賀 瑞，顏士海，鄧長紅，方 靜

(電力規(guī)劃設(shè)計總院，北京 100120)

電力系統(tǒng)在地震中遭到破壞，會造成很大的直接經(jīng)濟損失，并影響應(yīng)急救災(zāi)工作和正常經(jīng)濟社會運行、甚至引發(fā)其他次生災(zāi)害。在2008年汶川地震中，四川電網(wǎng)110 kV及以上變電站中僅變壓器受損統(tǒng)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(guī)劃的雅安1000 kV變電站站址區(qū)域的地震烈度達到了9度。確定變電站和換流站的抗震設(shè)防標準，需要綜合考慮工程重要性、地震危險性、設(shè)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(qū)其電氣設(shè)備的抗震設(shè)防是一個重點和難點。工程設(shè)計中對特高壓電氣設(shè)備抗震設(shè)防標準的主要按照國標《電力設(shè)施抗震設(shè)計規(guī)范》GB 50260確定，國內(nèi)學(xué)者也曾對中、美、日等電氣設(shè)備抗震設(shè)防標準進行了討論和對比研究。自2013年新修訂的《電力設(shè)施抗震設(shè)計規(guī)范》GB 50260—2013實施以來，將原1996版的電氣設(shè)備最高抗震設(shè)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(shè)中，通過采取變壓器隔震、柱式設(shè)備的消能減震、復(fù)合材料套管等措施能夠一定程度地提高電氣設(shè)備抗震水平，然而具體工程設(shè)計中對抗震設(shè)防的標準確定、參數(shù)選取、具體計算方面還存在不明確之處。本文通過對規(guī)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(chǔ)的連接兩方面抗震設(shè)計中的問題展開分析，提出了幾點建議。

1 電氣設(shè)備的設(shè)防標準和設(shè)計地震動參數(shù)

為了進一步研究和明確《電力設(shè)施抗震設(shè)計規(guī)范》GB 50260—2013下的電氣設(shè)備設(shè)防標準，首先將其設(shè)防目標和設(shè)計地震動參數(shù)與美國《變電站抗震設(shè)計推薦規(guī)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(jù)《電力設(shè)施抗震設(shè)計規(guī)范》GB 50260—2013，特高壓變電站、換流站均屬于重要電力設(shè)施，其電氣設(shè)備“可按抗震設(shè)防烈度提高1度設(shè)防，但抗震設(shè)防烈度為9度及以上時不再提高”。從該條文規(guī)定上理解，提高后的最高抗震設(shè)防水平為9度(0.40g)。另外規(guī)范中第1.0.4條指出，“按本規(guī)范設(shè)計的電力設(shè)施中的電氣設(shè)施，當遭受到相當于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度及以下的地震影響時，不應(yīng)損壞，仍可繼續(xù)使用；當遭受到高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度相應(yīng)的罕遇地震影響時，不應(yīng)嚴重損壞，經(jīng)修理后即可恢復(fù)使用”。規(guī)范未對重要電力設(shè)施提高1度后的設(shè)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(shè)計推薦規(guī)程》即IEEE std 953－2005規(guī)定：設(shè)防目標是“在RRS水平下完全無損并能繼續(xù)運行，在Performance水平下沒有顯著結(jié)構(gòu)損傷并具有可接受的性能”。其中Performance水平相當于“大震”，對應(yīng)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(shè)計地震動參數(shù)如峰值加速度和反應(yīng)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(yīng)我國標準《高壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備的抗震要求》GB/T13540)規(guī)定：在預(yù)期地震應(yīng)力下，“主回路、控制和輔助回路包括相關(guān)的安裝構(gòu)架不應(yīng)出現(xiàn)故障”?！爸灰唤档驮O(shè)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(yīng)與設(shè)施的安裝地點地震時最大地面運動相一致”。關(guān)于套管的技術(shù)指南IEC 61463指出“設(shè)備應(yīng)具有適當?shù)墓δ堋⑼暾院桶踩浴?。預(yù)期地震分為AF2、AF3、AF5三個設(shè)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(yīng)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(shè)計地震動參數(shù)的方法，若參考UBC地震分區(qū)圖，其設(shè)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(shè)計地震動加速度，其中標注GB 50260①的實線將設(shè)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(shè)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?yún)^(qū)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(shè)防需要考慮的主要區(qū)域；(3) GB 50260－2013采用的設(shè)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(guī)范中最高0.40 g的設(shè)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(shè)計地震動峰值加速度

