高地震地区牵引变电所电气设施适应性分析

汪秋宾，宋 兵

0 引言

地震的随机性和难于把握的复杂性使抗震动成为重要的研究课题，汶川大地震后，相关学者对地震作用效应与电气设备的影响进行了大量研究，从理论上结合场地条件、抗震设防烈度、安装方式等，分析典型设备抗震验算的类型、方法、考虑因素，并通过模拟震动试验，修正地震影响系数，随着“工业企业电气设备抗震设计规范 GB50556-2010”的颁布和“电力设施抗震设计规范 GB 50260-1996”的修改版即将定稿，设计有了指导性的规范。牵引变电所所在的场地不同、设备的抗震验算和系统设防有个性化要求，规范的运用是指导性的，实际工程运用中更注重细节、个性化和系统关联的抗震设计，以保证电气设备在安装布置和使用工况下的安全和可靠性。

成都至兰州铁路经茂县、九寨沟接至兰渝铁路哈大铺站，线路穿越高烈度地震多发区，地形、地质复杂，全线多桥、多长隧，且桥隧相连，所址选择极为困难，有20个牵引变电所及分区所设于地震动峰值位于 0.2g高烈度地震地带，必须对电气设施进行防震设计，牵引设备配置标准、电气布置方式及系统的工程场地地震危险性分析成为牵引变电所必须研究的重要课题。

1 地震作用下电气设施故障现象的分析

对于高地震环境地区牵引变电所电气设施选择应从系统的角度去分析；各电气设备有自身的特点，所内不同电压等级牵引变压器、断路器、隔离开关、互感器、GIS充气柜等各类高压电气设备彼此结构形式差别很大，因此应根据地震加速度和场地地质条件，考虑设备的自振频率与当地场地土的地震频率的差别，对各类电气设备各自的动力特性及抗震性能分别进行适应性分析。表1对电气设备的故障现象作了分析和归纳。

国家电网公司2009年针对四川汶川地震对输变电工程抗震影响设计进行了专题研究，总结了变电所电力设施在地震灾害中的破坏类型和原因，中国电力科学研究院、国网北京经济技术研究院、同济大学、西北电力设计院等联合做了相关试验；基于上述研究分析计算和在振动台上的真型试验，对“电力设施抗震设计规范GB 50260-1996”提出了修编意见；由于电气设施可采取的抗震措施有限，其抗震能力的提高基本上依赖于自身强度的提高，在“高压开关设备和控制设备的抗震要求GB/T13540-2009”列出了相关电气设备必须采用分析、试验或两者的组合来验证抗震性能的原则，并规定了验证地面安装的高压开关设备和控制设备抗震性能的试验程序，提出对于试验设备只要不降低功能，永久的变形是允许的。但由于不同设备的安装位置和结构型式不同，质量、刚度的多变和不均匀性，其动力特性不同，动力反应也就不同，牵引变电所电气设备的抗震设计在借鉴电力系统的成功经验的基础上，尚需对牵引设备进行分析，用规范要求的基本方法，针对电气化铁路专有设备结构的固有频率及振型，提出试验方法和抗震措施。

表1 电气设备故障现象的原因分析表

2 电气设施的抗震设计遵循原则

电气设施的抗震设计应从设计思路、电气设备自身抗震能力、电气设施的抗震计算、电气设施布置及安装设计的抗震要求、减震措施等方面综合考虑；抗震设备的选型应根据其安装地点地基的场地土类型，尽可能选用设备的自振频率与当地场地土的地震频率相距较远的设备，避免设备与地震波发生共振。

（2）考虑电气设备的安装方式和位置不同对电气设备的影响，建筑物或构筑物对地面运动加速度值都有一定程度的放大作用；当电气设备有支承结构时，应将支架与电气设施作为一个整体进行抗震设计，变压器的出线套管抗震设计应考虑变压器基础及本体的动力响应放大系数，设置于二层房屋的设备要考虑建筑物的动力放大系数。

