《Buildings》：Seismic Response Amplification Mechanisms and Base-Isolation Retrofit Evaluation of a 500 kV Three-Phase Transformer with Steel Supports
编辑推荐：
钢支撑对大型三相电力变压器动力特性及地震需求的影响尚未得到充分量化。研究人员建立了500 kV三相变压器的三维有限元模型，对比了无钢支撑（NS）和有钢支撑（WS）两种构型。在七条三向地震动输入下，评估了模态特征及套管地震响应，进而分析了频率响应特性和整体油箱
钢支撑对大型三相电力变压器动力特性及地震需求的影响尚未得到充分量化。研究人员建立了500 kV三相变压器的三维有限元模型，对比了无钢支撑（NS）和有钢支撑（WS）两种构型。在七条三向地震动输入下，评估了模态特征及套管地震响应，进而分析了频率响应特性和整体油箱转动响应，并对双摩擦摆（Double Friction Pendulum, DFP）基础隔震改造方案进行了评估。WS模型的最低固有频率为1.47 Hz，低于NS模型的1.84 Hz。以高压套管A在X方向的代表性响应为例，频率响应函数的主导低频峰值从约1.89 Hz移至约1.64 Hz，其幅值从约8增至约19。套管A根部的平均峰值最大主拉应力增加了83.1%。WS模型还表现出更大的油箱摇摆（rocking）和扭转（torsional）响应，其峰值与套管A和B的峰值根部应力呈正相关。对于代表性高压套管B，DFP改造方案的平均隔震效率约为60%。上述结果阐明了钢支撑放大该大型500 kV三相电力变压器地震响应的机制，并为该变压器DFP基础隔震改造的有效性提供了数值评估。
**论文解读**
**一、研究背景与问题**
电力变压器是电力系统中关键的核心设备，其抗震性能直接关系到震后电力供应的可靠性和社会功能的恢复能力。历次大地震——包括1994年北岭地震、2008年汶川地震、2010年智利地震、2011年东日本大地震以及2022年泸定地震——的震后调查均表明，高压变电站设备，尤其是瓷质套管组件，是电力系统中地震损伤最为集中的薄弱环节。在泸定地震中，所调查的500 kV变电站内所有高压变压器套管均遭受损坏，凸显了这一问题的严重性。
已有研究表明，变压器套管的实际抗震表现与实验室鉴定试验结果之间存在显著差异，其原因之一在于套管的安装条件——包括油箱顶盖柔性、升高座（turret）刚度、连接构造以及支撑结构——会显著改变套管-油箱系统的动力特性，从而改变套管的实际地震需求。然而，对于大型三相变压器而言，钢支撑作为油箱与基础之间的连接构件，其对系统整体动力特性和多支套管地震响应的影响机制尚未得到充分量化。本研究所针对的500 kV三相变压器总质量达582 t，具有大尺寸柔性油箱、多个升高座及三支空间分布的高压套管，钢支撑引入的额外柔度如何重新分配低频模态响应、如何影响不同位置套管的应力与位移需求，以及油箱的摇摆和扭转运动如何传递为套管根部的地震需求，均是需要深入研究的科学问题。
**二、研究内容与意义**
研究人员针对上述问题，以一台安装于钢支撑之上的500 kV三相电力变压器为研究对象，建立了精细化的三维有限元模型，系统对比了无钢支撑（No Steel Support, NS）和有钢支撑（With Steel Support, WS）两种构型在七条三向地震动输入下的模态特征、套管根部应力响应、套管顶部位移响应以及沿油箱-升高座-套管传递路径的加速度放大特性。在此基础上，通过频率响应函数分析和油箱转动响应分析，揭示了钢支撑导致地震响应放大的机制。最后，研究人员提出了一种在钢支撑下方布设双摩擦摆（Double Friction Pendulum, DFP）轴承的基础隔震改造方案，并在相同的七条地震动输入下对其隔震效能进行了数值评估。
