汪秋賓，宋 兵

0 引言

地震的隨機性和難于把握的復雜性使抗震動成為重要的研究課題，汶川大地震后，相關學者對地震作用效應與電氣設備的影響進行了大量研究，從理論上結合場地條件、抗震設防烈度、安裝方式等，分析典型設備抗震驗算的類型、方法、考慮因素，并通過模擬震動試驗，修正地震影響系數(shù)，隨著“工業(yè)企業(yè)電氣設備抗震設計規(guī)范 GB50556-2010”的頒布和“電力設施抗震設計規(guī)范 GB 50260-1996”的修改版即將定稿，設計有了指導性的規(guī)范。牽引變電所所在的場地不同、設備的抗震驗算和系統(tǒng)設防有個性化要求，規(guī)范的運用是指導性的，實際工程運用中更注重細節(jié)、個性化和系統(tǒng)關聯(lián)的抗震設計，以保證電氣設備在安裝布置和使用工況下的安全和可靠性。

成都至蘭州鐵路經茂縣、九寨溝接至蘭渝鐵路哈大鋪站，線路穿越高烈度地震多發(fā)區(qū)，地形、地質復雜，全線多橋、多長隧，且橋隧相連，所址選擇極為困難，有20個牽引變電所及分區(qū)所設于地震動峰值位于 0.2g高烈度地震地帶，必須對電氣設施進行防震設計，牽引設備配置標準、電氣布置方式及系統(tǒng)的工程場地地震危險性分析成為牽引變電所必須研究的重要課題。

1 地震作用下電氣設施故障現(xiàn)象的分析

對于高地震環(huán)境地區(qū)牽引變電所電氣設施選擇應從系統(tǒng)的角度去分析；各電氣設備有自身的特點，所內不同電壓等級牽引變壓器、斷路器、隔離開關、互感器、GIS充氣柜等各類高壓電氣設備彼此結構形式差別很大，因此應根據(jù)地震加速度和場地地質條件，考慮設備的自振頻率與當?shù)貓龅赝恋牡卣痤l率的差別，對各類電氣設備各自的動力特性及抗震性能分別進行適應性分析。表1對電氣設備的故障現(xiàn)象作了分析和歸納。

國家電網公司2009年針對四川汶川地震對輸變電工程抗震影響設計進行了專題研究，總結了變電所電力設施在地震災害中的破壞類型和原因，中國電力科學研究院、國網北京經濟技術研究院、同濟大學、西北電力設計院等聯(lián)合做了相關試驗；基于上述研究分析計算和在振動臺上的真型試驗，對“電力設施抗震設計規(guī)范GB 50260-1996”提出了修編意見；由于電氣設施可采取的抗震措施有限，其抗震能力的提高基本上依賴于自身強度的提高，在“高壓開關設備和控制設備的抗震要求GB/T13540-2009”列出了相關電氣設備必須采用分析、試驗或兩者的組合來驗證抗震性能的原則，并規(guī)定了驗證地面安裝的高壓開關設備和控制設備抗震性能的試驗程序，提出對于試驗設備只要不降低功能，永久的變形是允許的。但由于不同設備的安裝位置和結構型式不同，質量、剛度的多變和不均勻性，其動力特性不同，動力反應也就不同，牽引變電所電氣設備的抗震設計在借鑒電力系統(tǒng)的成功經驗的基礎上，尚需對牽引設備進行分析，用規(guī)范要求的基本方法，針對電氣化鐵路專有設備結構的固有頻率及振型，提出試驗方法和抗震措施。

表1 電氣設備故障現(xiàn)象的原因分析表

2 電氣設施的抗震設計遵循原則

電氣設施的抗震設計應從設計思路、電氣設備自身抗震能力、電氣設施的抗震計算、電氣設施布置及安裝設計的抗震要求、減震措施等方面綜合考慮；抗震設備的選型應根據(jù)其安裝地點地基的場地土類型，盡可能選用設備的自振頻率與當?shù)貓龅赝恋牡卣痤l率相距較遠的設備，避免設備與地震波發(fā)生共振。

（2）考慮電氣設備的安裝方式和位置不同對電氣設備的影響，建筑物或構筑物對地面運動加速度值都有一定程度的放大作用；當電氣設備有支承結構時，應將支架與電氣設施作為一個整體進行抗震設計，變壓器的出線套管抗震設計應考慮變壓器基礎及本體的動力響應放大系數(shù)，設置于二層房屋的設備要考慮建筑物的動力放大系數(shù)。

