中外電氣設(shè)備抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)對比分析1

尤紅兵 趙鳳新

（中國地震災(zāi)害防御中心，北京100029）

引言

近年來發(fā)生的破壞性地震再次表明電氣設(shè)備具有較高的地震易損性（于永清等，2008）。為減輕地震損失，及時吸收新的研究成果和經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，各國不斷修訂電氣設(shè)備相關(guān)抗震設(shè)計規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)。對比分析國內(nèi)外電氣設(shè)備的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，對提高我國電氣設(shè)備的抗震能力和相關(guān)規(guī)范的修訂具有十分重要的意義。

美國《變電站抗震設(shè)計推薦規(guī)程》（IEEE，2005）從IEEE Std 693-1984發(fā)展到IEEE Std 693-1997，現(xiàn)行的是IEEE Std 693-2005，目前新的修訂工作正在進(jìn)行。美國的地震環(huán)境與我國相似，IEEE Std 693對我國相關(guān)規(guī)范的修訂具有重要借鑒意義。日本《電氣設(shè)備抗震設(shè)計指南》（日本電気技術(shù)規(guī)格委員會，2010）從JEAG 5003-1980發(fā)展到JEAG 5003-1998，現(xiàn)行的是JEAG 5003-2010。同時，國際電工委員會也在不斷推出新的IEC相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并被我國引入成為國家標(biāo)準(zhǔn)。汶川地震推動了我國電氣設(shè)備相關(guān)抗震規(guī)范的編制，新修訂了國家標(biāo)準(zhǔn)《高壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備的抗震要求（GB/T 13540-2009）》（中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，2009）及《工業(yè)企業(yè)電氣設(shè)備抗震設(shè)計規(guī)范（GB 50556-2010）》（中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，2010a），《電力設(shè)施抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50260-201X）（報批稿）也已修訂完成。

Takhirov等（2009）、尤紅兵等（2009）分別介紹了美國IEEE Std 693-2005中電氣設(shè)備的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)；Eric Fujisaki（2009）比較了IEEE Std 693-2005和IEC 62271-300在變電站電氣設(shè)備抗震設(shè)計中的差異；Ji Ye等（2010）對日中美抗震規(guī)范中的荷載組合進(jìn)行了參數(shù)分析；Lu Zhicheng等（2010）研究了支架的動力放大系數(shù)，并與日中規(guī)范進(jìn)行了對比；解琦等（2009）分析了日中美抗震規(guī)范在電氣設(shè)備動力反應(yīng)放大效應(yīng)、法蘭-瓷套管連接和電氣設(shè)施振動臺試驗(yàn)等方面的不同特點(diǎn)，提出了我國規(guī)范的改進(jìn)建議。但上述研究在電氣設(shè)備的抗震設(shè)防目標(biāo)、設(shè)防水準(zhǔn)、抗震設(shè)計反應(yīng)譜等方面對我國相關(guān)規(guī)范的分析還較少。

本文簡要介紹了目前美國、日本、IEC系列標(biāo)準(zhǔn)及我國相關(guān)規(guī)范的基本情況，從抗震設(shè)防目標(biāo)、設(shè)防水準(zhǔn)、抗震設(shè)計反應(yīng)譜等方面對比分析了電氣設(shè)備抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的差異，指出了我國規(guī)范的不足，提出了改進(jìn)我國電氣設(shè)備抗震設(shè)防的建議，希望盡快提高我國電氣設(shè)備的抗震能力。

1 電氣設(shè)備抗震設(shè)防相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范

1.1 國外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范

（1）美國《變電站抗震設(shè)計推薦規(guī)程》IEEE Std 693-2005

美國電氣與電子工程師協(xié)會（IEEE）于1984年制訂了《變電站抗震設(shè)計推薦規(guī)程》IEEE Std 693-1984，作為美國變電站電氣設(shè)備抗震設(shè)計與性能測試的主要參考文件?，F(xiàn)行IEEE Std 693-2005主要內(nèi)容包括：總論、依據(jù)、定義、基本說明、安裝考慮、評定方法、設(shè)計考慮、電氣設(shè)備抗震性能標(biāo)準(zhǔn)等。給出了變電站抗震設(shè)計的最低要求，適用于變電站電氣設(shè)備及其支撐結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計與性能測試。

