特高壓變電站設(shè)備抗震設(shè)防的設(shè)計(jì)研究

翟晨宇 劉興萬(wàn) 張光耀

摘要：特高壓輸變電工程輸送功率和投資高，電氣設(shè)備尺寸和重量大，在基本烈度8度以上地區(qū)的抗震設(shè)防是一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)。我國(guó)特高壓變電站、換流站工程中主要依據(jù)《電力設(shè)施抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50260-2013開(kāi)展抗震設(shè)計(jì)，但在具體設(shè)計(jì)中對(duì)設(shè)備抗震設(shè)防的標(biāo)準(zhǔn)確定、參數(shù)選取、強(qiáng)度校核方面還存在不明確之處。

關(guān)鍵詞：特高壓;變電站設(shè)備;抗震設(shè)防;設(shè)計(jì)

1導(dǎo)言

特高壓輸變電工程電壓等級(jí)和輸送功率高，綜合投資和重要性也較高，且電壓等級(jí)越高在地震中的易損性也越高。對(duì)于基本烈度8度以上的地區(qū)其電氣設(shè)備的抗震設(shè)防是一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)。工程設(shè)計(jì)中對(duì)特高壓電氣設(shè)備抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的主要按照國(guó)標(biāo)《電力設(shè)施抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50260確定，國(guó)內(nèi)學(xué)者也曾對(duì)中、美、日等電氣設(shè)備抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了討論和對(duì)比研究。自2013年新修訂的《電力設(shè)施抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50260—2013實(shí)施以來(lái)，將原1996版的電氣設(shè)備最高抗震設(shè)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(shè)中，通過(guò)采取變壓器隔震、柱式設(shè)備的消能減震、復(fù)合材料套管等措施能夠一定程度地提高電氣設(shè)備抗震水平，然而具體工程設(shè)計(jì)中對(duì)抗震設(shè)防的標(biāo)準(zhǔn)確定、參數(shù)選取、具體計(jì)算方面還存在不明確之處。本文通過(guò)對(duì)規(guī)范條文的解讀、討論及與國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比，針對(duì)特高壓變壓器、換流變套管以及本體與基礎(chǔ)的連接兩方面抗震設(shè)計(jì)中的問(wèn)題展開(kāi)分析，提出了幾點(diǎn)建議。

2電氣設(shè)備的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)

為了進(jìn)一步研究和明確《電力設(shè)施抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》下的電氣設(shè)備設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，首先將其設(shè)防目標(biāo)和設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)與美國(guó)《變電站抗震設(shè)計(jì)推薦規(guī)程》和國(guó)際電工委員會(huì)的IEC系列標(biāo)準(zhǔn)做一個(gè)比較。根據(jù)《電力設(shè)施抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50260—2013，特高壓變電站、換流站均屬于重要電力設(shè)施，其電氣設(shè)備“可按抗震設(shè)防烈度提高1度設(shè)防，但抗震設(shè)防烈度為9度及以上時(shí)不再提高”。從該條文規(guī)定上理解，提高后的最高抗震設(shè)防水平為9度（0.40g）。另外規(guī)范中第1.0.4條指出，“按本規(guī)范設(shè)計(jì)的電力設(shè)施中的電氣設(shè)施，當(dāng)遭受到相當(dāng)于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度及以下的地震影響時(shí)，不應(yīng)損壞，仍可繼續(xù)使用;當(dāng)遭受到高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度相應(yīng)的罕遇地震影響時(shí)，不應(yīng)嚴(yán)重?fù)p壞，經(jīng)修理后即可恢復(fù)使用”。規(guī)范未對(duì)重要電力設(shè)施提高1度后的設(shè)防目標(biāo)進(jìn)一步明確，尤其是對(duì)于在地震中易損的變壓器、高抗套管等脆性部件。美國(guó)《變電站抗震設(shè)計(jì)推薦規(guī)程》即IEEEstd953-2005規(guī)定：設(shè)防目標(biāo)是“在RRS水平下完全無(wú)損并能繼續(xù)運(yùn)行，在Performance水平下沒(méi)有顯著結(jié)構(gòu)損傷并具有可接受的性能”。國(guó)際電工委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)IEC62271-2-2003（對(duì)應(yīng)我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)《高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備的抗震要求》GB/T13540）規(guī)定：在預(yù)期地震應(yīng)力下，“主回路、控制和輔助回路包括相關(guān)的安裝構(gòu)架不應(yīng)出現(xiàn)故障”?！爸灰唤档驮O(shè)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(yīng)與設(shè)施的安裝地點(diǎn)地震時(shí)最大地面運(yùn)動(dòng)相一致”。關(guān)于套管的技術(shù)指南IEC61463指出“設(shè)備應(yīng)具有適當(dāng)?shù)墓δ堋⑼暾院桶踩浴?。預(yù)期地震分為AF2、AF3、AF5三個(gè)設(shè)防級(jí)別，其地震動(dòng)峰值加速度分別為0.2g、0.3g、0.5g，對(duì)應(yīng)參考的地震烈度分別為：<8度、8度～9度和>9度。IEC標(biāo)準(zhǔn)中未明確給出確定某個(gè)站址設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)的方法，若參考UBC地震分區(qū)圖，其設(shè)計(jì)地震水平大約相當(dāng)于我國(guó)的“中震”。

