摘要：该文对规范中有关变电站建筑及设备抗震设计的条文进行分析，总结了330kV全户内变电站电气设备抗震设计的难点。以工程实例分析330kV全户内变电站采用设备单独隔震和建筑整体隔震存在的问题及可行性，提出330kV全户内变电站采用建筑整体隔震设计思路，总结了建筑整体隔震设计的要点，为类似工程隔震设计提供借鉴。
关键词：330kV全户内变电站；电气设备；抗震设计；隔震设计
0 引言
变电站作为电网中的线路连接点，用来变换电压、交换功率和汇集、分配电能，其能否安全可靠运行关系到电网的稳定运行及其供电范围内用户生产和生活的正常进行，尤其是城市全户内变电站，站内建筑物及电气设备的安全关系到城市居民生活的方方面面。
近些年我国经济发展迅速，电力需求不断攀升。随着城市规模不断扩大，市区用电负荷持续增长，为了提高供电可靠性并增加供电容量，需要在市区建设高电压等级变电站，然而市区土地资源匮乏、周边环境保护要求高，变电站站址选择非常艰难。因此，占地面积小、布置紧凑、对周围环境影响较小的全户内变电站成为解决上述矛盾的新途径，但是全户内变电站包括变压器在内的所有设备布置在一座建筑物内，工艺布置复杂、设备造价高、抗震要求高，地震发生时变电站能否正常运行不仅关系到电网的正常运行，还关系到抗震救灾及灾后重建工作的顺利开展。目前隔震技术主要应用于民用建筑，在电力系统多应用于户外变电站的主控楼以及部分电气设备，在330kV全户内变电站应用隔震技术还没有先例，尤其是西北地区目前还没有330kV全户内变电站建设经验。
常规以保障生命安全为原则的建筑抗震设计理论对于内部放置有大量电气设备的全户内变电站建筑有失妥当，针对电气设备的抗震设计，其设计理论和地震作用计算与《建筑抗震设计规范》基本一致，但电气设施可采取的抗震措施非常有限，其抗震能力的提高基本上依赖于自身强度的提高[1]。因此有必要对330kV全户内变电站建筑及电气设备的抗震设计进行研究。
1 规范中关于变电站建筑物及电气设备的抗震设防标准及设计方法
《电力设施抗震设计规范》GB50260-2013第1.0.4条规定：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[1]。
第1.0.5条规定：按本规范设计的电力设施的建（构）筑物，当遭受到低于本地区抗震设防烈度的多遇地震影响时，主体结构不受损坏或不需修理仍可继续使用；当遭受到相当于本地区抗震设防烈度的设防地震影响时，可能发生损坏，但经一般修理或不需修理仍可继续使用；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，不应倒塌或发生危及生命的严重破坏[1]。
第1.0.9条规定：重要电力设施中的电气设施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[1]。
第6.1.1条第1款规定：重要电力设施中的电气设施，当抗震设防烈度为7 度及以上时，应进行抗震设计[1]。
第6.2.6条第3款、第4款规定：安装在室内二、三层楼板上的电气设备和电气装置，建筑物的动力反应放大系数应取2.0。对于更高楼层上的电气设备和电气装置，应专门研究；安装在变压器、电抗器本体上的部件，动力反应放大系数应取2.0[1]。
2 对规范条文的理解和应用
对比《电力设施抗震设计规范》第1.0.4条和1.0.5条可以发现，规范编制时充分考虑我国的经济条件和电气设备的特殊性，将变电站中的设施分为建（构）筑物和电气设施两大类，并根据其自身的结构特点和功能要求，分别规定其抗震设防要求。同时电气设施的抗震设防标准要高于建（构）筑物，这也是体现电气设施抗震设防目标与“要求建（构）筑物不倒塌并危及人身安全”的第三水准设防目标不完全一样的地方[1]。