（3）抗震計算方法有很多種，由于電氣設備外形復雜，質量和剛度分布不均勻，其自振特性很難正確算出，單體設備在進行靜力法計算時要考慮與實際工況的適應性，對于成套設備采用振型分解反應譜法進行抗震分析較為合適。

（4）電氣化專用設備有條件時應采用振動臺進行實物試驗作為抗震性能評定依據(jù)。采用激振的方法可測出設備各質點 X、Y、Z方向的加速度，通過衰減時程、頻譜分析得出第一、第二振型的自振頻率、振型和阻尼比；對于組合電器設備，還應選擇拐角、中間、頂端、連接部等作質點。

（5）抗震結構的多道防線設計。對房屋結構、防火墻、支柱構架的結構內力分析，應充分考慮結構的空間作用、非彈性性質、材料時效、阻尼變化等因素的不確定性，在設計中應該盡可能增設多道抗震防線，利用贅余桿件的屈服和彈塑性變形來消耗盡可能多的地震輸入能量；利用贅余桿件的破壞和退出工作，使結構從一種穩(wěn)定狀態(tài)過渡到仍然穩(wěn)定的另一種狀態(tài)；結構在總體驗算和構件的截面驗算時，地震作用為可變荷載力，結構底部的剪力、彎矩和軸向力及頂部的抗力要大于地震卓越周期的沖擊力，采取重力荷載的填充墻或軸壓比小的抗震墻等相應的抗震構造措施，實現(xiàn)地震情況下的結構設防要求。

（6）相關附屬工程（照明、預埋管線、儀器儀表等）同樣是完成系統(tǒng)相關功能不可缺少的重要部分，對地震烈度大于7度以上地區(qū)的牽引變電所應進行系統(tǒng)的抗震設計，主要是針對機械運動連接件、支撐件、安裝固定等方面考慮抗震要求。

（7）抗震設計可以利用建（構）筑物和電力設施自身的強度、剛度來抵抗地震作用，亦可采用隔震減震措施，通過隔震裝置在地震作用下率先進入消能或耗能狀態(tài)，消耗地震能量，使少量的地震能量輸入到建（構）筑物及電力設施上，避免電力設施的破壞。

3 個性化和系統(tǒng)性關聯(lián)設備的抗震分析

有專家分析過汶川地震什邡八角臺站和廣元曾家臺站所記錄的地震波最大加速度峰值和反應譜對斷路器設備頂部的影響，通過加速度時程與IEEE693-2005“變電站抗震設計推薦規(guī)程”推薦時程做比較，分析了典型時程作為地震輸入，斷路器支架底部未安裝與安裝減震器時斷路器的地震反應和抗震能力，電氣化常采用的220 kV SF6斷路器在0.25g（相當于地震烈度7度）加速度幅值時，瓷套的最大應力為16.2 MPa（未減震），小于IEEE 693-2005規(guī)定的地震反應22.5 MPa，達到中等水準抗震水平。在加速度幅值為0.5g（相當于地震烈度8度）、1.0g（相當于地震烈度9度）時，減震還是未減震，底部瓷套的最大應力均超過22.5 MPa（什邡八角波最大應力53.7 MPa），達不到高等水準的抗震水平，因此，牽引變電所敞開式斷路器可借鑒電力系統(tǒng)研究成果，需選用抗震型設備或采用防震措施；對于牽引變電所而言更重要的是需對個性化設備和系統(tǒng)性關聯(lián)的設備進行抗震分析。

如表3所示，PP注塑件氣味在第20天的時候強度降低，之后穩(wěn)定在2.5級，主要是由于殘存在PP注塑件表面的小分子物質隨著時間延長逐步揮發(fā)，之后與空氣中的小分子達成平衡，在沒有高溫的作用下，趨于穩(wěn)定狀態(tài)。如圖2所示，隨著時間的延長，甲醛、乙醛含量逐步降低，在15～20 d的時候，殘留在PP注塑件表面的醛類物質隨空氣流通揮發(fā)，然后是熱氧化降解的醛類物質隨著時間的延長慢慢釋放，直至檢測不到。所以，在標準實驗室條件下，PP注塑件放置20 d，氣味、VOC可以達到一個較好的狀態(tài)。