该研究的科学意义在于：首次针对500 kV等级大型三相变压器，定量揭示了钢支撑如何通过降低系统基频、增强低频一阶弯曲模态响应以及放大油箱摇摆和扭转运动，进而显著增加各高压套管根部应力需求的耦合机制。同时，该研究为DFP基础隔震技术在该类大型变压器上的工程应用提供了数值依据，对于高地震烈度地区大型变压器的抗震设计和加固改造具有重要参考价值。
**三、关键技术方法概述**
在技术方法方面，研究人员基于实际构件尺寸和质量分布，在Abaqus 2021中建立了包含油箱、铁芯与绕组等效体、绝缘油等效质量、高/中/低压套管及升高座、储油柜、散热器和钢支撑在内的三维有限元模型。油箱等薄壁构件采用壳单元模拟，铁芯与绕组等效为333 t的实体，绝缘油的138 t质量以分布质量形式施加于油箱内壁。构件间采用Tie约束实现位移协调，钢支撑底部固结于基础（WS模型）或油箱底板直接固结（NS模型）。地震动输入方面，根据GB 50260-2013规范选取了五条天然地震记录（RSN1527、Taft、El Centro、Chi-Chi和Bajiao）和两条人工地震动，共计七条三向地震动，主方向峰值加速度（Peak Ground Acceleration, PGA）取0.40 g，阻尼比取2%。DFP轴承采用Abaqus中的Bushing连接单元模拟，赋予等效的非线性力-位移关系以描述水平滑动、摩擦耗能和重力恢复效应。
**四、主要研究结果**
**（一）模态特征与质量参与分析**
特征值分析结果表明，WS模型的最低固有频率为1.47 Hz，较NS模型的1.84 Hz降低了约20.1%。该频率下移主要影响绕Y轴的一阶弯曲模态分支。模态振型对比显示，NS模型中套管A的弯曲变形占主导，而WS模型中套管A的弯曲同时伴随套管B和C的同向弯曲，表明钢支撑使得模态变形在套管之间更加分散。此外，在1–10 Hz频段内，WS模型在三个平动方向的累积有效模态质量比均高于NS模型，其中X方向从1.73%显著增加到10.61%。这意味着钢支撑将更多的水平平动模态质量重新分配到1–10 Hz频段内，增加了该频段模态在地震动作用下的参与贡献。
**（二）套管根部应力响应**
高压套管根部的峰值最大主拉应力是评价瓷质套管拉伸断裂风险的主要指标。分析结果表明，在WS模型中，高压套管A、B、C的平均峰值根部应力分别为78.06、79.87和73.91 MPa，在所有七条地震动下均超过了生产厂家规定的瓷套抗弯强度50 MPa，名义强度需求比分别为0.63、0.65和0.68。与NS模型相比，套管A的平均峰值根部应力从42.62 MPa增至78.06 MPa，增幅达83.1%，强度需求比从1.17降至0.63。中压套管也呈现出类似的支撑放大效应。上述结果表明，钢支撑显著增加了各套管的根部应力需求，使所有高压套管均面临较高的瓷质断裂风险。
**（三）套管顶部位移响应**
位移分析表明，钢支撑使三支高压套管顶部相对于地面的峰值位移大幅增加。在X方向上，套管A、B、C顶部平均峰值位移分别从162、146和167 mm增至371、352和344 mm，增幅分别为129.0%、141.1%和106.0%；三支套管总体平均值从158.3 mm增至355.7 mm，增幅为124.6%。Y方向的位移增加同样显著但幅度略小。中压套管的相对增幅与高压套管相当。这种大范围的位移增加意味着在高地震烈度地区采用钢支撑安装变压器时，需对连接导线（flexible conductor）的松弛量和布置方案进行专门校核，以避免因相对位移过大而引入附加的导线拉拽荷载。
**（四）加速度传递与放大特性**
沿油箱-升高座-套管路径的加速度放大因子（Acceleration Amplification Factor, AAF）分析显示，WS模型中高压套管顶部的三向平均AAF约比NS模型增加了68%–95%。以X方向为例，套管顶部平均AAF从5.37增至9.19。此外，钢支撑的影响沿高度方向并非均匀分布：在升高座顶部以下，两种构型的AAF差异相对有限，而从升高座顶部至套管顶部，差异急剧扩大。这表明钢支撑改变了加速度需求沿传递路径的分布形态，而非简单的整体放大。中压套管亦呈现相似规律。
