變電站電氣設備分級抗震設防原則研究①

鐘 珉， 程永鋒， 代澤兵， 房正剛

(中國電力科學研究院，北京 100192)

變電站電氣設備分級抗震設防原則研究①

鐘 珉， 程永鋒， 代澤兵， 房正剛

(中國電力科學研究院，北京 100192)

目前我國對電氣設備抗震級別的規定低于國際上其他標準的要求，并且設防標準的確定考慮設防烈度、場地條件、設計地震分組等多種組合條件，不利于方便快捷地判斷設備的抗震級別。通過對比國內外相關規范中對電氣設備抗震設防級別的規定，分析電氣設備進行分級抗震設防的優勢，建議對我國的電氣設備進行分級抗震設防。采用典型電氣設備抗震可靠度指標作為參數，對建議的電氣設備的抗震設防等級進行劃分，提出高、中、低三等級原則。

電氣設備； 抗震設防； 設防標準； 等級劃分

0 引言

電氣設備受到地震破壞是震后電網功能失效的主要因素之一。汶川地震中電氣設備嚴重破壞導致的大規模停電使人們意識到對電氣設備抗震能力的驗證越來越重要。我國電氣設備的抗震設計主要依據《電力設施抗震設計規范》(GB 50260-2013)[1]中的原則和方法進行，其中對于抗震設防級別、場地參數的確定是根據《中國地震動參數區劃圖》(GB 18306-2001)[2]和《建筑抗震設計規范》(GB 50011-2010)[3]等相關標準規定選取的。

《中國地震動參數區劃圖》(GB 18306-2001)和《建筑抗震設計規范》(GB 50011-2010)是一般建設工程抗震設計的依據，適用于某個特定建筑物的特定設計。其中對于抗震設防要求，既考慮設防烈度的不同對峰值加速度進行了規定，又考慮五類不同場地Ⅰ0、Ⅰ1、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和三組設計地震分組的差異對特征周期進行了規定。對于建筑結構來說，由于建筑物的長期性和固定性，這種針對不同烈度不同場地的較細致的劃分是可行的。但是電氣設備通用性強，如果像建筑結構那樣進行細致劃分，將不利于其規模化生產，在使用方面也不利于電氣工程師的設計選擇，甚至會增加設備的抗震鑒定次數，延長調用設備所需要的時間。考慮到電氣設備的特點，國外一些國家和地區將地震動區劃圖進行合并，分成了高、中、低三個等級，給出了適用于電氣設備的抗震區劃圖[4-5]。

本文對比國內外相關規范對電氣設備抗震設防等級的規定，分析電氣設備進行分級設防的優勢，對電氣設備抗震能力的分級設定進行探討，建議我國電氣設備分級抗震設防的原則。

1 國內外電氣設備抗震級別的相關規范及標準

世界上多個國家及地區特別針對電氣設備設立了抗震規范，對抗震等級和設防目標進行了規定，如表1所示。國外對電氣設備抗震設防的規定一般采用設立等級的方式，如日本只設立了一個等級，這與其國土面積狹小、地震類型較為單一有關。而IEC規范和美國IEEE693規范都設立了高、中、低三個等級，但也有區別。除了各等級的劃分標準不一致以外，設防水準的選定也不同，IEC62271-2的抗震水準對應于S2級地震，相當于核電站中的安全停堆地震，年超越概率為10-4，IEEE693則是在50年超越概率2%的抗震設防水準上進行分級的。

表1 國外電氣設備相關抗震規范抗震等級比較

我國電氣設備相關抗震規范中對抗震等級的規定如表2所示。大部分規范中特別區分了一般設備和重要設備，以50年超越概率10%為設防水準，以設防烈度為標準進行抗震設防。但也有例外，《高壓開關設備和控制設備的抗震要求》(GB/T 13540-2009)借鑒IEC62271-2:2003，采用了分級設防，并且其抗震水平也與IEC62271-2:2003相同，這與我國目前抗震規范很不匹配，也導致我國電氣設備抗震級別的規定很不統一。

