全户内变电站楼面电气设备抗震设计

张肖峰，袁灼光，黎玉婷，胡乐生，陈荔

（1.中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司，广州 510663；2.广东电网有限责任公司东莞供电局，广东 东莞 523287)

1 引言

电力系统是重要的社会基础设施，事关人们的正常生产和生活，一旦因遭受地震而破坏，就会影响社会正常供电。本文根据实际电力系统工程，建立楼面电气设备整体有限元分析模型，提出一种新的且适用于全户内变电站楼面电气设备的抗震设计方法。

2 全户内变电站概述

国家电力系统要求一栋民用建筑（5层及以上高度）需要安装全户内变电站进行工程电力分配。该变电站需具备以下设备及其安装空间：1层安装变压器及电缆；2层安装10 kV配电设备和电抗、接地设备；3层安装110 kV GIS（气体隔离金属闭合开关）和电容设备；4层安装通信、继电保护装置和蓄电池等；5层安装GIS系统。

由于火灾的危险等级不同，可以将设计分为3类进行：消防栓设计（包括室内和室外）、喷雾系统设计（变压器工作区域）及3层电容设备灭火方案设计。

3 户内变电站及电气设备介绍

电力设备在多次的地震中受到很大的损害，其抗震能力是影响电网安全的重要因素之一，因此，需要加强对其设计的研究。户内变电站具备节能、节地、可靠的供电特性等诸多优势[1]，已经被广泛应用到了城市电网建设中。全户内变电站主控楼-楼面电气设备整体结构的计算模型如图1所示。

楼面电气设备所受的地震作用为：

式中，Fe为楼面电气设备所受地震作用力，kN；α为相应于主控楼结构所在地的设计地震加速度，m/s2；γ为主控楼楼面的最大加速度放大系数；β为加速度放大系数；me为楼面电气设备的质量，kg。

3.1 户内变电站生产综合楼结构

以某220 kV户内变电站为例，其楼面结构是钢混框架结构，分为3层，地下2层，地上1层。生产综合楼长48.00 m、宽29.00 m、高19.00 m。柱距为：东西方向12.00 m、南北方向12.50 m，地下室层高为3.0 m，由下至上3层层高依次为5.3 m、4.5 m、4.5 m。各向框架柱的截面积为900 mm×900 mm、700 mm×700 mm和650 mm×650 mm，梁的大小为400 mm×900 mm、400 mm×700 mm和350 mm×700 mm。1层、2层楼板厚度为120 mm，顶层楼板厚度为110 mm。在低端电缆层附近，用厚度为350 mm的剪力墙作为挡墙。梁、柱、剪力墙、楼面均使用C30、弹性模量为3.0×104MPa、泊松比为0.25、密度为2 500 kg/mm3的混凝土，整个生产综合楼的主体结构由钢筋混凝土框架构成。

3.2 楼面GI S电气设备

220 kV的楼面GIS组合电气设备由以下部件组成：1套Ⅰ、Ⅱ母设备间隔、1套母联间隔、3套主变进线间隔、6套出线间隔，使用的套管内壁厚度≥0.006 m、直径≥0.400 m。GIS进线段的套管从2楼隔墙上引出，悬挂于钢吊杆上，并与1楼的主变顶板座相连。110 kV的GIS电气设备套管直径和壁厚相对于220 kV设备分别增加0.1 m和0.002 m。但材质完全相同，均采用密度7.85 kg/mm3、弹性模数206 GPa、泊松比0.3的钢管。所有的电气设备总和称之为楼面的附属结构模型。

4 有限元建模及动力特性分析

4.1 有限元模型

采用ABAQUS有限元分析软件进行建模，建立了主体结构模型、楼层GIS电气设备模型、主辅结构模型。利用地面GIS的主体结构模型和电气设备模式将主体结构与地面设备强制分离，并且为了便利分析和研究，将其分为2个单元结构。从整个模型方面分析，主-附结构模型的主体采用地面GIS电气装置，对结构模型进行全面验算，先分别分析各单元，再对单元和主体结构的联结情况进行研究与分析。图2为楼面GIS电气设备有限元分析模型。

4.2 动力特性分析

利用有限元软件，对主结构、地面GIS的电气装置及主-附结构模型进行了动态性能的研究。第一级振型为X方向的平动，频率为1.512 Hz；楼面GIS电子装置的一级模态为7.420 Hz，是2号悬臂套的局部振动。考虑到楼面GIS系统的电气设备质量与性能，质量良好，刚度较大，1阶频率要显著高于主结构频率，自振频率降低不明显。

从振动频率看，主-附结构模式前3个阶段的频率和主结构模式的频率相似，差距较小，不超过3.0%。这主要由于主-附结构模式的前3阶模式与主结构模式的前3阶模式构式类似，结构方式都是平移和扭转。从4阶模式起，由于楼面GIS电子设备的存在与整体楼面共同发生振动，导致两种模式的自振频率差异较大。在地震反应分析中，可以发现前3阶的模式中都是长悬臂套管出现了局部振动，因而长臂套管是需要重点加强抗震设计的构件。

