路星福
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摘要：特高压是保证我国经济发展的重要支撑，是关系到国计民生的大事。根据目前国家规范中对抗震的“三水准两阶段”的要求比较单一，抗震的性能设计要求不明确，因此研究特高压变电站抗震的建构筑物性能设计的实施方法显得尤为重要。随着我国电力事业的大力发展，我国越来越多地开始研究高压开关设备的设计，高压开关设备形式众多，GIS 是最适合在地震多发地区或国家使用的变电设备。研究 GIS 外体结构的抗震性能，就要不断发展深化抗震理论在 GIS 设备抗震性能分析中的应用，为我国电力事业的发展提供结构抗震领域方面技术上的支持。
关键词：特高压；变电站；电气结构；抗震设计
基于性能的抗震设计。综合考虑结构自身构造特点、结构使用功能、抗震设防烈度、结构发挥延性变形能力、造价、修复难易程度等因素。这种设计方法立足于承载力和变形能力的综合分析，具有很强的针对性和灵活性，可以对整个结构，也可以对某些部件的需要，灵活运用各种措施达到预期抗震性能要求，着重提高抗震安全性和使用功能要求。我国目前正在建设和运行的特高压电网在规划上将通过多个地震带，部分特高压变电站将建立在电网抗震设防区的中、高等级区域，抗震要求很高。而特高压交流电气设备与其他电压等级电气设备相比，在体量上更大、结构体系上更复杂，更加突出了“高、大、柔、重”的特点，在地震中也更易损坏，因此提高特高压交流电气设备的抗震性能，保证特高压变电站的安全稳定运行。
一、高压电气设备的抗震设计理论
抗震设计理论起初主要在建筑结构领域得以广泛应用与发展，随着城市化建设的发展与科技的进步，抗震设计理论才逐渐开始延伸到了其他学科的结构设计当中发达国家在这方面应用已经比较成熟。我国在高压电气设备结构的抗震设计中，目前其行业规范对抗震设计方法的选用主要有以下两个要求：(1) 在较早版本的规范 (《电力设施抗震设计规范》GB50260) 中规定，对电力设施中的电力构筑物和电气设备，可按规范中相应的具体条款规定，分别采用底部剪力法、振型分解反应谱法对其进行抗震分析；但对于电气设备也可以选用静力设计法、动力设计法或时程分析法进行设计计算；(2) 在最新的规范 (《高压开关设备和控制设备的抗震要求》GB/T 13540) 中主要给出了试验和分析综合验证的相关规定，其中对数值分析、加速度时程数值分析、利用要求的响应频谱 (RRS) 的模型分析以及静态系数分析均有所说明。
二、特高压变电站电气设备的抗震设计
1、抗震结构设计标准。我国的《电力设施抗震设计规范》（GB50260）按抗震的重要性和特点将电气设备分为一般电气设备和重要电气设备，对于一般电气设备，设计地震的概率水平一般取 50a 超越概率（超越概率即统计上表述发生大于某种烈度地震的概率）10％。对于重要电气设备设防烈度（设防烈度指工程建设中抗震设计的目标）可按场址地震设防烈度的基础上提高 1 度进行设防，但设防烈度为 9 度及以上时不再提高。我国的《工业企业电气设备抗震设计规范》（GB50556）规定：重要设备按本地区抗震设防烈度提高 1 度采取抗震措施，但抗震设防烈度为 9 度时，应按比 9 度更高要求采取抗震措施；地震作用计算所采用的设计基本地震加速度值应提高 0.05g（g 为重力加速度），但设计基本地震加速度为 0.20g 及以上时不再提高。
2、抗震设计