對比國內外電氣設備抗震設防的規定，可以發現，若對電氣設備進行分級抗震設防將具有以下幾個優勢：

表2 我國電氣設備相關抗震規范抗震等級比較[1，7-8]

(1) 某設備損壞后，可以調用本區域其他變電站的富余設備進行支援，無需再考慮設備的抗震級別；

(2) 將同一區域的電力設施按照同一標準進行設計，較大地簡化了設計程序，讓工作人員使用更為方便；

(3) 設備廠家可以按照同一標準進行更大規模的生產，有利于節約成本，降低造價；

(4) 同一類型的設備可只進行一次鑒定，避免了多次鑒定的浪費，經濟性得到體現；

(5) 在對區劃圖進行部分合并后，某一地區的備品庫可只選擇一種類型設備的儲存，極大地改善設備調用的時間性。

針對以上分析，考慮目前我國電氣設備抗震設防規定方面存在的差異，建議電氣設備抗震設防水準采用分級設防的方式，并結合震害調研的基本情況，總結電力設備地震響應特點，從設備的抗震可靠度入手，制定出相應的抗震設防分布圖，對今后電網工程建設提供有針對性的設計依據。

2 典型電氣設備的抗震可靠度分析

電氣設備常常發生脆性破壞，其極限狀態方程是線性的，計算其抗震可靠度采用一次二階矩法足以滿足要求。設備的抗力、反應均服從正態分布，則設備抗震可靠指標β、失效概率Pf和可靠度Pr為

(1)

(2)

(3)

式中，φ(·)為標準正態分布函數；μR和σR分別為設備抗力R的均值和均標準差；σR和σS分別為反應的均值和均標準差[9]。根據此方法計算出電氣設備在地震作用下薄弱位置的反應均值和方差后，即可算出設備的可靠指標和失效概率。

本文選擇兩種典型電氣設備，利用上述一次二階矩方法對其在Ⅰ0、Ⅰ1、Ⅱ、Ⅲ類場地條件下的抗震可靠度進行分析。

2.1 地震加速度值的選擇

對于抗震設防參數的選擇，有學者認為對峰值加速度的取值應按地貌分區選擇[10]，也有人認為可從以往發生的地震破壞現象中估算極震區地震水平峰值加速度[11]。

對于電氣設備，《電力設施抗震設計規范》(GB50260-96)規定的設防目標可以概括為“中震不壞，大震可修”。此“中震”、“大震”是相對概念，指的是工程場地50年超越概率10%和2%～3%的地震動參數。由于電氣設備材料和結構的特點，地震來臨時極易發生脆性破壞，很難在實際工程中真正做到“大震可修”。因此，以“大震不壞”的目標進行設計驗算將更能保證設備的安全使用性。

我國現行的地震動參數區劃圖僅給出了50年超越概率10%的地震動峰值加速度，對50年超越概率2%～3%的地震動峰值加速度如何取值是抗震設計工作者非常關心的問題。89規范和有關文件認為，大震平均比中震高1度，對峰值加速度而言，大震大體為中震的2倍[12]。01版地震動參數區劃圖相關教材認為大震為中震的1.6～1.7倍[13]。也有學者對部分區域進行統計得到大震與中震的相對關系。高孟潭[14]對90區劃圖的基礎數據進行統計發現，中大震之間的烈度差值為0.3～1.2度，分布較為離散。陳黨民[15]針對中硬場地，統計得出關中地區大震與中震的地面峰值加速度比值范圍為1.55～1.87，均值為1.69。沈建文等[16]給出上海鄰近地區50年超越概率2%的地震動峰值加速度與50年超越概率10%地震動峰值加速度的比值在1.7～2.6之間。滕光亮[17]通過對甘肅省158個場地安全性評價結果分析，討論了不同的超越概率下水平地震動峰值加速度之間的關系及不同場地對基巖峰值加速度的放大效應。雷建成[18]得出樊西地區基巖50年超越概率2%的地震動峰值加速度與50年超越概率10%地震動峰值加速度的比值為1.76。

