智利电力系统输变电设备的抗震设计规范

官贞珍, 任建兴, 朱全军

(1.上海电力大学, 上海 200090; 2.国网智能电网研究院有限公司, 北京 102209)

智利是世界上地震发生最频繁和最强烈的国家。在智利,震级超过1.5级的地震,在刚过去的一周发生12次,在刚过去的一个月发生57次,在刚过去的一年(2021年7月～2022年7月)发生748次;震级超过6级的地震,在过去5年(2017年1月1日～2021年12月31日)发生33次,仅2022年1～7月发生4次[1]。全世界平均每年记录到的9 000次地震中,有21%发生在智利,相当于全世界地震能量的1/4在智利释放。历史上智利曾发生过数次特大地震,如1960年、2010年、2014年和2015年发生的里氏9.5级、8.8级、8.2级和8.3级的特大地震,2016年发生7.6级大地震,其中1960年智利大地震是世界上有记载的第一大地震。虽然智利特大地震的规模和释放的能量史上罕见,但历次大地震均没有造成重大人员伤亡,这得益于智利较完善的抗震防范措施。智利在经历1960年特大地震后,开展了建筑抗震设计和实验研究,并于1972年制定发布了《建筑抗震设计》(Nch 433.Of 72),并先后3次修订制定《建筑抗震设计》(NCh 433.Of 1996 Modificada en 2012)[2]。

电力系统是生命线工程的重要组成部分。在智利历次大地震中,电力系统均遭到不同程度的破坏。如2010年智利大地震,造成智利SIC电力公司共1 643 MW机组停运;沿海地区分布式能源系统全网中断,瞬间负荷损失达6 000 MW,负荷接近零;Transelec输电公司12座变电站和1.6 km输电线路遭到损坏,其中变电站损坏主要集中在500 kV主变套管、500 kV隔离开关、220 kV罐式断路器和154 kV压缩空气断路器,输电线路损坏主要是154 kV输电线路的破坏[3]。与震级低的我国2008年汶川大地震(里氏8.0级)、2013年雅安地震(里氏7.0级)和2017年九寨沟地震(里氏7.0级)对电力设施的震害情况相比[4-5],2010年智利大地震造成的电力系统损毁程度远低于我国。

智利在电力系统抗震减灾方面进行了大量研究,是世界上最早提出电力设备抗震设防标准的国家。智利国家电力股份公司(ENDESA)于1987年编制发布了《抗震设计》(ETG-1.015)[6],2005年和2007年又分别制定修订了《变电站结构抗震设计》(ETG-A.0.21)[7]和《高压电气设施抗震设计规范》(ETG-A.0.20)[8],是发电厂、变电站和输电线路的建(构)筑物及基础设施抗震设计的主要参考文件。智利政府规定,高压电力设施建设必须符合智利ETG-1.015抗震要求,或高抗震等级下需执行美国《变电站抗震设计推荐规程》(IEEE Std 693)的抗震标准。

本文简要介绍智利电气设备抗震设计规范的主要规定和抗震设计及设计反应谱的基本情况,为我国电气设备抗震设计规范提供借鉴,并推动我国相关规范的修订工作。

1 智利电气设备抗震设计基本规定

ETG-1.015中第02.07变电站电气设备中的规定适用于变电站发电、输电和配电设施,如断路器、隔离开关、互感器、避雷针、开关柜、蓄电池支架等的抗震设计,以及抗震强度验证试验和评价。智利抗震规范中规定地震作用按设防烈度考虑。本地区的抗震设防烈度由水平向地震动参数表征,即地表质点运动的加速度最大绝对值、速度和地面上的水平位移3个参数。根据地面运动的水平向地震动参数,将抗震设防烈度分为A,B,C 3类,分别对应ETG-A.0.21中Ⅲ,Ⅱ,Ⅰ 3个抗震设防区,具体如表1所示。在进行竖向地震作用分析时,地面运动最大竖向加速度取最大水平加速度的60%。

