1000kV交流特高压变电站电气设备抗震设计研究

芦海波

摘要：特高压交流变电站在电网中具有非常重要的地位，如果地震造成特高压电气设备的损坏，将造成非常大的影响。本文研究了高烈度地震区1000kV特高压变电站电气设抗震设计，提出了在电力设备选型、电力设备基础及支架抗震设计、设备引线设计等方面的电气抗震设计措施。

关键词：特高压;变电站;抗震;研究

0 引言

特高压1000kV交流电网在当今社会中具有重要的地位，一旦地震中遭到破坏，就会造成严重的社会影响和难以估量的经济损失。因此，在特高压1000kV变电站建设过程中，抗震设计不容忽视。本文对变电站电气设备地震破坏的原因进行分析，针对变电站抗震薄弱环节，提出变电站电气抗震设计建议。

1 变电站电气设备震害原因情况及破坏特点

1.1主变压器

变压器是变电站中重要的设备之一，是由铁心、绕组、绝缘、引线、油箱、相应组件装配完成以后，再注入变压器油而构成。在历次地震灾害中，主变压器是极易损部件。

主变压器的震害主要表现为：本体脱轨或倾倒、套管根部断裂、地基沉陷、漏油、其它本体附件（散热器和潜油泵等）损坏等[2]。

1.2电瓷型高压电气设备

此类设备外绝缘部分一般都细长且为瓷套或瓷柱。包括：断路器、隔离开关、电压互感器，电流互感器、支柱绝缘子、GIS套管、避雷器等。这类设备在历次大地震中均有损坏。震害主要为瓷柱断裂，断裂大多发生在瓷柱的根部[2]。

1.3屏柜类电气设备

主要包括开关柜、配电屏、控制屏、继电保护屏及通信、交换机等设备。这类设备震害的主要原因是未采取可靠的固定措施，使设备在地震中发生位移或倾倒。蓄电池大多因为其浮放在支撑木架或基础平台上，导致蓄电池移位、倾倒或跌落摔坏[2]。

2 国内变电站电气设施抗震研究进展

在变压器抗震研究方面，国内外学者多采用有限元分析方法研究变压器的抗震问题。2005年郭振岩对110kV变压器进行了地震时的动力响应分析，研究结果表明结构的自振频率超过10Hz，变压器油对受力情况有较大影响[7]。

在電瓷型设备抗震研究领域，1999年张伯艳等以500 kV断路器为研究对象，计算了该设备在静力和地震作用下设备瓷柱根部的应力，并以此分析了该产品的抗震性能[10]。2004年李哑琦等分析了导线对电气设备抗震性能的影响，结果表明设备间的连接导线会加大设的地震反应力[11]。

2.1试验研究方面

目前国内多所机构及院校均具有地震模拟试验台，可进行大型高压电气设备的抗震试验。在1000kV北京东、1000kV潍坊特高压变电站设计中，对全站各电压等级的电气设备均进行了真型抗震试验，对设备的抗震能力进行了试验验证。

3.1000kV特高压变电站电气抗震设计

为提高变电站电力设施抗震能力，减少地震灾害损失，本文对变电站建、构筑物及电气设备地震破坏的原因进行分析，针对变电站抗震薄弱环节，提出变电站抗震设计建议。

3.1 特高压电力设施抗震设防标准

电气设施在材料、结构、功能与建筑物有着本质区别，国内的震害显示，变电站中电气设施的损坏程度要大于建筑物。因此有必要针对电气设施采用与建筑物不同的抗震设防标准。

1000kV变电站的抗震设防烈度或地震动参数执行国家标准《中国地震动参数区划图》GB 18306的有关规定。

抗震设防烈度6 ～8度地区新建、扩建的1000kV变电站内电气设施，按抗震设防烈度提高1度进行抗震设防，开展了地震安全性评价的工程，按50年超越概率2%标准考虑。当遭受到该抗震设防烈度及以下的地震影响时，不应损坏，能继续使用。当遭受到高于本地区抗震设防烈度的罕遇地震影响时，可能发生损坏，经一般性修理仍可继续使用。对新型设备或改型较大的设备，应采用振动台试验验证其抗震能力;对不具备整体试验条件的设备及通过试验且改型不大的设备，可采用部分试验或试验与分析相结合的方法进行抗震检验[14]。

3.2 电气设备选型优化

电气设备的选型是进行电气设备抗震设计的重要前提，为了减小电气设备在地震时受到破坏，应合理地进行设备选型。电力设备首先选用设备重心低，顶部重量轻等有利于抗震的结构形式的电力设备。

1000kV主变、高抗套管高度尽量降低，套管采用直立式，采用独立的散热器及油枕支架。加强套管与本体连接法兰部位的强度。

1000kV、500kV设备宜选用抗震性能较好的GIS（HGIS）设备，GIS（HGIS）断路器、母线宜低位布置;110kV设备宜选用抗震性能较好的GIS（HGIS）设备。

隔离开关选择三柱水平旋转式，顶部重量受力更稳定和平衡，因此抗震性能更好。110kV框架式电容器的电容器塔采用八支腿设计，并采用高强度支柱绝缘子。

复合套管抗震性能较好，可作为瓷套管的替代方案。

3.3 电气设备布置优化

综合考虑设备的抗震、受力、金具制造、施工的难度以及美观度等， 1000kV高抗回路采用抗震性能较好的四元件方案，系统由GIS套管、避雷器、电压互感器和高抗套管组成，设备连接采用管母硬连接。1000kV主变进线回路避雷器直接从跨线引接，减小设备间的相互耦合作用力。

500kV GIS设备采用“一字型”布置方案。

110kV配电装置管型母线可采用悬吊式，避免因瓷质棒式支柱绝缘子引起的管母破坏。110kV干式空心并联电抗器采用低位布置，并加装用非磁性材质的围栏。110kV串联电抗器适当降低支架高度，需要时加装围栏保护，围栏采用非磁性材质。

4.结论

对于高烈度地震区的特高压变电站，重要电气设备和易震损电气设备在设计中要合理选型，尽量选择抗震性能较好的组合电器;对瓷套管类的电气设备，应选择高强度瓷套管并采取减震措施。设备支架的设计应考虑支架的动力放大系数，使结构模型更符合实际。另外，还需要在设备布置上采用低式布置等一系列措施，加强特高压变电站抗震安全。

参考文献

[1]四川电力试验研究院.汶川大地震四川电网电气设备受损情况报告[R].成都：四川电力试验研究院，2008.

[2]周世平.5·12汶川大地震变压器损坏情况分析[J].湖北电力，2008，32（4）：1-4.

[3]朱瑞民，李东亮，齐立忠等.变电玷地震灾害分析与抗震设计[J].电力建设，2013，34卷（4）：14-18.

[4]文波，牛荻涛，赵鹏.变电站抗震性能研究综述[J].工程抗震与加固改造，2007，29（6）：73-77.