（1）特高压交流电气设备减震技术。对于体形细高、重心高且较重的特高压交流电气设备，如避雷器、隔离开关等设备，采用设置阻尼器的减震措施为主。这是因为这种结构体形细高、较柔，水平地震作用下弯矩作用较大，因此通过分布的阻尼器产生抵抗弯矩，而阻尼器本身初始刚度较大从而确保结构整体频率不会有所降低或略有降低。此外像隔离开关等组合式电气设备，可在每个单体设备的下部与支架连接处设置减震器。针对特高压交流电气设备，中国电力科学研究院采用铅金属减震装置对特高压避雷器进行了减震试验，试验结果显示在 0.2g（7 度）地震作用下，安装减震装置的避雷器减震效率为 56.68%，已达到 30% 以上的减震目标，可大大提高电气设备的抗震能力，由此可见减震措施是提高特高压电气设备抗震安全性的一种非常有效的技术手段。
此外，遵循着不改变电气设备本体的设计、减震装置安装简单、易维护等原则，提出了特高压电气设备的减震装置安装、验收及维护等技术要求，为特高压电气设备减震装置的施工、运营以及维护提供了技术依据。
三、GIS 高压电气设备抗震性能试验
1、 GIS 电气设备振动台试验
（1）试验设备。试验研究对象为 ZF33－126 型 GIS 电气设备，为方便后文对其进行相关描述，在此对坐标系方向进行定义，并在实物图上标明。该设备主体高约 4m，沿 Y 方向长约 4m，沿 X 方向长约 2.5m，材料以铝合金为主。此外，设备上端部还安装有 3 个陶瓷绝缘出线套筒，套筒长约 1.5m，分别与水平面成 45°角倾斜向上。
（2）安装固定及测点布置。振动台台面布置加速度传感器获得被测设备底部真实的输入；GIS 电气设备易发生破坏的套筒根部与法兰连接处分别布置加速度传感器；对于可能出现显著位移、较大变形或应力较大的设备外壳的顶部、套管顶部布置位移及加速度测点，并在套管根部的瓷件上布置应变片，以测试其应变响应。
（3）人工地震波的合成。结构地震反应的分析方法有三种：静力法、反应谱法以及时程分析法。时程分析法是对结构或其力学模型直接输入实际地震动记录或者人工地震波，从抗震设计理论上将等效静力分析过渡到直接动力分析，在设计中更真实的描述整个时间历程中结构在任意时刻的地震反应，同时，时程分析法还可对结构进行弹塑性的动力分析，弥补了反应谱法分析的不足之处，是地震反应分析方法的一次飞跃。作为生命线工程，电力系统中高压电气设备的使用功能特殊而又重要，采用动态时程分析法研究结构的地震反应与实际的震害现象更加符合。而对于时程分析方法，合理的选择适宜的地震波是最关键的。
2、试验结果分析
（1）动力特性。采用半功率法求解结构阻尼，结构设备的自振频率可通过结构响应与输入信号间的传递函数而求得，即结构受简谐振动的干扰时所产生的稳态响应与干扰的比值。
（2）加速度时程响应分析。试验中测试了隔离开关 GIS 设备在人工地震动及 El-centro 地震波两种工况下各测点的加速度时程曲线。分别测得设备关键部位测点分别在 X、 Y 向地震动输入下的加速度反应峰值及其放大系数。以及 X、Y 单向地震动输入时，部分测点的加速度时程曲线。
（3）位移时程分析。随着输入地震动幅值的增大，设备各部分所产生的位移值越大；在相同地震输入下，套管顶部的位移值均大于设备主体外壳顶部的位移；输入幅值与波形相同时，设备在 X 向激励下产生的变形比 Y 向大的多，说明动力放大效应在 X 方向表现更显著。
（4）应变时程响应分析。大量震害实例表明，隔离开关等电气设备在地震中的破坏主要表现为电瓷瓶的中部或者根部截面处因应力过大而导致断裂失效，尤其是瓷瓶与法兰连接的部位。因此在 GIS 设备的抗震能力考核中，考核套管根部的应变或应力是验证设备抗震性能的重要方式。
综上所述，作为电力系统抗震的薄弱环节，高压电气设备在地震中容易发生破坏，一旦设备遭受破坏，不但会给电力系统带来直接损失，还会危害国民经济，对社会造成冲击，因此对高压电气设备的抗震性能进行研究具有重要的意义。
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