隔震減震技術(shù)在九度地震烈度區(qū)變電工程中的分析和應(yīng)用

屈軍

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司昆明供電局，云南 昆明 650011）

0 前言

在人類所歷經(jīng)的各類自然災(zāi)害中，地震是對人類威脅最大的災(zāi)害之一。地震不僅使各類建筑結(jié)構(gòu)在強(qiáng)烈地中遭受嚴(yán)重破壞，并造成整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)功能大幅度受損，而且有可能引發(fā)火災(zāi)等次生災(zāi)害，嚴(yán)重威脅人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全。在汶川大地震中， 國家電網(wǎng)公司系統(tǒng)內(nèi)就有258 座110 千伏及以上變電站、204 條110千伏及以上線路等設(shè)施不同程度受損。

1 地震對變電站電力設(shè)施的危害

1）電瓷型高壓電氣設(shè)備：包括斷路器、隔離開關(guān)、電流互感器、電壓互感器、支柱絕緣子、避雷器等。這類設(shè)備的絕緣部分均由瓷套管組成，其震害特點(diǎn)大多是瓷套管根部斷裂。

2）電力變壓器：在地震中主要表現(xiàn)一般為主體移位、扭轉(zhuǎn)或傾倒，同時(shí)套管、散熱器或潛油泵等附件出現(xiàn)不同程度損壞。

3）站內(nèi)母線：硬母線的破壞主要是支撐母線的棒式支柱絕緣子（一般為瓷柱）在地震作用下折斷造成的；軟母線自身的強(qiáng)度很高，不易損壞，一般是懸掛母線的絕緣子被拉斷。

2 高壓設(shè)備減隔震技術(shù)對比選擇

隔震減震技術(shù)在民用建筑上已經(jīng)非常成熟，但電力設(shè)施與民用建筑物在功能與構(gòu)造上有許多不同。目前，我國電力設(shè)施有關(guān)的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范主要有《電力設(shè)施抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》和《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，基本上只考慮建筑結(jié)構(gòu)本身的抗震，未考慮高壓電氣設(shè)備抗震，比如變電站內(nèi)運(yùn)行在標(biāo)稱電壓為6 kV 以上的交直流系統(tǒng)中的以瓷套（支柱）為主要承重結(jié)構(gòu)的設(shè)備，及變壓器、母線等。傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)是彈塑性設(shè)計(jì)方法，采用增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的方法來抵御地震。用這種方法設(shè)計(jì)的建筑在強(qiáng)地震作用下結(jié)構(gòu)框架會發(fā)生嚴(yán)重破壞，但不至于倒塌。隨著工程結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展，各種新型隔震減震技術(shù)也開始被應(yīng)用。總體原理就是人為采取一個(gè)隔離措施，隔斷或減小地震傳播到電力設(shè)施上的能量，從而減小電力設(shè)施所受到的地震破壞。根據(jù)目前國內(nèi)主流技術(shù)發(fā)展趨勢，設(shè)備減震技術(shù)主要有以下幾種：

1）加裝橡膠墊；2）加裝鉛阻尼器；3）加裝摩擦阻尼減震器；4）加裝鋼絲繩減震器和油阻尼器。5）加裝彈簧隔震器。5 種技術(shù)的應(yīng)用對比如表1 所示。

表1 不同減隔震技術(shù)應(yīng)用對比

表2 隔震支座規(guī)格

從技術(shù)、造價(jià)、減震效果等方面分析，并對國內(nèi)市場進(jìn)行了調(diào)研，摩擦阻尼減震器技術(shù)在日本、美國有很多應(yīng)用實(shí)例，在國內(nèi)有少部分廠商生產(chǎn)，同時(shí)其價(jià)格僅為國外價(jià)格的60%左右，在技術(shù)上較為成熟，性價(jià)比較高。

3 站內(nèi)高壓設(shè)備減隔震具體方案分析

110 kV 阿里塘輸變電工程位于云南省昆明市嵩明縣小街鎮(zhèn)，屬于對建筑抗震一般地段，地面20 m 深度范圍內(nèi)場地土的類型為中軟土，建筑場地類別劃分為Ⅱ類，設(shè)計(jì)地震分組為第二組。特征周期0.40 s。該地區(qū)地震基本烈度為9 度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.40g。同時(shí)該站址為唯一方案，無法更改。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010）、《電力設(shè)施抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50260-2013），《高壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備的抗震要求》（GB13540-2009-T）的相關(guān)要求，本工程按照抗震規(guī)范設(shè)防地震加速度0.40g地區(qū)進(jìn)行設(shè)計(jì)，罕遇地震下地面加速度峰值（PGA）為0.60g。并且根據(jù)相關(guān)條文要求，對地震烈度9 度及以上地區(qū)的變電站，需進(jìn)行抗震驗(yàn)算和隔震減震措施設(shè)計(jì)和實(shí)施。

本工程隔震減震設(shè)計(jì)目的是：針對不同的電力設(shè)施，確定合理具體的減震隔震措施，選擇合理的減震隔震參數(shù)，達(dá)到70%減震隔震效果，使上部結(jié)構(gòu)和高壓設(shè)備的設(shè)防烈度由9 度降低到8 度設(shè)防。