**（五）频率响应特性与放大机理**
以高压套管A的X方向响应为例，频率响应函数（Frequency Response Function, FRF）对比揭示了钢支撑的频域放大机理。NS模型的FRF主导低频峰值位于约1.89 Hz，动态放大因子约8；WS模型的相应峰值下移至约1.64 Hz，幅值却增大至约19。该峰值对应套管A绕Y轴的一阶弯曲模态，频率下移约13%，而响应幅值增加逾一倍。与此同时，约7.7 Hz处的次级峰值（与油箱壁振动相关）反而从约11降至约8。这一结果表明，钢支撑并非在整个频段均匀放大响应，而是选择性地增强了低频一阶弯曲分支的地震动传递，而对高频油箱壁振动分支有所抑制，由此形成低频主导的响应放大格局。
**（六）油箱摇摆与扭转响应**
研究人员利用油箱顶部四个角点的竖向位移，估算了油箱的整体摇摆和扭转转动。在全部七条地震动下，WS模型的峰值绝对扭转角和峰值合成摇摆角均大于NS模型。绝对扭转角的算术均值从0.00268 mrad增至0.01132 mrad（放大倍数约4.22），合成摇摆角从0.02646 mrad增至3.89109 mrad。相关性分析表明，WS模型中油箱峰值扭转角和合成摇摆角与高压套管A和B的根部峰值应力之间均呈正相关，其中套管B的相关系数（扭转0.81，摇摆0.85）高于套管A（扭转0.60，摇摆0.76），且摇摆的关联性强于扭转。该结果说明，钢支撑通过放大油箱的整体摇摆和扭转运动，经油箱-升高座-法兰传力路径将这些转动传递为套管根部的附加地震需求。
**（七）DFP基础隔震改造评估**
在WS模型的钢支撑下方布置八个DFP轴承后（ISO模型），隔震效果以峰值根部应力定义的隔震效率进行评价。对于高压套管A，隔震后的峰值根部应力范围为32.32–39.87 MPa，均值为36.88 MPa，隔震效率均值约52%；对于套管B，隔震后的峰值应力范围为26.64–36.42 MPa，均值为31.81 MPa，隔震效率均值约59%。两支代表性套管隔震后的最大根部应力（39.87和36.42 MPa）均低于50 MPa的参考强度，应力安全裕度得到恢复。频率域分析进一步表明，DFP隔震使套管A顶部的X方向傅里叶幅值谱中约1.6 Hz处的优势低频峰值从约2.9 m/s2降至约1.2 m/s2，优势低频加速度响应大幅衰减。虽然隔震后某些较高频段的谱值略高于非隔震工况，但其幅值均远低于原始模型的低频主导峰值，整体响应得到了有效控制。
**五、总结与结论**
综合模态分析、时程响应分析和频域机理分析，钢支撑对500 kV三相变压器地震响应的影响可归纳为三个层面的耦合放大机制：一是通过降低系统基频将更多水平模态质量拉入1–10 Hz的高能量地震频段；二是选择性增强低频一阶弯曲模态的频响幅值；三是显著放大油箱的摇摆和扭转运动，上述转动通过几何传递转化为套管根部应力需求的增加。在此基础上，DFP基础隔震技术通过延长系统周期和摩擦耗能，使高压套管根部应力降低了约38%–67%，全部峰值应力降至50 MPa参考强度以下，优势低频加速度响应亦显著衰减。研究结论翻译如下：
（1）与无钢支撑构型（NS）相比，有钢支撑构型（WS）表现出更高的套管根部峰值应力、套管顶部位移和加速度响应。在WS模型中，三支高压瓷质套管根部的平均峰值最大主拉应力均超过了生产厂家规定的50 MPa参考强度，表明存在较高的瓷套拉伸断裂风险。
（2）钢支撑增强了高压套管A的低频一阶弯曲响应，并放大了变压器油箱的摇摆和扭转运动，其中摇摆的相对放大更为显著。两类转动响应均与高压套管A和B的峰值根部应力呈正相关。上述结果与放大后的油箱转动通过油箱-升高座-法兰组件贡献于套管地震需求增加的机制相一致。
（3）DFP改造方案有效降低了高压套管的地震应力需求。在七条地震动下，套管A和B的峰值最大主拉应力降低了约38%–67%，隔震后的全部计算值均低于厂家规定的50 MPa参考强度。套管A的平均傅里叶谱也显示出优势低频加速度响应的显著衰减。上述结果表明，在本研究所考虑的地震动和轴承参数范围内，所提出的隔震方案提高了高压套管的抗震安全裕度。
