摘要：特高压输变电工程输送功率和投资高，电气设备尺寸和重量大，在基本烈度8度以上地区的抗震设防是一个重点和难点。我国特高压变电站、换流站工程中主要依据《电力设施抗震设计规范》GB50260-2013开展抗震设计，但在具体设计中对设备抗震设防的标准确定、参数选取、强度校核方面还存在不明确之处。
关键词：特高压；变电站设备；抗震设防；设计
1导言
电力系统在地震中遭到破坏，会造成很大的直接经济损失，并影响应急救灾工作和正常经济社会运行、甚至引发其他次生灾害。在2008年汶川地震中，四川电网110kV及以上变电站中仅变压器受损统计就有渗漏40多起、移位7起、套管损坏58起；2013年四川省芦山地震中，原规划的雅安1000kV变电站站址区域的地震烈度达到了9度。确定变电站和换流站的抗震设防标准，需要综合考虑工程重要性、地震危险性、设备制造水平以及造价等多种因素。
特高压输变电工程电压等级和输送功率高，综合投资和重要性也较高，且电压等级越高在地震中的易损性也越高。对于基本烈度8度以上的地区其电气设备的抗震设防是一个重点和难点。工程设计中对特高压电气设备抗震设防标准的主要按照国标《电力设施抗震设计规范》GB50260确定，国内学者也曾对中、美、日等电气设备抗震设防标准进行了讨论和对比研究。自2013年新修订的《电力设施抗震设计规范》GB50260—2013实施以来，将原1996版的电气设备最高抗震设防水平从8度提高到了9度。虽然在近年的特高压变电站、换流站建设中，通过采取变压器隔震、柱式设备的消能减震、复合材料套管等措施能够一定程度地提高电气设备抗震水平，然而具体工程设计中对抗震设防的标准确定、参数选取、具体计算方面还存在不明确之处。本文通过对规范条文的解读、讨论及与国外标准的对比，针对特高压变压器、换流变套管以及本体与基础的连接两方面抗震设计中的问题展开分析，提出了几点建议。
2电气设备的设防标准和设计地震动参数
为了进一步研究和明确《电力设施抗震设计规范》GB50260—2013下的电气设备设防标准，首先将其设防目标和设计地震动参数与美国《变电站抗震设计推荐规程》IEEEstd953和国际电工委员会的IEC系列标准做一个比较。根据《电力设施抗震设计规范》GB50260—2013，特高压变电站、换流站均属于重要电力设施，其电气设备“可按抗震设防烈度提高1度设防，但抗震设防烈度为9度及以上时不再提高”。从该条文规定上理解，提高后的最高抗震设防水平为9度（0.40g）。另外规范中第1.0.4条指出，“按本规范设计的电力设施中的电气设施，当遭受到相当于本地区抗震设防烈度及以下的地震影响时，不应损坏，仍可继续使用；当遭受到高于本地区抗震设防烈度相应的罕遇地震影响时，不应严重损坏，经修理后即可恢复使用”。规范未对重要电力设施提高1度后的设防目标进一步明确，尤其是对于在地震中易损的变压器、高抗套管等脆性部件。美国《变电站抗震设计推荐规程》即IEEEstd953－2005规定：设防目标是“在RRS水平下完全无损并能继续运行，在Performance水平下没有显著结构损伤并具有可接受的性能”。其中Performance水平相当于“大震”，对应工程场地50年超越概率2%的地震动峰值加速度，并划分为三个级别：小于等于0.10g时为低级别，大于0.10g且小于等于0.50g时为中级别，大于0.50g时为高级别。用于确定地震作用和抗震分析的设计地震动参数如峰值加速度和反应谱为“大震”的一半（即RRS水平）。国际电工委员会标准IEC62271－2－2003（对应我国标准《高压开关设备和控制设备的抗震要求》GB/T13540）规定：在预期地震应力下，“主回路、控制和辅助回路包括相关的安装构架不应出现故障”。“只要不降低设备的功能，永久的变形是允许的”。并指出：“所选择的抗震性能水平应与设施的安装地点地震时最大地面运动相一致”。关于套管的技术指南IEC61463指出“设备应具有适当的功能、完整性和安全性”。