為更好地保證設備的安全性，本文取50年超越概率2%的地震動峰值加速度，加速度值見表3。

表3 不同超越概率下的地震動峰值加速度

2.2 瓷材料的基本特性

2.3 避雷器抗震可靠度分析

避雷器選擇500 kV設備進行分析，由3節瓷套組成，每節瓷套內徑和外徑分別為125 mm和205 mm，總高4.792 5 m，設備總重825.72 kg。瓷材料彈模取90 GPa，底部固結。模型不帶支架，計算時取1.2倍放大系數，采用反應譜方法計算。基頻為3.18 Hz。

普通瓷條件下避雷器在不同加速度峰值不同場地條件下的可靠度如圖1所示。同一加速度峰值條件下，除I類場地較為堅硬以外，Ⅱ類和Ⅲ類場地所得結果基本一致。加速度為0.1 g時避雷器的可靠概率達到100%；0.2 g后避雷器的可靠概率水平下降；至0.4 g時下降水平較快，由均值88%下降至21%。隨著加速度繼續增加，避雷器的可靠概率均已降至20%以下；0.5g時可靠概率的最低值僅有6%；0.6 g時可靠概率最低值只有3%。

圖1 普通瓷避雷器地震可靠度對比Fig.1 Seismic reliabilities of ordinary porcelain arresters

高強瓷條件下避雷器在不同加速度峰值不同場地條件下的可靠度如圖2所示。采用高強瓷后，500 kV避雷器的抗震可靠概率大幅度提高。以Ⅲ類場地為例，加速度為0.3 g時可靠概率由34.5%提高至91.5%；0.4 g時可靠概率由13.6%提高至64.4%；加速度達到0.6 g時可靠概率最低也達到20%以上。說明采用高強瓷材料是提高電網設備抗震安全性的有效手段。

圖2 高強瓷避雷器地震可靠度對比Fig.2 Seismic reliabilities of high-strength porcelain arresters

2.4 隔離開關抗震可靠度分析

隔離開關選擇220 kV設備進行分析，設備由3組實心瓷柱和1個鋼管式支架組成。每組瓷柱有兩節，上一節半徑0.06 m，下一節半徑0.07 m。設備高度2.915 m，總重214.03 kg，支架高3.50 m。瓷材料彈模取100 GPa，支架底部固結。基頻為2.45 Hz。

普通瓷條件下隔離開關的抗震可靠度如圖3所示。加速度為0.1 g時可靠概率基本仍能達到100%，設備完全沒有損壞。加速度增大到0.2 g時均值已下降至78.5%，接近80%。隨后當加速度達到0.3 g時，可靠概率陡然下降，Ⅰ0類場地下的可靠概率都已降到40%以下，均值達到28.5%。0.4 g后，可靠概率已降至20%以下。

圖3 普通瓷隔離開關地震可靠度對比Fig.3 Seismic reliabilities of ordinary porcelain disconnectors

高強瓷條件下避雷器的抗震可靠度如圖4所示。以Ⅲ類場地為例，加速度為0.4 g時可靠概率由7.8%提高至50.3%；加速度達到0.6 g時設備的可靠概率提高至13.4%。相比于500 kV避雷器，220 kV隔離開關的抗震可靠度略小一些。

圖4 高強瓷隔離開關地震可靠度對比Fig.4 Seismic reliabilities of high-strength porcelain disconnectors

綜合上述電網設備抗震可靠度計算結果，考慮場地條件、設計地震分組等情況，加速度為0.1 g時設備可靠概率為100%；0.4 g時在20%～40%之間，設備處于中等破壞程度；0.6 g時降至10%以下，設備處于嚴重破壞程度。此外，采用高強瓷可提高設備的抗震可靠度，一定程度上保證設備安全。

