高地震地區(qū)牽引變電所電氣設(shè)施適應(yīng)性分析

汪秋賓，宋 兵

0 引言

地震的隨機性和難于把握的復(fù)雜性使抗震動成為重要的研究課題，汶川大地震后，相關(guān)學(xué)者對地震作用效應(yīng)與電氣設(shè)備的影響進行了大量研究，從理論上結(jié)合場地條件、抗震設(shè)防烈度、安裝方式等，分析典型設(shè)備抗震驗算的類型、方法、考慮因素，并通過模擬震動試驗，修正地震影響系數(shù)，隨著“工業(yè)企業(yè)電氣設(shè)備抗震設(shè)計規(guī)范 GB50556-2010”的頒布和“電力設(shè)施抗震設(shè)計規(guī)范 GB 50260-1996”的修改版即將定稿，設(shè)計有了指導(dǎo)性的規(guī)范。牽引變電所所在的場地不同、設(shè)備的抗震驗算和系統(tǒng)設(shè)防有個性化要求，規(guī)范的運用是指導(dǎo)性的，實際工程運用中更注重細節(jié)、個性化和系統(tǒng)關(guān)聯(lián)的抗震設(shè)計，以保證電氣設(shè)備在安裝布置和使用工況下的安全和可靠性。

成都至蘭州鐵路經(jīng)茂縣、九寨溝接至蘭渝鐵路哈大鋪站，線路穿越高烈度地震多發(fā)區(qū)，地形、地質(zhì)復(fù)雜，全線多橋、多長隧，且橋隧相連，所址選擇極為困難，有20個牽引變電所及分區(qū)所設(shè)于地震動峰值位于 0.2g高烈度地震地帶，必須對電氣設(shè)施進行防震設(shè)計，牽引設(shè)備配置標準、電氣布置方式及系統(tǒng)的工程場地地震危險性分析成為牽引變電所必須研究的重要課題。

1 地震作用下電氣設(shè)施故障現(xiàn)象的分析

對于高地震環(huán)境地區(qū)牽引變電所電氣設(shè)施選擇應(yīng)從系統(tǒng)的角度去分析；各電氣設(shè)備有自身的特點，所內(nèi)不同電壓等級牽引變壓器、斷路器、隔離開關(guān)、互感器、GIS充氣柜等各類高壓電氣設(shè)備彼此結(jié)構(gòu)形式差別很大，因此應(yīng)根據(jù)地震加速度和場地地質(zhì)條件，考慮設(shè)備的自振頻率與當(dāng)?shù)貓龅赝恋牡卣痤l率的差別，對各類電氣設(shè)備各自的動力特性及抗震性能分別進行適應(yīng)性分析。表1對電氣設(shè)備的故障現(xiàn)象作了分析和歸納。

國家電網(wǎng)公司2009年針對四川汶川地震對輸變電工程抗震影響設(shè)計進行了專題研究，總結(jié)了變電所電力設(shè)施在地震災(zāi)害中的破壞類型和原因，中國電力科學(xué)研究院、國網(wǎng)北京經(jīng)濟技術(shù)研究院、同濟大學(xué)、西北電力設(shè)計院等聯(lián)合做了相關(guān)試驗；基于上述研究分析計算和在振動臺上的真型試驗，對“電力設(shè)施抗震設(shè)計規(guī)范GB 50260-1996”提出了修編意見；由于電氣設(shè)施可采取的抗震措施有限，其抗震能力的提高基本上依賴于自身強度的提高，在“高壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備的抗震要求GB/T13540-2009”列出了相關(guān)電氣設(shè)備必須采用分析、試驗或兩者的組合來驗證抗震性能的原則，并規(guī)定了驗證地面安裝的高壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備抗震性能的試驗程序，提出對于試驗設(shè)備只要不降低功能，永久的變形是允許的。但由于不同設(shè)備的安裝位置和結(jié)構(gòu)型式不同，質(zhì)量、剛度的多變和不均勻性，其動力特性不同，動力反應(yīng)也就不同，牽引變電所電氣設(shè)備的抗震設(shè)計在借鑒電力系統(tǒng)的成功經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，尚需對牽引設(shè)備進行分析，用規(guī)范要求的基本方法，針對電氣化鐵路專有設(shè)備結(jié)構(gòu)的固有頻率及振型，提出試驗方法和抗震措施。