《电力设施抗震设计规范》及《建筑工程抗震设防分类标准》均将330kV及以上变电站和220kV及以下枢纽变电站的主要建筑物划为重点设防类，即此类变电站的主要建筑物应按高于本地区抗震设防烈度一度的要求加强其抗震措施，但抗震设防烈度为9度时应按比9度更高的要求采取抗震措施[2]；《电力设施抗震设计规范》第1.0.6条将220kV枢纽变电站、330kV~750kV变电站、330kV及以上换流站划为重要电力设施，需执行第1.0.9条规定：重要电力设施中的电气设施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[1]。
规范规定当电气设备有支承结构时应充分考虑靠支承结构的动力放大作用，同时给出了各种情况下的动力反应放大系数建议值。当全户内变电站位于高烈度地区且电气设备布置在二楼及以上楼层时，考虑动力反应放大系数后现有设备很难满足规范抗震设防要求，必须采隔震或消能减震措施，且不能影响电气设备的正常使用。
3 全户内变电站抗震设计难点
受外部环境及用地限制，全户内变电站一般采用多层布置，电气设备需要布置在二层及以上楼层，部分设备不能满足规范抗震设防要求。设备自身抗震能力的提高受制于设备厂家的研发进度和产品换代周期，短期内很难实现，采用设备单独隔震又很难保证设备之间及其硬连接变形协调一致，无法保证发生地震时设备正常使用。
某330kV全户内变电站位于8度区，一层布置有主变压器室、110kVGIS室、电抗器室、35kV配电室及辅助用房，二层布置有电容器室、二次设备室、330kVGIS室、主变散热器室等，因部分电气设备不满足现行规范抗震要求，拟采用隔震或消能减震措施。如果采用设备单独隔震，由于GIS主母线套管较长且部分区域穿越楼层，主变压器与散热器错层布置，连接油管也穿越楼层，地震作用下楼层两端以及上下楼层存在位移差，伸缩节仅能调节轴向变形，但无法调节剪切变形，而且设备厂家目前还没有可靠的柔性连接可以解决设备隔震存在的位移差问题；如果采用建筑整体隔震方案，则只需要合理确定隔震层的位置后，采用柔性连接或其他有效措施使得穿过隔震层的设备配管适应隔震层在罕遇地震下的水平位移。
4 建筑整体隔震方案设计及效果
某330kV变电站受用地及周边环境限制采用全户内布置方案，钢筋混凝土框架结构，建筑平面呈矩形，东西长96m，南北宽42m，建筑高度18.7m，抗震设防烈度为8度，为了解决部分电气设备抗震能力不满足规范抗震设防要求的问题，经技术经济比较后考虑采用建筑整体隔震设计方案，在基础与上部结构之间设置由叠层橡胶（铅芯）隔震支座及叠层橡胶滑板支座组成的具有整体复位功能的隔震层，以延长结构的自振周期，减少输入上部结构的水平地震作用，使电气设备满足规范的抗震设防要求，同时提高结构自身的抗震性能。
图1 采用建筑整体隔震技术330kV变电站实景
Fig.1 The real scene of 330kV substation for overall seismic isolation of building
该变电站属于重要电力设施，综合配电楼为重点设防类建筑，故应按高于本地区抗震设防烈度一度的要求加强其抗震措施，但是根据《建筑抗震设计规范》相关条款，以及初步分析得到的水平向减震系数（<0.4），隔震层以上抗震措施允许降低一度，故上部结构仍按8度采取抗震措施，抗震等级为二级；隔震后上部结构水平地震作用仍然按规范方法计算，只是水平地震影响系数最大值需要折减，具体计算方法规范中有参考公式。
与户外电站主控楼等建筑相比，330kV全户内变电站具有以下特点：结构布置复杂、柱距大、层高较高，一二层均抽柱布置，柱距7~15米，局部一二层通高，层高15.5米，平面及竖向布置不规则，对结构抗震不利。根据工艺布置，110kVGIS、330 kVGIS等设备均布置在楼面，楼面活荷载较大且分布不均，而且主变压器和散热器错层布置，二者之间有油管相互连接，如果采用主变基础落地布置方案，地震时位于地基基础上的主变压器和位于楼面板上的散热器之间存在较大位移差，容易损坏油管及其连接，设计将主变压器布置在隔震层以上的结构梁上，因此隔震支座选型及布置是本工程的技术控制点，需充分考虑楼面荷载分布及主变压器所在区域的构造要求。
