算例丨基于ANSYS Workbench的避雷器地震谱分析

避雷器作为变电站内重要的过电压保护装置，在国内发生的历次大地震中损害现象严重，对此国内外学者进行了大量理论与试验研究，总结其震害的主要原因有：1）设备结构频率在地震卓越频率范围内，属于地震敏感型结构；2）结构细高，且上部质量较大，地震时避雷器底部瓷套管承受较大作用力；3）瓷套材料强度低、阻尼小、储能与耗能能力较弱；4）设备支架对设备会产生显著的动力放大作用。

避雷器是各电压等级的电力系统中重要的不可缺少的设备，其外套是重要的组成部分，在使用过程中，避雷器要承受地震力、强风、电动力等外载荷。国、内外大量地震灾害表明避雷器地震中极易遭到破坏。因此产品定型前需要做破坏弯曲试验和抗震试验来确定产品的完整性，由于进行试验需要耗费大量的人力、物力和时间，因此目前产品研发通过计算机辅助工程技术来提高产品的研发速度和降低成本。

本文以某典型的瓷套型避雷器为研究对象，利用ANSYS Workbench建立有限元数值模型，开展瓷套的地震谱分析仿真，为该瓷套的材料、工艺、使用和改进提供参考依据。

地震谱分析属于典型的响应谱分析的一种，主要目的是分析该结构在地震激励下的响应，在进行谱分析之前，需要对模型进行模态分析，以得到结构的固有频率及相应振型。谱分析中需要对约束位置施加给定的地震激励即可。

瓷套避雷器主要由多节瓷套、法兰胶装、底座、伞裙等结构组成，其中法兰胶装里面可以由沥青、水泥等材料组成，法兰之间使用螺栓进行连接。

采用SpaceClaim建模工具，建立双节避雷器简化模型，设置瓷套等材料属性。建模时，由于瓷套较复杂，不利于划分网格，在进行分析是，将瓷套外面的伞状结构去掉，仅保留中间圆柱结构，同时更改其材料密度，保证瓷套质量与实际一致。伞裙位于结构顶部，在计算时由于对整体结构应力分布情况影响不大，因此，从简化模型角度考虑，釆用了将伞裙质量以质量点形式施加到结构顶部，而不独立建模表示的建模方式。

对该结构进行模态分析，计算前十二阶结构的模态与振型。模态分析时，需要将底座下表面施加固定约束。固有频率与前六阶振型如下图。

建立谱分析项目流程，使用模态分析结果作为谱分析的输入条件。

进入谱分析模块，插入加速度响应谱，设置加速度谱方向为X轴，输入加速度参数，并进行求解。

计算结果如下：地震谱分析中，最大位移响应为4.78mm，发生在顶部位置，最大应力为15.35MPa，发生在瓷套与法兰连接的根部位置，小于其许用应力值。