3.1.1 變壓器隔震分析

1）變壓器型號為SSZ11-50000/110GYW。變壓器原放置方案為浮放在混凝土基礎(chǔ)上，根據(jù)《電力設(shè)施抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，變壓器與混凝土基礎(chǔ)之間采用隔震方案：變壓器放置在支撐梁上；支撐梁放置在隔震支座上；變壓器與支撐梁之間采用焊接或螺栓；支撐梁與隔震支座之間采用高強(qiáng)螺栓連接。

2）隔震支座選擇

隔震設(shè)計(jì)的目標(biāo)為：將變壓器的抗震設(shè)防烈度降低1 度（從9 度降到8 度，基本地震加速度從0.40g降低到0.20g），改善變壓器的抗震性能，同時(shí)保證在風(fēng)荷載和微小地震下變壓器不晃動(dòng)。經(jīng)過反復(fù)試算和技術(shù)比較，本工程采用的隔震支座規(guī)格為：GZY200 型，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010），隔震支座平均壓應(yīng)力不大于15.0 MPa 及罕遇地震位移不大于0.55D（D為隔震支座直徑）和3.0 TR（TR 為橡膠層總厚度）的要求，再由隔震結(jié)構(gòu)荷載，確定每個(gè)隔震支座的直徑。

3）隔震支座性能參數(shù)

隔震支座力學(xué)性能參數(shù)如表3 所示。

表3 隔震支座力學(xué)性能

表4 110 kV避雷器減震結(jié)構(gòu)前10階模態(tài)分布

表5 110 kV避雷器原結(jié)構(gòu)與減震結(jié)構(gòu)在不同工況下的分析結(jié)果對比

隔震支座的參數(shù)采用原則：驗(yàn)算多遇地震時(shí)，宜采用隔震支座剪切變形為50%時(shí)的水平剛度和等效粘滯阻尼比。驗(yàn)算罕遇地震時(shí)，對直徑小于600 mm 的隔震支座，宜采用隔震支座剪切變形為250%時(shí)的水平剛度和等效粘滯阻尼比；對直徑不小于600 mm 的隔震支座，宜采用隔震支座剪切變形為100%時(shí)的水平剛度和等效粘滯阻尼比。

4）變壓器及支撐梁的計(jì)算模型建立

本工程采用sap 2000 進(jìn)行變壓器及支撐梁組成的隔震結(jié)構(gòu)自振特性和地震反應(yīng)計(jì)算。計(jì)算分析時(shí)，支撐梁采用空間梁柱單元，由于變壓器形狀非常復(fù)雜，難于建模，只能假設(shè)變壓器荷載均布在六塊700×700×20 的鋼板上。支撐梁采用HW 400×400×30×50 型鋼焊接而成。建立隔震模型時(shí)，隔震支座采用Link 單元中的rubberisolator 模擬，設(shè)置在支撐梁柱腳。根據(jù)隔震分析結(jié)果，變壓器結(jié)構(gòu)可近似按降低1度設(shè)計(jì)，達(dá)到了本工程的隔震目標(biāo)。

3.1.2 避雷器等單支柱類設(shè)備減震分析

1）110 kV 避雷器型號為：YH10W-108/281 W，高強(qiáng)瓷套的破壞應(yīng)力為40 MPa，當(dāng)采用普通瓷套時(shí)的破壞應(yīng)力為20 MPa。

2）減震模型的建立

110 kV 避雷器通過剛性桿與四個(gè)彈簧阻尼器連接，彈簧阻尼器下端與支架頂端的鋼板剛性連接。彈簧阻尼器由上下各一的向心式摩擦阻尼減震器組成。隔震計(jì)算模型與避雷器外形分別見圖1 和圖2。

圖1 隔震計(jì)算模型

圖2 110kV避雷器設(shè)備外形圖

3）減震結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析

通過對減震結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，可以得到減震結(jié)構(gòu)的各階頻率和振型，從分析結(jié)果可以看到，安裝減震裝置后110 kV 避雷器的一階頻率分別為3.84 Hz，相對于原結(jié)構(gòu)10.27 Hz 的頻率值降低，減震結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)在模態(tài)變化趨勢上具有一致性。

由表4 表5 中的分析可以看到：當(dāng)共振調(diào)幅波串的加速度峰值在0.15g和0.3g之間變化時(shí)，110 kV 避雷器減震裝置的減震效率由14.36% 增大至57.40%，隨著共振調(diào)幅波串加速度峰值的增大，減震裝置進(jìn)入摩擦阻尼耗能工作狀態(tài)。在9 度設(shè)防地震烈度（共振調(diào)幅波串的加速度峰值為0.3 g）作用下110 kV 避雷器原始結(jié)構(gòu)和減震結(jié)構(gòu)瓷套的安全系數(shù)分別為1.63 和1.98，減震結(jié)構(gòu)瓷套的安全系數(shù)滿足規(guī)范規(guī)定的大于1.67 的要求，說明減震裝置能達(dá)到預(yù)先設(shè)定的減震目標(biāo)，能保證結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下具有良好的工作性能。

4 結(jié)束語

該工程通過對變壓器、避雷器等電氣設(shè)備減隔震具體方案進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析，與工程同步安裝，并經(jīng)驗(yàn)收合格，滿足了相關(guān)抗震規(guī)范的要求。為處于九度及以上地震烈度區(qū)的變電站隔震減震技術(shù)設(shè)計(jì)、安裝、運(yùn)行維護(hù)積累了豐富的工作經(jīng)驗(yàn)。對今后變電站電力設(shè)施的隔震減震應(yīng)用研究具有比較重要的意義。