本书内容包括三篇，分别介绍变电站/换流站设备的震害调查、变电站设备的抗震分析理论和应用，以及减隔震理论和相关应用。第D一篇内容包括国内外变电站/换流站设备的震害特征及抗震研究现状；汶川地震及一些主要地震下变电站设备的震害调查和统计。第二篇内容包括变压器/换流变压器的抗震理论及分析方法；支柱类设备的抗震理论及分析方法；悬挂类设备的抗震理论及分析方法；软导线、硬导线连接的设备抗震理论及分析方法；水平悬臂安装的穿墙套管的抗震理论及分析方法；设备耦联回路抗震分析及设计方法；变电站室内楼面设备的抗震性能及设计方法；变电站/换流站设备震损评估与抗震韧性。第三篇内容包括大型变压器隔震研究；支柱类设备的减隔震研究及应用；悬吊式换流阀的减震研究；特高压直流穿墙套管的减震研究及应用。
前言本书主要内容是作者近15年来持续不断地从事变电站/换流站抗震研究及工程应用的成果总结。全书共16章，第1、2章，主要介绍研究背景及现状、变电站的震害调查结果，以我国2008年的汶川大地震为主要介绍对象，同时对国内外近些年来的大地震所造成的变电站震害也进行介绍；第3章主要介绍变压器/换流变类设备的抗震性能；第4章介绍支柱类设备抗震性能分析；第5章介绍悬挂类设备的抗震分析；第6章介绍软导线连接电气设备的抗震性能分析；第7章介绍硬导线连接的电气设备抗震性能分析；第8章介绍±800kV特高压直流穿墙套管抗震性能分析；第9章介绍设备耦联回路抗震分析及设计；第10章介绍变电站室内楼面设备的抗震性能及设计；第11～14章，主要是针对特别重要设备的减隔震理论、方法及实际工程应用进行介绍；第11章介绍变电站/换流站设备震损评估与抗震韧性；第12章介绍大型变压器隔震研究；第13章介绍支柱类设备的减隔震研究；第14章介绍悬吊式换流阀的减震研究;第15章介绍 ±800kV特高压直流穿墙套管的减震研究；第16章介绍在运变电站抗震改造实例。本书的研究工作得到了国家自然科学基金特高压变电站设备体系地震下的耦联振动与抗震性能研究（编号：51878508）、国家重点研发计划课题变电站（换流站）电力设施抗震安全防护技术研究 （编号：2018YFC0809404-03）、 教j育y部霍英东教育基金会青年教师基金优选资助课题特高压电力系统重要设备的设计理论和技术研究（编号：114021）的资助。国家电网有限公司、中国南方电网有限责任公司超高压输电公司、中国电力科学研究院、中国南方电网有限责任公司电力科学研究院、国网四川省电力公司电力科学研究院、南网云南省电力有限责任公司电力科学研究院、国网湖南省电力有限公司防灾减灾中心、中国电力工程顾问集团有限公司西南电力设计院、中国电力工程顾问集团有限公司西北电力设计院、中国电力工程顾问集团有限公司中南电力设计院、中国能源建设集团有限公司云南省电力设计院、上海电力设计院有限公司、德国西门子股份公司（SIEMENS AG）、苏州阿尔斯通高压电气开关有限公司、特变电工股份有限公司、平高集团有限公司、河南平高电气股份有限公司、西安ABB电力电容器有限公司、南京电气（集团）有限责任公司、传奇电气（沈阳）有限公司、西安西电开关电气有限公司、西安西电高压套管有限公司、山东电力设备有限公司、辽宁锦兴电力金具科技股份有限公司等单位对作者团队的研究工作给予了大力的支持和帮助，在此表示感谢！同时，要特别感谢我的学生：朱瑞元博士、马国梁博士、何畅博士、杨振宇博士、文嘉意博士、李晓璇博士、梁黄彬博士，以及从事抗震研究的硕士：王亚非、王健生、陈辉、李秋熠、廖德芳、秦亮、王晓游、宾志强、张玥、徐俊鑫、姜斌、陈星、赖炜煌、陆军、孙新豪、边晓旭、陈云龙等，正是他们的共同劳动使得研究工作得以深入进行。此外，还要郑重感谢我的夫人刘少娜女士，是她多年来无微不至的关怀和照顾，使我可以心无旁骛地投身于研究工作中。本书虽经过多次修改和审定，但是由于作者学识有限，书中错误或不当之处在所难免，敬请读者批评指正。谢强2023年12月
谢强：同济大学教授，博士生导师，变电站抗震研究领域知名专家，兼有如下社会职务：美国土木工程师学会（ASCE）生命线工程抗震联合委员会（TCLEE）委员；电子与电气工程师学会IEEE693（变电站设备抗震设计）标准和IEEE1527（地震频发区域变电站母线连接设备的抗震设计）标准委员会委员；国际大电网会议CIGRE WG B1.54中国工作组成员；IEC SEG 13（电力设备极端自然环境及灾害防控）标准评估组委员中国电机工程学会电力防灾减灾专委会委员；中国地震学会地震工程专业委员会委员；中国电力企业联合会输变电设备仿真技术标准委员会委员；。获奖情况：获得中国电力科学科技进步二等奖（排名第二）、上海市科技进步二等奖（排名第D一）、一等奖（排名第七）、二等奖（排名第四），国家电网公司科技进步一等奖两次（2018年，排名第二；2008年，排名第四）、二等奖（2011年，排名第D一）。 2020年、2021年入选美国斯坦福大学发布的全球前2%顶尖科学家。