（3）抗震计算方法有很多种，由于电气设备外形复杂，质量和刚度分布不均匀，其自振特性很难正确算出，单体设备在进行静力法计算时要考虑与实际工况的适应性，对于成套设备采用振型分解反应谱法进行抗震分析较为合适。

（4）电气化专用设备有条件时应采用振动台进行实物试验作为抗震性能评定依据。采用激振的方法可测出设备各质点 X、Y、Z方向的加速度，通过衰减时程、频谱分析得出第一、第二振型的自振频率、振型和阻尼比；对于组合电器设备，还应选择拐角、中间、顶端、连接部等作质点。

（5）抗震结构的多道防线设计。对房屋结构、防火墙、支柱构架的结构内力分析，应充分考虑结构的空间作用、非弹性性质、材料时效、阻尼变化等因素的不确定性，在设计中应该尽可能增设多道抗震防线，利用赘余杆件的屈服和弹塑性变形来消耗尽可能多的地震输入能量；利用赘余杆件的破坏和退出工作，使结构从一种稳定状态过渡到仍然稳定的另一种状态；结构在总体验算和构件的截面验算时，地震作用为可变荷载力，结构底部的剪力、弯矩和轴向力及顶部的抗力要大于地震卓越周期的冲击力，采取重力荷载的填充墙或轴压比小的抗震墙等相应的抗震构造措施，实现地震情况下的结构设防要求。

（6）相关附属工程（照明、预埋管线、仪器仪表等）同样是完成系统相关功能不可缺少的重要部分，对地震烈度大于7度以上地区的牵引变电所应进行系统的抗震设计，主要是针对机械运动连接件、支撑件、安装固定等方面考虑抗震要求。

（7）抗震设计可以利用建（构）筑物和电力设施自身的强度、刚度来抵抗地震作用，亦可采用隔震减震措施，通过隔震装置在地震作用下率先进入消能或耗能状态，消耗地震能量，使少量的地震能量输入到建（构）筑物及电力设施上，避免电力设施的破坏。

3 个性化和系统性关联设备的抗震分析

有专家分析过汶川地震什邡八角台站和广元曾家台站所记录的地震波最大加速度峰值和反应谱对断路器设备顶部的影响，通过加速度时程与IEEE693-2005“变电站抗震设计推荐规程”推荐时程做比较，分析了典型时程作为地震输入，断路器支架底部未安装与安装减震器时断路器的地震反应和抗震能力，电气化常采用的220 kV SF6断路器在0.25g（相当于地震烈度7度）加速度幅值时，瓷套的最大应力为16.2 MPa（未减震），小于IEEE 693-2005规定的地震反应22.5 MPa，达到中等水准抗震水平。在加速度幅值为0.5g（相当于地震烈度8度）、1.0g（相当于地震烈度9度）时，减震还是未减震，底部瓷套的最大应力均超过22.5 MPa（什邡八角波最大应力53.7 MPa），达不到高等水准的抗震水平，因此，牵引变电所敞开式断路器可借鉴电力系统研究成果，需选用抗震型设备或采用防震措施；对于牵引变电所而言更重要的是需对个性化设备和系统性关联的设备进行抗震分析。

如表3所示，PP注塑件气味在第20天的时候强度降低，之后稳定在2.5级，主要是由于残存在PP注塑件表面的小分子物质随着时间延长逐步挥发，之后与空气中的小分子达成平衡，在没有高温的作用下，趋于稳定状态。如图2所示，随着时间的延长，甲醛、乙醛含量逐步降低，在15～20 d的时候，残留在PP注塑件表面的醛类物质随空气流通挥发，然后是热氧化降解的醛类物质随着时间的延长慢慢释放，直至检测不到。所以，在标准实验室条件下，PP注塑件放置20 d，气味、VOC可以达到一个较好的状态。

