張肖峰，袁灼光，黎玉婷，胡樂(lè)生，陳荔

（1.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州 510663；2.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司東莞供電局，廣東 東莞 523287)

1 引言

電力系統(tǒng)是重要的社會(huì)基礎(chǔ)設(shè)施，事關(guān)人們的正常生產(chǎn)和生活，一旦因遭受地震而破壞，就會(huì)影響社會(huì)正常供電。本文根據(jù)實(shí)際電力系統(tǒng)工程，建立樓面電氣設(shè)備整體有限元分析模型，提出一種新的且適用于全戶(hù)內(nèi)變電站樓面電氣設(shè)備的抗震設(shè)計(jì)方法。

2 全戶(hù)內(nèi)變電站概述

國(guó)家電力系統(tǒng)要求一棟民用建筑（5層及以上高度）需要安裝全戶(hù)內(nèi)變電站進(jìn)行工程電力分配。該變電站需具備以下設(shè)備及其安裝空間：1層安裝變壓器及電纜；2層安裝10 kV配電設(shè)備和電抗、接地設(shè)備；3層安裝110 kV GIS（氣體隔離金屬閉合開(kāi)關(guān)）和電容設(shè)備；4層安裝通信、繼電保護(hù)裝置和蓄電池等；5層安裝GIS系統(tǒng)。

由于火災(zāi)的危險(xiǎn)等級(jí)不同，可以將設(shè)計(jì)分為3類(lèi)進(jìn)行：消防栓設(shè)計(jì)（包括室內(nèi)和室外）、噴霧系統(tǒng)設(shè)計(jì)（變壓器工作區(qū)域）及3層電容設(shè)備滅火方案設(shè)計(jì)。

3 戶(hù)內(nèi)變電站及電氣設(shè)備介紹

電力設(shè)備在多次的地震中受到很大的損害，其抗震能力是影響電網(wǎng)安全的重要因素之一，因此，需要加強(qiáng)對(duì)其設(shè)計(jì)的研究。戶(hù)內(nèi)變電站具備節(jié)能、節(jié)地、可靠的供電特性等諸多優(yōu)勢(shì)[1]，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到了城市電網(wǎng)建設(shè)中。全戶(hù)內(nèi)變電站主控樓-樓面電氣設(shè)備整體結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型如圖1所示。

樓面電氣設(shè)備所受的地震作用為：

式中，F(xiàn)e為樓面電氣設(shè)備所受地震作用力，kN；α為相應(yīng)于主控樓結(jié)構(gòu)所在地的設(shè)計(jì)地震加速度，m/s2；γ為主控樓樓面的最大加速度放大系數(shù)；β為加速度放大系數(shù)；me為樓面電氣設(shè)備的質(zhì)量，kg。

3.1 戶(hù)內(nèi)變電站生產(chǎn)綜合樓結(jié)構(gòu)

以某220 kV戶(hù)內(nèi)變電站為例，其樓面結(jié)構(gòu)是鋼混框架結(jié)構(gòu)，分為3層，地下2層，地上1層。生產(chǎn)綜合樓長(zhǎng)48.00 m、寬29.00 m、高19.00 m。柱距為：東西方向12.00 m、南北方向12.50 m，地下室層高為3.0 m，由下至上3層層高依次為5.3 m、4.5 m、4.5 m。各向框架柱的截面積為900 mm×900 mm、700 mm×700 mm和650 mm×650 mm，梁的大小為400 mm×900 mm、400 mm×700 mm和350 mm×700 mm。1層、2層樓板厚度為120 mm，頂層樓板厚度為110 mm。在低端電纜層附近，用厚度為350 mm的剪力墻作為擋墻。梁、柱、剪力墻、樓面均使用C30、彈性模量為3.0×104MPa、泊松比為0.25、密度為2 500 kg/mm3的混凝土，整個(gè)生產(chǎn)綜合樓的主體結(jié)構(gòu)由鋼筋混凝土框架構(gòu)成。

3.2 樓面GI S電氣設(shè)備

220 kV的樓面GIS組合電氣設(shè)備由以下部件組成：1套Ⅰ、Ⅱ母設(shè)備間隔、1套母聯(lián)間隔、3套主變進(jìn)線間隔、6套出線間隔，使用的套管內(nèi)壁厚度≥0.006 m、直徑≥0.400 m。GIS進(jìn)線段的套管從2樓隔墻上引出，懸掛于鋼吊桿上，并與1樓的主變頂板座相連。110 kV的GIS電氣設(shè)備套管直徑和壁厚相對(duì)于220 kV設(shè)備分別增加0.1 m和0.002 m。但材質(zhì)完全相同，均采用密度7.85 kg/mm3、彈性模數(shù)206 GPa、泊松比0.3的鋼管。所有的電氣設(shè)備總和稱(chēng)之為樓面的附屬結(jié)構(gòu)模型。

