特高壓變電站設備抗震設防的設計

賀 瑞，顏士海，鄧長紅，方 靜

(電力規劃設計總院，北京 100120)

電力系統在地震中遭到破壞，會造成很大的直接經濟損失，并影響應急救災工作和正常經濟社會運行、甚至引發其他次生災害。在2008年汶川地震中，四川電網110 kV及以上變電站中僅變壓器受損統計就有滲漏40多起、移位7起、套管損壞58起；2013年四川省蘆山地震中，原規劃的雅安1000 kV變電站站址區域的地震烈度達到了9度。確定變電站和換流站的抗震設防標準，需要綜合考慮工程重要性、地震危險性、設備制造水平以及造價等多種因素。

特高壓輸變電工程電壓等級和輸送功率高，綜合投資和重要性也較高，且電壓等級越高在地震中的易損性也越高。對于基本烈度8度以上的地區其電氣設備的抗震設防是一個重點和難點。工程設計中對特高壓電氣設備抗震設防標準的主要按照國標《電力設施抗震設計規范》GB 50260確定，國內學者也曾對中、美、日等電氣設備抗震設防標準進行了討論和對比研究。自2013年新修訂的《電力設施抗震設計規范》GB 50260—2013實施以來，將原1996版的電氣設備最高抗震設防水平從8度提高到了9度。雖然在近年的特高壓變電站、換流站建設中，通過采取變壓器隔震、柱式設備的消能減震、復合材料套管等措施能夠一定程度地提高電氣設備抗震水平，然而具體工程設計中對抗震設防的標準確定、參數選取、具體計算方面還存在不明確之處。本文通過對規范條文的解讀、討論及與國外標準的對比，針對特高壓變壓器、換流變套管以及本體與基礎的連接兩方面抗震設計中的問題展開分析，提出了幾點建議。

1 電氣設備的設防標準和設計地震動參數

為了進一步研究和明確《電力設施抗震設計規范》GB 50260—2013下的電氣設備設防標準，首先將其設防目標和設計地震動參數與美國《變電站抗震設計推薦規程》IEEE std 953和國際電工委員會的IEC系列標準做一個比較。

根據《電力設施抗震設計規范》GB 50260—2013，特高壓變電站、換流站均屬于重要電力設施，其電氣設備“可按抗震設防烈度提高1度設防，但抗震設防烈度為9度及以上時不再提高”。從該條文規定上理解，提高后的最高抗震設防水平為9度(0.40g)。另外規范中第1.0.4條指出，“按本規范設計的電力設施中的電氣設施，當遭受到相當于本地區抗震設防烈度及以下的地震影響時，不應損壞，仍可繼續使用；當遭受到高于本地區抗震設防烈度相應的罕遇地震影響時，不應嚴重損壞，經修理后即可恢復使用”。規范未對重要電力設施提高1度后的設防目標進一步明確，尤其是對于在地震中易損的變壓器、高抗套管等脆性部件。

美國《變電站抗震設計推薦規程》即IEEE std 953－2005規定：設防目標是“在RRS水平下完全無損并能繼續運行，在Performance水平下沒有顯著結構損傷并具有可接受的性能”。其中Performance水平相當于“大震”，對應工程場地50年超越概率2%的地震動峰值加速度，并劃分為三個級別：小于等于0.10 g時為低級別，大于0.10 g且小于等于0.50 g時為中級別，大于0.50 g時為高級別。用于確定地震作用和抗震分析的設計地震動參數如峰值加速度和反應譜為“大震”的一半(即RRS水平)。

國際電工委員會標準IEC 62271－2－2003(對應我國標準《高壓開關設備和控制設備的抗震要求》GB/T13540)規定：在預期地震應力下，“主回路、控制和輔助回路包括相關的安裝構架不應出現故障”?！爸灰唤档驮O備的功能，永久的變形是允許的”。并指出：“所選擇的抗震性能水平應與設施的安裝地點地震時最大地面運動相一致”。關于套管的技術指南IEC 61463指出“設備應具有適當的功能、完整性和安全性”。預期地震分為AF2、AF3、AF5三個設防級別，其地震動峰值加速度分別為0.2 g、0.3 g、0.5 g，對應參考的地震烈度分別為：＜8度、8度～9度和＞9度。IEC標準中未明確給出確定某個站址設計地震動參數的方法，若參考UBC地震分區圖，其設計地震水平大約相當于我國的“中震”。