表1 智利抗震设防类别

ETG-1.015中规定,抗震验算需在两个水平轴方向分别计算水平地震作用,并取水平和垂直方向最不利的组合进行抗震验证试验。

2 场地类别

智利《建筑抗震设计》(NCh 433.Of 1996 Modificada en 2012)规定结构抗震设计采用“中震不坏、大震不倒”两水准设防目标[2],即能抵抗中等强度地震,允许非结构构件发生轻微损坏;当遭受特大地震时,虽然损坏,但不倒塌。根据建筑物的重要程度、使用情况和故障风险,将建筑结构分成A,B,C,D 4个抗震等级,其中电力设施划分为A类。根据有关场地分类规定,以地表以下30 m范围内的土层平均剪切波速为主要参数,将场地划分为A,B,C,D,E,F 6类,即硬质岩石、软岩石或坚硬土、硬土、中密土或中硬土、中硬黏土或中软土、特殊土壤(如液化土、敏感土、高塑性黏土、有机土、饱和细粒土),其中F类场地需要专门研究。智利以B类作为标准场地。不同于智利的单参数评价指标,我国采用双参数分类方法,即根据土层等效剪切波速和场地覆盖层厚度,将场地划分为Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ4类,即硬场地、中硬场地、中软场地和软场地4类,其中以Ⅱ类为标准场地[9]。针对硬质岩石的波速,智利抗震设计规范为900 m/s,美国抗震设计规范为760 m/s,我国和欧洲抗震规范为800 m/s。智利的软弱土指标为180 m/s,与美国和欧洲相同,我国为150 m/s,我国软弱土的指标与国际标准相比略偏低。智利场地类别划分如图1所示。图1中,h为场地覆盖层厚度;v30为地表以下30 m范围内的土层平均剪切波速。

图1 智利抗震规范中场地类别划分示意

3 抗震设计方法

智利电气设施的抗震设计方法分为静力设计法和动力设计法,并根据电气设施结构型式的不同,对不同的电气设施规定了不同的设计方法[7-8]。

3.1 静力设计法

对于固有频率高于30 Hz的刚性电气设备,可采用静力设计法。当采用静力设计法进行抗震设计时,地震作用产生的水平和垂直分量的计算公式分别为

(1)

(2)

式中:H,V——地震作用产生的水平分量和垂直分量,N;

a——地面水平最大加速度值;

g——重力加速度;

W——电气设备的总重量(当为液体时,经申请批准后可取部分质量进行考虑),N。

ETG-A.0.20中规定,对于245 kV及以上的高压刚性电气设备,当固有频率高于25 Hz时,亦可采用静力设计法[8]。其水平和垂直地震作用可分别表示为

H=0.6W

(3)

V=0.36W

(4)

其中:H和V可按抗震设计力根据系统各自的权重进行分配。

如果没有试验验证高压电气设备的固定频率高于25 Hz,或设备固定频率不足25 Hz,采用静力设计法时,地震作用设计值的水平和垂直分量分别为

(5)

V=0.5W

(6)

如果安装在支撑结构上的待测高压设备的刚度未知或未验证其固有频率高于25 Hz,则设计地震作用的水平和垂直分量应在上述值上增大1.5倍。

3.2 动力设计法

对于高压开关、继电器、支柱类绝缘子、套管、电力变压器、箱式变电站、SF6绝缘变压器等高压电气和电瓷产品必须采用动力设计法,其自振频率为0.5～30 Hz。对于245 kV及以上的高压电气设施,其自振频率等于或低于35 Hz时,也应考虑采用动力设计法。电气设备本体或电气设备(装置)的部件进行抗震强度验证试验时,要在行政主管批准的实验室进行模拟地震振动台试验。智利《抗震设计》(ETG-1.015)中规定电气设备的振动台地震试验需经历A,B,C,D 4个步骤,其中步骤C和步骤D地震试验之前需分别进行步骤A和步骤B的自由振动和静态试验的探索性测试[6]。

在步骤A中,因电气设备各部件的频率和阻尼值有所差异,为了确定各部件的频率和阻尼比,应对每个部件进行探索性的自由振动试验。方法是将待测部件固定在符合规定的刚性基座上,对其提供能量使其自由振动,即在其平衡位置施加一逐渐增大的、直到不小于设备重力1/3的外力,并记录下使装置突然断裂的施加外力作用下的各部件自由振动情况。在主管部门认为有必要的情况下,可以在多个施力方向上分别独立进行探索性自由振动测试,并最好选择外力对应的最脆弱的轴向进行试验;如果最脆弱的轴向未知,可以选择任意两个正交水平方向,所有的测试方向都应得到主管部门的批准。根据ETG-1.015和ETG-A.0.20中自由振动Abaco阻尼曲线中出现明显的振动衰减来确定各部件的阻尼比。阻尼计算公式为