5 地震响应分析

5.1 地震波的选择

发生地震时，地震波会以震源为中心向四周传播扩散，为保证地震响应分析的科学性和准确性，必须选择合适的地震波。根据区域地震情况确定地震波形式和大小，确保地震波在反应谱所覆盖范围内。本文所分析案例位于7度设防地区，其基础的地震加速度是0.15g，设定地震分类为第二组，场地类型为Ⅲ类。选取5个天然地震波和2个人工地震波进行时程反应的观察和计算。5个天然地震波分别为：Kobe波、Westmorland波、ElCentro波、Delta波、Darfield波；两个人工地震波根据电力抗震技术要求进行人工合成。

在输入地震波之前，需将7个地震波进行标准化，然后向X、Y、Z这3个方向输入地震波，其加速度最大值比例为1.05∶0.80∶0.75。 主-附结构和主结构模式的前3阶频率为1.455~1.806 Hz，频率浮动范围不超出需求谱的允许范围，并且所选择的5次自然地震和2次人造地震波的加速度响应谱均能满足分析需求。

5.2 主-附结构模型的地震响应分析

5.2.1 主结构对地震动的加速度放大作用

全户内变电站楼面GIS电子装置安装在主建筑地面上，遭遇地震时，电子设置装置便会利用主体结构的放大作用，将地震波传递到电器设备上。由于主体结构不是无限刚度，所以，在楼板上的加速度最大值比地板上的加速度最大值大。在Kobe地震波的输入下，2楼的X向加速度峰值达到6.79 m/s2，3楼的X方向加速度峰值为10.36 m/s2。在7种不同的地震波作用下，分别对X方向、Y方向的主结构楼面的加速度增大系数进行了计算。可以确定，尽管地下1楼是剪力墙结构建筑，但仍具有一定的放大效应，平均加速度峰值放大系数是1.1。在2楼，X方向平均加速度峰值放大系数为1.57，Y方向的平均加速度峰值放大系数为1.56。在某些地震情况下，2楼的加速度峰值放大系数可以达到2.19。在3楼，X方向的加速度峰值放大系数为2.17。在某些地震情况下，3楼的加速度峰值放大系数可达到2.34。而在屋顶位置，X方向平均加速度峰值放大系数为2.39，Y方向的平均加速度峰值放大系数为2.22。2层、3层的电器设施的动力反应放大系数为2.0。通过数据分析可以得到，这种功率放大系数并不能完全覆盖加速度的峰值放大系数，因此，2楼的动力反应放大系数选取2.0，3楼的动态响应放大系数选取2.5。

抽取地面、2层、3层楼面及屋顶X向加速度的时程响应数据，并绘出2%阻尼率的加速度反应谱计算结果。在低频阶段（0.1~1 Hz)，每一楼层的加速度响应频谱与地面输入地震的响应谱基本保持一致；在1~3 Hz的中频阶段，每一楼层的地震加速度响应谱比从地表输入的响应谱多，具有较大的放大作用。根据计算，地面GIS电气装置的基础频率为7.420 Hz，为响应波段的高频率，而主结构的基本频率为1.512 Hz，为响应波段的中间频率。当地震出现建筑物自振频率与装置频率相近时，受到类共振的影响地面GIS电气装置能够有效感知放大地震波，同时也能够对地震做出响应。假设楼板设备刚度＞3 Hz，也就是超过大楼刚度，这时将无法与大楼产生强共振，但楼板设备的最大加速度频谱将与楼面的最大加速度反应谱类似，也能够对地震波作出影响。地震发生时，受到地震波的影响，楼面的最大加速度响应放大，因而在高频时，各层的反应谱都大于地表，而且这种影响随着楼层的增加而增加。

5.2.2 楼面GIS电气设备地震响应

一旦发生地震，主结构和楼面的GIS电气设备会快速放大来自地面的地震波，而主-附结构模型也将对地震作出响应。通常来说，楼层中的GIS电气设备都是通过主变连接的GIS套管连接到屋顶上，正是由于主变压器和悬臂式套管相连，变压器和提升座将会在一定程度上增大地面震动。从主变上部悬臂梁端的加速度时程和MISES应力时程曲线中，可以得到3个地震输入点，即包括主变提升台、2层楼面GIS系统以及屋顶楼板。3个地震输入点同时输入地震波，井筒末端X向加速度最大值达到7.36 m/s，比地表输入高2.37倍。同时，在Kobe波作用下，提取了悬臂套末端的垂直加速度时程，其最大垂直加速度为5.52 m/s2，比地表输入速度高出2.74倍。同时，利用MISES应力时程分析，发生地震时，楼面GIS电气设备的悬臂套管会产生强烈的竖向振动，形成应力响应。另外，楼面GIS电气设备本身也会受到多点地震输入的影响，具体体现在其轴向端常有较大的应力集中，Kobe地震波的影响使其应力峰值达到51.2 MPa。

6 结语

综上所述，本文应用ABAQUS有限元分析方法，对220 kV户内变电所的生产综合楼及楼面GIS的电气装置进行了有限元模型分析，着重研究了主-附结构模型、主结构模型以及地面GIS电气装置模型对地震的反应，以提高电气设备抗震水平，保障电气设备的安全。