（2）日本《電氣設(shè)備抗震設(shè)計指南》JEAG 5003-2010

日本電氣協(xié)會2010年制定了《電氣設(shè)備抗震設(shè)計指南》JEAG5003-2010，作為電氣設(shè)備抗震設(shè)計與性能測試的主要文件?！峨姎庠O(shè)備抗震設(shè)計指南》第一章為總則，內(nèi)容包括目的、適用范圍、相關(guān)法規(guī)等。第二章為抗震設(shè)計，討論對象包括室外、室內(nèi)電氣設(shè)備與變壓器、其它設(shè)備等?！皡⒖假Y料 I”提供了正文部分所規(guī)定的設(shè)計條件和進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的方法，并提供了設(shè)計實(shí)例。“參考資料II”整理了地基和基礎(chǔ)的抗震設(shè)計和評價方法。最后有10項附錄，其中附錄五為日本近年來16個主要地震與所致電力系統(tǒng)震害的詳細(xì)數(shù)據(jù)，參考價值巨大。

（3）IEC系列標(biāo)準(zhǔn)

IEC（International Electrotechnical Commission）成立于1906年，是世界上最早的國際性電工標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)有關(guān)電工、電子領(lǐng)域的國際標(biāo)準(zhǔn)化工作。IEC的工作領(lǐng)域包括了電力、電子、電信和原子能方面的電工技術(shù)?，F(xiàn)已制訂國際電工標(biāo)準(zhǔn)3000多個，IEC系列標(biāo)準(zhǔn)主要應(yīng)用于歐洲各國。

與電氣設(shè)備抗震試驗(yàn)有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)主要有：電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)—第3部分—試驗(yàn)方法（IEC，1991）、第2部分—振動-時間歷程法（IEC，1999）、振動（正弦）（IEC，2007a）等。

與高壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備抗震要求有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)主要有：高壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備—第2部分—額定電壓72.5 kV及以上的抗震要求（IEC，2003）、高壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備—第207部分—額定電壓52 kV以上的氣體絕緣成套開關(guān)設(shè)備的抗震要求（lEC，2007b）、高壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備—第300部分—交流斷路器的抗震要求（IEC，2006）等。

1.2 國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范

（1）國家標(biāo)準(zhǔn)《電力設(shè)施抗震設(shè)計規(guī)范》GB 50260

1996年我國頒布實(shí)施了強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)《電力設(shè)施抗震設(shè)計規(guī)范（GB 50260-96）》（中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，1996），主要適用于電力系統(tǒng)的電力設(shè)施，是變電站電氣設(shè)備抗震設(shè)計的主要依據(jù)，對減輕電氣設(shè)備的地震破壞和損失起到了積極作用。為及時吸收震害經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)及先進(jìn)科研成果，《電力設(shè)施抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50260-201X）（報批稿）已修訂完成。

《電力設(shè)施抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50260-201X）在電氣設(shè)備抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)方面的修改主要為：在重要電力設(shè)施中增加了220kV樞紐變電站和750kV變電站；對于重要電氣設(shè)備，由“按設(shè)防烈度提高1度，但設(shè)防烈度為8度及以上不再提高”修改為“按設(shè)防烈度提高1度，但設(shè)防烈度為9度及以上不再提高”；設(shè)計反應(yīng)譜的動力放大系數(shù)最大值由2.25增大為2.5；設(shè)計反應(yīng)譜的特征周期與現(xiàn)行《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》一致等。

（2）國家標(biāo)準(zhǔn)《工業(yè)企業(yè)電氣設(shè)備抗震設(shè)計規(guī)范》GB 50556-2010

工業(yè)企業(yè)電氣設(shè)備在地震中一旦破壞，將導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失，并可能引發(fā)火災(zāi)、爆炸等嚴(yán)重次生災(zāi)害。為減輕工業(yè)企業(yè)電氣設(shè)備地震破壞和損失，避免人員傷亡，2010年制定了國家標(biāo)準(zhǔn)《工業(yè)企業(yè)電氣設(shè)備抗震設(shè)計規(guī)范（GB 50556-2010）》（中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，2010a）。明確了工業(yè)企業(yè)電氣設(shè)備的抗震設(shè)防目標(biāo)、設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計方法、抗震措施等，是工業(yè)企業(yè)變配電設(shè)備抗震設(shè)計的依據(jù)。

