变电站电气设备抗震研究现状及进展

变电站电气设备抗震研究现状及进展

程永锋1, 朱祝兵1, 卢智成1, 刘振林1, 章姝俊2

(1 中国电力科学研究院有限公司，北京 100055；2 国网浙江省电力有限公司，杭州 310007)

[摘要] 国内外历次大震的震害经验表明，电气设备由于其特殊的结构形式，在地震作用下具有较高的易损性，本文首先分析了地震作用下电气设备的震害特点，总结了支柱类设备、变压器类设备及变电站内母线和其他类型设备的地震破坏模式及原因。针对震害调研、电气设备抗震设计技术、减隔震技术及应用、抗震评估技术等进行了论述，分析了国内外技术现状，重点介绍了汶川地震后国内在电气设备抗震研究方面取得的进展，分析了减隔震技术在解决电气设备抗震技术难题方面所发挥的作用，并对后续研究进行了展望。事实表明，我国是地震多发国家，持续开展电气设备抗震新理论和新技术研究，对于保障地震作用下电网的安全稳定运行和“三型两网”建设具有重要的支撑作用。

[关键词] 变电站；电气设备；抗震性能；减隔震

中图分类号：TM721 文献标识码：A 文章编号：1002-848X(2019)S2-0356-06

*

Research state and development of seismic performance of substation electrical equipment

Cheng Yongfeng1, Zhu Zhubing1, Lu Zhicheng1, Liu Zhenlin1, Zhang Shujun2

(1 China Electric Power Research Institute, Beijing 100055, China; 2 State Grid Zhe Jiang Electric Power Co., Ltd.，Hangzhou

310007, China)

Abstract: The experience of earthquake damage from domestic and foreign major earthquakes shows that electrical equipment has high vulnerability under earthquake due to its special structural form. This paper first analyzes the seismic damage characteristics of electrical equipment under earthquake action, and summarizes the earthquake damage modes and causes of pillar equipment, transformer equipment, and bus-bars and other types of equipment in substations. The seismic damage investigation, seismic design technology of electrical equipment, seismic isolation technology and application, seismic evaluation technology were discussed, and the status of domestic and foreign technology was analyzed. This paper highlighted the progress made in the seismic research of electrical equipment in China after the Wenchuan earthquake, analyzes the role of seismic isolation technology in solving the seismic technical problems of electrical equipment, and prospects for subsequent research. The facts show that China is a country with frequent earthquakes and continues to carry out research on new seismic theory and new technologies for electrical equipment. It plays an important supporting role in ensuring the safe and stable operation of the power grid and the construction of “three-type and two-network” under earthquake action.

Keywords: substation ; electrical equipment ; seismic performance ; seismic isolation

0

引言

我国地震地区分布较广泛、震源浅、烈度高、

破坏强，国内外历次大震的震害经验表明，电气设备由于其特殊的结构形式，在地震作用下具有较高的易损性[1-3]。电力系统一旦在强烈地震中遭受破坏，不仅会造成直接的经济损失，严重时还将造成震区及周边地区的大面积停电，而且还有可能引发火灾、爆炸等次生灾害，影响抗震救灾的开展和社会的安全稳定[4]。

国内外历次大地震均对电气设备造成了严重损坏，在日本Miyagi地震中发现，变电站内很多相互连接的支柱类设备和变压器都遭到了严重损坏[5]。在1986年美国的加州North Palm Springs地震、1988年加拿大魁北克省的Saguenay地震以

及1995年日本的Kobe地震也都观察到类似的情

况[6-8]。2008年发生的汶川地震造成110千伏及以1上变电站停运90座，电力损失负荷达685万千瓦，给电网造成的直接经济损失超过120亿元[9]。总之，变电站电气设备具有高、柔、重、大等结构特点，且多由脆性的陶瓷材料组成，在地震作用下具有较高的易损性。为了提高电网系统的安全性，保障其在震中和震后的安全稳定运行，进行电气设备抗震与减隔震技术研究已成为国内外地震工程研究的 *国家电网有限公司总部科技项目资助:基于土-结构动力相互作用的特高压变压器抗震技术研究（521104180015）。

作者简介：程永锋，博士，教授级高级工程师，Email: cyf@epri. sgcc.com.cn。

通讯作者：朱祝兵，硕士研究生，高级工程师，Email:zzbyx2008@ 163.com。

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重要课题之一。

1 电气设备的震害特点及原因分析1.1 支柱类设备

变电站中避雷器、互感器、支柱绝缘子等设备结构细长，多节设备元件之间通过法兰连接在一起，形成柱状结构，因此统称其为支柱类设备。这类设备多由脆性的陶瓷材料组成，耗能和变形能力差，另外此类设备的频率分布在1~10Hz之间，尤其是特高压设备，其频率在2Hz左右分布，与地震波的卓越频率接近，在地震作用下易产生共振而破坏。图1~2为典型设备在地震作用下的破坏照片。