目录
前言
第一篇变电站/换流站设备的震害调查
第1章绪论2
1.1变电站（换流站）地震灾害概述2
1.1.1中国地震特点及其对变电站（换流站）的威胁2
1.1.2变电站（换流站）抗震面临的挑战2
1.1.3国内外变电站震害实例3
1.2变电站设备结构特点与抗震研究现状3
1.2.1变电站（换流站）设备结构基本特征与分类3
1.2.2变电站（换流站）抗震研究现状5
1.3小结8
第2章变电站设备的震害9
2.1汶川地震变电站设备典型震害特征9
2.1.1变压器的震害特征9
2.1.2支柱类设备的震害特征13
2.1.3耦联设备的震害特征21
2.1.4悬吊类设备的震害特征24
2.1.5楼面设备的震害特征25
2.1.6其他类型设备的震害特征26
2.2近年变电站设备震害统计28
2.2.1玉树地震震害统计28
2.2.2云南昭通地震震害统计28
2.2.3芦山地震震害统计29
2.2.4九寨沟地震震害统计30
2.2.5海地地震震害统计31
2.2.6新西兰地震震害统计31
2.2.7日本311地震震害统计32
2.3小结33
第二篇变电站设备的抗震分析理论和应用
第3章变压器/换流变压器抗震性能分析35
3.1引言35
3.2变压器/换流变压器的结构组成及特征35
3.2.1铁芯和绕组36
3.2.2箱体及绝缘油36
3.2.3绝缘套管36
3.2.4油枕和散热器37
3.3变压器/换流变压器的地震响应分析37
3.3.1500kV变压器有限元分析37
3.3.2±800kV换流变压器有限元分析40
3.3.31000kV变压器有限元分析42
3.4220kV仿真变压器地震模拟振动台试验44
3.4.1220kV仿真变压器有限元分析44
3.4.2220kV仿真变压器试验模型45
3.4.3试验方案47
3.4.4试验结果及分析48
3.5变压器套管体系理论模型52
3.5.1基本假定52
3.5.2变压器套管体系串联分布参数模型52
3.5.3理论模型的检验57
3.6变压器套管体系的抗震性能提升措施60
3.6.1支撑加固的变压器套管体系有限元分析60
3.6.2支撑加固的变压器套管体系的振动台试验验证62
3.7特高压变压器套管抗震性能及振动台试验67
3.7.1特高压变压器套管及法兰67
3.7.2特高压变压器套管有限元分析69
3.7.3特高压变压器套管振动台试验70
3.8小结74
第4章支柱类设备抗震性能分析75
4.1引言75
4.2支柱类设备理论模型75
4.2.1支柱类设备串联分布参数模型75
4.2.2电气设备柔性节点支架体系动力模型77
4.3设备与支架的相互作用80
4.3.1体系自振频率参数分析80
4.3.2支柱类电气设备的地震响应85
4.3.3支架对GIS套管抗震性能的影响87
4.4单支柱类设备振动台试验93
4.4.1试验概况93
4.4.2试验结果分析94
4.5多支柱类设备振动台试验96
4.5.1220kV隔离开关地震模拟振动台试验研究96
4.5.2800kV特高压隔离开关地震模拟振动台试验101
4.5.3试验结果103
4.6层间型支柱类设备的抗震分析104
4.6.1电容器塔参数及模态分析104
4.6.2电容器塔地震响应分析105
4.7小结107
第5章悬挂类设备抗震性能分析108
5.1引言108
5.2换流阀抗震性能分析109
5.2.1层间铰接式换流阀抗震性能分析109
5.2.2层间刚接式换流阀抗震性能分析116
5.2.3换流阀方案对比124
5.3滤波电容器抗震性能分析125
5.3.1滤波电容器单体抗震性能分析125
5.3.2滤波电容器单体与耦联状态抗震性能对比分析132
5.4小结138
5.4.1悬吊式换流阀138
5.4.2滤波电容器138
第6章软导线连接电气设备的抗震性能分析140
6.1引言140
6.2不考虑抗弯刚度的软导线力学性能141
6.2.1导线位形及水平端子力141
6.2.2导线刚度142
6.3不考虑软导线抗弯刚度的耦联体系的动力模型143
6.4不考虑软导线抗弯刚度的耦联体系参数分析144
6.4.1垂跨比的影响144
6.4.2设备频率的影响145