（3）國家標(biāo)準(zhǔn)《高壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備的抗震要求》GB/T 13540-2009

我國先后引入了一些 IEC標(biāo)準(zhǔn)，作為國家標(biāo)準(zhǔn)。《高壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備的抗震要求（GB/T 13540-2009）》（中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，2009）替代了《高壓開關(guān)設(shè)備抗地震性能試驗(yàn)》（GB/T 13540-92），修改主要參考了 IEC 62271-2: 2003、lEC 62271-207: 2007、IEC 62271-300: 2006等IEC系列標(biāo)準(zhǔn)。本標(biāo)準(zhǔn)適用于標(biāo)稱電壓3kV及以上，頻率50 Hz及以下的電力系統(tǒng)中運(yùn)行的戶內(nèi)和戶外安裝的所有高壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備，包括其與地面剛性連接的支撐構(gòu)架。

2 抗震設(shè)防目標(biāo)和設(shè)防水準(zhǔn)

設(shè)防目標(biāo)是指根據(jù)設(shè)防原則對工程設(shè)防要求達(dá)到的具體目標(biāo)。設(shè)防水準(zhǔn)指在工程設(shè)計中如何根據(jù)客觀的設(shè)防環(huán)境和已定的設(shè)防目標(biāo)，并考慮社會經(jīng)濟(jì)條件來確定采用多大的設(shè)防參數(shù)，即多大強(qiáng)度的地震作為防御的對象。如我國《建筑抗震設(shè)計規(guī)范（GB 50011-2010）》（中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，2010b）采用“小震不壞、中震可修、大震不倒”三級設(shè)防目標(biāo)，相應(yīng)的設(shè)防水準(zhǔn)分別為50年超越概率63%、10%、2—3%。為方便比較，表1給出了不同規(guī)范電氣設(shè)備的設(shè)防目標(biāo)及設(shè)防水準(zhǔn)，表2給出了不同規(guī)范中重要電氣設(shè)備的設(shè)計基本加速度取值。

2.1 設(shè)防目標(biāo)

各國規(guī)范采用的設(shè)防目標(biāo)略有不同，詳見表1。美國IEEE693及我國《電力設(shè)施抗震設(shè)計規(guī)范》中電氣設(shè)備均采用兩級設(shè)防。對于我國一般電氣設(shè)備，設(shè)防目標(biāo)可簡稱為“中震不壞”、“大震可修”；對于變電站重要的電氣設(shè)備，按設(shè)防烈度提高1度進(jìn)行設(shè)防，即“大震不壞”。IEC系列標(biāo)準(zhǔn)和日本JEAG 5003采用了一級設(shè)防，要求設(shè)備的功能不降低，設(shè)防目標(biāo)對應(yīng)于“大震可修”?！豆I(yè)企業(yè)電氣設(shè)備抗震設(shè)計規(guī)范》也采用了一級設(shè)防，設(shè)防目標(biāo)為“中震不壞”；重要電氣設(shè)備的設(shè)計基本加速度提高0.05g，0.2g及以上時不再提高。

電氣設(shè)備多為含瓷套的細(xì)長型設(shè)備，在地震中常因瓷套斷裂而破壞。瓷套為脆性材料，一旦破壞，將不能繼續(xù)使用，沒有“可修”狀態(tài)?！翱尚蕖笔侵鸽姎庠O(shè)備中的次要部件或塑性材料產(chǎn)生損壞或變形，經(jīng)修理后即可恢復(fù)使用。因此，對于第二級設(shè)防中的“可修”，也需保證瓷套所受應(yīng)力小于破壞應(yīng)力，保證其不壞。上述各規(guī)范的設(shè)防目標(biāo)在保證瓷套“不壞”方面是一致的。

