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变电站震害及抗震现状措施研究柳慧琴

发表时间：2020/4/13 来源：《电力设备》2019年第23期作者：柳慧琴郝俊琦

[导读] 摘要：我国地处世界上两个最活跃的地震带之间，东濒环太平洋地震带，西部和西南部是欧亚地震带所经过的地区，是世界上多地震的国家之一。

         （中国能源建设集团山西省电力勘测设计院有限公司山西太原 030001）
        摘要：我国地处世界上两个最活跃的地震带之间，东濒环太平洋地震带，西部和西南部是欧亚地震带所经过的地区，是世界上多地震的国家之一。我国地震活动不仅频度高，强度大，而且地震活动的范围很广。作为生命线工程的重要组成部分，电力系统一旦失效或遭到破坏，就会造成严重的灾害和难以估量的经济损失，电力中断不仅严重影响正常的生产生活和抗震救灾工作，而且有可能引发火灾等次生灾害，严重威胁人们的生命和财产安全。
        变电站是电力系统中变换电压、接受和分配电能、控制电力流向和调整电压的重要电力设施，通过变压器将各级电压的电网联系起来，是电网中输电和配电的集结点。变电站设施的易损性是极高的，造成的直接和间接的损失也是巨大的。电力系统的抗震能力较弱，其震害具有波及范围广、连锁影响强、造成的直接和间接经济损失大等特点。
        由于变电站在电力系统运行中起着举足轻重的作用，如何加强变电站的抗震能力已成为电力系统领域关注的重点之一。因此设计阶段对变电站的抗震性能进行评估是确保地震作用下变电设备安全稳定运行的重要前提。目前，世界上一些国家如俄罗斯、美国、日本、意大利都将抗震作为电气设备尤其是高压、超高压电气设备设计时考虑的重要环境条件之一，并且抗震问题已经被作为继电、磁、热、力之后，变压器的第5项可靠性指标来考核。
        1变电站震害特点
        1.1 变电站设备震害
        变电站设备设施破坏，主要表现在部分电气设备设施的根部剪切、折断破坏，如互感器、避雷器等瓷绝缘子设备，特别是高压电气设备的外绝缘部分一般都细长且为瓷套/瓷柱。陶瓷是脆性材料，抗弯性能很差，设备的结构形状不仅细长，而且上部质量较大。地震时瓷套管根部承受很大的弯矩，使瓷套管的强度不足而断裂，尤其是在瓷套管与其他材料的连接处，变形不协调加大了瓷套管的断裂和损坏。
        这类设备的固有频率和地震波频率相接近且阻尼值较小，其主体材料瓷柱属脆性材料，储能能力较小，因此在地震中极易因共振影响使设备遭受破坏。
        尽管独立设备抗震性能的论证表明单体设备可以抵抗高强度地震作用，但将不同设备通过母线连接到一起，设备仍可能遭到严重破坏，连接方式对设备抗震性能的影响也是十分明显。
        1.2变电站设备震害特点及原因
        下面分别针对变压器、电瓷型高压电气设备、母线设施的破坏特点和震害原因进行分析。
        1.2.1 变压器主变压器的震害主要表现为：本体位移或倾倒，瓷套管损坏，地基沉陷，主变其它部位（散热器和潜油泵等）损坏。
        主变压器受损的原因有：
        设备与基础连接破坏。主变压器质量很大，地震时产生很大的倾覆弯矩，对紧固螺栓或预埋件产生拉力。对预埋钢板式基础，也容易使焊缝破坏使主变本体发生位移。对于轨道式基础，若紧固螺栓上承受的拉伸力超过了设计强度，则会导致紧固螺栓断裂而使变压器发生位移。
        地基沉降或液化。主变基础由不均匀沉降引起主变本体位移。
        设备外形不规则。变电站中变压器的套管以斜立式居多，较直立式更易受损。因为斜立式安装的套管在地震波水平加速度和垂直加速度的共同作用下，位移幅值更大，更易破坏。
        1.2.2 电瓷型高压电气设备
        电瓷型高压电气设备包括：电压互感器，电流互感器、支柱绝缘子、罐式断路器套管、隔离开关等。这类设备在历次大地震中均有损坏。震害主要为瓷柱断裂，断裂大多发生在瓷柱的根部。
        主要有以下两个方面的原因：
        设备与支架材料特性差异。

