Механическая имитация работы и применение сборного самоцентрирующегося срезного демпфера с подводом

Сохраняем питание, когда земля дрожит

Высоковольтные подстанции — скрытая опора современной жизни, тихо перенаправляющая энергию, чтобы наши огни, больницы и центры обработки данных продолжали работать. Однако многие высокие устройства с фарфоровой оболочкой на этих площадках удивительно хрупки при землетрясениях. В статье представлен новый тип механического «амортизатора» — сборный самоцентрирующийся срезной демпфер (ASSLD), предназначенный помочь такому оборудованию пережить сильную тряску, рассеять опасную энергию и затем вернуться в первоначальное положение, чтобы подача энергии могла быть быстро восстановлена.

Почему высокие электроопоры подвержены риску

На подстанциях такие элементы, как фарфоровые разрядники и трансформаторы, часто стоят на тонких опорах на несколько метров в высоту. В нормальной эксплуатации их фарфоровые корпуса прочны, но при боковых колебаниях они легко трескаются. Существующие меры защиты — например, резиновые опоры, демпферы на тросах и настроенные массы — могут снижать силы, но имеют недостатки. Некоторые из них увеличивают раскачку вершины настолько, что подключающие провода перерастягиваются; другие зависят от сложных гидравлических узлов или тяжёлых масс, которые трудно установить на уже существующих конструкциях. Широко используемое решение — срезной свинцовый демпфер — эффективно поглощает энергию, но после сильного землетрясения часто оставляет оборудование наклонённым, поскольку у него отсутствует встроенная способность «самовосстановления» вертикали.

Новый демпфер, который возвращается в центр

ASSLD разработан, чтобы разрешить противоречие между рассеянием энергии и самоцентрированием. В стальном корпусе вокруг центрального стержня уложены мягкие металлические кольца из свинца. При колебаниях оборудование смещается относительно опорной рамы, создавая растяжение или сжатие в устройстве. Движение вызывает срезание свинцовых колец, превращая сейсмическую энергию в безвредное тепло, в то время как центральный стержень из сверхупругого сплава с памятью формы (SMA) ведёт себя как мощная пружина: он растягивается и затем возвращает систему в исходное положение, когда колебания утихают. Несколько концентрических колец распределяют нагрузку и могут быть произведены на заводе с высокой точностью, что исключает грязную отливку свинца на стройплощадке и повышает надёжность в долгосрочной перспективе.

Проверка материалов и механизма

Исследователи сначала охарактеризовали стержни SMA, формирующие самоцентрирующее ядро. В лабораторных испытаниях с контролируемыми циклами растяжения и сжатия эти стержни показали характерную «флаговую» реакцию сверхупругих материалов: они выдерживают несколько процентов деформации, рассеивают умеренные количества энергии и при этом в значительной степени восстанавливают исходную длину. Хотя их собственное рассеяние энергии невелико, способность возвращаться в исходное положение — с уровнями восстановления часто выше 80% — делает их идеальными партнёрами для свинцовых колец, которые отлично поглощают энергию, но плохо самовосстанавливаются. Отдельные испытания собранных свинцовых колец количественно определили, как длина и конфигурация колец влияют на силу, жёсткость и стабильность рассеяния энергии, что помогло определить окончательную геометрию ASSLD.

От стендовых экспериментов к компьютерным моделям

Полное устройство ASSLD затем собрали и подвергли циклическим испытаниям на мощной испытательной машине, чтобы изучить его поведение при нарастающих смещениях. Комбинированная система продемонстрировала и высокое рассеяние энергии, и частичное самоцентрирование: эквивалентное демпфирование примерно удвоилось по сравнению с одними стержнями SMA, а остаточные смещения оказались значительно меньше, чем у чисто свинцовых демпферов. Для прогнозирования работы в разных сценариях авторы разработали детализированные компьютерные модели в среде конечных элементов ABAQUS. Они усовершенствовали существующие модели SMA, внедрив специальные упругие «филаменты» для лучшего учёта асимметрии между растяжением и сжатием, а также способности материала восстанавливаться после циклической нагрузки. Хотя модель по-прежнему идеализирует некоторые эффекты при низких напряжениях, она совпадала с экспериментами в пределах инженерной точности для умеренных и больших деформаций, типичных для землетрясений.

Защищая реальный разрядник

Чтобы оценить практический эффект нового демпфера, команда смоделировала 500 кВ разрядник — высокую фарфоровую колонну с металлическими наконечниками, смонтированную на стальной раме — и сравнила варианты с ASSLD у основания и без них. Виртуальную конструкцию подвергли девяти землетрясениям, включая стандартные расчетные сигналы и исторические события, такие как Эль Сентро и Ландерс. С установленными ASSLD напряжения в фарфоре существенно снизились, а пиковые ускорения на вершине оборудования уменьшились примерно на 13–38%, что улучшило запасы прочности, которые иначе были бы недостаточны при сильных толчках. В большинстве случаев боковые смещения на вершине также снизились примерно на 11%, хотя для нескольких узкополосных искусственных движений дополнительная гибкость слегка увеличивала раскачку, что подчёркивает: нет демпфера, который был бы универсально полезен для любой формы земного движения.

Что это значит для будущих энергосетей

Для неспециалиста главный вывод таков: ASSLD работает как интеллектуальный амортизатор для критического оборудования сети — он поглощает большие объёмы сейсмической энергии и при этом старается вернуть оборудование в вертикальное положение после прекращения тряски. По сравнению с традиционными устройствами он обеспечивает примерно до 45% большего рассеяния энергии и существенно лучшее самовосстановление, что может снизить повреждения, сократить время осмотров и ускорить восстановление после землетрясения. Хотя конкретные показатели зависят от температуры и частотного состава местных землетрясений, эта работа демонстрирует ясный путь к более устойчивым подстанциям, которые могут лучше сохранять электроснабжение при сейсмических воздействиях.

Цитирование: Liu, H., Chen, Q., Gao, Y. et al. Mechanical performance simulation and application of assembled self-centring shear lead damper. Sci Rep 16, 12683 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38631-3

Ключевые слова: сейсмическая изоляция, демпфер из сплава с памятью формы, безопасность электроподстанции, защита разрядника, устройство рассеяния энергии