3瓷套管和復(fù)合材料套管的判別準(zhǔn)則

在電力設(shè)施抗震設(shè)防中，套管、支柱絕緣子等長(zhǎng)細(xì)比大、且為脆性材料，是易損的關(guān)鍵部件。因此還需要對(duì)比不同標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)地震動(dòng)下瓷和復(fù)合材料的應(yīng)力判別準(zhǔn)則。IEEEstd693-2005中的瓷套管和復(fù)合材料套管的容許應(yīng)力分別為其極限應(yīng)力和規(guī)定機(jī)械負(fù)荷的50%，即相當(dāng)于安全系數(shù)為2.0。IEEE明確指出這是由于進(jìn)行試驗(yàn)和計(jì)算的RRS地震水平為性能目標(biāo)Performance水平的一半，通過(guò)判別準(zhǔn)則上的安全系數(shù)可保證在Performance水平下瓷套管和復(fù)合材料套管的應(yīng)力小于其極限應(yīng)力和規(guī)定機(jī)械負(fù)荷（SpecifiedMechanicalLoad，SML）的抗震設(shè)防目標(biāo)。IEC62271-2-2003中對(duì)瓷套管和復(fù)合材料套管的規(guī)定基本與IEEEstd693-2005相當(dāng)，套管應(yīng)力為極限強(qiáng)度的50%，其他的延性材料可以為屈服強(qiáng)度的90%～100%。關(guān)于套管抗震的技術(shù)指南IECTS61463-2016規(guī)定，對(duì)于瓷或玻璃套管地震組合應(yīng)力不應(yīng)超過(guò)100%的型式試驗(yàn)?zāi)褪軓澗?，?duì)于復(fù)合材料套管則不超過(guò)60%的規(guī)定機(jī)械負(fù)荷（此時(shí)套管無(wú)不可恢復(fù)的塑性變形），相當(dāng)于安全系數(shù)1.67，安全裕度比IEEE略低。我國(guó)GB50260規(guī)定“應(yīng)保證設(shè)備和裝置的根部或其他危險(xiǎn)斷面處產(chǎn)生的應(yīng)力值小于設(shè)備或材料的容許應(yīng)力值”，并將廠家提供的瓷件破壞應(yīng)力或破壞彎矩除以1.67安全系數(shù)作為容許應(yīng)力進(jìn)行抗震驗(yàn)算，這一安全系數(shù)要求可上溯至GB/T13540-1992，其中破壞應(yīng)力定義為“由電瓷生產(chǎn)廠提供給設(shè)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(shè)計(jì)地震動(dòng)基本相當(dāng)于“大震”，不再需要像IEEE和IEC標(biāo)準(zhǔn)那樣考慮由中震計(jì)算或試驗(yàn)推導(dǎo)大震性能的安全系數(shù)，因此1.67的安全系數(shù)應(yīng)該只反映材料的不確定性，GB50260條文說(shuō)明中也指出是“考慮瓷套管和瓷絕緣子考慮試驗(yàn)結(jié)果的離散性”。綜合起來(lái)，上述標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于套管的判別準(zhǔn)則基本對(duì)應(yīng)為“大震不壞”或“中震彈性”（IECTS61463用于復(fù)合套管時(shí)）。

4結(jié)語(yǔ)

設(shè)備廠家應(yīng)對(duì)提供的破壞應(yīng)力或規(guī)定機(jī)械負(fù)荷的來(lái)源、依據(jù)、保證率等進(jìn)行明確說(shuō)明，并具有試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。設(shè)計(jì)校核時(shí)要考慮設(shè)備型式、尺寸、受力狀態(tài)、法蘭膠裝強(qiáng)度等因素的影響，合理分析后選用。

參考文獻(xiàn)

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

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