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电瓷型高压电气设备的结构形式和材料特性，使得其在强烈的地面运动中比较容易遭受破坏。设备瓷柱为脆性材料，其抗压能力强，抗拉弯能力弱，设备形状细高，上部重量较大，地震时瓷柱根部承受很大的弯矩，使瓷柱受拉强度不足而发生断裂，特别在瓷柱与其他材料连接处，由于不同材料之间的变形不协调更易使脆性瓷柱裂损。
        共振。独立电磁型高压设备固有频率在1-10Hz范围内，与地震波频率相接近，使设备容易由于共振而受损坏。这类设备结构阻尼比较小，一旦接近共振频率，动力放大系数就很大，使地震作用大大增加，极易造成设备的破坏。
        1.1.3 母线设施
        管母线、软母线和引线本身的强度高，一般不致发生损坏，震害的主要特点是附件的破坏。主要原因有：
        支持管母线的棒式支柱绝缘子折断而引起铝管母线破坏。
        母线或引线剧烈摇摆引起软母线损坏。
        母线剧烈摇摆使导线拉力增大，造成悬挂导线的绝缘子串脱开而使母线掉落，当导线较长、弧垂较大而相间距离又偏小时，剧烈摇摆会造成相间瞬时短路放电而烧伤母线或烧熔金属器具而使母线掉落。
        2变电站抗震研究现状
        大量的地震破坏实例说明：电力系统的抗震可靠度和安全度亟待加强。既然地震不能避免、地震预报又是目前尚未解决的世界难题，那我们就应将关注的重点放在如何提高电气设施及建构筑物的抗震性能上来，开展抗震研究已经成为国内外地震工程研究的重要课题。
        迄今为止，国内外学者在变电站的抗震措施上做了大量研究工作，主要分为理论研究、试验研究两方面。
        2.1理论研究
        理论研究主要有三方面，抗震设防标准中，美国《变电站抗震设计推荐规程》(IEEE Std 693--2005)根据工程场地50 a超越概率2％的峰值加速度确定抗震水平；IEC系列标准中，按照地震环境确定抗震水平；我国《电力设施抗震设计规范》(GB 50260--2013)是概率水平一般取50 a超越概率10％，重要设备可以高设1度进行设防。抗震设计标准反应谱中，美国IEEE Std 693--2005按照4分段原则确定反应谱，其中共振频率范围为1．1～8 Hz．IEC系列标准中也按照4分段原则确定反应谱，其中共振频率范围为2．4～9 Hz：我国GB 50260—2013也按照4分段原则确定反应谱，但共振平台范围根据不同场地类型有所变化，最小范围为5～10 Hz，最大范围为1．1～10 Hz。电气设备抗震试验中，美国、日本推荐采用地震模拟振动台，美国建议采用人工合成波、共振拍波等波形，并形成了IEEE Std693_2005试验方法及流程；日本《电气设备抗震设计指南》(JEAG 5003--2010)¨2J中建议采用正弦3波进行抗震试验；我国GB 50260--2013中推荐采用人工波、实际地震记录、共振5拍波等波形；而我国GB／T 13540---2009基本上延续了IEC系列标准，也推荐采用人工合成波或共振5拍波。
        2.2试验研究
        试验研究方面主要有针对主变压器进行振动台试验，获取变压器油箱和套管以及其他重要部件的动力特性，比较研究其动力特性并与试验研究结果相对比。对软母线进行的试验得到地震中软母线是一个非线性体系，母线的频率随着母线的形状和地震作用的变化而变化，很小的激励就可能使母线发生共振。对硬母线进行的试验研究证实了硬母线对其连接设备的动力放大效应。对设备一软母线耦联系统进行振动台试验，研究结果表明：母线会加大设备的地震响应，地震响应不仅与地面加速度有关，还与地震动的持续时间有关。对高压电器设备减震技术研究得出高压电气设备的动力特性分析和模拟地震振动台试验。对高架电气及支架动力特性分析，开发适用于高架电气设备的隔震装置，并通过试验定性验证了隔震装置能有效减小结构地震响应。
        5 结论
        为了提高变电站设备的抗震性能，针对不同类型的电气设备，应合理选择抗震措施以确保其抗震能力。具有瓷套管类的电气设备，尽可能提高瓷套管的强度，如采用高强度的高硅瓷等；具有支柱类的细长型高压电气设备，动力放大系数很大，在地震下容易发生共振，采用减震器或阻尼器，可改变设备体系的频率和阻尼比，从而降低设备的地震反应；对于变压器、高抗等设备，除高压套管本身需满足抗震要求外，还需考虑设备本体的动力放大效应，主变、高抗设备本体底座可加装隔震装置。