图1 汶川地震中支柱类设备根部折断

图2 雅安地震中支柱类设备根部折断

震害调研显示，地震作用下支柱类设备多为套

管根部法兰连接处折断或套管从法兰胶装部位拔出。这主要是由于地震作用下该部位承受的弯矩最大，设备多因承载力不足或法兰胶装部位各材料之间的变形不协调而发生破坏。

1.2 变压器类设备

变压器、高压并联电抗器及换流变压器等设备结构特征相似，均为支柱类套管安装在体型重大、内部充油的箱体上，此类设备统称为变压器类设备。其震害一般表现为箱体移位、扭转、滑出轨道或倾倒，与之相伴，出现顶部套管破坏、变压器漏油等破坏模式。图3为汶川地震中变压器移位及漏油照片。

图3 汶川地震中变压器移位及漏油

1.3 变电站内母线

变电站内母线分硬管母和软导线两种，由于母线一般为强度相对较大、延展性好的铝合金材料制成，因此，地震作用下母线直接破坏的例子不多见，但由于母线间相互拉扯，造成地震作用下设备损坏的例子不在少数。2008年汶川地震现场震害调查也发现一些设备的破坏是由于相邻设备通过母线牵拉而造成的。由此可见，相互联接的电气设备地震耦合效应对设备抗震性能有较大影响，尤其是具有不同动力特性的电气设备相互联接后，设备间的地震耦合效应在一定程度上加大了设备的震害。图4为地震中由于导线拉扯导致设备损坏照片。

图4 导线拉扯导致设备损坏

1.4 其他类型设备

变电站中的二次设备如计算机控制系统、通讯系统、蓄电池组等在地震中也易受损，这些设备在变电站中的重要性及其本身的精密性，决定了其在地震中必须保证完好，才能保证整个变电站的正常运行。二次设备的地震中破坏主要是倾覆、倒塌、滑落等从而丧失主要的使用功能。图5为雅安地震中开关柜门体变形。 2

国内外技术现状

国际上美国和日本对电气设备抗震研究开展得

比较早[10、

11]。最早1952年发生的美国Tehachapi-Arvin地震中，电气设备发生了破坏，之后通过对变电站设计进行相关研究，建立了一个变电站设备的抗震设计标准：将设备重量的20%沿水平方向加在设备的重心

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图5 地震中开关柜门体变形

处来进行变电站设备的抗震设计或试验，并按照此标准的要求对电气设备如变压器、断路器进行了加固。但在1971年的San Feranado地震中，电气设备发生了更加严重的破坏，表明该设计标准不能满足设备抗震的需要，Edison公司通过对震害进行全面的调查，又通过一系列试验研究了变电站设备的抗震性能，给出了提高抗震性能的改进措施，并对设计标准进行了修改，该标准后来成为其他诸多设计标准的基础。19年日本新泄地震后，就有专门的关于电力系统震害的报道，1995年日本阪神地震后，电气设备在地震中的破坏严重，一批770kV和275kV变电站破坏，地震共造成260万户停电。这促使了日本对电气设备抗震研究的重视，并将相关研究成果编入了《电气设备抗震设计指南》，提高了电气设备的抗震设计水平。

我国对电气设备的抗震研究始于1975年海域地震和1976年的唐山大地震[4]，

但由于当时我国经济水平相对比较落后，电网建设还不完善，所以对电气设备的抗震研究一直到20世纪90年代初才刚刚起步。2008年汶川地震后，电气设备损毁严重，国内对电气设备的抗震研究更加重视起来，以中国电科院为代表的一批科院单位和院校对电气设备的抗震性能开展了更加深入的研究，研究成果也写入了修编的《电力设施抗震设计规范》中。

2.1 震害调研现状

电气设备抗震技术的发展与历次震害是分不开的，对震害反应的研究要以实际震害为基础，所以对地震多发地区历史震害资料的整理、搜集和分析是对电气设备抗震进行研究的重要手段之一。

美国Pacific Gas and Electric(PG&E)公司和太平洋地震工程中心(PEER)联合资助的加利福尼亚州变电站设备地震表现数据库是国际上比较著名的变电站震害统计资料。该数据库包括了12次地震中加州的60个230KV到550KV变电站设备的破坏和未破坏数据，考察的设备主要包括变压器、断路器、隔离开关、避雷器、阻波器、耦合电容变压器和电流互感器。