美國IEEE Std 693-2005規(guī)定了基本抗震考核水平，給出了相應(yīng)的需求響應(yīng)譜（Required Response Spectra，簡稱RRS），也稱為RRS考核水平。要求在RRS考核下瓷套的應(yīng)力小于破壞應(yīng)力的50%，當(dāng)?shù)卣鹱饔迷龃笠槐?，即抗震性能水平（Performance Levels，簡稱PL）時，瓷套的應(yīng)力小于破壞應(yīng)力。在RRS水平下取2.0的安全系數(shù)，可預(yù)期保證在PL時瓷套不壞，結(jié)合其他措施，達(dá)到“可修”的設(shè)防目標(biāo)。

《電力設(shè)施抗震設(shè)計規(guī)范（GB 50260-96）》及報批稿（GB 50260-201X）在地震作用、強(qiáng)度驗(yàn)算等方面給出了具體要求，可保證第一級設(shè)防目標(biāo)“不壞”的實(shí)現(xiàn)。但規(guī)范沒有給出實(shí)現(xiàn)“可修”的具體措施，導(dǎo)致第二級設(shè)防目標(biāo)不易實(shí)現(xiàn)，這是該規(guī)范在抗震設(shè)防方面的不足之處。如有些瓷套在中震時，可確保設(shè)備“不壞”；但在大震時，不能保證瓷套不破壞，“可修”的目標(biāo)則不能實(shí)現(xiàn)。在中震時規(guī)范給出的安全系數(shù)為1.67，只是考慮電瓷產(chǎn)品破壞應(yīng)力的離散性及脆性破壞，并沒有考慮“大震可修”的設(shè)防目標(biāo)。可參考美國IEEE Std 693的相關(guān)規(guī)定，通過增大安全系數(shù)，明確瓷套破壞應(yīng)力的計算方法，實(shí)現(xiàn)“可修”的設(shè)防目標(biāo)。

2.2 設(shè)防水準(zhǔn)

日本規(guī)范采用了正弦三波 0.3g（電瓷型設(shè)備）、0.5g（變壓器），其放大系數(shù)約為相同峰值加速度時程的1.3倍，轉(zhuǎn)換為地震動時程分別為0.39g（電瓷型設(shè)備）、0.65g（變壓器）。

美國IEEE 693-2005定義了高、中、低三個基本抗震考核水平（RRS），加速度峰值分別為0.5g、0.25g、0.1g；以及高、中二個抗震性能水平（PL），加速度峰值分別為1.0g、0.5g，是相應(yīng)RRS的2倍。對于RRS水平，可根據(jù)工程場地50年超越概率2%的PGA值而進(jìn)行選擇：當(dāng)PGA小于0.1g時取低等級，介于0.1g—0.5 g時取中等級，大于0.5 g時取高等級；對于PL，當(dāng)PGA介于0.1g—0.5 g時取中等級，大于0.5 g時取高等級?？梢钥闯?， IEEE 693在一個較大的范圍內(nèi)考核水平是就高不就低，抗震設(shè)防水平較高。根據(jù)我國的地震危險性分析，8度0.2g區(qū)50年超越概率2%的PGA一般小于0.5g，表2中按0.25g選??；8度0.3g區(qū)50年超越概率2%的PGA一般大于0.5g，按0.5g選取。

表2 不同規(guī)范設(shè)計加速度取值比較Table 2 Comparison of the design basic acceleration values for different standards

GBT 13540-2009給出的設(shè)防目標(biāo)（表1），從文字描述上看其大體相當(dāng)于IEEE 693中PL的設(shè)防目標(biāo)；對應(yīng)的設(shè)防水準(zhǔn)為S2級地震，相當(dāng)于核電站中的安全停堆地震，這一水平要高于IEEE 693中PL地震。但GBT 13540-2009給出的加速度值（表2）明顯達(dá)不到S2級地震，有些分區(qū)甚至低于PL地震。如設(shè)防烈度為7度時取0.2g，大體相當(dāng)于我國50年2%的超越概率，與S2地震（50年超越概率0.5%）相差較大，也低于IEEE 693給出的0.25g。對于8度0.3g區(qū)，GBT 13540-2009標(biāo)準(zhǔn)取0.3g，在我國相當(dāng)于50年10%的超越概率，與S2地震的差異更大；而 IEEE 693-2005取 0.5g，也明顯高于 IEC標(biāo)準(zhǔn)。可以看出，GBT 13540-2009標(biāo)準(zhǔn)沒有很好地結(jié)合我國的地震情況，給出的設(shè)防水準(zhǔn)和加速度取值不一致，加速度取值偏低。