3.1 牵引变压器抗震设计

高压电气设备的抗震试验验证往往在大型结构振动台上完成，试件一般为原件，试验成本较高，且对于大型设备，振动台的承重和抗倾覆能力不一定满足试验要求。按相关规范变压器的抗震设计除了对套管要求做动力设计外，还应对变压器本体做静力设计方法；牵引变压器由于本体质量较大，一般没有做抗震试验，没有按现场实测数据建立有限元分析模型进行动力时程分析；目前采用的变压器套管一般为瓷性的，套管的法兰盘通过橡胶垫与变压器箱顶板连接，V/v接线的牵引变压器还用2个单相变压器同用油枕结构（图1），由于没有做带附件的试验、运输过程中又是卸下套管和放油运输，震动时箱体内油的流动对容器耦合自振、场地基础、共用油枕连接结构的影响和变压器本体和套管的固有频率的动力放大效应可能更大，因此牵引变压器的出线套管抗震设计应同时考虑变压器基础及本体的动力响应放大，牵引变压器的抗震设计应按 GB 50556-2010工业企业电气设备抗震设计规范执行，进行相关薄弱环节的验算；日本JEAG5003-1998“变电所电气设备抗震设计指南”在静力法验算时变压器箱体及套管根部均按静态水平加速度0.5g取，而目前的国标是按分级取值，9度地表加速度为0.4g；对于成兰铁路工程推荐采用日本标准；套管可采用抗弯强度高，机械性能好，体积小的复合材料套管，既满足动力时程加载试验，还满足高海拔需要放大空气间隙距离的要求；牵引变压器本体上的油枕、散热器及其连接管道等附件采用静力法验算符合抗震要求；安装设计时取消滚轮固定在基础上，且基础台面宜适当加宽或将设备焊接固定在基础预埋件上，防止地面震动的加速度使设备产生位移掉台。

图1 V/v牵引变压器安装外形示意图

3.2 箱式分区所

目前电气化铁路箱式分区所多为户外交流全封闭开关柜，为系统性关联设备，开关柜内设置了手推车式真空断路器、隔离开关、电流互感器、电压互感器、微机保护装置、交直流系统、远动接口等设备，箱体内部为间隔式布置，进出线采用穿墙套管方式；由于箱式分区所内的设备为单体式设备组合而成，抗震性能由箱内各设备各自的性能、箱体性能、各连接件及基础决定，目前电气化铁路箱式分区所几乎都没有做过整体抗震试验和抗震分析，箱式分区所的抗震性能怎样评定和应采取哪些措施还有待研究。

箱式分区所按成套设备来分析抗震性能关键在于：

（1）将地基、基础、箱体的放大影响统一为一个影响系数，使其与地表面输入的标准地震力作为箱体底座下端输入考虑，参照变压器的计算方法计算动力放大率，而箱体套管的动力响应特性可按电瓷型设备考虑。由于箱内设备多样，连接方式各异，须考虑地表输入最大水平加速度和垂直加速度，不考虑外力的叠加（短路电磁力、风力、连接导体的张力等）。

（2）由于箱式分区所内部分设备不是定型产品，往往可以由用户要求而更换设备改变安装方式，因此放置在基础上的成套设备应考虑箱体的2次动力放大。

（3）遵循GB/T13540-2009采用有限元技术建模，模拟连接法兰、螺栓、胶装材料的受力状态来达到尽量逼近其真实刚度的效果，由于有限元建模过程比较复杂，设备的质量和刚度分布不均匀，自振特性很难正确算出，推荐选用规范中的公式计算，并加载（激振）多个薄弱点部位（顶部、横向或单体设备与箱体的连接处、断路器静触头支撑件、底座安装）；可采用频率范围0.5～38 Hz（规范≥25 Hz），输入加速度0.2g或0.3g（广元曾家台水平加速度记录0.4g，什邡八角台水平加速度记录0.6g），确定几阶的固有自振频率和阻尼比。

