1000kV交流特高壓變電站電氣設備抗震設計研究

蘆海波

摘要：特高壓交流變電站在電網中具有非常重要的地位，如果地震造成特高壓電氣設備的損壞，將造成非常大的影響。本文研究了高烈度地震區1000kV特高壓變電站電氣設抗震設計，提出了在電力設備選型、電力設備基礎及支架抗震設計、設備引線設計等方面的電氣抗震設計措施。

關鍵詞：特高壓;變電站;抗震;研究

0 引言

特高壓1000kV交流電網在當今社會中具有重要的地位，一旦地震中遭到破壞，就會造成嚴重的社會影響和難以估量的經濟損失。因此，在特高壓1000kV變電站建設過程中，抗震設計不容忽視。本文對變電站電氣設備地震破壞的原因進行分析，針對變電站抗震薄弱環節，提出變電站電氣抗震設計建議。

1 變電站電氣設備震害原因情況及破壞特點

1.1主變壓器

變壓器是變電站中重要的設備之一，是由鐵心、繞組、絕緣、引線、油箱、相應組件裝配完成以后，再注入變壓器油而構成。在歷次地震災害中，主變壓器是極易損部件。

主變壓器的震害主要表現為：本體脫軌或傾倒、套管根部斷裂、地基沉陷、漏油、其它本體附件（散熱器和潛油泵等）損壞等[2]。

1.2電瓷型高壓電氣設備

此類設備外絕緣部分一般都細長且為瓷套或瓷柱。包括：斷路器、隔離開關、電壓互感器，電流互感器、支柱絕緣子、GIS套管、避雷器等。這類設備在歷次大地震中均有損壞。震害主要為瓷柱斷裂，斷裂大多發生在瓷柱的根部[2]。

1.3屏柜類電氣設備

主要包括開關柜、配電屏、控制屏、繼電保護屏及通信、交換機等設備。這類設備震害的主要原因是未采取可靠的固定措施，使設備在地震中發生位移或傾倒。蓄電池大多因為其浮放在支撐木架或基礎平臺上，導致蓄電池移位、傾倒或跌落摔壞[2]。

2 國內變電站電氣設施抗震研究進展

在變壓器抗震研究方面，國內外學者多采用有限元分析方法研究變壓器的抗震問題。2005年郭振巖對110kV變壓器進行了地震時的動力響應分析，研究結果表明結構的自振頻率超過10Hz，變壓器油對受力情況有較大影響[7]。

在電瓷型設備抗震研究領域，1999年張伯艷等以500 kV斷路器為研究對象，計算了該設備在靜力和地震作用下設備瓷柱根部的應力，并以此分析了該產品的抗震性能[10]。2004年李啞琦等分析了導線對電氣設備抗震性能的影響，結果表明設備間的連接導線會加大設的地震反應力[11]。

2.1試驗研究方面

目前國內多所機構及院校均具有地震模擬試驗臺，可進行大型高壓電氣設備的抗震試驗。在1000kV北京東、1000kV濰坊特高壓變電站設計中，對全站各電壓等級的電氣設備均進行了真型抗震試驗，對設備的抗震能力進行了試驗驗證。

3.1000kV特高壓變電站電氣抗震設計

為提高變電站電力設施抗震能力，減少地震災害損失，本文對變電站建、構筑物及電氣設備地震破壞的原因進行分析，針對變電站抗震薄弱環節，提出變電站抗震設計建議。

3.1 特高壓電力設施抗震設防標準

電氣設施在材料、結構、功能與建筑物有著本質區別，國內的震害顯示，變電站中電氣設施的損壞程度要大于建筑物。因此有必要針對電氣設施采用與建筑物不同的抗震設防標準。

1000kV變電站的抗震設防烈度或地震動參數執行國家標準《中國地震動參數區劃圖》GB 18306的有關規定。

抗震設防烈度6 ～8度地區新建、擴建的1000kV變電站內電氣設施，按抗震設防烈度提高1度進行抗震設防，開展了地震安全性評價的工程，按50年超越概率2%標準考慮。當遭受到該抗震設防烈度及以下的地震影響時，不應損壞，能繼續使用。當遭受到高于本地區抗震設防烈度的罕遇地震影響時，可能發生損壞，經一般性修理仍可繼續使用。對新型設備或改型較大的設備，應采用振動臺試驗驗證其抗震能力;對不具備整體試驗條件的設備及通過試驗且改型不大的設備，可采用部分試驗或試驗與分析相結合的方法進行抗震檢驗[14]。

3.2 電氣設備選型優化

電氣設備的選型是進行電氣設備抗震設計的重要前提，為了減小電氣設備在地震時受到破壞，應合理地進行設備選型。電力設備首先選用設備重心低，頂部重量輕等有利于抗震的結構形式的電力設備。

1000kV主變、高抗套管高度盡量降低，套管采用直立式，采用獨立的散熱器及油枕支架。加強套管與本體連接法蘭部位的強度。

1000kV、500kV設備宜選用抗震性能較好的GIS（HGIS）設備，GIS（HGIS）斷路器、母線宜低位布置;110kV設備宜選用抗震性能較好的GIS（HGIS）設備。

隔離開關選擇三柱水平旋轉式，頂部重量受力更穩定和平衡，因此抗震性能更好。110kV框架式電容器的電容器塔采用八支腿設計，并采用高強度支柱絕緣子。

復合套管抗震性能較好，可作為瓷套管的替代方案。

3.3 電氣設備布置優化

綜合考慮設備的抗震、受力、金具制造、施工的難度以及美觀度等， 1000kV高抗回路采用抗震性能較好的四元件方案，系統由GIS套管、避雷器、電壓互感器和高抗套管組成，設備連接采用管母硬連接。1000kV主變進線回路避雷器直接從跨線引接，減小設備間的相互耦合作用力。

500kV GIS設備采用“一字型”布置方案。

110kV配電裝置管型母線可采用懸吊式，避免因瓷質棒式支柱絕緣子引起的管母破壞。110kV干式空心并聯電抗器采用低位布置，并加裝用非磁性材質的圍欄。110kV串聯電抗器適當降低支架高度，需要時加裝圍欄保護，圍欄采用非磁性材質。

4.結論

對于高烈度地震區的特高壓變電站，重要電氣設備和易震損電氣設備在設計中要合理選型，盡量選擇抗震性能較好的組合電器;對瓷套管類的電氣設備，應選擇高強度瓷套管并采取減震措施。設備支架的設計應考慮支架的動力放大系數，使結構模型更符合實際。另外，還需要在設備布置上采用低式布置等一系列措施，加強特高壓變電站抗震安全。

參考文獻

[1]四川電力試驗研究院.汶川大地震四川電網電氣設備受損情況報告[R].成都：四川電力試驗研究院，2008.

[2]周世平.5·12汶川大地震變壓器損壞情況分析[J].湖北電力，2008，32（4）：1-4.

[3]朱瑞民，李東亮，齊立忠等.變電玷地震災害分析與抗震設計[J].電力建設，2013，34卷（4）：14-18.

[4]文波，牛荻濤，趙鵬.變電站抗震性能研究綜述[J].工程抗震與加固改造，2007，29（6）：73-77.