隔震減震技術在九度地震烈度區變電工程中的分析和應用

屈軍

（云南電網有限責任公司昆明供電局，云南 昆明 650011）

0 前言

在人類所歷經的各類自然災害中，地震是對人類威脅最大的災害之一。地震不僅使各類建筑結構在強烈地中遭受嚴重破壞，并造成整個電網系統功能大幅度受損，而且有可能引發火災等次生災害，嚴重威脅人們的生命和財產安全。在汶川大地震中， 國家電網公司系統內就有258 座110 千伏及以上變電站、204 條110千伏及以上線路等設施不同程度受損。

1 地震對變電站電力設施的危害

1）電瓷型高壓電氣設備：包括斷路器、隔離開關、電流互感器、電壓互感器、支柱絕緣子、避雷器等。這類設備的絕緣部分均由瓷套管組成，其震害特點大多是瓷套管根部斷裂。

2）電力變壓器：在地震中主要表現一般為主體移位、扭轉或傾倒，同時套管、散熱器或潛油泵等附件出現不同程度損壞。

3）站內母線：硬母線的破壞主要是支撐母線的棒式支柱絕緣子（一般為瓷柱）在地震作用下折斷造成的；軟母線自身的強度很高，不易損壞，一般是懸掛母線的絕緣子被拉斷。

2 高壓設備減隔震技術對比選擇

隔震減震技術在民用建筑上已經非常成熟，但電力設施與民用建筑物在功能與構造上有許多不同。目前，我國電力設施有關的抗震設計規范主要有《電力設施抗震設計規范》和《建筑抗震設計規范》，基本上只考慮建筑結構本身的抗震，未考慮高壓電氣設備抗震，比如變電站內運行在標稱電壓為6 kV 以上的交直流系統中的以瓷套（支柱）為主要承重結構的設備，及變壓器、母線等。傳統的抗震設計是彈塑性設計方法，采用增加結構強度的方法來抵御地震。用這種方法設計的建筑在強地震作用下結構框架會發生嚴重破壞，但不至于倒塌。隨著工程結構技術的發展，各種新型隔震減震技術也開始被應用。總體原理就是人為采取一個隔離措施，隔斷或減小地震傳播到電力設施上的能量，從而減小電力設施所受到的地震破壞。根據目前國內主流技術發展趨勢，設備減震技術主要有以下幾種：

1）加裝橡膠墊；2）加裝鉛阻尼器；3）加裝摩擦阻尼減震器；4）加裝鋼絲繩減震器和油阻尼器。5）加裝彈簧隔震器。5 種技術的應用對比如表1 所示。

表1 不同減隔震技術應用對比

表2 隔震支座規格

從技術、造價、減震效果等方面分析，并對國內市場進行了調研，摩擦阻尼減震器技術在日本、美國有很多應用實例，在國內有少部分廠商生產，同時其價格僅為國外價格的60%左右，在技術上較為成熟，性價比較高。

3 站內高壓設備減隔震具體方案分析

110 kV 阿里塘輸變電工程位于云南省昆明市嵩明縣小街鎮，屬于對建筑抗震一般地段，地面20 m 深度范圍內場地土的類型為中軟土，建筑場地類別劃分為Ⅱ類，設計地震分組為第二組。特征周期0.40 s。該地區地震基本烈度為9 度，設計基本地震加速度值為0.40g。同時該站址為唯一方案，無法更改。根據《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010）、《電力設施抗震設計規范》（GB50260-2013），《高壓開關設備和控制設備的抗震要求》（GB13540-2009-T）的相關要求，本工程按照抗震規范設防地震加速度0.40g地區進行設計，罕遇地震下地面加速度峰值（PGA）為0.60g。并且根據相關條文要求，對地震烈度9 度及以上地區的變電站，需進行抗震驗算和隔震減震措施設計和實施。

本工程隔震減震設計目的是：針對不同的電力設施，確定合理具體的減震隔震措施，選擇合理的減震隔震參數，達到70%減震隔震效果，使上部結構和高壓設備的設防烈度由9 度降低到8 度設防。