3 電氣設備抗震設防分級的確定

通過基于水平向峰值加速度的汶川地震變電站失效模式統計[19]可知，當峰值加速度的區間位于250～300 cm/s2時，有53%的變電站停運，其中由設備損壞造成的比例約為45%；當區間位于300～400 cm/s2時，已有71%的變電站停運，其中由設備損壞而造成的比例約為67%；當區間位于400～450 cm/s2時，停運比例已達到85%，其中由設備損壞而造成的比例上升為87%；當峰值加速度達到500～550 cm/s2時，停運變電站幾乎都是因為設備損壞造成。汶川地震發生地區基本按Ⅶ度設防進行建設，而對應于Ⅶ度、Ⅷ度罕遇地震水平加速度峰值區域，已有50%甚至2/3的變電站停運，因此Ⅶ度、Ⅷ度區的設防水準需要提高。對于Ⅸ度區域的建設工程，其設防水準也需相應提高。

通過對典型電氣設備抗震可靠度進行計算分析，將電氣設備的抗震能力分為三級：0.1 g及以下作為第一級低等抗震考核水平，對應于設防烈度Ⅵ度及以下地區，考慮到《電力設施抗震設計規范》(GB50260-96)中規定對于330 kV及以上的電氣設備在Ⅶ度及以上時應進行抗震設計，對于220 kV及以下電氣設備在Ⅷ度及以上時應進行抗震設計，加速度峰值取為0.1 g；0.1～0.4 g作為第二級中等抗震考核水平，對應于設防烈度Ⅶ～Ⅷ度地區，加速度峰值取為0.4 g；0.4 g以上作為第三級高等抗震考核水平，對應設防烈度Ⅸ度以上地區，加速度峰值取為0.6 g。

將建議的電氣設備抗震設防標準、IEEE693及IEC62271-2對應于各烈度區的極限峰值加速度進行比較，如表4所示。表中未給出日本《電氣設備抗震設計指南》(JEAG 5003-1998)，原因在于日本規范采用的設計地震力形式為正弦共振三波，轉換為對應反應譜的峰值加速度要大于我國規范、IEEE及IEC規范。

表4 極限峰值加速度的比較

由表4可知，建議的電氣設備抗震設防標準與IEEE及IEC比較，整體分區較為合理，各抗震等級加速度取值適中，基本略低于IEEE和IEC的加速度取值。

4 結論

目前我國采用的變電站電氣設備抗震設防區劃根據《中國地震動參數區劃圖》(GB18306-2001)的要求制定，但該規范主要是供建筑抗震設計使用的，而建筑結構與電氣設備在材料、結構形式及生產方式上都有很大的不同，因此針對建筑的較為細致的劃分并不利于電氣設備的規模化、批量化生產。

對典型高壓電氣設備進行不同場地條件下的抗震可靠度分析，發現可將我國高壓電氣設備的設防等級劃分為高、中、低三類：0.1 g以下為低等抗震考核水平，加速度可定位0.1 g；0.1～0.4 g為中等抗震考核水平，加速度峰值可定為0.4 g；大于0.4 g為高等抗震考核水平，加速度峰值可定為0.6 g。

將建議的電氣設備抗震設防級別與國內外目前現有規范的抗震考核水平比較，建議的抗震考核水平比現有國內規范規定的水平高，略低于國外電氣設備抗震考核水平。

References)

[1] GB50260-2013.電力設施抗震設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2013.GB 50260-2013.Code for Seismic Design of Electrical Installations[S].Beijing: China Planning Press, 2013.(in Chinese)

[2] GB18306-2001.中國地震動參數區劃圖[S].北京：中國標準出版社，2001.GB 18306-2001.Seismic Ground Motion Parameter Zonation Map of China[S].Beijing: Standards Press of China, 2001.(in Chinese)

[3] GB 50011-2010.建筑抗震設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.GB 50011-2010.Code for Seismic Design of Buildings[S].Beijing: China Architecture & Building Press, 2010.(in Chinese)

[4] EEE Std 693-2005.IEEE Recommended Practice for Seismic Design of Substations[S].IEEE Power Engineering Society，2005.