圖1顯示了在不同基本烈度下上述三個標準采用的設計地震動加速度，其中標注GB 50260①的實線將設計地震動按罕遇地震動加速度取值?？梢姡?1) IEEE標準明確了RRS水平的設計地震動為“大震”的一半，大約相當于“中震”；(2) IEC標準在6度到7度之間、8度半到9度之間與IEEE有些差異，7度至8度半區間與IEEE標準基本相當，其中7度至8度半也是我國輸變電工程抗震設防需要考慮的主要區域；(3) GB 50260－2013采用的設計地震動相當于“大震”水平，但基本烈度在8度(0.30 g)左右時,規范中最高0.40 g的設防水平距離其“大震”(約0.50g左右)還有一定差距。

圖1 不同基本烈度下三個標準采用的設計地震動峰值加速度

2 瓷套管和復合材料套管的判別準則

在電力設施抗震設防中，套管、支柱絕緣子等長細比大、且為脆性材料，是易損的關鍵部件。因此還需要對比不同標準設計地震動下瓷和復合材料的應力判別準則。

IEEE std 693－2005中的瓷套管和復合材料套管的容許應力分別為其極限應力和規定機械負荷的50%，即相當于安全系數為2.0。IEEE明確指出這是由于進行試驗和計算的RRS地震水平為性能目標Performance水平的一半，通過判別準則上的安全系數可保證在Performance水平下瓷套管和復合材料套管的應力小于其極限應力和規定機械負荷(Specified Mechanical Load,SML)的抗震設防目標。

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IEC 62271－2－2003中對瓷套管和復合材料套管的規定基本與IEEE std 693－2005相當，套管應力為極限強度的50%，其他的延性材料可以為屈服強度的90%～100%。關于套管抗震的技術指南IEC TS 61463－2016規定，對于瓷或玻璃套管地震組合應力不應超過100%的型式試驗耐受彎矩，對于復合材料套管則不超過60%的規定機械負荷(此時套管無不可恢復的塑性變形)，相當于安全系數1.67，安全裕度比IEEE略低。

我國GB 50260規定“應保證設備和裝置的根部或其他危險斷面處產生的應力值小于設備或材料的容許應力值”，并將廠家提供的瓷件破壞應力或破壞彎矩除以1.67安全系數作為容許應力進行抗震驗算，這一安全系數要求可上溯至GB/T13540－1992，其中破壞應力定義為“由電瓷生產廠提供給設備制造廠的瓷絕緣子的最小彎曲破壞值”。由于GB 50260－2013采用的設計地震動基本相當于“大震”，不再需要像IEEE和IEC標準那樣考慮由中震計算或試驗推導大震性能的安全系數，因此1.67的安全系數應該只反映材料的不確定性，GB 50260條文說明中也指出是“考慮瓷套管和瓷絕緣子考慮試驗結果的離散性”。

綜合起來，上述標準中對于套管的判別準則基本對應為“大震不壞”或“中震彈性”(IEC TS 61463用于復合套管時)。

3 分析和討論

主要討論以下兩個問題：

(1)基本地震動峰值加速度大于0.20 g時，設計地震動峰值加速度取0.40 g還是“大震”峰值加速度。

我國規定抗震設防烈度為9 度及以上的地震區不應作為變電站、換流站站址，但站址基本地震動峰值加速度在0.30 g左右的工程還是存在，如滇西北－廣東±800 kV 特高壓直流工程中新松±800 kV換流站為0.26 g、錦屏－蘇南±800 kV特高壓直流工程中裕隆換流站為0.31 g等。隨著特高壓工程建設范圍的擴大，可能還會有其他站址出現。在考慮中震設計和2.0安全系數前提下，IEC標準在基本烈度8度至9度區間內的設計峰值加速度為0.30 g，IEEE標準為0.25 g(8度至8度半時)和0.50 g(高于8度半時)。我國標準對重要電力設施采用大震設計，設計地震動峰值加速度若取最高0.40 g有些不足，建議在特高壓輸變電工程中將設計地震動峰值加速度明確為“大震”。個別企業標準如國網《特高壓瓷絕緣電氣設備抗震設計及減震裝置安裝與維護技術規程》已將重要電氣設施的設計地震動明確為50年超越概率2%的罕遇地震。

(2)抗震強度驗算中對采用的破壞應力或規定機械負荷有什么要求，以及何時除以1.67安全系數。

IEC和IEEE標準將其破壞應力或規定機械負荷(SML)除以安全系數2.0作為容許應力，是由于其設計地震動對應的是“中震”，約為大震的一半。根據相關設備和材料的試驗要求，這里的極限應力和規定機械負荷應是具有一定保證率的“標準值”，除此之外IEC和IEEE不再要求預期的大震下設備仍具有額外的安全系數。