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆预期地震分为AF2、AF3、AF5三个设防级别，其地震动峰值加速度分别为0.2g、0.3g、0.5g，对应参考的地震烈度分别为：＜8度、8度～9度和＞9度。IEC标准中未明确给出确定某个站址设计地震动参数的方法，若参考UBC地震分区图，其设计地震水平大约相当于我国的“中震”。图1显示了在不同基本烈度下上述三个标准采用的设计地震动加速度 ，其中标注GB50260①的实线将设计地震动按罕遇地震动加速度取值。可见：（1）IEEE标准明确了RRS水平的设计地震动为“大震”的一半，大约相当于“中震”；（2）IEC标准在6度到7度之间、8度半到9度之间与IEEE有些差异，7度至8度半区间与IEEE标准基本相当，其中7度至8度半也是我国输变电工程抗震设防需要考虑的主要区域；（3）GB50260－2013采用的设计地震动相当于“大震”水平，但基本烈度在8度（0.30g）左右时，规范中最高0.40g的设防水平距离其“大震”（约0.50g左右）还有一定差距。
图1不同基本烈度下三个标准采用的设计地震动峰值加速度
3瓷套管和复合材料套管的判别准则
在电力设施抗震设防中，套管、支柱绝缘子等长细比大、且为脆性材料，是易损的关键部件。因此还需要对比不同标准设计地震动下瓷和复合材料的应力判别准则。IEEEstd693－2005中的瓷套管和复合材料套管的容许应力分别为其极限应力和规定机械负荷的50%，即相当于安全系数为2.0。IEEE明确指出这是由于进行试验和计算的RRS地震水平为性能目标Performance水平的一半，通过判别准则上的安全系数可保证在Performance水平下瓷套管和复合材料套管的应力小于其极限应力和规定机械负荷（SpecifiedMechanicalLoad，SML）的抗震设防目标。IEC62271－2－2003中对瓷套管和复合材料套管的规定基本与IEEEstd693－2005相当，套管应力为极限强度的50%，其他的延性材料可以为屈服强度的90%～100%。关于套管抗震的技术指南IECTS61463－2016规定，对于瓷或玻璃套管地震组合应力不应超过100%的型式试验耐受弯矩，对于复合材料套管则不超过60%的规定机械负荷（此时套管无不可恢复的塑性变形），相当于安全系数1.67，安全裕度比IEEE略低。我国GB50260规定“应保证设备和装置的根部或其他危险断面处产生的应力值小于设备或材料的容许应力值”，并将厂家提供的瓷件破坏应力或破坏弯矩除以1.67安全系数作为容许应力进行抗震验算，这一安全系数要求可上溯至GB/T13540－1992，其中破坏应力定义为“由电瓷生产厂提供给设备制造厂的瓷绝缘子的最小弯曲破坏值”。由于GB50260－2013采用的设计地震动基本相当于“大震”，不再需要像IEEE和IEC标准那样考虑由中震计算或试验推导大震性能的安全系数，因此1.67的安全系数应该只反映材料的不确定性，GB50260条文说明中也指出是“考虑瓷套管和瓷绝缘子考虑试验结果的离散性”。综合起来，上述标准中对于套管的判别准则基本对应为“大震不坏”或“中震弹性”（IECTS61463用于复合套管时）。
4结语
设备厂家应对提供的破坏应力或规定机械负荷的来源、依据、保证率等进行明确说明，并具有试验数据支撑。设计校核时要考虑设备型式、尺寸、受力状态、法兰胶装强度等因素的影响，合理分析后选用。
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论文作者:康振宁
论文发表刊物:《基层建设》2018年第24期
论文发表时间:2018/9/18
标签：套管论文; 应力论文; 变电站论文; 标准论文; 烈度论文; 水平论文; 安全系数论文; 《基层建设》2018年第24期论文;