[5] IEC.High-voltage Switchgear and Controlgear, Part 2: Seismic Qualification for Rated Voltages of 72.5 kV and Above ( IEC 62271-2)[S].2003．

[6] JEAG 5003-1998.電氣設備抗震設計指南[S].日本電氣技術標準調查委員會，1998.JEAG 5003-1998.Guide for Seismic Design of Electrical Equipment[S].Japan Electrical Technical Standard Committee, 1998.(in Japanese)

[7] GB50556-2010.工業企業電氣設備抗震設計規范[S].北京：人民出版社，2010.GB 50556-2010.Code for Aseismic Design of Electrical Facilities in Industrial Plants[S].Beijing: People’s Publishing House, 2010.

[8] GB/T 13540-2009.高壓開關設備和控制設備的抗震要求[S].北京：中國標準出版社，2010.GB/T 13540-2009.Seismic Qualification for High-voltage Switchgear and Controlgear[S].Beijing: Standards Press of China, 2010.

[9] 陳淮，李杰.高壓電氣設備抗震可靠性分析方法[J].世界地震工程，2006，16(2)：19-23． CHEN Huai，LI Jie.Seismic Reliability Analysis of High Voltage Electrical Equipments[J].World Information on Earthquake Engineering，2006，16(2)：19-23.(in Chinese)

[10] 王愛國，趙澤賢.隴東黃土高原地區建筑抗震設防參數研究[J].西北地震學報，2012，34(1)：78-83.WANG Ai-guo，ZHAO Ze-xian.Study on the Seismic Fortification Parameters in the Losses Plateau of Eastern Gansu Province[J].Northwestern Seismological Journal，2012，34(1)：78-83.(in Chinese)

[11] 王愛國，劉方斌.岷縣漳縣6.6級地震極震區峰值加速度估算[J].地震工程學報，2013，35(3)：483-488.WANG Ai-guo，LIU Fang-bin.Estimation of Peak Ground Acceleration in Magistoseismic Area of the Minxian—ZhangxianMS6.6 Earthquake[J].China Earthquake Engineering Journal，2013，35(3)：483-488.(in Chinese)

[12] 中國建筑科學研究院.建筑抗震設計規范條文說明[M].沈陽：遼寧科學技術出版社，1990：1-2.China Academy of Building Research.Specification for Code for Seismic Design of Buildings[M].Shenyang: Liaoning Science and Technology Publishing House, 1990: 1-2.(in Chinese)

[13] 國家標準化管理委員會.中國地震動參數區劃圖(GB18306-2001)宣貫教材[M].北京：中國標準出版社，2001：106.Standardization Administration of the People’s Republic of China.Teaching Material of Seismic Ground Motion Parameter Zonation Map of China[M].Beijing: Standards Press of China, 2001: 106.

[14] 高孟潭，韓煒.抗震設計中大、中、小地震的確定[C]//地震工程研究文集北京：地震出版社，1992：22-27.GAO Meng-tan, HAN Wei.Determination of Large, Medium and Small Earthquakes in Seismic Design[C]//Research on Earthquake Engineering.Beijing: Seismological Press, 1992: 22-27.

[15] 陳黨民.陜西關中地區不同超越概率水平下地震動峰值加速度關系研究[J].地震工程與工程振動，2012，32(3)：34-40.CHEN Dang-min.Study on Relationship Between Ground-Motion Peak Accelerations and Different Levels of Exceeding Probability in Guanzhong Area of Shaanxi Province[J].Journal of Earthquake Engineering and Engineering Vibration，2012，32(3)：34-40.(in Chinese)

[16] 沈建文，石樹中.大中小震與抗震設防標準[J].地震學報，2004，26(5)：533-538.SHEN Jian-wen，SHI Shu-zhong.Large，Middle，Small Earthquake and Seismic Fortification Criterion[J].ACTA Seismologica Sinica，2004，26(5)：533-538.(in Chinese)