表1 電氣設(shè)備故障現(xiàn)象的原因分析表

2 電氣設(shè)施的抗震設(shè)計遵循原則

電氣設(shè)施的抗震設(shè)計應(yīng)從設(shè)計思路、電氣設(shè)備自身抗震能力、電氣設(shè)施的抗震計算、電氣設(shè)施布置及安裝設(shè)計的抗震要求、減震措施等方面綜合考慮；抗震設(shè)備的選型應(yīng)根據(jù)其安裝地點地基的場地土類型，盡可能選用設(shè)備的自振頻率與當(dāng)?shù)貓龅赝恋牡卣痤l率相距較遠的設(shè)備，避免設(shè)備與地震波發(fā)生共振。

（2）考慮電氣設(shè)備的安裝方式和位置不同對電氣設(shè)備的影響，建筑物或構(gòu)筑物對地面運動加速度值都有一定程度的放大作用；當(dāng)電氣設(shè)備有支承結(jié)構(gòu)時，應(yīng)將支架與電氣設(shè)施作為一個整體進行抗震設(shè)計，變壓器的出線套管抗震設(shè)計應(yīng)考慮變壓器基礎(chǔ)及本體的動力響應(yīng)放大系數(shù)，設(shè)置于二層房屋的設(shè)備要考慮建筑物的動力放大系數(shù)。

（3）抗震計算方法有很多種，由于電氣設(shè)備外形復(fù)雜，質(zhì)量和剛度分布不均勻，其自振特性很難正確算出，單體設(shè)備在進行靜力法計算時要考慮與實際工況的適應(yīng)性，對于成套設(shè)備采用振型分解反應(yīng)譜法進行抗震分析較為合適。

（4）電氣化專用設(shè)備有條件時應(yīng)采用振動臺進行實物試驗作為抗震性能評定依據(jù)。采用激振的方法可測出設(shè)備各質(zhì)點 X、Y、Z方向的加速度，通過衰減時程、頻譜分析得出第一、第二振型的自振頻率、振型和阻尼比；對于組合電器設(shè)備，還應(yīng)選擇拐角、中間、頂端、連接部等作質(zhì)點。

（5）抗震結(jié)構(gòu)的多道防線設(shè)計。對房屋結(jié)構(gòu)、防火墻、支柱構(gòu)架的結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析，應(yīng)充分考慮結(jié)構(gòu)的空間作用、非彈性性質(zhì)、材料時效、阻尼變化等因素的不確定性，在設(shè)計中應(yīng)該盡可能增設(shè)多道抗震防線，利用贅余桿件的屈服和彈塑性變形來消耗盡可能多的地震輸入能量；利用贅余桿件的破壞和退出工作，使結(jié)構(gòu)從一種穩(wěn)定狀態(tài)過渡到仍然穩(wěn)定的另一種狀態(tài)；結(jié)構(gòu)在總體驗算和構(gòu)件的截面驗算時，地震作用為可變荷載力，結(jié)構(gòu)底部的剪力、彎矩和軸向力及頂部的抗力要大于地震卓越周期的沖擊力，采取重力荷載的填充墻或軸壓比小的抗震墻等相應(yīng)的抗震構(gòu)造措施，實現(xiàn)地震情況下的結(jié)構(gòu)設(shè)防要求。

（6）相關(guān)附屬工程（照明、預(yù)埋管線、儀器儀表等）同樣是完成系統(tǒng)相關(guān)功能不可缺少的重要部分，對地震烈度大于7度以上地區(qū)的牽引變電所應(yīng)進行系統(tǒng)的抗震設(shè)計，主要是針對機械運動連接件、支撐件、安裝固定等方面考慮抗震要求。

（7）抗震設(shè)計可以利用建（構(gòu)）筑物和電力設(shè)施自身的強度、剛度來抵抗地震作用，亦可采用隔震減震措施，通過隔震裝置在地震作用下率先進入消能或耗能狀態(tài)，消耗地震能量，使少量的地震能量輸入到建（構(gòu)）筑物及電力設(shè)施上，避免電力設(shè)施的破壞。