(7)

式中:ξ——结构阻尼比;

Y1——采取计算的第1个自由振动的振幅;

Yn+1——计算的第1个振动后第N个振动周期的振幅;

n——自由振动周期数。

Abaco阻尼曲线如图2所示。

图2 Abaco阻尼曲线

当设备包含两个或两个以上相同自振频率的部件时,振动时可能会受到干扰产生共振拍波,即为图2左上所示的过程。测试部件的频率由前3个周期的自由振动情况得到。

步骤B为静力试验。方法是在测试部件的重心位置施加一水平方向的力,在准静态条件下逐渐增大外力,直至最大值。该最大值等于测试部件的质量与重心处加速度的乘积。一旦外力达到最大值,再逐渐减小到零,重复此步骤,直到完成3个周期的外力的加载和卸载,再通过计算得到反应谱。完成步骤B有5个方面的目的:一是校准应变计(或变形探测器);二是确定准静态条件下的应力和应变临界值;三是检测测试件的永久位移是否发生在外力加载和卸载的周期结束;四是确定测试件的横向刚度;五是在装有减震器的情况下,在设备发生损坏之前进行更严格的动态测试。为实现目标1和目标2,应变计应安装在测试件的至少两点位置,并得到外力加载和卸载的标准曲线,即外力-变形曲线和外力-弹性应变曲线。为实现目标3和目标4,应测量测试点的横向位移,如测试件的重心、设备最高点或终端设备的连接点。测得的位移对外力的加载和卸载阶段作图,可用于检测线性弹性行为的偏离情况。步骤B的静力试验要按照固定件和测试件的自由振动测试规范进行。在静力试验中,特别需要确定垫片、连接部分和减震阻尼装置的抗震性能,要重复外力的加载和卸载。其力学特性取决于所施加作用力的方向。

步骤C为扫频测试。一是用于测试设备的谐振频率作为整体,确定地震响应频率范围(0.5～30 Hz);二是对装设有减震器的设备,确定自振频率不超过30 Hz的阻尼比;三是确定步骤D测试的恒定频率;四是确定非线性效应对检测设备的动态响应;五是用于自由振动和静态试验的探索性测试,为开发数学模型提供信息。频率扫描测试按条款G-04规定,将设备固定在振动台上,在恒定的振幅和频率可变的基座上进行自由摆动振动试验。频率在0.5～30 Hz范围内变化,变化速度每分钟不超过1/8,每一个频率值测试要持续一段时间以得到最大响应。对于245 kV及以上的高压电气设施,在正弦振动扫频试验中,扫频范围为0.1～35 Hz,扫描率为0.6 oct/min(otc为倍频程)。在该频率值,重复不同的振幅,测试并记录至少5个完整周期的自由振动情况。根据指定的地震响应谱,测试的激励频率不超过反应谱的60%。通过步骤C可以得到不同恒定振幅(共振曲线)下测试件的激发频率和振幅的函数。根据这些共振曲线可以估计谐振频率和阻尼值,也可用于检测非线性动态效果。

步骤D为定频测试。方法是在步骤C检测出的基本恒定的共振频率下进行振动台地震试验,在振动台调整振幅大小,正弦加速度峰值a1为

a1=KA(T1)

(8)

式中:K——放大系数,根据技术规范进行取值,若未指定,则K=1;

A(T1)——对应基本周期T1和步骤C频率扫描确定阻尼测试的设计反应谱的纵坐标值。

上述试验持续激励的响应必须保持20～30 s的时间。在扫描测试中,对于每一个确定的共振频率,正弦共振拍波应包括5个完整周期的自由振动,可忽略激励期间脉动干扰的影响,如图3所示[6]。图3中,f为测试频率。

图3 5个周期的外力加载卸载波动情况

加速度峰值(最大加速度)等于振动台共振拍波加速度的60%,如没有特殊规定,振动台试验中共振拍波加速度峰值等于0.3g。主管部门可要求对不同的拍波频率进行额外测试,额外测试的目的是使设计的振动台试验得到的响应谱覆盖整个频率范围(0.5～30 Hz)的频谱。测试过程中,如果设备重心处的正弦加速度峰值a1超过式(8)得到的数值,应对应力最大值进行修正,并与所允许的应力值进行比较,修正的加速度值等于修正系数与上述正弦加速度峰值a1的乘积。测试和试验详细步骤均须得到主管部门的批准。