6.5软导线耦联设备体系地震模拟振动台试验147
6.5.1试验概况147
6.5.2试验结果分析148
6.6分裂导线力学模型与力学性能150
6.6.1链式空间梁约束模型151
6.6.2考虑抗弯刚度的软导线力学模型154
6.6.3分裂导线模型156
6.6.4分裂导线模型试验158
6.6.5分裂导线参数分析160
6.7分裂导线连接的电气设备耦联体系地震响应164
6.7.1分裂导线连接的特高压电气设备耦联体系动力模型164
6.7.2动力模型数值计算方法166
6.7.3分裂导线对耦联体系地震响应的影响168
6.7.4电气设备频率对耦联体系地震响应的影响173
6.8小结175
第7章硬导线连接的电气设备抗震性能分析176
7.1引言176
7.2特高压复合支柱绝缘子耦联体系抗震性能数值分析176
7.2.1有限元仿真模型177
7.2.2支柱绝缘子耦联体系地震响应有限元数值仿真结果178
7.2.3简化连接的支柱绝缘子耦联体系地震响应计算分析181
7.3硬导线连接的支柱类设备整体分析方法181
7.3.1模型计算简图及假定181
7.3.2硬导线耦联体系运动方程182
7.4硬导线连接的支柱类设备在弱耦联情形下的隔离分析方法183
7.4.1弱耦联体系基本特征分析难点184
7.4.2求解思路184
7.4.3支柱子结构隔离体分析187
7.4.4连接件隔离体分析188
7.4.5隔离分析方法的简要讨论与评价189
7.5±800kV特高压支柱绝缘子耦联体系振动台试验190
7.5.1试验概况190
7.5.2支柱绝缘子耦联体系振动台试验结果192
7.5.3振动台试验结果分析193
7.5.4硬导线耦联体系整体分析方法验证196
7.5.5硬导线耦联体系考虑弱耦联效应的隔离分析方法验证198
7.5.6整体法与隔离法差异分析200
7.6硬导线连接的支柱类设备参数分析201
7.6.1连接刚度对自振频率影响201
7.6.2两设备结构参数对自振频率影响202
7.6.3连接刚度对地震响应影响203
7.6.4两设备结构参数对地震响应影响203
7.6.5非比例阻尼影响204
7.7硬导线连接的支柱类设备耦联体系抗震设计建议206
7.7.1硬导线耦联设备反应谱法计算地震响应参数分析206
7.7.2硬导线连接的支柱类设备耦联体系抗震设计方法207
7.8小结209
第8章±800kV特高压直流穿墙套管抗震性能分析210
8.1引言210
8.2±800kV特高压直流穿墙套管动力特性及地震响应分析210
8.2.1穿墙套管结构特征 210
8.2.2穿墙套管有限元模型211
8.2.3穿墙套管动力特性分析 212
8.2.4地震响应分析 213
8.3±800kV特高压直流穿墙套管振动台试验研究214
8.3.1±800kV特高压穿墙套管结构参数 214
8.3.2试验方案及传感器布置 215
8.3.3特高压穿墙套管动力特性及地震响应 216
8.3.4安装板扭摆效应的影响 220
8.4穿墙套管阀厅体系抗震性能评估及提升221
8.4.1穿墙套管阀厅体系的地震响应 221
8.4.2穿墙套管与阀厅之间的相互作用 224
8.4.3抗震性能提升措施 227
8.5±800kV特高压直流穿墙套管地震易损性分析229
8.5.1多样条的易损性分析方法 229
8.5.2穿墙套管阀厅体系地震易损性分析 230
8.6小结232
第9章设备耦联回路抗震分析及设计234
9.1引言234
9.2特高压换流站典型设备回路抗震性能分析234
9.2.1换流变压器回路234
9.2.2阀厅回路240
9.2.3GIL回路242
9.2.4直流滤波器回路249
9.2.5交流滤波器回路252
9.3特高压换流站耦联回路抗震解耦设计256
9.3.1直流场区域256
9.3.2阀厅及换流变区域259
9.3.3交流场区域265
9.4小结267
第10章变电站室内楼面设备的抗震性能及设计268
10.1概述268
10.2变电站楼面设备体系仿真建模与动力特性分析269
10.2.1变电站楼面设备体系有限元建模269
10.2.2变电站楼面设备体系动力特性分析273
10.3变电站楼面设备地震响应分析274
10.3.1楼面加速度放大系数峰值274
10.3.2楼面谱加速度放大系数曲线275
10.4楼面电气设备抗震设计反应谱283
10.4.1计算模型与计算公式283
10.4.2楼面加速度峰值放大系数283
10.4.3楼面谱加速度放大系数283
10.4.4相关系数影响分析284
10.5规范对比与算例分析285