3 個性化和系統(tǒng)性關(guān)聯(lián)設(shè)備的抗震分析

有專家分析過汶川地震什邡八角臺站和廣元曾家臺站所記錄的地震波最大加速度峰值和反應(yīng)譜對斷路器設(shè)備頂部的影響，通過加速度時程與IEEE693-2005“變電站抗震設(shè)計推薦規(guī)程”推薦時程做比較，分析了典型時程作為地震輸入，斷路器支架底部未安裝與安裝減震器時斷路器的地震反應(yīng)和抗震能力，電氣化常采用的220 kV SF6斷路器在0.25g（相當(dāng)于地震烈度7度）加速度幅值時，瓷套的最大應(yīng)力為16.2 MPa（未減震），小于IEEE 693-2005規(guī)定的地震反應(yīng)22.5 MPa，達到中等水準抗震水平。在加速度幅值為0.5g（相當(dāng)于地震烈度8度）、1.0g（相當(dāng)于地震烈度9度）時，減震還是未減震，底部瓷套的最大應(yīng)力均超過22.5 MPa（什邡八角波最大應(yīng)力53.7 MPa），達不到高等水準的抗震水平，因此，牽引變電所敞開式斷路器可借鑒電力系統(tǒng)研究成果，需選用抗震型設(shè)備或采用防震措施；對于牽引變電所而言更重要的是需對個性化設(shè)備和系統(tǒng)性關(guān)聯(lián)的設(shè)備進行抗震分析。

如表3所示，PP注塑件氣味在第20天的時候強度降低，之后穩(wěn)定在2.5級，主要是由于殘存在PP注塑件表面的小分子物質(zhì)隨著時間延長逐步揮發(fā)，之后與空氣中的小分子達成平衡，在沒有高溫的作用下，趨于穩(wěn)定狀態(tài)。如圖2所示，隨著時間的延長，甲醛、乙醛含量逐步降低，在15～20 d的時候，殘留在PP注塑件表面的醛類物質(zhì)隨空氣流通揮發(fā)，然后是熱氧化降解的醛類物質(zhì)隨著時間的延長慢慢釋放，直至檢測不到。所以，在標準實驗室條件下，PP注塑件放置20 d，氣味、VOC可以達到一個較好的狀態(tài)。

3.1 牽引變壓器抗震設(shè)計

高壓電氣設(shè)備的抗震試驗驗證往往在大型結(jié)構(gòu)振動臺上完成，試件一般為原件，試驗成本較高，且對于大型設(shè)備，振動臺的承重和抗傾覆能力不一定滿足試驗要求。按相關(guān)規(guī)范變壓器的抗震設(shè)計除了對套管要求做動力設(shè)計外，還應(yīng)對變壓器本體做靜力設(shè)計方法；牽引變壓器由于本體質(zhì)量較大，一般沒有做抗震試驗，沒有按現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)建立有限元分析模型進行動力時程分析；目前采用的變壓器套管一般為瓷性的，套管的法蘭盤通過橡膠墊與變壓器箱頂板連接，V/v接線的牽引變壓器還用2個單相變壓器同用油枕結(jié)構(gòu)（圖1），由于沒有做帶附件的試驗、運輸過程中又是卸下套管和放油運輸，震動時箱體內(nèi)油的流動對容器耦合自振、場地基礎(chǔ)、共用油枕連接結(jié)構(gòu)的影響和變壓器本體和套管的固有頻率的動力放大效應(yīng)可能更大，因此牽引變壓器的出線套管抗震設(shè)計應(yīng)同時考慮變壓器基礎(chǔ)及本體的動力響應(yīng)放大，牽引變壓器的抗震設(shè)計應(yīng)按 GB 50556-2010工業(yè)企業(yè)電氣設(shè)備抗震設(shè)計規(guī)范執(zhí)行，進行相關(guān)薄弱環(huán)節(jié)的驗算；日本JEAG5003-1998“變電所電氣設(shè)備抗震設(shè)計指南”在靜力法驗算時變壓器箱體及套管根部均按靜態(tài)水平加速度0.5g取，而目前的國標是按分級取值，9度地表加速度為0.4g；對于成蘭鐵路工程推薦采用日本標準；套管可采用抗彎強度高，機械性能好，體積小的復(fù)合材料套管，既滿足動力時程加載試驗，還滿足高海拔需要放大空氣間隙距離的要求；牽引變壓器本體上的油枕、散熱器及其連接管道等附件采用靜力法驗算符合抗震要求；安裝設(shè)計時取消滾輪固定在基礎(chǔ)上，且基礎(chǔ)臺面宜適當(dāng)加寬或?qū)⒃O(shè)備焊接固定在基礎(chǔ)預(yù)埋件上，防止地面震動的加速度使設(shè)備產(chǎn)生位移掉臺。