2 瓷套管和復(fù)合材料套管的判別準則

在電力設(shè)施抗震設(shè)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(guān)鍵部件。因此還需要對比不同標準設(shè)計地震動下瓷和復(fù)合材料的應(yīng)力判別準則。

IEEE std 693－2005中的瓷套管和復(fù)合材料套管的容許應(yīng)力分別為其極限應(yīng)力和規(guī)定機械負荷的50%，即相當于安全系數(shù)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(shù)可保證在Performance水平下瓷套管和復(fù)合材料套管的應(yīng)力小于其極限應(yīng)力和規(guī)定機械負荷(Specified Mechanical Load,SML)的抗震設(shè)防目標。

那天晚上，易非睡得很晚，臨睡前還把第二天的采訪提綱重新整理了一遍?？墒撬潞鬀]多久，鋪天蓋地的雨就來了。風(fēng)攜著雨從一望無際的田野里橫掃而來，帶著夏天特有的暴戾和蠻橫，它們撞擊著門窗，敲打著屋檐，仿佛要把屋頂?shù)募t瓦掀去。

IEC 62271－2－2003中對瓷套管和復(fù)合材料套管的規(guī)定基本與IEEE std 693－2005相當，套管應(yīng)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(guān)于套管抗震的技術(shù)指南IEC TS 61463－2016規(guī)定，對于瓷或玻璃套管地震組合應(yīng)力不應(yīng)超過100%的型式試驗?zāi)褪軓澗?，對于?fù)合材料套管則不超過60%的規(guī)定機械負荷(此時套管無不可恢復(fù)的塑性變形)，相當于安全系數(shù)1.67，安全裕度比IEEE略低。

我國GB 50260規(guī)定“應(yīng)保證設(shè)備和裝置的根部或其他危險斷面處產(chǎn)生的應(yīng)力值小于設(shè)備或材料的容許應(yīng)力值”，并將廠家提供的瓷件破壞應(yīng)力或破壞彎矩除以1.67安全系數(shù)作為容許應(yīng)力進行抗震驗算，這一安全系數(shù)要求可上溯至GB/T13540－1992，其中破壞應(yīng)力定義為“由電瓷生產(chǎn)廠提供給設(shè)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(shè)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(dǎo)大震性能的安全系數(shù)，因此1.67的安全系數(shù)應(yīng)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(jié)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(yīng)為“大震不壞”或“中震彈性”(IEC TS 61463用于復(fù)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(shè)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(guī)定抗震設(shè)防烈度為9 度及以上的地震區(qū)不應(yīng)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(shè)范圍的擴大，可能還會有其他站址出現(xiàn)。在考慮中震設(shè)計和2.0安全系數(shù)前提下，IEC標準在基本烈度8度至9度區(qū)間內(nèi)的設(shè)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(shè)施采用大震設(shè)計，設(shè)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(shè)計地震動峰值加速度明確為“大震”。個別企業(yè)標準如國網(wǎng)《特高壓瓷絕緣電氣設(shè)備抗震設(shè)計及減震裝置安裝與維護技術(shù)規(guī)程》已將重要電氣設(shè)施的設(shè)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(yīng)力或規(guī)定機械負荷有什么要求，以及何時除以1.67安全系數(shù)。