3.1 牽引變壓器抗震設計

高壓電氣設備的抗震試驗驗證往往在大型結構振動臺上完成，試件一般為原件，試驗成本較高，且對于大型設備，振動臺的承重和抗傾覆能力不一定滿足試驗要求。按相關規(guī)范變壓器的抗震設計除了對套管要求做動力設計外，還應對變壓器本體做靜力設計方法；牽引變壓器由于本體質量較大，一般沒有做抗震試驗，沒有按現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)建立有限元分析模型進行動力時程分析；目前采用的變壓器套管一般為瓷性的，套管的法蘭盤通過橡膠墊與變壓器箱頂板連接，V/v接線的牽引變壓器還用2個單相變壓器同用油枕結構（圖1），由于沒有做帶附件的試驗、運輸過程中又是卸下套管和放油運輸，震動時箱體內油的流動對容器耦合自振、場地基礎、共用油枕連接結構的影響和變壓器本體和套管的固有頻率的動力放大效應可能更大，因此牽引變壓器的出線套管抗震設計應同時考慮變壓器基礎及本體的動力響應放大，牽引變壓器的抗震設計應按 GB 50556-2010工業(yè)企業(yè)電氣設備抗震設計規(guī)范執(zhí)行，進行相關薄弱環(huán)節(jié)的驗算；日本JEAG5003-1998“變電所電氣設備抗震設計指南”在靜力法驗算時變壓器箱體及套管根部均按靜態(tài)水平加速度0.5g取，而目前的國標是按分級取值，9度地表加速度為0.4g；對于成蘭鐵路工程推薦采用日本標準；套管可采用抗彎強度高，機械性能好，體積小的復合材料套管，既滿足動力時程加載試驗，還滿足高海拔需要放大空氣間隙距離的要求；牽引變壓器本體上的油枕、散熱器及其連接管道等附件采用靜力法驗算符合抗震要求；安裝設計時取消滾輪固定在基礎上，且基礎臺面宜適當加寬或將設備焊接固定在基礎預埋件上，防止地面震動的加速度使設備產生位移掉臺。

圖1 V/v牽引變壓器安裝外形示意圖

3.2 箱式分區(qū)所

目前電氣化鐵路箱式分區(qū)所多為戶外交流全封閉開關柜，為系統(tǒng)性關聯(lián)設備，開關柜內設置了手推車式真空斷路器、隔離開關、電流互感器、電壓互感器、微機保護裝置、交直流系統(tǒng)、遠動接口等設備，箱體內部為間隔式布置，進出線采用穿墻套管方式；由于箱式分區(qū)所內的設備為單體式設備組合而成，抗震性能由箱內各設備各自的性能、箱體性能、各連接件及基礎決定，目前電氣化鐵路箱式分區(qū)所幾乎都沒有做過整體抗震試驗和抗震分析，箱式分區(qū)所的抗震性能怎樣評定和應采取哪些措施還有待研究。

箱式分區(qū)所按成套設備來分析抗震性能關鍵在于：

（1）將地基、基礎、箱體的放大影響統(tǒng)一為一個影響系數(shù)，使其與地表面輸入的標準地震力作為箱體底座下端輸入考慮，參照變壓器的計算方法計算動力放大率，而箱體套管的動力響應特性可按電瓷型設備考慮。由于箱內設備多樣，連接方式各異，須考慮地表輸入最大水平加速度和垂直加速度，不考慮外力的疊加（短路電磁力、風力、連接導體的張力等）。

（2）由于箱式分區(qū)所內部分設備不是定型產品，往往可以由用戶要求而更換設備改變安裝方式，因此放置在基礎上的成套設備應考慮箱體的2次動力放大。

（3）遵循GB/T13540-2009采用有限元技術建模，模擬連接法蘭、螺栓、膠裝材料的受力狀態(tài)來達到盡量逼近其真實剛度的效果，由于有限元建模過程比較復雜，設備的質量和剛度分布不均勻，自振特性很難正確算出，推薦選用規(guī)范中的公式計算，并加載（激振）多個薄弱點部位（頂部、橫向或單體設備與箱體的連接處、斷路器靜觸頭支撐件、底座安裝）；可采用頻率范圍0.5～38 Hz（規(guī)范≥25 Hz），輸入加速度0.2g或0.3g（廣元曾家臺水平加速度記錄0.4g，什邡八角臺水平加速度記錄0.6g），確定幾階的固有自振頻率和阻尼比。

（4）計算和驗證抗震性能，固定箱內設備選型和安裝方式。為提高安全度，對垂直荷載較大的箱式分區(qū)所設備采取防震加固措施。

3.3 室內布置的GIS考慮的因數(shù)

