加强电网：科学家开发抗震变压器套管

电力电子内幕

照片中来自 W. E. Gundy and Associates (WEGAI) 的 Jon Bender 站在适用于套管研究的电源变压器示例旁边。 （图片来源：INL）

我们认为理所当然的电网涉及大型、昂贵的设备，尤其是电力变压器。如果其中一个发生故障，可能需要一年多的时间才能更换，而且成本高昂。在加利福尼亚州或太平洋西北地区等人口稠密、地震活跃的地区，时间并不是一种奢侈。

在地震期间，大型高压电力变压器最容易受到损坏的地方是其套管——中空的电绝缘体，可在变压器的内部绕组和外部电力线之间安全地引导电流。它们通常由陶瓷制成，因为它能够隔离导电材料（通常是铜或铝），并防止高压电流泄漏或产生火花并引起爆炸。

套管用螺栓固定在变压器的转塔上，该转塔从主油箱向上延伸。这些联系是爱达荷国家实验室 (INL) 的一组研究人员关注的重点。该团队的目标是开发一种机械简单、可调节的隔离器，称为解耦器，可以安装在套管底部并进行调谐，以防止套管和转塔中的谐振频率匹配（这会导致瓷套管上的机械应力放大）。

“共振频率是关键，”该项目首席研究员、2025 年科学家和工程师总统早期职业奖获得者 Bjorn Vaagensmith 说道。

所有物体都有一个共振频率，当输入振动在物体中被最大程度地放大时，就会发生共振频率。当声波打碎酒杯或镜子时，就是共振频率在起作用。在土木工程史上，最著名的例子也许是 1940 年塔科马海峡大桥的倒塌。风速和风向与桥梁的设计和材料相结合，产生了共振频率，导致桥面剧烈振动。这为这座新建的桥梁赢得了“疾驰的格蒂”的绰号——四个月后，它断裂成碎片并落入普吉特湾。

在地震中，地震波会引起上下或前后振荡的地面运动，该运动会传递到大型电力变压器中。由于其灵活性和密度，由钢制成并填充绝缘油的大型电力变压器油箱可以与安装在其上的设备动态共振。当储罐及其安装的套管处于同一波长时，地震引起的放大震动可能会对套管造成灾难性故障。

Vaagensmith 和他的同事——INL 的 Chandu Bolisetti 和博伊西工程公司 WEGAI 的 Jon Bender——正在寻求通过开发一种去耦装置来解决这个问题，该装置可以将套管的谐振频率从变压器的谐振频率移开。他们设计的解耦器可以轻松安装在套管底部，并以较低的成本改装到旧的变压器型号上。该团队正在申请该设计的专利。

他们的项目最初是通过 INL 的实验室指导研究和开发计划资助的。该项目目前得到美国能源部电力办公室变压器弹性和先进组件 (TRAC) 计划以及该部网络安全、能源安全和应急响应办公室 (CESER) 的合作支持。 TRAC 计划旨在通过解决电网硬件技术（包括大型电力变压器）方面的挑战来加速电网现代化。 CESER 办公室旨在保护和加强美国能源基础设施免受威胁和危害。

在他们的项目达到顶峰时，瓦根史密斯和他的同事希望大规模测试他们的谐振频率解耦器。他们成功获得了一台重达 500,000 磅的变压器，希望在 2026 年将其带到加州大学圣地亚哥分校的地震模拟器中。该大学的振动台是美国同类设备中最大的，在尺寸上仅次于日本的另一台。这将是对其规模的首次测试，可能会显着影响地震区变压器的安全要求。

在与布法罗大学的合作中，该团队有很多犯错的机会。这就是实验的目的。 “我们可能会失败，但我们想失败，”瓦根史密斯说。 “我们可以尝试我们的解决方案并测试极限。我们希望在前往圣地亚哥之前确保我们知道如何设计解耦器。”

“人们对此感到兴奋，”瓦根史密斯说。 “我们有机会解决关于适当的地震变压器保护措施的长期争论，并为套管制造商提出一个不需要他们重新装备的解决方案。公用事业公司会很高兴，电网也会更有弹性。”

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