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

對于我國規(guī)范中按“大震”設(shè)計的瓷或復(fù)合套管以及支柱絕緣子等，如破壞應(yīng)力或規(guī)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(shù)，在原GB 50260－1996以及GB 50556－2010等規(guī)范規(guī)程中，由于設(shè)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(yīng)的罕遇地震水平，與IEEE和IEC標準相比設(shè)防水平偏低。而GB 50260－2013發(fā)布后，對罕遇地震0.40 g水平下如仍將破壞應(yīng)力標準值除以1.67作為容許應(yīng)力，則相當于“峰值加速度0.67 g下不壞”；在8度(0.30 g)對應(yīng)的罕遇地震0.50 g水平下如考慮1.67安全系數(shù)，則相當于“峰值加速度0.84 g下不壞”。 這樣會導(dǎo)致基本烈度8度至8度半地區(qū)的電氣設(shè)備制造難度和造價過高。

另一方面，設(shè)備廠家應(yīng)對提供的破壞應(yīng)力或規(guī)定機械負荷的來源、依據(jù)、保證率等進行明確說明，應(yīng)具有試驗數(shù)據(jù)支撐，必要時應(yīng)進行試驗驗證。設(shè)計校核時要考慮設(shè)備型式、尺寸、受力狀態(tài)、法蘭膠裝強度等因素的影響，合理分析后選用。破壞應(yīng)力或規(guī)定機械負荷為平均值時應(yīng)除以1.67，具有較高保證率時可直接作為容許應(yīng)力。建議國標GB 50260規(guī)范修訂時對復(fù)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(shù)和反應(yīng)譜對比，基于標準做以下改進和設(shè)定：(1)基本地震烈度從7度半到8度半，將GB 50260設(shè)計地震動統(tǒng)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(yīng)力小于標準值的判別準則，GB 50260不考慮1.67安全系數(shù)，IEC和IEEE標準將2.0安全系數(shù)折算到反應(yīng)譜上(將反應(yīng)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(yīng)譜，8度半時計算5%阻尼比的反應(yīng)譜作為參照。

表1 三個標準計算的最大地震影響系數(shù)對比

圖2 不同基本烈度和阻尼比下三個標準采用的反應(yīng)譜對比

表1和圖2顯示：(1)IEEE反應(yīng)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(luò)，并且其在三個基本烈度下均使用對應(yīng)于基本烈度8度半的最大地震影響系數(shù)，更趨于保守；(2) IEC和IEEE在8度區(qū)間反應(yīng)譜基本相當，但IEC反應(yīng)譜在5%阻尼比時取值偏小；(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(shù)，在7度半和8度區(qū)域反應(yīng)譜取值略低，但在8度0.30g區(qū)域與IEC和IEEE基本相當?？梢姳?和圖2中根據(jù)GB 50260改進后選取設(shè)計地震動反應(yīng)譜的方法是較為合適的。

4 變壓器與基礎(chǔ)的連接

IEEE和IEC標準體系中，大震下設(shè)備本身的延性材料或其支架可以有一定程度的屈服，但設(shè)備或支架與基礎(chǔ)的連接應(yīng)該有足夠的強度，IEEE 693中規(guī)定設(shè)備與基礎(chǔ)的連接應(yīng)該能夠滿足中震下安全系數(shù)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(shè)備與基礎(chǔ)連接的抗震設(shè)計，具體計算可以參見《工業(yè)企業(yè)電氣設(shè)備抗震設(shè)計規(guī)范》GB 50556的思路，此時焊縫或螺栓的容許應(yīng)力取材料的標準值。

5 建議

綜合上述分析、討論，對《電力設(shè)施抗震設(shè)計規(guī)范》GB 50260－2013以及特高壓變電站、換流站設(shè)備抗震設(shè)防標準選取和工程設(shè)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(shè)施提高1度后的抗震設(shè)防目標進行說明；實際應(yīng)用中對于特高壓工程中的主要電氣設(shè)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(shè)備采用50年超越概率2%的罕遇地震作為設(shè)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(qū)的抗震能力。

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

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

(5)建議GB 50260規(guī)范修訂時對復(fù)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(shè)備與基礎(chǔ)連接的抗震設(shè)計。

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