特高压变电站设备抗震设防的设计

贺 瑞，颜士海，邓长红，方 静

(电力规划设计总院，北京 100120)

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110 kV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1000 kV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》GB 50260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》GB 50260—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。

1 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》GB 50260—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》IEEE std 953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》GB 50260—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IEEE std 953－2005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0.10 g时为低级别，大于0.10 g且小于等于0.50 g时为中级别，大于0.50 g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IEC 62271－2－2003(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IEC 61463指出“设备应具有适当的功能、完整性和安全性”。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0.2 g、0.3 g、0.5 g，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GB 50260①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) GB 50260－2013采用的设计地震动相当于“大震”水平，但基本烈度在8度(0.30 g)左右时,规范中最高0.40 g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

2 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。

IEEE std 693－2005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(Specified Mechanical Load,SML)的抗震设防目标。

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IEC 62271－2－2003中对瓷套管和复合材料套管的规定基本与IEEE std 693－2005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IEC TS 61463－2016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GB 50260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GB 50260－2013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，GB 50260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”(IEC TS 61463用于复合套管时)。

3 分析和讨论

主要讨论以下两个问题：

(1)基本地震动峰值加速度大于0.20 g时，设计地震动峰值加速度取0.40 g还是“大震”峰值加速度。

我国规定抗震设防烈度为9 度及以上的地震区不应作为变电站、换流站站址，但站址基本地震动峰值加速度在0.30 g左右的工程还是存在，如滇西北－广东±800 kV 特高压直流工程中新松±800 kV换流站为0.26 g、锦屏－苏南±800 kV特高压直流工程中裕隆换流站为0.31 g等。随着特高压工程建设范围的扩大，可能还会有其他站址出现。在考虑中震设计和2.0安全系数前提下，IEC标准在基本烈度8度至9度区间内的设计峰值加速度为0.30 g，IEEE标准为0.25 g(8度至8度半时)和0.50 g(高于8度半时)。我国标准对重要电力设施采用大震设计，设计地震动峰值加速度若取最高0.40 g有些不足，建议在特高压输变电工程中将设计地震动峰值加速度明确为“大震”。个别企业标准如国网《特高压瓷绝缘电气设备抗震设计及减震装置安装与维护技术规程》已将重要电气设施的设计地震动明确为50年超越概率2%的罕遇地震。

(2)抗震强度验算中对采用的破坏应力或规定机械负荷有什么要求，以及何时除以1.67安全系数。

IEC和IEEE标准将其破坏应力或规定机械负荷(SML)除以安全系数2.0作为容许应力，是由于其设计地震动对应的是“中震”，约为大震的一半。根据相关设备和材料的试验要求，这里的极限应力和规定机械负荷应是具有一定保证率的“标准值”，除此之外IEC和IEEE不再要求预期的大震下设备仍具有额外的安全系数。

对于我国规范中按“大震”设计的瓷或复合套管以及支柱绝缘子等，如破坏应力或规定机械负荷采用具有一定保证率的标准值并保留1.67的安全系数，在原GB 50260－1996以及GB 50556－2010等规范规程中，由于设计地震动峰值加速度最高为0.20 g，相当于“峰值加速度0.33 g下不坏”，略高于基本烈度7度(0.15 g)对应的罕遇地震水平，与IEEE和IEC标准相比设防水平偏低。而GB 50260－2013发布后，对罕遇地震0.40 g水平下如仍将破坏应力标准值除以1.67作为容许应力，则相当于“峰值加速度0.67 g下不坏”；在8度(0.30 g)对应的罕遇地震0.50 g水平下如考虑1.67安全系数，则相当于“峰值加速度0.84 g下不坏”。 这样会导致基本烈度8度至8度半地区的电气设备制造难度和造价过高。

另一方面，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，应具有试验数据支撑，必要时应进行试验验证。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。破坏应力或规定机械负荷为平均值时应除以1.67，具有较高保证率时可直接作为容许应力。建议国标GB 50260规范修订时对复合材料的判别准则进行补充和明确。

表1和图2给出了IEC、IEEE和GB 50260三个标准的最大地震影响系数和反应谱对比，基于标准做以下改进和设定：(1)基本地震烈度从7度半到8度半，将GB 50260设计地震动统一采用50年超越概率2%的罕遇地震；(2)抗震强度验算均采用大震下应力小于标准值的判别准则，GB 50260不考虑1.67安全系数，IEC和IEEE标准将2.0安全系数折算到反应谱上(将反应谱乘以2)；(3)GB 50260_a表示Ⅱ类场地、第一组，GB 50260_b表示Ⅲ类场地、第三组；(4)主要比较2%阻尼比的反应谱，8度半时计算5%阻尼比的反应谱作为参照。

表1 三个标准计算的最大地震影响系数对比

图2 不同基本烈度和阻尼比下三个标准采用的反应谱对比

表1和图2显示：(1)IEEE反应谱曲线顶部平台最宽，这是由于其考虑了不同场地类型和近远震的包络，并且其在三个基本烈度下均使用对应于基本烈度8度半的最大地震影响系数，更趋于保守；(2) IEC和IEEE在8度区间反应谱基本相当，但IEC反应谱在5%阻尼比时取值偏小；(3) GB 50260由于采用随基本烈度线性增加的最大地震影响系数，在7度半和8度区域反应谱取值略低，但在8度0.30g区域与IEC和IEEE基本相当。可见表1和图2中根据GB 50260改进后选取设计地震动反应谱的方法是较为合适的。

4 变压器与基础的连接

IEEE和IEC标准体系中，大震下设备本身的延性材料或其支架可以有一定程度的屈服，但设备或支架与基础的连接应该有足够的强度，IEEE 693中规定设备与基础的连接应该能够满足中震下安全系数为2.0，即大震下不屈服的要求。

对于特高压工程中的变压器、换流变等，可以按照提高一度后的罕遇地震确定地震作用，进行设备与基础连接的抗震设计，具体计算可以参见《工业企业电气设备抗震设计规范》GB 50556的思路，此时焊缝或螺栓的容许应力取材料的标准值。

5 建议

综合上述分析、讨论，对《电力设施抗震设计规范》GB 50260－2013以及特高压变电站、换流站设备抗震设防标准选取和工程设计方面提出以下建议：

(1)建议GB 50260在下次修订时对重要电力设施提高1度后的抗震设防目标进行说明；实际应用中对于特高压工程中的主要电气设备的非延性部件可确定为“大震不坏”。

(2)对特高压主要电气设备采用50年超越概率2%的罕遇地震作为设计地震动，更有利于保证其在基本烈度为8度(0.20 g)以上地区的抗震能力。

(3)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。

(4)在“大震设计”中，安全系数仅用于考虑强度参数来源于个别试验结果时的离散性，当其具有较高保证率时不应再除1.67。

(5)建议GB 50260规范修订时对复合材料套管的判别准则进行补充和明确。

(6)对于特高压交流变压器、换流变等，建议按照“大震”作用进行设备与基础连接的抗震设计。

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