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特高压变电站设备抗震设防的设计

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特高压变电站设备 抗震设防的设计 贺 瑞,颜士海,邓长红,方静 (电力 划砹汁总院,,I匕 100I20) 摘要:特高压输变电工程输送功率和投资高,电气设备尺寸和重量大,在基本烈度8度以上地区的抗震设防是 一个重点和难点。我国特高压变电站、换流站工程中主要依据《电力设施抗震设计规范》GB50260—20l 3开展抗 震设计,但在具体设计中对设备抗震设防的标准确定、参数选取、强度校核方面还存在不明确之处 ,本文通过 对规范条文的解读、讨论及与国外标准的对比,针对特高压抗震设计中变压器、换流变套管以及本体与基础的 连接两方面问题展开分析,提出了几点建议。 关键词:特高压;抗震设计:电气设备;套管;复合材料。 中图分类号:TM63文献标志码:B文章编号:】67I一991 3(20l 8)O2—0070.05 Design of Seismic Fortiicatifon for UHV Substation Equipment HE Rui,YAN Shi—hai,DENG Chang—hong,FANG Jing (Electric Power Planning&Engineering Institute,Beijing l 00 1 20,China) Abstract:Considering high transmission power and investment,and large size and weight of electrical eqtlipment the seismic fortiifcation in UHV transmission and transformation projects is signiifcant and diiculft,especially in the construction sites of basic intensity eight and above.Seismic design is mainly based on the nationaI standa v‘d GB50260—20 1 3 in domestic UHV substations and conve ̄er stations engineering.But the seismic tbrtiicatifon criterion parameter selection,strength check is not expl icit in some cases.In this paper main provisions of the national standard are interpreted,discussed and compared with foreign standards Seismic design of UHV transfornaer bushing and equipment anchorage is tbcused and some suggestions are proposed. Key WOrds:Ultra—High Voltage(UHV);seismic design;electrical equipment;busing;composite materia1. 电力系统在地震tf1遭剑破坏,会造成很 人的rf接经济损火,Jf:影响』、 急救火I 作和正 设防标准,需要综合考虑T程重 险性、设备制造水、r以及造价等多 、地1 也 豢。 常 济 f 会运行、 fjl发其他次 灾害。在 l10 kV及以上变 2008 汶川地 -lJ'lJU川 特商Jli输变电 程电压等级和输送J力 、 , 综介投资干¨ 耍性也较舟, I 级越 、 地 I}l的 悱也越尚。对于 小烈艘8 J迈以 抗 改防 I 的地Ix 【u 砹舔的抗震设防址‘个一 L 难 。 I ! 汁一l 划特高 电气 电站IfI仪变¨ 器受 统汁就仃渗渊40多起、移 化7起、食管损 58起;20l3 Jf卜叫川省芦I』I地 I , 规划的雅 l000 kV变电站站址 域的 地lJ… f',烈艘达剑1r 9艘。确定变电站干¨换流站的抗 准的卜 按ji({ 标《电力设施抗 汁 范》 收稿日期:201 7-03—1 8 作者简介: 瑞(1983一),’Jj'l^=J 1tl入.『 级 ,1)1 ̄1i,1. 博l一,从。 t ̄l"l Il fIJ、I 抗 芝研究等1 f1- 70 2018年02月第2期 I h ¨=几= J. 