（4）计算和验证抗震性能，固定箱内设备选型和安装方式。为提高安全度，对垂直荷载较大的箱式分区所设备采取防震加固措施。

3.3 室内布置的GIS考虑的因数

成兰铁路有多个牵引变电所设在地震烈度为8度地区，由于变电所选址场地和高海拔3 000 m的要求，将27.5 kV GIS充气柜或220 kV（或330 kV）GIS设备放置在室内或室内二层地面上，设备安放在楼上时，与安放在同一场地的地面上的地震作用是不一样的，施加在GIS上的地震强度取决于建筑物的机械传播特性，GIS设备放置在动态的建筑物上，因此，除了建（构）筑物设计时考虑地面运动加速度值的放大（图2），电气设备安装布置还应考虑所在楼层与支承电气设备的建筑物或构筑物的基本自振周期Ts：

Ts=0.03 Hs（一般采用钢结构）

式中，Hs为建筑物的总高度，m，一般≥6.0 m，则Ts＞0.18 s（相当于45 Hz），大于33 Hz；当基本自振周期确定后，可将楼板+构筑物（基础）+GIS设备视为刚性，抗震设计可采用静力法计算。

图2 楼层的动力放大系数曲线图

地震作用产生的弯矩或剪力：

M=a0Geq(H0-h)/g，V=a0Geq/g

式中，Geq为结构等效总重力荷载值，kN；H0为GIS体系重心高度，m；h为计算断面处距底部高度，m；a0为设计地震加速度，m/s2。

对于二层楼设备，设计地震加速度值时应考虑构楼板+构筑物（基础）动力反应放大，即地震输入加速度a0乘以2倍的动力反应系数。

220 kV GIS组合电器设备尺寸很大，进行全尺寸的抗震试验较困难，可考虑分析方法；由于很难准确知道GIS的固有频率，又不能排除与地震响应频率发生共振，可对操作要求高的断路器设备通过试验来确认，选择GIS的一个间隔作适当的抗震试验，并输入多个自由级运动；由于成兰铁路的地震响应频谱为已知，因此，GIS设备应适应该响应频谱的最低要求，考虑放大的地面加速度值。

在选择设备结构时，有可能将GIS基础做成整块结构为最好，若不可避免有连接，须对基础各部分的相对运动进行校验；由于GIS各厂家的尺寸和安装结构相差较大，设置在楼上的土建的预留应在设备确定后，按供货厂家的资料来进行，可在工程建设流程中给予保证。

4 电气设施抗震设计的技术方案

牵引变电所的电气设施应按照当地设防烈度进行设计，设备架构及基础应按抗震设计规范进行验算和设计，当设防烈度为7度及以上时，必须进行系统的抗震设计。针对成兰铁路牵引变电所的特点进行了抗震设计，其主要技术方案见表2。

表2 成兰铁路抗震设计主要技术方案表

表2中叙述了电力设施选择、布置、试验和安装等因素的主要技术方案，在设计中牵引变电所选址应避开地质断层、危岩等场所，其主接线和设备设计应尽可能考虑冗余和通用化等，所内重要场所还需设置自动消防设施，避免地震引发次生火灾。

5 结语

抗震技术研究和规程规范的应用为高震地区修建电气化铁路提供了重要保证，牵引变电所电气设备选择的适应性分析和抗震设计更是为了提高电力设施的抗震能力，保证在地震作用效应下牵引变电所依然可以正常运行。

[1] GB50556-2010工业企业电气设备抗震设计规范[S].

[2] GB/T13540-2009高压开关设备和控制设备的抗震要求[S].

[3] GB50011-2010建筑抗震设计规范[S].

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

[5] JEAG5003-1998変电所等における电気设备の耐震设计指针[S].

[6] 尤红兵，赵凤新.瓷柱式SF6高压断路器抗震性能分析[J].震灾防御技术，2010，（4）.

[7] 谢强，朱瑞元.大型变压器抗震性能研究现状与进展[J].变压器，2011，（1）.

[8] 孔杰华.多道抗震防线在建筑抗震设计中的研究[J].铁道标准设计，2005，（8）.