) < М_*

t первое из которых условие прочности, второе опрокидывания. Наибольшее напряжение _s(t) в стержнях 9 демпфера 3 и опрокидывающий момент М_о(t) вычисляются через узловые перемещения в сечениях защищаемого электроаппарата 4 и стойки-сваи 1, примыкающих к демпферу 3.

_* допускаемое значение напряжения в стержнях 9, М_* предельное значение момента, соответствующее исчерпанию несущей способности демпфера 3 при образовании пластических шарниров во всех его стержнях 9.

Для вычисленной реализации проблемы подбора параметров демпфера 3 разработан комплекс прикладных программ применительно к персональным ЭВМ типа IBM PC AT/XT. Этот комплекс решает задачу численной оптимизации в несколько основных этапов. На первом этапе формируются матрицы жесткости и инерции для системы из стержневых элементов (защищаемый электроаппарат 4 и стойка-свая 1), которые соединены демпфером 3. Далее реализуется обобщенный метод вращения Якоби для решения полной проблемы собственных значений, в итоге находятся собственные частоты и формы колебаний. На третьем этапе вычислений генерируется искусственная акселерограмма землетрясения. Алгоритм моделирования акселерограмм основан на представлении сейсмического ускорения грунта. Затем проводится численное интегрирование методом Ньюмарка системы управления уравнений. На отрезке времени Т 20 с находятся максимальные значения параметров, определяющих целевую функцию и ограничения в задаче оптимизации напряжений _f(t) в опасном сечении защищаемого электроаппарата 4, напряжений _s(t) в демпфирующем 5 элементе и опрокидывающего момента М_о(t). При этом максимальное значение напряжения достигается через 9 с, в то время как максимум сотрясения грунта через 3 с.

Заключительный этап вычислений реализует алгоритм подбора оптимальных параметров демпфера 3.

Расчеты, проведенные для различных значений числа n криволинейных 9 стержней в демпфере 3, показывают, что напряжения в защищаемом электроаппарате _f и опрокидывающий момент М_о при увеличении n имеет тенденцию к незначительному возрастанию, а напряжение _s в стержнях 9 демпфера 3 существенно уменьшается. Существенно уменьшается также опасность опрокидывания, так как предельное значение М_* опрокидывающего момента значительно увеличивается. В целом увеличение числа n повышает эффективность работы демпфера 3, однако при n > 20 напряжение в защищаемом электроаппарате 4 и опрокидывающий момент практически не изменяются, а уменьшение напряжения _s за- медляется. Поэтому число стержней 9 демпфера должно быть не менее восьми, учитывая направления прихода сейсмической волны, и практически не более 20.

Исследование зависимости напряжений _f в защищаемом электроаппарате от радиуса кривизны R стержней 9 выявляет достаточно монотонный характер этой зависимости, имеющей тенденцию к уменьшению напряжений. Поэтому рекомендуемые значения отношения R/ 0,5-2,0 так как увеличение радиуса R свыше 2 нецелесообразно из-за увеличения габаритов и материалоемкости демпфера.

Изменение диаметра d криволинейных 9 стержней вызывает по сравнению с параметрами и довольно существенное влияние на напряжение _f в защищаемом электроаппарате и _s в демпфере 3, а также на опрокидывающий момент М_о и его предельное значение М_*.

Наименьшие значения напряжений в опасном сечении защищаемого электроаппарата достигаются в области малых значений диаметра d криволинейных 9 стержней. Однако в этой области будут нарушаться условия по прочности самих стержней 9 демпфера и устойчивости от опрокидывания. Область значений диаметра d, в которой выполняются ограничения по прочности демпфера и устойчивости от опрокидывания электроаппарата 4 будут располагаться при d/ > 0,085, что соответствует полному отсутствию пластических деформаций в стержнях 9 демпфера. Для дальнейшего снижения напряжений _f в защищаемом электроаппарате 4 с целью повышения эффективности работы демпфера 3 необходимо допустить наличие пластических деформаций в стержнях 9, поэтому соответствующая область значений 0,035 < d/ < <0,085, при этом верхняя граница соответствует первому моменту образования пластических деформаций, а нижняя полному исчерпанию несущей способности демпфера, когда пластические шарниры образуются во всех стержнях 9. Кроме того, весьма нежелательно попадать в резонансную область.

Был произведен расчет оптимальных параметров d, R, n демпфера при защите разрядника РВС-110М. Разрядник устанавливался на опоре УО-11-15, состоящей из погруженной в грунт сваи типа СН 65-39 и опоры, выполненной из стандартных уголковых и швеллерных профилей. Гирлянда керамических изоляторов разрядника крепилась на опоре посредством фланцевого соединения.

С механической точки зрения разрядник представляет собой систему из двух вертикальных стержней, соединенных демпфирующим элементом. Верхний стержень конструктивно выполнен из трех формовых изоляторов, соединенных фланцами суммарной массой М₁ 175 кг, длиной l₁ 2,91 м погонной массой F₁ 60 кг/м. Материал изолятора электротехнический фарфор с модулем упругости E_f 870 ГПа и пределом прочности на растяжение _f* 45 МПа. Поперечное сечение изолятора кольцевое с внешним диаметром 150 мм. Момент инерции этого сечения I₁ 1,7^.10^-5 м⁴, изгибная жесткость EI₁ 1,2 10⁶ нм², момент сопротивления при изгибе W2,28 10^-4 м^3.

Железобетонная свая общей массой М₂ 750 кг и длиной l₂ 6,5 м погружается в грунт на глубину 3,85 м. Длина надземной части составляет 2,65 м, а его погонная масса F₂ 115,4 кг/м. Приведенная изгибная жесткость железобетонной сваи EI₂ 0,5x x10⁶ нм².

Из конструктивных соображений внешний радиус кольцевой пластины демпфирующего элемента выбирается равным 0,2 м. Материал криволинейных стержней прокатная сталь Ст.3, для которой модуль упругости E 200 ГПа. Рассчитывая d, R, n определяем оптимальные значения демпфирующего элемента n 20 R/ 1,2, d/ 0,05, т.е. при 0,2 м и R 0,24 м, d 10 м, n 20, причем соотношение d/ 0,06 в данном расчете соответствует области резонанса.

Таким образом, основным критерием эффективности изобретения является существенное снижение напряжений в опасном сечении защищаемого электроаппарата по сравнению с уровнем напряжений в конструкции без демпфирующего элемента. При этом должны быть обеспечены условия прочности стержней демпфирующего элемента и их жесткость, нарушение которых может привести к разрушению стержней или потере устойчивости конструкции от опрокидывания. Эти условия обеспечиваются при соотношениях

(079. 1,0);

R/ 0,5 2,0;

0,036 d/ < 0,085, исключая область резонанса n 8, где внешний радиус кольцевых пластин;

R_c радиус сваи-стойки;

R радиус изгиба стержней;

n количество стержней.

Изобретение по данным проведенных расчетов гарантирует безаварийность работ электроаппаратов стержневых конструкций при землетрясении интенсивностью до 9 баллов.