电网设计 特高压变电站设备抗震设防的设计 衄Ⅱ噼嘞唧衄 GB 50260确定,国内学肯也曾对中、美、f=i 等电 C设箭抗震设防标准进行了讨论和对比研 究。n 20l3 新修订的《电力设施抗震设汁 范》GB 50260---2013实施以来,将原1996版 震分析的设计地震动参数如峰值加速度和反应 谱为“人震”的。 (即RRS水平)。 刚际电工委员会标准IEC 62271—2— 2003(埘应我圈标准《高压丌关设备和控制设 的电 C设彳爵最I两抗震设防水平从8度提 苗剑了 9度。虽然存近 的特高 变电站、换流站建设 ·{I'通过采取变瓜器隔震、柱式设备的消能减震、 复合材料套管等措施能够‘定程度地提高电气 设桥抗震水平,然而具体I 程设 ‘II1对抗震设 防的标准确定、参数选取、具体汁算 面还存 在不HJJ确之处。本文通过对规范条文的解读、 讨沦及与国外标准的对比,针对特高 变压器、 换流变套管以及本体与基础的连接两方面抗震 l5芝计t}1的问题展歼分析,提出了几点建议。 备的抗震要求》GB/T1 3540)规定:在预期地震 应力卜,“主回路、控制和辅助 路包括相关 的安装构架/1 应lJ『现l故障”。“只要不降低设备 的功能,永久的变形是允许的”。并指…:“所 选择I,f勺抗震性能水平应 设施的安装地点地震 时最人地面运动棚一致”。关于套管的技术指南 IEC 61463指 “设备应具彳丁适当的功能、完整 性和安令性”。预期地震分为AF2、AF3、AF5 三个设防级别,其地震动峰值加速度分别为 0.2 g、O.3 g、0.5 g,对应参考的地震烈度分别 为:<8度、8度~9度和>9度。IEC标准叶l 1电气设备的设防标准和设计地震动参数 为了进‘步研究和日』j确《电力设施抗震设 汁规范》GB 50260--20l3 的电气设备设防标 准, 先将其设防目标和设计地震动参数与美 国《变电站抗震设计推荐规程》IEEE std 953和 国际电工委员会的IEC系列标准做‘个比较。 根据《电力设施抗震设 ‘规范》GB 50260--20l3,特高压变电站、换流站均属_r霞 要电力设施,其电气设备“可按抗震设防烈度 提高l度设防,但抗震设防烈度为9度及以卜 时小冉提高”。从该条文规定上理解,提高后的 最高抗震设防水 为9度(0.40g)。另外规范中 术明确给出确定某个站址设计地震动参数的方 法,若参考UBC地震分区 ,其设计地震水平 人约相 _f我国的“中震”。 图l显示了在不同基本烈度F上述三 个标准采用的设计地震动加速度,其中标注 GB 50260①的实线将设计地震动按罕遇地震动 加速度取值。可见:(1)IEEE标准明确了RRS 水、 的设计地震动为“大震”的一半,大约相 当于“中震”:(2)IEC标准在6度到7度之间、 8度半剑9度之间与IEEE有些差异,7度至 8度半 间与IEEE标准基本相当,其·f1 7度至 8度半也是我国输变电工程抗震设防需要考虑的 主要区域;(31 GB 50260—2013采用的设计地 震动 ÷ 于“大震”水平,但基本烈度在8度 (0.30 g)左右时,规范中最高0.40 g的设防水平 距离其“大震”(约0.50g左右)还有一定差距。 …第1.0.4条指}Ij,“按本规范设计的电力设施中 的电气设施, 遭受到卡H÷ 于本地 抗震设防 烈度及以卜的地震影响时,不应损坏,仍可继 续使『fJ; 遭受到高于本地区抗震设防烈度卡[1 应的 遇地震影响时,不虑严莺损坏,经修理 后即町恢复使朋”。规范术对重要电力设施提高 1度 的设防r{标进一步明确,尤其是埘于在地 震中易损的变 器、高抗套管等脆性部件。 美国《变电站抗震设计推荐规程》即IEEE std 953—2005规定:设防目标是“在RRS水 平卜完全无拟并能继续运行,在Performance水 平卜没有显著结构损伤并具有可接受的性能”。 其I1J Performance水平相、I,f“大震”,对应T 正C 6227l——GB 5O260① O.6 b0 \0.5 。一4 迥 槲0.3 0.2 鑫o 。O.0 0 05 0.10 0.15 0.20 0 25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 程场地50年超越概率2%的地震动峰值加速度, 并划分为三个级别:小于等于0.10 g时为低级别, 大了:0.10 g且小_F等于0.50 g时为中级别,人 本地震动峰值JJl1速度/(g) 于0.50 g时为高级别。用于确定地震作用和抗 I鳘I 1不同基本烈度下三个标准采用的设计地震动峰值加速度 2018 ̄02)g第2期。71 2瓷套管和复合材料套管的判别准则 在电力设施抗震设防中,套管、支柱绝缘 子等长细比大、且为脆性材料,是易损的关键 部件。因此还需要对比不同标准设计地震动下 瓷和复合材料的应力判别准则。 