鐘 珉， 程永鋒， 代澤兵， 房正剛

(中國電力科學(xué)研究院，北京 100192)

變電站電氣設(shè)備分級抗震設(shè)防原則研究①

鐘 珉， 程永鋒， 代澤兵， 房正剛

(中國電力科學(xué)研究院，北京 100192)

目前我國對電氣設(shè)備抗震級別的規(guī)定低于國際上其他標(biāo)準(zhǔn)的要求，并且設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的確定考慮設(shè)防烈度、場地條件、設(shè)計地震分組等多種組合條件，不利于方便快捷地判斷設(shè)備的抗震級別。通過對比國內(nèi)外相關(guān)規(guī)范中對電氣設(shè)備抗震設(shè)防級別的規(guī)定，分析電氣設(shè)備進(jìn)行分級抗震設(shè)防的優(yōu)勢，建議對我國的電氣設(shè)備進(jìn)行分級抗震設(shè)防。采用典型電氣設(shè)備抗震可靠度指標(biāo)作為參數(shù)，對建議的電氣設(shè)備的抗震設(shè)防等級進(jìn)行劃分，提出高、中、低三等級原則。

電氣設(shè)備； 抗震設(shè)防； 設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)； 等級劃分

0 引言

電氣設(shè)備受到地震破壞是震后電網(wǎng)功能失效的主要因素之一。汶川地震中電氣設(shè)備嚴(yán)重破壞導(dǎo)致的大規(guī)模停電使人們意識到對電氣設(shè)備抗震能力的驗證越來越重要。我國電氣設(shè)備的抗震設(shè)計主要依據(jù)《電力設(shè)施抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50260-2013)[1]中的原則和方法進(jìn)行，其中對于抗震設(shè)防級別、場地參數(shù)的確定是根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306-2001)[2]和《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011-2010)[3]等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定選取的。

《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306-2001)和《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011-2010)是一般建設(shè)工程抗震設(shè)計的依據(jù)，適用于某個特定建筑物的特定設(shè)計。其中對于抗震設(shè)防要求，既考慮設(shè)防烈度的不同對峰值加速度進(jìn)行了規(guī)定，又考慮五類不同場地Ⅰ0、Ⅰ1、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和三組設(shè)計地震分組的差異對特征周期進(jìn)行了規(guī)定。對于建筑結(jié)構(gòu)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(xì)致的劃分是可行的。但是電氣設(shè)備通用性強(qiáng)，如果像建筑結(jié)構(gòu)那樣進(jìn)行細(xì)致劃分，將不利于其規(guī)?；a(chǎn)，在使用方面也不利于電氣工程師的設(shè)計選擇，甚至?xí)黾釉O(shè)備的抗震鑒定次數(shù)，延長調(diào)用設(shè)備所需要的時間。考慮到電氣設(shè)備的特點，國外一些國家和地區(qū)將地震動區(qū)劃圖進(jìn)行合并，分成了高、中、低三個等級，給出了適用于電氣設(shè)備的抗震區(qū)劃圖[4-5]。

本文對比國內(nèi)外相關(guān)規(guī)范對電氣設(shè)備抗震設(shè)防等級的規(guī)定，分析電氣設(shè)備進(jìn)行分級設(shè)防的優(yōu)勢，對電氣設(shè)備抗震能力的分級設(shè)定進(jìn)行探討，建議我國電氣設(shè)備分級抗震設(shè)防的原則。

1 國內(nèi)外電氣設(shè)備抗震級別的相關(guān)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)

世界上多個國家及地區(qū)特別針對電氣設(shè)備設(shè)立了抗震規(guī)范，對抗震等級和設(shè)防目標(biāo)進(jìn)行了規(guī)定，如表1所示。國外對電氣設(shè)備抗震設(shè)防的規(guī)定一般采用設(shè)立等級的方式，如日本只設(shè)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(guān)。而IEC規(guī)范和美國IEEE693規(guī)范都設(shè)立了高、中、低三個等級，但也有區(qū)別。除了各等級的劃分標(biāo)準(zhǔn)不一致以外，設(shè)防水準(zhǔn)的選定也不同，IEC62271-2的抗震水準(zhǔn)對應(yīng)于S2級地震，相當(dāng)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(shè)防水準(zhǔn)上進(jìn)行分級的。

表1 國外電氣設(shè)備相關(guān)抗震規(guī)范抗震等級比較

我國電氣設(shè)備相關(guān)抗震規(guī)范中對抗震等級的規(guī)定如表2所示。大部分規(guī)范中特別區(qū)分了一般設(shè)備和重要設(shè)備，以50年超越概率10%為設(shè)防水準(zhǔn)，以設(shè)防烈度為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行抗震設(shè)防。但也有例外，《高壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備的抗震要求》(GB/T 13540-2009)借鑒IEC62271-2:2003，采用了分級設(shè)防，并且其抗震水平也與IEC62271-2:2003相同，這與我國目前抗震規(guī)范很不匹配，也導(dǎo)致我國電氣設(shè)備抗震級別的規(guī)定很不統(tǒng)一。