《電力設(shè)施抗震設(shè)計規(guī)范》報批稿（GB 50260-201X）6度區(qū)設(shè)計基本加速度為0.1g，明顯低于美國、日本規(guī)范的取值。8度0.2g區(qū)提高到0.4g，高于美國、日本規(guī)范的取值，抗震設(shè)防水準(zhǔn)大約相對于50年超越概率2%，基本符合我國國情。我國6度區(qū)的面積較大，電氣設(shè)備抗震設(shè)防水準(zhǔn)應(yīng)再適當(dāng)提高。

《工業(yè)企業(yè)電氣設(shè)備抗震設(shè)計規(guī)范（GB 50556-2010）》中重要電氣設(shè)備的設(shè)計基本加速度提高0.05g，0.2g及以上時不再提高，設(shè)防水準(zhǔn)低于其他規(guī)范，尤其是高烈度區(qū)。由于工業(yè)企業(yè)電氣設(shè)備在地震中一旦破壞，可引起火災(zāi)、爆炸等嚴(yán)重次生災(zāi)害。與其他規(guī)范相比，應(yīng)適當(dāng)提高工業(yè)企業(yè)電氣設(shè)備的抗震設(shè)防水準(zhǔn)。

3 抗震設(shè)計反應(yīng)譜

抗震設(shè)計反應(yīng)譜是電氣設(shè)備抗震設(shè)計的主要依據(jù)，對設(shè)計地震動輸入影響最大的參數(shù)是動力放大系數(shù)最大值βmax和特征周期Tg。

3.1 動力放大系數(shù)最大值βmax

我國規(guī)范的設(shè)計譜一般采用動力放大系數(shù)的形式，并采用統(tǒng)一的阻尼比 5%。動力放大系數(shù)最大值應(yīng)根據(jù)強(qiáng)震記錄的統(tǒng)計分析及經(jīng)濟(jì)條件綜合確定?！吨袊卣饎訁?shù)區(qū)劃圖》宣貫教材指出反應(yīng)譜平臺段放大系數(shù)的優(yōu)勢分布為2.5，周錫元等（1984）、張皎（2008）、毛天爾等（2012）對強(qiáng)震記錄進(jìn)行了統(tǒng)計分析，也認(rèn)為 βmax應(yīng)取 2.5。目前，美國、歐洲、臺灣等較發(fā)達(dá)國家或地區(qū)相關(guān)規(guī)范的動力放大系數(shù)最大值均為2.5。

在編制 1974年的抗震設(shè)計規(guī)范時，動力放大系數(shù)最大值取為 2.25，綜合反映了我國當(dāng)時的國情，因經(jīng)濟(jì)原因?qū)?.5降低了10%?，F(xiàn)行《建筑抗震設(shè)計規(guī)范（GB 50011-2010）》、《電力設(shè)施抗震設(shè)計規(guī)范（GB 50260-96）》及其他規(guī)范的動力放大系數(shù)βmax均沿用了這一結(jié)果，近40年來一直未變。但隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國規(guī)范中動力放大系數(shù)最大值理應(yīng)調(diào)整為2.5。

對于電氣設(shè)備的抗震設(shè)計，不同規(guī)范的動力放大系數(shù)最大值比較見表3。當(dāng)阻尼比為5%時，美國《變電站抗震設(shè)計推薦規(guī)程》（IEEE Std 693-2005）中動力系數(shù)最大值βmax采用2.5。新修訂的《電力設(shè)施抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50260-201X）為與新一代區(qū)劃圖銜接，βmax也采用2.5，并且其他阻尼比的βmax與美國IEEE Std 693-2005也基本一致。

表3 不同規(guī)范動力放大系數(shù)最大值比較Table 3 Comparison of the maximum dynamic amplification coefficient for different standards