圖1 V/v牽引變壓器安裝外形示意圖

3.2 箱式分區(qū)所

目前電氣化鐵路箱式分區(qū)所多為戶外交流全封閉開關(guān)柜，為系統(tǒng)性關(guān)聯(lián)設(shè)備，開關(guān)柜內(nèi)設(shè)置了手推車式真空斷路器、隔離開關(guān)、電流互感器、電壓互感器、微機保護裝置、交直流系統(tǒng)、遠動接口等設(shè)備，箱體內(nèi)部為間隔式布置，進出線采用穿墻套管方式；由于箱式分區(qū)所內(nèi)的設(shè)備為單體式設(shè)備組合而成，抗震性能由箱內(nèi)各設(shè)備各自的性能、箱體性能、各連接件及基礎(chǔ)決定，目前電氣化鐵路箱式分區(qū)所幾乎都沒有做過整體抗震試驗和抗震分析，箱式分區(qū)所的抗震性能怎樣評定和應(yīng)采取哪些措施還有待研究。

箱式分區(qū)所按成套設(shè)備來分析抗震性能關(guān)鍵在于：

（1）將地基、基礎(chǔ)、箱體的放大影響統(tǒng)一為一個影響系數(shù)，使其與地表面輸入的標準地震力作為箱體底座下端輸入考慮，參照變壓器的計算方法計算動力放大率，而箱體套管的動力響應(yīng)特性可按電瓷型設(shè)備考慮。由于箱內(nèi)設(shè)備多樣，連接方式各異，須考慮地表輸入最大水平加速度和垂直加速度，不考慮外力的疊加（短路電磁力、風(fēng)力、連接導(dǎo)體的張力等）。

（2）由于箱式分區(qū)所內(nèi)部分設(shè)備不是定型產(chǎn)品，往往可以由用戶要求而更換設(shè)備改變安裝方式，因此放置在基礎(chǔ)上的成套設(shè)備應(yīng)考慮箱體的2次動力放大。

（3）遵循GB/T13540-2009采用有限元技術(shù)建模，模擬連接法蘭、螺栓、膠裝材料的受力狀態(tài)來達到盡量逼近其真實剛度的效果，由于有限元建模過程比較復(fù)雜，設(shè)備的質(zhì)量和剛度分布不均勻，自振特性很難正確算出，推薦選用規(guī)范中的公式計算，并加載（激振）多個薄弱點部位（頂部、橫向或單體設(shè)備與箱體的連接處、斷路器靜觸頭支撐件、底座安裝）；可采用頻率范圍0.5～38 Hz（規(guī)范≥25 Hz），輸入加速度0.2g或0.3g（廣元曾家臺水平加速度記錄0.4g，什邡八角臺水平加速度記錄0.6g），確定幾階的固有自振頻率和阻尼比。

（4）計算和驗證抗震性能，固定箱內(nèi)設(shè)備選型和安裝方式。為提高安全度，對垂直荷載較大的箱式分區(qū)所設(shè)備采取防震加固措施。

3.3 室內(nèi)布置的GIS考慮的因數(shù)

成蘭鐵路有多個牽引變電所設(shè)在地震烈度為8度地區(qū)，由于變電所選址場地和高海拔3 000 m的要求，將27.5 kV GIS充氣柜或220 kV（或330 kV）GIS設(shè)備放置在室內(nèi)或室內(nèi)二層地面上，設(shè)備安放在樓上時，與安放在同一場地的地面上的地震作用是不一樣的，施加在GIS上的地震強度取決于建筑物的機械傳播特性，GIS設(shè)備放置在動態(tài)的建筑物上，因此，除了建（構(gòu)）筑物設(shè)計時考慮地面運動加速度值的放大（圖2），電氣設(shè)備安裝布置還應(yīng)考慮所在樓層與支承電氣設(shè)備的建筑物或構(gòu)筑物的基本自振周期Ts：

Ts=0.03 Hs（一般采用鋼結(jié)構(gòu)）

式中，Hs為建筑物的總高度，m，一般≥6.0 m，則Ts＞0.18 s（相當(dāng)于45 Hz），大于33 Hz；當(dāng)基本自振周期確定后，可將樓板+構(gòu)筑物（基礎(chǔ)）+GIS設(shè)備視為剛性，抗震設(shè)計可采用靜力法計算。