對于我國規范中按“大震”設計的瓷或復合套管以及支柱絕緣子等，如破壞應力或規定機械負荷采用具有一定保證率的標準值并保留1.67的安全系數，在原GB 50260－1996以及GB 50556－2010等規范規程中，由于設計地震動峰值加速度最高為0.20 g，相當于“峰值加速度0.33 g下不壞”，略高于基本烈度7度(0.15 g)對應的罕遇地震水平，與IEEE和IEC標準相比設防水平偏低。而GB 50260－2013發布后，對罕遇地震0.40 g水平下如仍將破壞應力標準值除以1.67作為容許應力，則相當于“峰值加速度0.67 g下不壞”；在8度(0.30 g)對應的罕遇地震0.50 g水平下如考慮1.67安全系數，則相當于“峰值加速度0.84 g下不壞”。 這樣會導致基本烈度8度至8度半地區的電氣設備制造難度和造價過高。

另一方面，設備廠家應對提供的破壞應力或規定機械負荷的來源、依據、保證率等進行明確說明，應具有試驗數據支撐，必要時應進行試驗驗證。設計校核時要考慮設備型式、尺寸、受力狀態、法蘭膠裝強度等因素的影響，合理分析后選用。破壞應力或規定機械負荷為平均值時應除以1.67，具有較高保證率時可直接作為容許應力。建議國標GB 50260規范修訂時對復合材料的判別準則進行補充和明確。

表1和圖2給出了IEC、IEEE和GB 50260三個標準的最大地震影響系數和反應譜對比，基于標準做以下改進和設定：(1)基本地震烈度從7度半到8度半，將GB 50260設計地震動統一采用50年超越概率2%的罕遇地震；(2)抗震強度驗算均采用大震下應力小于標準值的判別準則，GB 50260不考慮1.67安全系數，IEC和IEEE標準將2.0安全系數折算到反應譜上(將反應譜乘以2)；(3)GB 50260_a表示Ⅱ類場地、第一組，GB 50260_b表示Ⅲ類場地、第三組；(4)主要比較2%阻尼比的反應譜，8度半時計算5%阻尼比的反應譜作為參照。

表1 三個標準計算的最大地震影響系數對比

圖2 不同基本烈度和阻尼比下三個標準采用的反應譜對比

表1和圖2顯示：(1)IEEE反應譜曲線頂部平臺最寬，這是由于其考慮了不同場地類型和近遠震的包絡，并且其在三個基本烈度下均使用對應于基本烈度8度半的最大地震影響系數，更趨于保守；(2) IEC和IEEE在8度區間反應譜基本相當，但IEC反應譜在5%阻尼比時取值偏?。?3) GB 50260由于采用隨基本烈度線性增加的最大地震影響系數，在7度半和8度區域反應譜取值略低，但在8度0.30g區域與IEC和IEEE基本相當?？梢姳?和圖2中根據GB 50260改進后選取設計地震動反應譜的方法是較為合適的。

4 變壓器與基礎的連接

IEEE和IEC標準體系中，大震下設備本身的延性材料或其支架可以有一定程度的屈服，但設備或支架與基礎的連接應該有足夠的強度，IEEE 693中規定設備與基礎的連接應該能夠滿足中震下安全系數為2.0，即大震下不屈服的要求。

對于特高壓工程中的變壓器、換流變等，可以按照提高一度后的罕遇地震確定地震作用，進行設備與基礎連接的抗震設計，具體計算可以參見《工業企業電氣設備抗震設計規范》GB 50556的思路，此時焊縫或螺栓的容許應力取材料的標準值。

5 建議

綜合上述分析、討論，對《電力設施抗震設計規范》GB 50260－2013以及特高壓變電站、換流站設備抗震設防標準選取和工程設計方面提出以下建議：

(1)建議GB 50260在下次修訂時對重要電力設施提高1度后的抗震設防目標進行說明；實際應用中對于特高壓工程中的主要電氣設備的非延性部件可確定為“大震不壞”。

(2)對特高壓主要電氣設備采用50年超越概率2%的罕遇地震作為設計地震動，更有利于保證其在基本烈度為8度(0.20 g)以上地區的抗震能力。

(3)設備廠家應對提供的破壞應力或規定機械負荷的來源、依據、保證率等進行明確說明，并具有試驗數據支撐。設計校核時要考慮設備型式、尺寸、受力狀態、法蘭膠裝強度等因素的影響，合理分析后選用。

(4)在“大震設計”中，安全系數僅用于考慮強度參數來源于個別試驗結果時的離散性，當其具有較高保證率時不應再除1.67。

(5)建議GB 50260規范修訂時對復合材料套管的判別準則進行補充和明確。

(6)對于特高壓交流變壓器、換流變等，建議按照“大震”作用進行設備與基礎連接的抗震設計。

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