對比國內(nèi)外電氣設(shè)備抗震設(shè)防的規(guī)定，可以發(fā)現(xiàn)，若對電氣設(shè)備進(jìn)行分級抗震設(shè)防將具有以下幾個優(yōu)勢：

表2 我國電氣設(shè)備相關(guān)抗震規(guī)范抗震等級比較[1，7-8]

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

(2) 將同一區(qū)域的電力設(shè)施按照同一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計，較大地簡化了設(shè)計程序，讓工作人員使用更為方便；

(3) 設(shè)備廠家可以按照同一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行更大規(guī)模的生產(chǎn)，有利于節(jié)約成本，降低造價；

(4) 同一類型的設(shè)備可只進(jìn)行一次鑒定，避免了多次鑒定的浪費(fèi)，經(jīng)濟(jì)性得到體現(xiàn)；

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

針對以上分析，考慮目前我國電氣設(shè)備抗震設(shè)防規(guī)定方面存在的差異，建議電氣設(shè)備抗震設(shè)防水準(zhǔn)采用分級設(shè)防的方式，并結(jié)合震害調(diào)研的基本情況，總結(jié)電力設(shè)備地震響應(yīng)特點，從設(shè)備的抗震可靠度入手，制定出相應(yīng)的抗震設(shè)防分布圖，對今后電網(wǎng)工程建設(shè)提供有針對性的設(shè)計依據(jù)。

2 典型電氣設(shè)備的抗震可靠度分析

電氣設(shè)備常常發(fā)生脆性破壞，其極限狀態(tài)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(shè)備的抗力、反應(yīng)均服從正態(tài)分布，則設(shè)備抗震可靠指標(biāo)β、失效概率Pf和可靠度Pr為

(1)

(2)

(3)

式中，φ(·)為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)；μR和σR分別為設(shè)備抗力R的均值和均標(biāo)準(zhǔn)差；σR和σS分別為反應(yīng)的均值和均標(biāo)準(zhǔn)差[9]。根據(jù)此方法計算出電氣設(shè)備在地震作用下薄弱位置的反應(yīng)均值和方差后，即可算出設(shè)備的可靠指標(biāo)和失效概率。

本文選擇兩種典型電氣設(shè)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(jìn)行分析。

2.1 地震加速度值的選擇

對于抗震設(shè)防參數(shù)的選擇，有學(xué)者認(rèn)為對峰值加速度的取值應(yīng)按地貌分區(qū)選擇[10]，也有人認(rèn)為可從以往發(fā)生的地震破壞現(xiàn)象中估算極震區(qū)地震水平峰值加速度[11]。

對于電氣設(shè)備，《電力設(shè)施抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50260-96)規(guī)定的設(shè)防目標(biāo)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(shù)。由于電氣設(shè)備材料和結(jié)構(gòu)的特點，地震來臨時極易發(fā)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(biāo)進(jìn)行設(shè)計驗算將更能保證設(shè)備的安全使用性。

我國現(xiàn)行的地震動參數(shù)區(qū)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(shè)計工作者非常關(guān)心的問題。89規(guī)范和有關(guān)文件認(rèn)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(shù)區(qū)劃圖相關(guān)教材認(rèn)為大震為中震的1.6～1.7倍[13]。也有學(xué)者對部分區(qū)域進(jìn)行統(tǒng)計得到大震與中震的相對關(guān)系。高孟潭[14]對90區(qū)劃圖的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，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(tǒng)計得出關(guān)中地區(qū)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(qū)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(jié)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(guān)系及不同場地對基巖峰值加速度的放大效應(yīng)。雷建成[18]得出樊西地區(qū)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(shè)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(shè)備進(jìn)行分析，由3節(jié)瓷套組成，每節(jié)瓷套內(nèi)徑和外徑分別為125 mm和205 mm，總高4.792 5 m，設(shè)備總重825.72 kg。瓷材料彈模取90 GPa，底部固結(jié)。模型不帶支架，計算時取1.2倍放大系數(shù)，采用反應(yīng)譜方法計算?；l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(jié)果基本一致。加速度為0.1 g時避雷器的可靠概率達(dá)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(xù)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(qiáng)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(qiáng)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(dá)到0.6 g時可靠概率最低也達(dá)到20%以上。說明采用高強(qiáng)瓷材料是提高電網(wǎng)設(shè)備抗震安全性的有效手段。

