特高壓變電站設備抗震設防的設計研究

翟晨宇 劉興萬 張光耀

摘要：特高壓輸變電工程輸送功率和投資高，電氣設備尺寸和重量大，在基本烈度8度以上地區的抗震設防是一個重點和難點。我國特高壓變電站、換流站工程中主要依據《電力設施抗震設計規范》GB50260-2013開展抗震設計，但在具體設計中對設備抗震設防的標準確定、參數選取、強度校核方面還存在不明確之處。

關鍵詞：特高壓;變電站設備;抗震設防;設計

1導言

特高壓輸變電工程電壓等級和輸送功率高，綜合投資和重要性也較高，且電壓等級越高在地震中的易損性也越高。對于基本烈度8度以上的地區其電氣設備的抗震設防是一個重點和難點。工程設計中對特高壓電氣設備抗震設防標準的主要按照國標《電力設施抗震設計規范》GB50260確定，國內學者也曾對中、美、日等電氣設備抗震設防標準進行了討論和對比研究。自2013年新修訂的《電力設施抗震設計規范》GB50260—2013實施以來，將原1996版的電氣設備最高抗震設防水平從8度提高到了9度。雖然在近年的特高壓變電站、換流站建設中，通過采取變壓器隔震、柱式設備的消能減震、復合材料套管等措施能夠一定程度地提高電氣設備抗震水平，然而具體工程設計中對抗震設防的標準確定、參數選取、具體計算方面還存在不明確之處。本文通過對規范條文的解讀、討論及與國外標準的對比，針對特高壓變壓器、換流變套管以及本體與基礎的連接兩方面抗震設計中的問題展開分析，提出了幾點建議。

2電氣設備的設防標準和設計地震動參數

為了進一步研究和明確《電力設施抗震設計規范》下的電氣設備設防標準，首先將其設防目標和設計地震動參數與美國《變電站抗震設計推薦規程》和國際電工委員會的IEC系列標準做一個比較。根據《電力設施抗震設計規范》GB50260—2013，特高壓變電站、換流站均屬于重要電力設施，其電氣設備“可按抗震設防烈度提高1度設防，但抗震設防烈度為9度及以上時不再提高”。從該條文規定上理解，提高后的最高抗震設防水平為9度（0.40g）。另外規范中第1.0.4條指出，“按本規范設計的電力設施中的電氣設施，當遭受到相當于本地區抗震設防烈度及以下的地震影響時，不應損壞，仍可繼續使用;當遭受到高于本地區抗震設防烈度相應的罕遇地震影響時，不應嚴重損壞，經修理后即可恢復使用”。規范未對重要電力設施提高1度后的設防目標進一步明確，尤其是對于在地震中易損的變壓器、高抗套管等脆性部件。美國《變電站抗震設計推薦規程》即IEEEstd953-2005規定：設防目標是“在RRS水平下完全無損并能繼續運行，在Performance水平下沒有顯著結構損傷并具有可接受的性能”。國際電工委員會標準IEC62271-2-2003（對應我國標準《高壓開關設備和控制設備的抗震要求》GB/T13540）規定：在預期地震應力下，“主回路、控制和輔助回路包括相關的安裝構架不應出現故障”。“只要不降低設備的功能，永久的變形是允許的”。并指出：“所選擇的抗震性能水平應與設施的安裝地點地震時最大地面運動相一致”。關于套管的技術指南IEC61463指出“設備應具有適當的功能、完整性和安全性”。預期地震分為AF2、AF3、AF5三個設防級別，其地震動峰值加速度分別為0.2g、0.3g、0.5g，對應參考的地震烈度分別為：<8度、8度～9度和>9度。IEC標準中未明確給出確定某個站址設計地震動參數的方法，若參考UBC地震分區圖，其設計地震水平大約相當于我國的“中震”。

3瓷套管和復合材料套管的判別準則

在電力設施抗震設防中，套管、支柱絕緣子等長細比大、且為脆性材料，是易損的關鍵部件。因此還需要對比不同標準設計地震動下瓷和復合材料的應力判別準則。IEEEstd693-2005中的瓷套管和復合材料套管的容許應力分別為其極限應力和規定機械負荷的50%，即相當于安全系數為2.0。IEEE明確指出這是由于進行試驗和計算的RRS地震水平為性能目標Performance水平的一半，通過判別準則上的安全系數可保證在Performance水平下瓷套管和復合材料套管的應力小于其極限應力和規定機械負荷（SpecifiedMechanicalLoad，SML）的抗震設防目標。IEC62271-2-2003中對瓷套管和復合材料套管的規定基本與IEEEstd693-2005相當，套管應力為極限強度的50%，其他的延性材料可以為屈服強度的90%～100%。關于套管抗震的技術指南IECTS61463-2016規定，對于瓷或玻璃套管地震組合應力不應超過100%的型式試驗耐受彎矩，對于復合材料套管則不超過60%的規定機械負荷（此時套管無不可恢復的塑性變形），相當于安全系數1.67，安全裕度比IEEE略低。我國GB50260規定“應保證設備和裝置的根部或其他危險斷面處產生的應力值小于設備或材料的容許應力值”，并將廠家提供的瓷件破壞應力或破壞彎矩除以1.67安全系數作為容許應力進行抗震驗算，這一安全系數要求可上溯至GB/T13540-1992，其中破壞應力定義為“由電瓷生產廠提供給設備制造廠的瓷絕緣子的最小彎曲破壞值”。由于GB50260-2013采用的設計地震動基本相當于“大震”，不再需要像IEEE和IEC標準那樣考慮由中震計算或試驗推導大震性能的安全系數，因此1.67的安全系數應該只反映材料的不確定性，GB50260條文說明中也指出是“考慮瓷套管和瓷絕緣子考慮試驗結果的離散性”。綜合起來，上述標準中對于套管的判別準則基本對應為“大震不壞”或“中震彈性”（IECTS61463用于復合套管時）。

4結語

設備廠家應對提供的破壞應力或規定機械負荷的來源、依據、保證率等進行明確說明，并具有試驗數據支撐。設計校核時要考慮設備型式、尺寸、受力狀態、法蘭膠裝強度等因素的影響，合理分析后選用。

參考文獻

[1]鐘珉，程永鋒，代澤兵，房正剛.變電站電氣設備分級抗震設防原則研究[J].地震工程學報，2015，37（02）：571-576.

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