4 有限元建模及動(dòng)力特性分析

4.1 有限元模型

采用ABAQUS有限元分析軟件進(jìn)行建模，建立了主體結(jié)構(gòu)模型、樓層GIS電氣設(shè)備模型、主輔結(jié)構(gòu)模型。利用地面GIS的主體結(jié)構(gòu)模型和電氣設(shè)備模式將主體結(jié)構(gòu)與地面設(shè)備強(qiáng)制分離，并且為了便利分析和研究，將其分為2個(gè)單元結(jié)構(gòu)。從整個(gè)模型方面分析，主-附結(jié)構(gòu)模型的主體采用地面GIS電氣裝置，對(duì)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行全面驗(yàn)算，先分別分析各單元，再對(duì)單元和主體結(jié)構(gòu)的聯(lián)結(jié)情況進(jìn)行研究與分析。圖2為樓面GIS電氣設(shè)備有限元分析模型。

4.2 動(dòng)力特性分析

利用有限元軟件，對(duì)主結(jié)構(gòu)、地面GIS的電氣裝置及主-附結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了動(dòng)態(tài)性能的研究。第一級(jí)振型為X方向的平動(dòng)，頻率為1.512 Hz；樓面GIS電子裝置的一級(jí)模態(tài)為7.420 Hz，是2號(hào)懸臂套的局部振動(dòng)。考慮到樓面GIS系統(tǒng)的電氣設(shè)備質(zhì)量與性能，質(zhì)量良好，剛度較大，1階頻率要顯著高于主結(jié)構(gòu)頻率，自振頻率降低不明顯。

從振動(dòng)頻率看，主-附結(jié)構(gòu)模式前3個(gè)階段的頻率和主結(jié)構(gòu)模式的頻率相似，差距較小，不超過(guò)3.0%。這主要由于主-附結(jié)構(gòu)模式的前3階模式與主結(jié)構(gòu)模式的前3階模式構(gòu)式類(lèi)似，結(jié)構(gòu)方式都是平移和扭轉(zhuǎn)。從4階模式起，由于樓面GIS電子設(shè)備的存在與整體樓面共同發(fā)生振動(dòng)，導(dǎo)致兩種模式的自振頻率差異較大。在地震反應(yīng)分析中，可以發(fā)現(xiàn)前3階的模式中都是長(zhǎng)懸臂套管出現(xiàn)了局部振動(dòng)，因而長(zhǎng)臂套管是需要重點(diǎn)加強(qiáng)抗震設(shè)計(jì)的構(gòu)件。

5 地震響應(yīng)分析

5.1 地震波的選擇

發(fā)生地震時(shí)，地震波會(huì)以震源為中心向四周傳播擴(kuò)散，為保證地震響應(yīng)分析的科學(xué)性和準(zhǔn)確性，必須選擇合適的地震波。根據(jù)區(qū)域地震情況確定地震波形式和大小，確保地震波在反應(yīng)譜所覆蓋范圍內(nèi)。本文所分析案例位于7度設(shè)防地區(qū)，其基礎(chǔ)的地震加速度是0.15g，設(shè)定地震分類(lèi)為第二組，場(chǎng)地類(lèi)型為Ⅲ類(lèi)。選取5個(gè)天然地震波和2個(gè)人工地震波進(jìn)行時(shí)程反應(yīng)的觀察和計(jì)算。5個(gè)天然地震波分別為：Kobe波、Westmorland波、ElCentro波、Delta波、Darfield波；兩個(gè)人工地震波根據(jù)電力抗震技術(shù)要求進(jìn)行人工合成。

在輸入地震波之前，需將7個(gè)地震波進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，然后向X、Y、Z這3個(gè)方向輸入地震波，其加速度最大值比例為1.05∶0.80∶0.75。 主-附結(jié)構(gòu)和主結(jié)構(gòu)模式的前3階頻率為1.455~1.806 Hz，頻率浮動(dòng)范圍不超出需求譜的允許范圍，并且所選擇的5次自然地震和2次人造地震波的加速度響應(yīng)譜均能滿(mǎn)足分析需求。