[17] 滕光亮，陳永明.甘肅地區三水準超越概率水平地震動峰值加速度關系與場地放大效應研究[J].西北地震學報，2011，33(S)：443-445.TENG Guang-liang，CHEN Yong-ming.Study on the Relationship among Ground Motion Peak Accelerations in Three Level Exceedance Probability and Site Amplification Effect in Gansu Area[J].Northwestern Seismological Journal，2011，33(S)：443-445.(in Chinese)

[18] 雷建成.攀西地區不同風險水平下基巖地震動參數之間的關系[J].中國地震，2002，18(2)：193-202.LEI Jian-cheng.The Relationship of Bedrock Seismic Ground Motion Parameters with Different Exceedance Probabilities in Panxi Area[J].Earthquake Research in China，2002，18(2)：193-202.(in Chinese)

[19] 楊長青.基于地震動參數高壓電氣設備的易損性分析[D].哈爾濱：中國地震局工程力學研究所，2011.YANG Chang-qing.Vulnerability Analysis of High-voltage Electrical Equipment Based on Ground Motion Parameter[D].Harbin: Institute of Engineering Mechanics,China Earthquake Administration,2011.

Study on Grading Seismic Fortification Standards of Electrical Equipment at Transformer Substation

ZHONG Min， CHENG Yong-feng， DAI Ze-bing， FANG Zheng-gang

(ChinaElectricPowerResearchInstitute，Beijing100192，China)

The seismic fortification levels of electrical equipment have

more and more attention since the Wenchuan earthquake.The current seismic requirement level of electrical equipment in China is lower than that of other international standards，such as IEEE 693，IEC 62271，and JEAG 5003.In China，the seismic level of electrical equipment is decided by combining several conditions of fortification intensity，site condition，and classification of design earthquake，which makes it difficult to determine the seismic level of electrical equipment quickly and conveniently.By comparing domestic and foreign codes about the seismic fortification level of electrical equipment，the advantages of grading fortifications are summarized.Consequently，grading the fortifications for electrical equipment in China was proposed.In order to obtain the principles of this grading，the seismic reliability of electrical equipment was calculated.Design earthquake accelerations exceeding a failure probability of 2% in 50 years，which were higher than the normal value and obtained by survey，were used as calculation parameters.Two typical pillars of electrical equipment were chosen as calculation modals，and the seismic reliability of electrical equipment in ordinary porcelain and high-strength porcelain was calculated using the FOSM method.The use of design earthquake accelerations exceeding a failure probability of 2% in 50 years will meet the seismic target of not collapsing with strong earthquakes，which will further ensure the seismic safety of electrical equipment.The seismic reliability of high-strength porcelain equipment was obviously higher than that of ordinary porcelain equipment.It is an effective method to improve equipment seismic capacity through replacing ordinary porcelain by high-strength porcelain.The reliability results were used as indexes to determine the low，medium，and high levels.Specifically，peak accelerations of 0.1 g and below were considered to be at a low assessment level，and the peak acceleration was taken to be 0.1 g.Values of 0.1～0.4 g corresponded to the medium assessment level，and the peak acceleration was taken to be 0.4 g.Values above 0.4 g comprise the high assessment level，and the peak acceleration was taken to be 0.6 g.By comparing the peak acceleration with those of IEEE and IEC standards，it is found that the proposed seismic fortification for electrical equipment is more reasonable.The acceleration value of each seismic level is slightly lower than the values given by IEEE and IEC.

electrical equipment； seismic fortification； fortification standard； grade classification

2014-06-30

國家電網公司科技項目(GC17201100089)

鐘 珉(1984)，女，博士，工程師，主要從事電力設施抗震理論研究.E-mail：zhongmin@163.com

TM63； TU352.1+1

A

1000-0844(2015)02-0571-06

10.3969/j.issn.1000-0844.2015.02.0571