IEEE std 693—2005中的瓷套管和复合材 料套管的容许应力分别为其极限应力和规定机 3分析和讨论 主要讨论以下两个问题: (1)基本地震动峰值加速度大于0.20 g时, 设计地震动峰值加速度取0.40 g还是“大震” 峰值加速度。 我国规定抗震设防烈度为9度及以上的地 震区不应作为变电站、换流站站址,但站址基 械负荷的50%,即相当于安全系数为2.0。IEEE 明确指出这是由于进行试验和计算的RRS地震 水平为性能目标Performance水平的一半,通过 判别准则上的安全系数可保证在Performance水 本地震动峰值加速度在0.30 g左右的工程还是 存在,如滇西北一广东±800 kV特高压直流工 程中新松±800 kV换流站为0.26 g、锦屏一苏 南±800 kV特高压直流工程中裕隆换流站为 平下瓷套管和复合材料套管的应力小于其极限 应力和规定机械负荷(Speciifed Mechanical Load, SML)的抗震设防目标。 IEC 6227l一2—2003中对瓷套管和复合 材料套管的规定基本与IEEE std 693—2005相 当,套管应力为极限强度的50%,其他的延性 材料可以为屈服强度的90%~100%。关于套 管抗震的技术指南IEC TS 61463—2016规定, 对于瓷或玻璃套管地震组合应力不应超过100% 0.31 g等。随着特高压工程建设范围的扩大, 可能还会有其他站址出现。在考虑中震设计和 2.0安全系数前提下,1EC标准在基本烈度8度 至9度区间内的设计峰值加速度为0.30 g,IEEE 标准为0.25 g(8度至8度半时)和0.50 g(高于 8度半时)。我国标准对重要电力设施采用大震 设计,设计地震动峰值加速度若取最高0.40 g 有些不足,建议在特高压输变电工程中将设计 地震动峰值加速度明确为“大震”。个别企业标 准如国网《特高压瓷绝缘电气设备抗震设计及 减震装置安装与维护技术规程》已将重要电气 设施的设计地震动明确为50年超越概率2%的 罕遇地震。 的型式试验耐受弯矩,对于复合材料套管则不 超过60%的规定机械负荷(此时套管无不可恢 复的塑性变形),相当于安全系数1.67,安全裕 度比IEEE略低。 我国GB 50260规定“应保证设备和装置 的根部或其他危险断面处产生的应力值小于设 (21抗震强度验算中对采用的破坏应力或规 定机械负荷有什么要求,以及何时除以1.67安 全系数。 IEC和IEEE标准将其破坏应力或规定机 械负荷(SML)除以安全系数2.0作为容许应力, 是由于其设计地震动对应的是“中震”,约为大 震的一半。根据相关设备和材料的试验要求, 这里的极限应力和规定机械负荷应是具有一定保 证率的“标准值”,除此之外IEC和IEEE不再 要求预期的大震下设备仍具有额外的安全系数。 对于我国规范中按“大震”设计的瓷或复 合套管以及支柱绝缘子等,如破坏应力或规定 机械负荷采用具有一定保证率的标准值并保留 1.67的安全系数,在原GB 50260一l996以 及GB 50556—20l0等规范规程中,由于设 备或材料的容许应力值”,并将厂家提供的瓷件 破坏应力或破坏弯矩除以1.67安全系数作为容 许应力进行抗震验算,这一安全系数要求可上 溯至GB/T13540—1992,其中破坏应力定义为 “由电瓷生产厂提供给设备制造厂的瓷绝缘子的 最小弯曲破坏值”。由于GB 50260—2013采用 的设计地震动基本相当于“大震”,不再需要像 IEEE和IEC标准那样考虑由中震计算或试验推 导大震性能的安全系数,因此1.67的安全系数 应该只反映材料的不确定性,GB 50260条文说 明中也指出是“考虑瓷套管和瓷绝缘子考虑试 验结果的离散性”。 综合起来,上述标准中对于套管的判别准 则基本对应为“大震不坏”或“中震弹性”(IEC TS 61463用于复合套管时)。 计地震动峰值加速度最高为0.20 g,相当于 “峰值加速度0_33 g下不坏”,略高于基本烈度 72 2018年02月第2期 电 设 r 特高压变电站设备抗震设防的设计 7度f0.15 g)刘‘麻的罕遇地震水 , IEEE和 表1年口 唧日嘧舳唧嘧盘盛 2 2给iB了IEC、1EEE平口GB 垛善善 { _IEC标准相比设防水平偏低。而GB 50260— 20l 3发布后,对 遇地震0.40 g水 下如仍 50260三个标准的最人地震影响系数和反应谱 ¨ ¨ 二二 ¨ ¨ 埘比,基于标准做以卜改进和设定:(1)基本地 震烈度从7度半到8皮半,将GB 50260设计地 震动统一采用50年超越概率2%的 遇地震; (2)抗震强度验算均采J}j大震下应力小] 标准值 的判别准则,GB 50260不考虑1.67发个系数, 将破坏应力标准值除以1.67作为容许虑力,则 相 于“峰值JJ 『】速度0.67 g F不坏”;在8度 (0.30 g)埘 的罕遇地震0.50 g水 卜如考虑 1.67安全系数,则十Ij当于“峰ffIc加速度0.84 g 卜 坏”。