10.5.1规范对比285
10.5.2算例分析286
10.6小结287
第11章变电站/换流站设备震损评估与抗震韧性288
11.1概述288
11.2换流站设备与关键回路基于经典方法的易损性分析288
11.2.1多样条的易损性分析方法288
11.2.2穿墙套管阀厅体系地震易损性分析289
11.3变电站回路基于地震动聚类方法的易损性分析291
11.3.1地震动主成分分析与聚类291
11.3.2基于地震动聚类的易损性分析方法295
11.4变电站/换流站设备的震后损伤识别方法299
11.4.1电气设备两阶段地震实时损伤识别方法300
11.4.2振动台试验破坏工况301
11.4.3损伤识别结果302
11.5变电站/换流站抗震韧性基本概念与案例分析304
11.5.1变电站/换流站抗震韧性的基本概念305
11.5.2考虑地震危险性的蒙特卡罗(Monte Carlo)模拟305
11.5.3抗震韧性指标对比308
11.5.4抗震韧性评估方法总结312
11.6小结312
第三篇减隔震理论和相关应用
第12章大型变压器隔震研究315
12.1概述315
12.2变压器隔震原理315
12.2.1隔震结构的自振周期315
12.2.2大型变压器隔震设计目标316
12.2.3等效线性化隔震设计318
12.2.4隔震支座类型的选择320
12.3采用组合橡胶隔震支座的变压器地震模拟振动台试验321
12.3.1试验概况322
12.3.2动力特性323
12.3.3地震响应323
12.4采用滑动摩擦摆隔震的变压器地震模拟振动台试验325
12.4.1滑动摩擦摆隔震原理325
12.4.2试验概况326
12.4.3试验结果328
12.5不同隔震体系下大型变压器地震响应对比330
12.5.1隔震层参数选取331
12.5.2换流变压器隔震体系数值模型332
12.5.3地震响应335
12.6大型变压器设置隔震装置的经济效益分析342
12.6.1震后恢复成本组成342
12.6.2易损性分析344
12.6.3经济性分析345
12.7小结347
第13章支柱类设备的减隔震研究348
13.1概述348
13.2地震响应分析348
13.2.1结构介绍与有限元模型348
13.2.2地震响应分析349
13.2.3支架加固方案353
13.3支柱设备隔震支座设计方法354
13.3.1基于模态参数的带隔震支座支柱类设备等效计算模型355
13.3.2支柱类设备隔震支座优化设计以旁路开关为例357
13.3.3中间隔震带设计361
13.3.4等效模型及隔震装置效果验证364
13.4旁路开关复合隔震支座设计与试验367
13.4.1复合支座设计与数值分析367
13.4.2振动台试验371
13.5隔震支座工程应用案例377
13.6小结378
第14章悬吊式换流阀的减震研究380
14.1引言380
14.2悬吊式换流阀张拉式减振控制装置381
14.2.1张拉式减振控制装置设置381
14.2.2简化分析模型381
14.2.3减振措施参数分析384
14.2.4减振效果分析387
14.2.5阀厅阀塔体系振动台试验389
14.3悬吊式换流阀支柱体系相互作用及减震控制392
14.3.1悬吊式换流阀换流阀厅缩尺模型振动台试验设计392
14.3.2悬吊式换流阀换流阀厅缩尺模型振动台试验结果397
14.3.3多层悬吊换流阀支柱耦联体系分析模型402
14.3.4管母对阀塔-支柱体系的影响405
14.4小结414
第15章±800kV特高压直流穿墙套管的减震研究416
15.1引言416
15.2穿墙套管减震装置设计及参数选取416
15.2.1减震装置参数分析416
15.2.2减震效果分析424
15.3穿墙套管减震前后振动台试验研究427
15.3.1试验概况427
15.3.2减震前后穿墙套管响应430
15.3.3试验与数值仿真模拟结果对比434
15.4工程案例436
15.4.1减震设计的背景437
15.4.2减震设计的要点437
15.5小结438
第16章在运变电站抗震改造实例440
16.1避雷器现场改造440
16.2电流互感器现场改造442
16.3电抗器现场改造443
16.4断路器现场改造444
16.4.1断路器在平面内方向改造444
16.4.2断路器在平面外方向改造444
16.5小结447
参考文献448
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