隔震支座的选型与布置的是一个反复试算调整的过程，可根据经验初步选择并布置隔震支座，通过试算并调整，使支座压应力、变形控制在规范限值内，同时尽可能使结构质心和刚心接近，以减小结构的扭转效应，从而减小设备之间的位移差，保证设备正常使用；根据隔震前后的层间地震剪力确定水平减震系数，确定是否实现隔震目标，若各项指标均满足要求就可以确定支座布置，若不满足需要调整支座后重新验算，直到满足所有条件为止[3]。
本次建筑整体隔震选择了三种支座，分别是LNR—普通叠层橡胶支座；LRB—铅芯叠层橡胶支座；SLD—弹性滑板支座；
图2 隔震支座布置图
Fig.2 Layout of isolation bearings
采用建筑整体隔震技术后，结构的第一自振周期从0.780s延长至2.751s；水平减震系数平均值为：x向0.261，y向0.275，说明采用隔震技术对上部结构有显著的减震效果。计算结果表明：相对于地面加速度非隔震结构楼层的水平向加速度普遍放大，隔震结构楼层的水平向加速度大幅降低，即隔震结构的水平向减震效果显著，隔震结构的竖向减震效果不明显；同时可以看出在一定范围内，输入的地震作用越大，楼层的减震效果越明显[3]；同时本工程框架结构长度96m，受工艺限制不能设置伸缩缝，采取隔震措施后，可以显著减小上部结构因温度变化引起的温度应力[4]。
5 建筑整体隔震构造措施
《建筑抗震设计规范》规定隔震结构应采取不阻碍隔震层在罕遇地震下发生大变形的措施：上部结构的周边应设置竖向隔离缝，上部结构与下部结构之间应设置完全贯通的水平隔离缝等[5]。
隔离缝的设置要能保证建筑物上部结构在地震时正常变形不受约束，同时要考虑施工期间和后期检修维护的便利性。在本工程施工图设计阶段，通过与工艺专业沟通，充分了解工艺管线固定要求及允许变形等，同时考虑变电站运行检修特点，采取了多种隔震构造措施。在采用国标图集已有构造详图的基础上设计出多个全新构造节点，以保证地震作用时隔震层上下的位移差不影响设备正常运行和管线正常使用，避免地震时对室内外装饰、楼梯、落水管等建筑构件造成损坏，同时保证变电站运行及检修便利性。
6 结论
本文通过对规范中关于变电站建筑及设备抗震设防要求和设计方法进行分析，总结了全户内变电站建筑与设备设防标准的差异及设备抗震设计的难点，提出330kV全户内变电站建筑整体隔震设计思路，解决了现有设备不能满足规范抗震设防要求的问题，结合工程实践得出以下结论：
（1）全户内变电站抗震设计应注重工艺布置优化，尽可能将抗震能力较差的设备布置在底层，当设备抗震能力不满足规范要求时，应通过技术经济比较确定采用设备单独隔震或建筑整体隔震，保证技术方案安全可靠、经济合理。
（2）采用设备单独隔震时应充分考虑采取隔震措施的设备与其他设备之间的相互影响，采取构造措施避免地震作用下二者之间的位移差造成的连接破坏。
（3）采用建筑整体隔震时，应适当加大隔震层梁板体系平面内刚度，以保证隔震层能够整体协调工作，进而提高结构自身的抗震性能。
（4）隔震支座布置应尽可能使结构质心和刚心接近，以减小上部结构的扭转效应，从而减小设备之间的位移差。
（5）采用建筑整体隔震后，结构的自振周期由0.780s延长至2.751s；水平减震系数平均值为：x向0.261，y向0.275，减震效果显著。
参考文献：
[1] GB 50260-2013《电力设施抗震设计规范》，中国计划出版社，2013．
[2] GB 50223-2008《建筑工程抗震设防分类标准》，中国建筑工业出版社，2008．
[3] 西安理工大学《330kV户内变电站建筑及设备隔震技术研究》，2016.
[4] 西安理工大学硕士论文《隔震技术在变电站建筑物中的应用研究》，2004.
[5] GB 50011-2010《建筑抗震设计规范》（2016年版），中国建筑工业出版社，2016．
作者简介：
张海刚（1978-），男，高级工程师，主要从事变电站结构设计、研究工作。
论文作者:张海刚1,黄瑜1,杨丰1,李天天2
论文发表刊物:《电力设备》2019年第15期
论文发表时间:2019/11/20
标签：变电站论文; 户内论文; 烈度论文; 结构论文; 建筑论文; 设备论文; 支座论文; 《电力设备》2019年第15期论文;