現(xiàn)行的《工業(yè)企業(yè)電氣設(shè)備抗震設(shè)計規(guī)范（GB 50556-2010）》及《電力設(shè)施抗震設(shè)計規(guī)范（GB 50260-96）》采用2.25，主要是考慮與我國現(xiàn)行其他規(guī)范的銜接。

代表IEC標(biāo)準(zhǔn)的《高壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備的抗震要求（GB/T 13540-2009）》，不同阻尼比的動力放大系數(shù)最大值在各規(guī)范中最小。與IEEE Std 693相比，GB/T 13540-2009的βmax分別降低了13.6%（阻尼比2%）、30.4%（阻尼比5%）、34.0%（阻尼比10%）。

通過對比分析，建議《工業(yè)企業(yè)電氣設(shè)備抗震設(shè)計規(guī)范》在以后的修訂中將βmax調(diào)整為2.5，《高壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備的抗震要求》應(yīng)大幅調(diào)整5%阻尼比的動力放大系數(shù)最大值。

3.2 特征周期Tg

特征周期是設(shè)計反應(yīng)譜曲線下降段起點(diǎn)對應(yīng)的周期值，我國規(guī)范一般是根據(jù)場地類別與地震綜合效應(yīng)確定特征周期。對于電氣設(shè)備的抗震設(shè)計，我國規(guī)范與美、日等國外規(guī)范對特征周期的規(guī)定明顯不同，具體比較見表4。

為滿足電氣設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)要求，美國IEEE Std 693-2005給出的設(shè)計反應(yīng)譜是場地的包絡(luò)譜，特征周期為0.91s（1.1Hz）。對于軟土場地，規(guī)范建議進(jìn)行專門研究。

《高壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備的抗震要求（GB/T 13540-2009）》及其他IEC標(biāo)準(zhǔn)給出的特征周期為0.42s，只適用于我國Ⅰ類及Ⅱ類場地。對于較軟的Ⅲ、Ⅳ類場地，特征周期取0.42s明顯偏小。

表4 不同規(guī)范特征周期比較（單位：s）Table 4 Comparison of the design characteristic period for different standards（unit: s）

《工業(yè)企業(yè)電氣設(shè)備抗震設(shè)計規(guī)范（GB 50556-2010）》及《電力設(shè)施抗震設(shè)計規(guī)范》報批稿（GB 50260-201X）均采用了《建筑抗震設(shè)計規(guī)范（GB 50011-2010）》給出特征周期。但與國外規(guī)范相比較，在場地類似情況下，我國的特征周期值偏小約30%（周錫元等，1999）。這兩個規(guī)范沒有采用不同類型場地的包絡(luò)譜，主要是考慮與現(xiàn)行建筑抗震設(shè)計規(guī)范的銜接及電氣設(shè)備支架的設(shè)計。由于規(guī)范給出的特征周期偏小，對于自振周期較大的電氣設(shè)備明顯不安全，同時也不利于電氣設(shè)備及支架的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)。

《電力設(shè)施抗震設(shè)計規(guī)范（GB 50260-96）》根據(jù)場地指數(shù)計算特征周期，可避免因很小的差異就帶來場地類別的差異。但沒有考慮震級、距離等對特征周期的影響，給出的結(jié)果偏小。

許多電氣設(shè)備的自振周期在0.5s—2.0s之間，與地震波的卓越頻率接近，而且設(shè)備的阻尼比較小，動力放大效應(yīng)很大。如果設(shè)計特征周期選擇太小，將無法保證設(shè)備的地震安全，這也是汶川地震中電氣設(shè)備破壞嚴(yán)重的原因之一（中國電機(jī)工程學(xué)會，2009；尤紅兵等，2012）。

由于電氣設(shè)備未來安放地點(diǎn)的不確定及設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)的要求，建議我國相關(guān)規(guī)范借鑒美國IEEE693，采用Ⅰ—Ⅲ類場地的包絡(luò)譜，特征周期可根據(jù)強(qiáng)震記錄的統(tǒng)計及參考相關(guān)規(guī)范綜合確定。