对于存在两个及以上的共振频率的电力设备(如地理信息系统、变电站电容器组)或有特殊规定时,可代替定频测试,进行基于多频的三轴试验。除非另有说明,3个方向指2个水平轴方向和1个垂直方向,各方向相互独立。测试峰值加速度值,水平方向至少取0.5g,垂直方向至少取0.3g,进行0.5～35 Hz范围内的所有频谱扫描,试验时间至少持续45 s,试验过程中记录探索性扫频测试的自由振动情况。试验方法按照步骤D的单轴定频测试,一次正弦扫频激励时间不少于10 s。

当设备的固有频率低于25 Hz或指定进行振动台验证试验时,要进行振动台地震试验。在振动台试验中应记录如下变量随时间的瞬时变化情况,即测试件重心处水平加速度-时间变化曲线、弹性应力-时间变化曲线、各部件相对位移-时间曲线、测试件底座与振动台相对位移-时间曲线、振动台的加速度或位移-时间曲线、测试件(如继电器、接触器、断路器和隔离开关等)状态变化(关闭/打开)-时间曲线。智利规定振动台试验应在ENDESA(Empresa Nacional de Electricdad SA)授权的实验室进行,该实验室应具有所需的测试设备、专业知识和独立承包商或设备供应商等专业机构出具的校准证书。振动台应有足够的尺寸和质量,可以得到主要的正弦振动。在实验条件下,测试件安装在振动台上,谐波的振幅不超过基波振幅的15%。

4 抗震设计反应谱

《变电站结构抗震设计》(ETG-A.0.21,2005)[7]是智利现行的变电站结构抗震设计标准。智利将变电站划分成Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ3个抗震设防区,每个设防区采用的最大有效加速度分别为0.3g,0.4g,0.5g。当地形未知时,按最高Ⅲ类设防,即将反应谱的加速度a设为0.5g,速度v为50 cm/s,水平位移d为25 cm。智利将变电站归为A类抗震结构。智利《抗震设计》(ETG-1.015)中规定,对于水工闸门和1～23 kV隔离开关等B类建筑结构,抗震设计反应谱加速度谱值为A类结构反应谱谱值的0.8倍,C类抗震设计谱值为A类谱值的0.6倍。智利《建筑抗震设计》(NCh 433)建议采用重现期为475年或50年超越概率为10%所对应的地震动加速度来确定相应的设计反应谱。图4为智力变电站(A类抗震结构)抗震设计规范中不同结构阻尼比下的线性反应谱。图4中:δ为结构阻尼比;T为反应谱周期;Sa为加速度谱值。

图4 智利变电站抗震设计规范中不同结构阻尼比下线性反应谱(a=0.5g,v=50 cm/s)

由图4可以看出,阻尼比为2%的设计反应谱,平台段的结构自振周期为0.119～0.474 s,特征周期为0.474 s;阻尼比为5%的设计反应谱,平台段的结构自振周期为0.125～0.499 s,特征周期为0.499 s。智利在抗震设计反应谱中结构阻尼比一般取5%。

5 结 语

智利在历次高震级的地震中创造了抗震奇迹,在电气设备抗震防震方面亦做了大量的研究工作,并制定了严格和完善的抗震设防规范。由ENDESA编制的《抗震设计》(ETG-1.015)、《变电站结构抗震设计》(ETG-A.0.21)和《高压电气设施抗震设计规范》(ETG-A.0.20)是智利现行的变电站电气设备抗震设计和抗震性能测试的主要文件。它对不同的电气设备或电气装置主体或部件规定了不同的抗震设防烈度区和抗震设防等级、设计方法和抗震验证试验。这些规范很多都是强制性的。在汶川地震中,我国电力设施损失惨重,因此引进和吸收智利先进的抗震设计经验对提高我国电气设备的抗震能力具有重要意义。为推动我国电气设施抗震设计规范的制定和改进工作,对先进的抗震设计技术的引进,应引起足够的重视。