3.1.1 變壓器隔震分析

1）變壓器型號為SSZ11-50000/110GYW。變壓器原放置方案為浮放在混凝土基礎上，根據《電力設施抗震設計規范》，變壓器與混凝土基礎之間采用隔震方案：變壓器放置在支撐梁上；支撐梁放置在隔震支座上；變壓器與支撐梁之間采用焊接或螺栓；支撐梁與隔震支座之間采用高強螺栓連接。

2）隔震支座選擇

隔震設計的目標為：將變壓器的抗震設防烈度降低1 度（從9 度降到8 度，基本地震加速度從0.40g降低到0.20g），改善變壓器的抗震性能，同時保證在風荷載和微小地震下變壓器不晃動。經過反復試算和技術比較，本工程采用的隔震支座規格為：GZY200 型，根據《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010），隔震支座平均壓應力不大于15.0 MPa 及罕遇地震位移不大于0.55D（D為隔震支座直徑）和3.0 TR（TR 為橡膠層總厚度）的要求，再由隔震結構荷載，確定每個隔震支座的直徑。

3）隔震支座性能參數

隔震支座力學性能參數如表3 所示。

表3 隔震支座力學性能

表4 110 kV避雷器減震結構前10階模態分布

表5 110 kV避雷器原結構與減震結構在不同工況下的分析結果對比

隔震支座的參數采用原則：驗算多遇地震時，宜采用隔震支座剪切變形為50%時的水平剛度和等效粘滯阻尼比。驗算罕遇地震時，對直徑小于600 mm 的隔震支座，宜采用隔震支座剪切變形為250%時的水平剛度和等效粘滯阻尼比；對直徑不小于600 mm 的隔震支座，宜采用隔震支座剪切變形為100%時的水平剛度和等效粘滯阻尼比。

4）變壓器及支撐梁的計算模型建立

本工程采用sap 2000 進行變壓器及支撐梁組成的隔震結構自振特性和地震反應計算。計算分析時，支撐梁采用空間梁柱單元，由于變壓器形狀非常復雜，難于建模，只能假設變壓器荷載均布在六塊700×700×20 的鋼板上。支撐梁采用HW 400×400×30×50 型鋼焊接而成。建立隔震模型時，隔震支座采用Link 單元中的rubberisolator 模擬，設置在支撐梁柱腳。根據隔震分析結果，變壓器結構可近似按降低1度設計，達到了本工程的隔震目標。

3.1.2 避雷器等單支柱類設備減震分析

1）110 kV 避雷器型號為：YH10W-108/281 W，高強瓷套的破壞應力為40 MPa，當采用普通瓷套時的破壞應力為20 MPa。

2）減震模型的建立

110 kV 避雷器通過剛性桿與四個彈簧阻尼器連接，彈簧阻尼器下端與支架頂端的鋼板剛性連接。彈簧阻尼器由上下各一的向心式摩擦阻尼減震器組成。隔震計算模型與避雷器外形分別見圖1 和圖2。

圖1 隔震計算模型

圖2 110kV避雷器設備外形圖

3）減震結構的模態分析

通過對減震結構進行模態分析，可以得到減震結構的各階頻率和振型，從分析結果可以看到，安裝減震裝置后110 kV 避雷器的一階頻率分別為3.84 Hz，相對于原結構10.27 Hz 的頻率值降低，減震結構與原結構在模態變化趨勢上具有一致性。

由表4 表5 中的分析可以看到：當共振調幅波串的加速度峰值在0.15g和0.3g之間變化時，110 kV 避雷器減震裝置的減震效率由14.36% 增大至57.40%，隨著共振調幅波串加速度峰值的增大，減震裝置進入摩擦阻尼耗能工作狀態。在9 度設防地震烈度（共振調幅波串的加速度峰值為0.3 g）作用下110 kV 避雷器原始結構和減震結構瓷套的安全系數分別為1.63 和1.98，減震結構瓷套的安全系數滿足規范規定的大于1.67 的要求，說明減震裝置能達到預先設定的減震目標，能保證結構在罕遇地震作用下具有良好的工作性能。

4 結束語

該工程通過對變壓器、避雷器等電氣設備減隔震具體方案進行設計和分析，與工程同步安裝，并經驗收合格，滿足了相關抗震規范的要求。為處于九度及以上地震烈度區的變電站隔震減震技術設計、安裝、運行維護積累了豐富的工作經驗。對今后變電站電力設施的隔震減震應用研究具有比較重要的意義。