3.3 不同規(guī)范設(shè)計反應(yīng)譜比較

為便于比較動力放大系數(shù)最大值及特征周期的不同對設(shè)計反應(yīng)譜的影響，選取峰值加速度均為0.2g，不同規(guī)范不同阻尼比（2%、5%）設(shè)計反應(yīng)譜比較見圖1所示。Ⅱ類場地在我國分布較廣，最具代表性，圖中GB 50260-201X、GB 50556-2010等規(guī)范的特征周期取表4中Ⅱ類場地對應(yīng)的最大值。由于電氣設(shè)備的自振周期一般在0.2s—1.0s，因此，重點(diǎn)對0.2s、0.4s、0.6s、0.8s、1.0s等不同周期點(diǎn)的各規(guī)范譜值進(jìn)行了比較。

《電力設(shè)施抗震設(shè)計規(guī)范》報批稿（GB 50260-201X）與《電力設(shè)施抗震設(shè)計規(guī)范（GB 50260-96）》相比，反應(yīng)譜譜值明顯提高。當(dāng)阻尼比分別為2%、5%時，0.2s—1.0s間5個周期點(diǎn)譜值平均提高了30.8%、41.7%，主要原因是βmax從2.25提高到2.5，Ⅱ類場地的特征周期由0.35s增大到0.45s，修改后的《電力設(shè)施抗震設(shè)計規(guī)范》抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)明顯提高，可有效增強(qiáng)電氣設(shè)備的抗震能力。但當(dāng)設(shè)備自振周期大于0.45s時，GB 50260-201X設(shè)計譜的譜值明顯低于美國IEEE693的相應(yīng)譜值。以2%阻尼比為例，0.6s時的譜值分別為0.52g、0.65g，相差25%；0.8s時的譜值分別為0.4g、0.65g，相差62.5%。因此，建議《電力設(shè)施抗震設(shè)計規(guī)范》在以后的修訂中，根據(jù)電氣設(shè)備的特點(diǎn)及標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)的要求，給出不同場地的包絡(luò)設(shè)計反應(yīng)譜，不能簡單照搬《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》給出的設(shè)計反應(yīng)譜。

在各標(biāo)準(zhǔn)中，當(dāng)峰值加速度相同時，《高壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備的抗震要求（GB/T 13540-2009）》的設(shè)計反應(yīng)譜平臺段的譜值最低。當(dāng)阻尼比為2%時，平臺段譜值比其他標(biāo)準(zhǔn)低3.6%—16.1%；當(dāng)阻尼比為5%時，平臺段譜值則比其他標(biāo)準(zhǔn)低29.4%或47.1%。如果采用此標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行抗震設(shè)計或抗震性能考核，電氣設(shè)備的抗震能力可能被高估。

圖1 不同規(guī)范設(shè)計反應(yīng)譜比較Fig. 1 Comparison of the design response spectra for different codes

4 電氣設(shè)備抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)綜合比較

電氣設(shè)備的抗震設(shè)計大多采用容許應(yīng)力法，安全系數(shù)是評定抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)高低的重要因素之一。電氣設(shè)備的破壞主要是因?yàn)榇刹牧系钠茐?，《電力設(shè)施抗震設(shè)計規(guī)范》GB 50260-201X中對于瓷套管和瓷絕緣子，地震作用和其它荷載產(chǎn)生的總應(yīng)力不超過其破壞應(yīng)力與1.67的比值，即安全系數(shù)為1.67。而其他規(guī)范的安全系數(shù)均為為2.0，是《電力設(shè)施抗震設(shè)計規(guī)范》的1.2倍。根據(jù)《電力設(shè)施抗震設(shè)計規(guī)范（GB 50260-96）》，1.67最初來源于1980年制定的《導(dǎo)體和電器選擇設(shè)計技術(shù)規(guī)定》（DLGJ 14-80）（試行）。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和電網(wǎng)重要性的提高，應(yīng)將安全系數(shù)提高至2.0，與其他相關(guān)規(guī)范協(xié)調(diào)一致。

根據(jù)表2中不同規(guī)范設(shè)計基本加速度的取值，圖2分別給出了6度0.05g、7度0.1g、8度0.2g區(qū)的設(shè)計反應(yīng)譜，阻尼比分別為2%、5%。圖中GB 50260-201X、GB 50556-2010等規(guī)范的特征周期取表4中Ⅱ類場地對應(yīng)的最大值。