这样会 敛基本烈度8度 8度半地 【×:的电气设备制造难度和造价过高。 另一方面,设备厂家应对提供的破坏应力 或规定机械负荷的来源、依据、保证率等进行 明确说明, 具有试验数据支撑,必要时应进 行试验验证。设计校核时要考虑设备 式、尺 ‘、 受力状态、法兰胶装强度等冈素的影响,合理 分析后选用。破坏 力或规定机械负荷为平均 值时应除以1.67,具有较高保证率时可直接作 为容许应力。建议吲标GB 50260规范修订时对 IEC和IEEE标准将2.0安全系数折算剑反应谱 上(将反应谱乘以2);(3)GB 50260 a表示II类 场地、第‘组,GB 50260 b表示III类场地、第 一纠l;(4)土要比较2%阻尼比的反 谱,8度 半ft,J‘计算5%阻尼比的反麻谱作为参照。 表1 二个标准计算的最大地震影响系数对比 。。2 。 O 复合材料ng- ̄JJ别准则进行补充 1明确。 -~IEC 62271— ●一GB 50260a :8 6 4 -IEC 62271+GB 50260a ●IEEE 693~★一GB 50260 b ●IEEE 693一★一GB 50260 b 0l l 自振嘲删,fs) 阻尼t:L2% ●一IEC 62271+2.0 1 8 1 6 1 4 GB 50260a ●正EE 693 1 2 r兰' 1.0 癸 0.8 0 6 O 4 0.2 00 图2不同基本烈度和阻尼比下三个标准采用的反应谱对比 2018年o2月第2期 。73 l目m蜘-:九= L 衄Ⅱ嘧嗍唧嘧 ■ } 计 高压变电站设备抗震设防的设计 计 表l利 2 示:(1)IEEE反应谱lfII线顺邮 、 台最宽,这址I¨J 其考虑J, 同场地类 干【 】近远震的包络, I_1_其 个 本烈艘卜均使 川埘 基小烈度8度半的最人地震影响系数, 趋j 保守;(2)IEC平【l IEEE 8度[x: 反 小棚、 1, IEC反』、 5%阻 比l卜『取 (41 “人 砹汁”i I i,发个系数仪川j 个别试验  门离敞 ,I 虑 度参数米 ¨ 具仃较高 率时不应}IJ=l涂1.67。 (5)建议GB 50260规范修iq t1,J 刈 介材料 会僻的削别准_J』1i!【仃补允年III 9J (6)刈 f特- f 交流变JI 、换流变等,处 议按j}({“人震”作JI J进 哎矫 j 设汁。 f=}I[偏小;(3)GB 50260…J 采用随基小烈艘线 性增『JI】的最人地 影响系数, 7度、 1 8艘 .连接f19{.J'【= 【 域反 取 略低, 8度0.30g 域 j IEC和IEEE 小棚 。 l和 2 1 I1揪 GB 50260 进 选取设计地 动反应谱的,J‘法 址较为合适I,l,J。 4变压器与基础的连接 IEEE干I lIEC标准体系 {』i 大震'卜 符小 身的延 材料或 支架可以仃‘定程度的 t服, f}I 矫或支 j 础的连接J 陔有 够的 度, IEEE 693 i1i 定改桥 基fi…r/J近接 该能够满 lil 发令系数为2.0, 人 卜小 服的 求。 埘 特I ’ 1 中的变J1 器、换流变 , l】J’以按 捉“’ 后的 遇地震确定地j 作川, 进 J, l}_迮接的抗 哎汁,具体汁钾一【 以参 《I 'lk介、l 电气设 执 改计 }iLi土-》GB 50556 n勺思路,此时烨缝或 的容许 呶材 料的标准他。 5建议 综合l 述分忻、讨论,刈《电力设施抗 汁舰范》GB 50260—2013以及特高乐变IU站、 换流站设侪执 砹防标准选取币I】I L 设汁 ’… 提…以卜建议: (1)建议GB 50260 卜次修订时对r I【.1 J发施提商l』曼』 的抗震 防门标进}j:悦lU]: 火『5,J 川。f i刈‘J 特商 l i}i的 要 哎矫 的l卜延性部什i J‘flf==『J定为“人 坏”o (2)埘特『 要电 C 符采用50 趟越 慨等 2%f门 I 遄地震作为砹汁地震动, 仃利 ¨ J 小 度为8』逆(0.20 g)以 地』 }-I勺 执 能力。 (3)砹箭J。冻 刈‘提供的破坏戍力或 定机 械负倚的来源、依据、保 率等进行明 说lJIJ’ Ji: 有试验数捌 撑。设汁校核时要考虑改 , 式、尺、J’、受力状态、法 胶装强度 素 的影响,合州分析 选用。 74.2o18年02月第2期 参考文献: l1】J 水i , .I JUjIIIUlt 汶JII地l lU J 施 蹙火 1 分fJ [J].rU『 qj支术.2008,32(I 1). 【2】IEEE std 693--2005,IEEE Power Engineering Society. 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