5.2 主-附結(jié)構(gòu)模型的地震響應(yīng)分析

5.2.1 主結(jié)構(gòu)對(duì)地震動(dòng)的加速度放大作用

全戶(hù)內(nèi)變電站樓面GIS電子裝置安裝在主建筑地面上，遭遇地震時(shí)，電子設(shè)置裝置便會(huì)利用主體結(jié)構(gòu)的放大作用，將地震波傳遞到電器設(shè)備上。由于主體結(jié)構(gòu)不是無(wú)限剛度，所以，在樓板上的加速度最大值比地板上的加速度最大值大。在Kobe地震波的輸入下，2樓的X向加速度峰值達(dá)到6.79 m/s2，3樓的X方向加速度峰值為10.36 m/s2。在7種不同的地震波作用下，分別對(duì)X方向、Y方向的主結(jié)構(gòu)樓面的加速度增大系數(shù)進(jìn)行了計(jì)算。可以確定，盡管地下1樓是剪力墻結(jié)構(gòu)建筑，但仍具有一定的放大效應(yīng)，平均加速度峰值放大系數(shù)是1.1。在2樓，X方向平均加速度峰值放大系數(shù)為1.57，Y方向的平均加速度峰值放大系數(shù)為1.56。在某些地震情況下，2樓的加速度峰值放大系數(shù)可以達(dá)到2.19。在3樓，X方向的加速度峰值放大系數(shù)為2.17。在某些地震情況下，3樓的加速度峰值放大系數(shù)可達(dá)到2.34。而在屋頂位置，X方向平均加速度峰值放大系數(shù)為2.39，Y方向的平均加速度峰值放大系數(shù)為2.22。2層、3層的電器設(shè)施的動(dòng)力反應(yīng)放大系數(shù)為2.0。通過(guò)數(shù)據(jù)分析可以得到，這種功率放大系數(shù)并不能完全覆蓋加速度的峰值放大系數(shù)，因此，2樓的動(dòng)力反應(yīng)放大系數(shù)選取2.0，3樓的動(dòng)態(tài)響應(yīng)放大系數(shù)選取2.5。

抽取地面、2層、3層樓面及屋頂X向加速度的時(shí)程響應(yīng)數(shù)據(jù)，并繪出2%阻尼率的加速度反應(yīng)譜計(jì)算結(jié)果。在低頻階段（0.1~1 Hz)，每一樓層的加速度響應(yīng)頻譜與地面輸入地震的響應(yīng)譜基本保持一致；在1~3 Hz的中頻階段，每一樓層的地震加速度響應(yīng)譜比從地表輸入的響應(yīng)譜多，具有較大的放大作用。根據(jù)計(jì)算，地面GIS電氣裝置的基礎(chǔ)頻率為7.420 Hz，為響應(yīng)波段的高頻率，而主結(jié)構(gòu)的基本頻率為1.512 Hz，為響應(yīng)波段的中間頻率。當(dāng)?shù)卣鸪霈F(xiàn)建筑物自振頻率與裝置頻率相近時(shí)，受到類(lèi)共振的影響地面GIS電氣裝置能夠有效感知放大地震波，同時(shí)也能夠?qū)Φ卣鹱龀鲰憫?yīng)。假設(shè)樓板設(shè)備剛度＞3 Hz，也就是超過(guò)大樓剛度，這時(shí)將無(wú)法與大樓產(chǎn)生強(qiáng)共振，但樓板設(shè)備的最大加速度頻譜將與樓面的最大加速度反應(yīng)譜類(lèi)似，也能夠?qū)Φ卣鸩ㄗ鞒鲇绊?。地震發(fā)生時(shí)，受到地震波的影響，樓面的最大加速度響應(yīng)放大，因而在高頻時(shí)，各層的反應(yīng)譜都大于地表，而且這種影響隨著樓層的增加而增加。

5.2.2 樓面GIS電氣設(shè)備地震響應(yīng)

一旦發(fā)生地震，主結(jié)構(gòu)和樓面的GIS電氣設(shè)備會(huì)快速放大來(lái)自地面的地震波，而主-附結(jié)構(gòu)模型也將對(duì)地震作出響應(yīng)。通常來(lái)說(shuō)，樓層中的GIS電氣設(shè)備都是通過(guò)主變連接的GIS套管連接到屋頂上，正是由于主變壓器和懸臂式套管相連，變壓器和提升座將會(huì)在一定程度上增大地面震動(dòng)。從主變上部懸臂梁端的加速度時(shí)程和MISES應(yīng)力時(shí)程曲線中，可以得到3個(gè)地震輸入點(diǎn)，即包括主變提升臺(tái)、2層樓面GIS系統(tǒng)以及屋頂樓板。3個(gè)地震輸入點(diǎn)同時(shí)輸入地震波，井筒末端X向加速度最大值達(dá)到7.36 m/s，比地表輸入高2.37倍。同時(shí)，在Kobe波作用下，提取了懸臂套末端的垂直加速度時(shí)程，其最大垂直加速度為5.52 m/s2，比地表輸入速度高出2.74倍。同時(shí)，利用MISES應(yīng)力時(shí)程分析，發(fā)生地震時(shí)，樓面GIS電氣設(shè)備的懸臂套管會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的豎向振動(dòng)，形成應(yīng)力響應(yīng)。另外，樓面GIS電氣設(shè)備本身也會(huì)受到多點(diǎn)地震輸入的影響，具體體現(xiàn)在其軸向端常有較大的應(yīng)力集中，Kobe地震波的影響使其應(yīng)力峰值達(dá)到51.2 MPa。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文應(yīng)用ABAQUS有限元分析方法，對(duì)220 kV戶(hù)內(nèi)變電所的生產(chǎn)綜合樓及樓面GIS的電氣裝置進(jìn)行了有限元模型分析，著重研究了主-附結(jié)構(gòu)模型、主結(jié)構(gòu)模型以及地面GIS電氣裝置模型對(duì)地震的反應(yīng)，以提高電氣設(shè)備抗震水平，保障電氣設(shè)備的安全。