圖2 不同規(guī)范設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)綜合比較Fig. 2 Comparison of the seismic precautionary criteria of different codes

《電力設(shè)施抗震設(shè)計規(guī)范》GB 50260-201X與GB 50260-96相比，8度區(qū)的設(shè)計基本加速度從0.2g提高到0.4g，增大了一倍。同時，βmax與特征周期也均有所提高，有效提高了電氣設(shè)備的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，對減輕地震損失具有重要意義。

根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖（GB 18360-2001）》（中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，2001），我國0.05g區(qū)的城鎮(zhèn)為904個，為全國的37.8%。對于6度0.05g區(qū)，《電力設(shè)施抗震設(shè)計規(guī)范》GB 50260-201X設(shè)計譜平臺值為0.317g，雖然高于《工業(yè)企業(yè)電氣設(shè)備抗震設(shè)計規(guī)范（GB 50556-2010）》平臺值0.29g，但安全系數(shù)相差1.2倍。GB 50260-201X 設(shè)計譜平臺值將折減為0.264g，其設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)要比《工業(yè)企業(yè)電氣設(shè)備抗震設(shè)計規(guī)范》低，對我國分布較多的0.05g區(qū)電氣設(shè)備的抗震明顯不利。

當(dāng)阻尼比為2%時，對于6度0.05g區(qū)，IEEE693譜的平臺值為0.809g，是《電力設(shè)施抗震設(shè)計規(guī)范》GB 50260-201X設(shè)計譜平臺值0.317g的2.55倍；對于7度0.1g區(qū)，GB 50260-201X 設(shè)計譜平臺值為0.634g，約為IEEE693相應(yīng)譜值的78.4%；對于8度0.2g區(qū)，GB 50260-201X 設(shè)計譜平臺值為1.268g，明顯高于IEEE693的相應(yīng)譜值，但周期大于0.8s的譜值與 IEEE693相當(dāng)。考慮到安全系數(shù)，我國《電力設(shè)施抗震設(shè)計規(guī)范》中電氣設(shè)備的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)總體上低于美國IEEE693。

代表IEC標(biāo)準(zhǔn)的《高壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備的抗震要求（GB/T 13540-2009）》給出的5%阻尼比反應(yīng)譜平臺高度明顯偏低，不建議采用此標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行抗震設(shè)計或考核。

5 結(jié)論

簡要介紹了目前美國、日本、IEC系列標(biāo)準(zhǔn)及我國相關(guān)規(guī)范的基本情況，從抗震設(shè)防目標(biāo)、設(shè)防水準(zhǔn)、抗震設(shè)計反應(yīng)譜等方面對比分析了電氣設(shè)備抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的差異，指出了我國規(guī)范的不足，提出了改進(jìn)我國電氣設(shè)備抗震設(shè)防的建議，希望盡快提高我國電氣設(shè)備的抗震能力。

（1）新修訂的《電力設(shè)施抗震設(shè)計規(guī)范》GB 50260-201X有效提高了電氣設(shè)備的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，但總體上低于美國、日本的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

（2）建議《電力設(shè)施抗震設(shè)計規(guī)范》在以后的修訂中，根據(jù)電氣設(shè)備的特點(diǎn)及標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)的要求，給出不同場地的包絡(luò)設(shè)計反應(yīng)譜，并增大安全系數(shù)的取值。

（3）建議提高《電力設(shè)施抗震設(shè)計規(guī)范》中6度0.05g區(qū)電氣設(shè)備的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)。

（4）《工業(yè)企業(yè)電氣設(shè)備抗震設(shè)計規(guī)范（GB 50556-2010）》的抗震設(shè)防水準(zhǔn)與其他規(guī)范相比略低，建議以后逐步提高。

（5）《高壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備的抗震要求（GB/T 13540-2009）》給出的設(shè)防水準(zhǔn)與加速度取值不一致，加速度取值偏低；并建議提高5%阻尼比反應(yīng)譜的動力放大系數(shù)最大值。

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