圖2 高強(qiáng)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(guān)抗震可靠度分析

隔離開關(guān)選擇220 kV設(shè)備進(jìn)行分析，設(shè)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(jié)，上一節(jié)半徑0.06 m，下一節(jié)半徑0.07 m。設(shè)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(jié)?；l為2.45 Hz。

普通瓷條件下隔離開關(guān)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(dá)到100%，設(shè)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(dāng)加速度達(dá)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(dá)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(guān)地震可靠度對比Fig.3 Seismic reliabilities of ordinary porcelain disconnectors

高強(qiáng)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(dá)到0.6 g時設(shè)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(guān)的抗震可靠度略小一些。

圖4 高強(qiáng)瓷隔離開關(guān)地震可靠度對比Fig.4 Seismic reliabilities of high-strength porcelain disconnectors

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

3 電氣設(shè)備抗震設(shè)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(tǒng)計[19]可知，當(dāng)峰值加速度的區(qū)間位于250～300 cm/s2時，有53%的變電站停運(yùn)，其中由設(shè)備損壞造成的比例約為45%；當(dāng)區(qū)間位于300～400 cm/s2時，已有71%的變電站停運(yùn)，其中由設(shè)備損壞而造成的比例約為67%；當(dāng)區(qū)間位于400～450 cm/s2時，停運(yùn)比例已達(dá)到85%，其中由設(shè)備損壞而造成的比例上升為87%；當(dāng)峰值加速度達(dá)到500～550 cm/s2時，停運(yùn)變電站幾乎都是因為設(shè)備損壞造成。汶川地震發(fā)生地區(qū)基本按Ⅶ度設(shè)防進(jìn)行建設(shè)，而對應(yīng)于Ⅶ度、Ⅷ度罕遇地震水平加速度峰值區(qū)域，已有50%甚至2/3的變電站停運(yùn)，因此Ⅶ度、Ⅷ度區(qū)的設(shè)防水準(zhǔn)需要提高。對于Ⅸ度區(qū)域的建設(shè)工程，其設(shè)防水準(zhǔn)也需相應(yīng)提高。

通過對典型電氣設(shè)備抗震可靠度進(jìn)行計算分析，將電氣設(shè)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(yīng)于設(shè)防烈度Ⅵ度及以下地區(qū)，考慮到《電力設(shè)施抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50260-96)中規(guī)定對于330 kV及以上的電氣設(shè)備在Ⅶ度及以上時應(yīng)進(jìn)行抗震設(shè)計，對于220 kV及以下電氣設(shè)備在Ⅷ度及以上時應(yīng)進(jìn)行抗震設(shè)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(yīng)于設(shè)防烈度Ⅶ～Ⅷ度地區(qū)，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(yīng)設(shè)防烈度Ⅸ度以上地區(qū)，加速度峰值取為0.6 g。

將建議的電氣設(shè)備抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)、IEEE693及IEC62271-2對應(yīng)于各烈度區(qū)的極限峰值加速度進(jìn)行比較，如表4所示。表中未給出日本《電氣設(shè)備抗震設(shè)計指南》(JEAG 5003-1998)，原因在于日本規(guī)范采用的設(shè)計地震力形式為正弦共振三波，轉(zhuǎn)換為對應(yīng)反應(yīng)譜的峰值加速度要大于我國規(guī)范、IEEE及IEC規(guī)范。

表4 極限峰值加速度的比較

由表4可知，建議的電氣設(shè)備抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)與IEEE及IEC比較，整體分區(qū)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(jié)論

目前我國采用的變電站電氣設(shè)備抗震設(shè)防區(qū)劃根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306-2001)的要求制定，但該規(guī)范主要是供建筑抗震設(shè)計使用的，而建筑結(jié)構(gòu)與電氣設(shè)備在材料、結(jié)構(gòu)形式及生產(chǎn)方式上都有很大的不同，因此針對建筑的較為細(xì)致的劃分并不利于電氣設(shè)備的規(guī)?；?、批量化生產(chǎn)。

對典型高壓電氣設(shè)備進(jìn)行不同場地條件下的抗震可靠度分析，發(fā)現(xiàn)可將我國高壓電氣設(shè)備的設(shè)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(shè)備抗震設(shè)防級別與國內(nèi)外目前現(xiàn)有規(guī)范的抗震考核水平比較，建議的抗震考核水平比現(xiàn)有國內(nèi)規(guī)范規(guī)定的水平高，略低于國外電氣設(shè)備抗震考核水平。

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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(wǎng)公司科技項目(GC17201100089)

鐘 珉(1984)，女，博士，工程師，主要從事電力設(shè)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