圖2 樓層的動力放大系數(shù)曲線圖

地震作用產(chǎn)生的彎矩或剪力：

M=a0Geq(H0-h)/g，V=a0Geq/g

式中，Geq為結(jié)構(gòu)等效總重力荷載值，kN；H0為GIS體系重心高度，m；h為計算斷面處距底部高度，m；a0為設(shè)計地震加速度，m/s2。

對于二層樓設(shè)備，設(shè)計地震加速度值時應(yīng)考慮構(gòu)樓板+構(gòu)筑物（基礎(chǔ)）動力反應(yīng)放大，即地震輸入加速度a0乘以2倍的動力反應(yīng)系數(shù)。

220 kV GIS組合電器設(shè)備尺寸很大，進行全尺寸的抗震試驗較困難，可考慮分析方法；由于很難準確知道GIS的固有頻率，又不能排除與地震響應(yīng)頻率發(fā)生共振，可對操作要求高的斷路器設(shè)備通過試驗來確認，選擇GIS的一個間隔作適當(dāng)?shù)目拐鹪囼灒⑤斎攵鄠€自由級運動；由于成蘭鐵路的地震響應(yīng)頻譜為已知，因此，GIS設(shè)備應(yīng)適應(yīng)該響應(yīng)頻譜的最低要求，考慮放大的地面加速度值。

在選擇設(shè)備結(jié)構(gòu)時，有可能將GIS基礎(chǔ)做成整塊結(jié)構(gòu)為最好，若不可避免有連接，須對基礎(chǔ)各部分的相對運動進行校驗；由于GIS各廠家的尺寸和安裝結(jié)構(gòu)相差較大，設(shè)置在樓上的土建的預(yù)留應(yīng)在設(shè)備確定后，按供貨廠家的資料來進行，可在工程建設(shè)流程中給予保證。

4 電氣設(shè)施抗震設(shè)計的技術(shù)方案

牽引變電所的電氣設(shè)施應(yīng)按照當(dāng)?shù)卦O(shè)防烈度進行設(shè)計，設(shè)備架構(gòu)及基礎(chǔ)應(yīng)按抗震設(shè)計規(guī)范進行驗算和設(shè)計，當(dāng)設(shè)防烈度為7度及以上時，必須進行系統(tǒng)的抗震設(shè)計。針對成蘭鐵路牽引變電所的特點進行了抗震設(shè)計，其主要技術(shù)方案見表2。

表2 成蘭鐵路抗震設(shè)計主要技術(shù)方案表

表2中敘述了電力設(shè)施選擇、布置、試驗和安裝等因素的主要技術(shù)方案，在設(shè)計中牽引變電所選址應(yīng)避開地質(zhì)斷層、危巖等場所，其主接線和設(shè)備設(shè)計應(yīng)盡可能考慮冗余和通用化等，所內(nèi)重要場所還需設(shè)置自動消防設(shè)施，避免地震引發(fā)次生火災(zāi)。

5 結(jié)語

抗震技術(shù)研究和規(guī)程規(guī)范的應(yīng)用為高震地區(qū)修建電氣化鐵路提供了重要保證，牽引變電所電氣設(shè)備選擇的適應(yīng)性分析和抗震設(shè)計更是為了提高電力設(shè)施的抗震能力，保證在地震作用效應(yīng)下牽引變電所依然可以正常運行。

[1] GB50556-2010工業(yè)企業(yè)電氣設(shè)備抗震設(shè)計規(guī)范[S].

[2] GB/T13540-2009高壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備的抗震要求[S].

[3] GB50011-2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].

[4] IEEE693-2005 Recommended practice for seismic design of substations [S].

[5] JEAG5003-1998変電所等における電気設(shè)備の耐震設(shè)計指針[S].

[6] 尤紅兵，趙鳳新.瓷柱式SF6高壓斷路器抗震性能分析[J].震災(zāi)防御技術(shù)，2010，（4）.

[7] 謝強，朱瑞元.大型變壓器抗震性能研究現(xiàn)狀與進展[J].變壓器，2011，（1）.

[8] 孔杰華.多道抗震防線在建筑抗震設(shè)計中的研究[J].鐵道標準設(shè)計，2005，（8）.