成蘭鐵路有多個牽引變電所設在地震烈度為8度地區(qū)，由于變電所選址場地和高海拔3 000 m的要求，將27.5 kV GIS充氣柜或220 kV（或330 kV）GIS設備放置在室內或室內二層地面上，設備安放在樓上時，與安放在同一場地的地面上的地震作用是不一樣的，施加在GIS上的地震強度取決于建筑物的機械傳播特性，GIS設備放置在動態(tài)的建筑物上，因此，除了建（構）筑物設計時考慮地面運動加速度值的放大（圖2），電氣設備安裝布置還應考慮所在樓層與支承電氣設備的建筑物或構筑物的基本自振周期Ts：

Ts=0.03 Hs（一般采用鋼結構）

式中，Hs為建筑物的總高度，m，一般≥6.0 m，則Ts＞0.18 s（相當于45 Hz），大于33 Hz；當基本自振周期確定后，可將樓板+構筑物（基礎）+GIS設備視為剛性，抗震設計可采用靜力法計算。

圖2 樓層的動力放大系數(shù)曲線圖

地震作用產生的彎矩或剪力：

M=a0Geq(H0-h)/g，V=a0Geq/g

式中，Geq為結構等效總重力荷載值，kN；H0為GIS體系重心高度，m；h為計算斷面處距底部高度，m；a0為設計地震加速度，m/s2。

對于二層樓設備，設計地震加速度值時應考慮構樓板+構筑物（基礎）動力反應放大，即地震輸入加速度a0乘以2倍的動力反應系數(shù)。

220 kV GIS組合電器設備尺寸很大，進行全尺寸的抗震試驗較困難，可考慮分析方法；由于很難準確知道GIS的固有頻率，又不能排除與地震響應頻率發(fā)生共振，可對操作要求高的斷路器設備通過試驗來確認，選擇GIS的一個間隔作適當?shù)目拐鹪囼?，并輸入多個自由級運動；由于成蘭鐵路的地震響應頻譜為已知，因此，GIS設備應適應該響應頻譜的最低要求，考慮放大的地面加速度值。

在選擇設備結構時，有可能將GIS基礎做成整塊結構為最好，若不可避免有連接，須對基礎各部分的相對運動進行校驗；由于GIS各廠家的尺寸和安裝結構相差較大，設置在樓上的土建的預留應在設備確定后，按供貨廠家的資料來進行，可在工程建設流程中給予保證。

4 電氣設施抗震設計的技術方案

牽引變電所的電氣設施應按照當?shù)卦O防烈度進行設計，設備架構及基礎應按抗震設計規(guī)范進行驗算和設計，當設防烈度為7度及以上時，必須進行系統(tǒng)的抗震設計。針對成蘭鐵路牽引變電所的特點進行了抗震設計，其主要技術方案見表2。

表2 成蘭鐵路抗震設計主要技術方案表

表2中敘述了電力設施選擇、布置、試驗和安裝等因素的主要技術方案，在設計中牽引變電所選址應避開地質斷層、危巖等場所，其主接線和設備設計應盡可能考慮冗余和通用化等，所內重要場所還需設置自動消防設施，避免地震引發(fā)次生火災。

5 結語

抗震技術研究和規(guī)程規(guī)范的應用為高震地區(qū)修建電氣化鐵路提供了重要保證，牽引變電所電氣設備選擇的適應性分析和抗震設計更是為了提高電力設施的抗震能力，保證在地震作用效應下牽引變電所依然可以正常運行。

[1] GB50556-2010工業(yè)企業(yè)電氣設備抗震設計規(guī)范[S].

[2] GB/T13540-2009高壓開關設備和控制設備的抗震要求[S].

[3] GB50011-2010建筑抗震設計規(guī)范[S].

[4] IEEE693-2005 Recommended practice for seismic design of substations [S].

[5] JEAG5003-1998変電所等における電気設備の耐震設計指針[S].

[6] 尤紅兵，趙鳳新.瓷柱式SF6高壓斷路器抗震性能分析[J].震災防御技術，2010，（4）.

[7] 謝強，朱瑞元.大型變壓器抗震性能研究現(xiàn)狀與進展[J].變壓器，2011，（1）.

[8] 孔杰華.多道抗震防線在建筑抗震設計中的研究[J].鐵道標準設計，2005，（8）.