除此之外，数据库还包括地震发生地点、地面运动（没有地面运动记录的地区采用合适的衰减关系进行推算）、变电站的场址和场地条件、设备的特点、设备的破坏模式以及修复时间。研究分析不仅给出了这样一个庞大的数据库，而且根据数据绘出了上述设备的易损性曲线，并对比专家建议的易损性曲线，做了适当的修正。这些震害数据均在后来的每一次相关规范的

修订中予以体现，直至形成IEEE Recommended Practice for Seismic Design of Substations及IEEE Recommended Practice for the Design of Flexible Buswork Located in Seismically Active Areas等规范，规定了抗震准则，鉴定方法，结构承载力，设备安装方法等等，大大提高了设备的抵抗地震的能力。

1976年唐山地震后，我国对电力系统的震害也进行了详细的调研，记录了电气设备的震害特点与震害反应。2008年汶川和2013年雅安地震后，国家电网公司也迅速组织人员对灾区电气设备的受灾情况进行调查统计，对电网恢复进行及时检测，不仅保障了电力系统的迅速恢复和抗震救灾工作的顺利进行，也为我国电力系统的抗震研究提供了宝贵的资料。

2.2 抗震理论与现状

1971年Edison公司通过对San Feranado震害进行全面的调查，又通过一系列试验研究了变电站电气设备的抗震性能，建立了电气设备多自由度弹性体系的力学模型，利用动力学理论对设备的抗震性能进行分析，提高了设备抗震性能分析水平。上述模型将电气设备与法兰与套管（瓷柱）之间的胶装连接视为刚性连接，但实际上该连接部位是由法兰和套管（瓷柱）通过胶装材料粘接而成，不同材料之间存在变形不协调，随着研究的深入，研究人员发现刚性节点的力学模型与试验结果存在偏差。日本针对电气设备法兰连接部位的弯曲刚度试验结果表明，法兰连接部位抗弯刚度的变化，将引起连接部位和连接部位以上的整个体系固有频率的变化， 因此研究人员指出，建立电气设备力学模型时，法兰连接处抗弯刚度的确定非常重要，并于1980年首次提出了建立电气设备力学模型时将法兰作为柔性节点的处理方法，用抗弯刚度表示其特征，并给出了抗弯刚度计算公式。在对单体设备力学模型进行研究的基础上，国外许多学者开始对软导线连接电气设备的地震耦合效应进行了研究，分析了软导线刚度、连接金具阻尼等对互连设备抗震性能的影响。

国内对于电瓷型电气设备抗震理论研究方面，19年张其浩等提出具有柔性结点的多质点体系的动力计算模型，将电气设备的法兰连接作为弹性连接处理，计入法兰的弯曲刚度，计算结果与实测结果吻

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合较好。1999年张伯艳等以沈阳高压开关厂550kV高压开关为研究对象，给出该设备在静力和地震作用下瓷柱根部处的应力，并分析该产品的抗震安全性。2001年刘晓明等利用振型分解反应谱法计算分析了220kV高压SF6电流互感器的抗震性能，建议对设备头部进行优化设计，并提高瓷套管的抗弯强度和底座的刚度。2009年杜永峰等研究了并联橡胶隔震支座对高架电气设备的隔震效果，并针对串联高架电气设备支架隔震体系，应用分布参数梁振动理论，推导了求解地震响应的半解析方法。结果表明，利用半解析方法求解的地震响应与有限元数值积分法计算结果基本一致。作者还应用 Hamilton 原理推导出串联电气设备支架隔震体系等效振型阻尼比，计算结果与利用有限元数值积分法计算结果基本一致。

2013年至今，中国电科院针对高压与特高压电气设备开展了一系列的理论研究，建立了瓷支柱类电气设备多质点半刚性节点计算模型和变压器类设备简化多质点计算模型及其运动方程，建立了考虑连接导线特征的互连设备力学模型，提出了瓷支柱电气设备的减震方案和变压器基底隔震方案。开展了基于非线性理论的瓷支柱电气设备抗震性能研究，揭示了法兰胶装部位的非线性结构参数、地震动峰值加速度及减震装置参数对瓷支柱电气设备地震响应规律的影响，揭示了地震作用下减震装置的减震机理，并进行了振动台试验验证。研究成果有力促进了电气设备抗震设计水平的提升。

2.3 抗震设计要求和规范对比

由于不同地震波具有不同的频谱特性，导致同一设备在不同地震波作用下的反应不同，甚至相差很大。因此，在电气设备抗震设计时，选择合理的地震动输入是保证抗震分析结果准确性和可靠性的前提。目前，很多国家都给出了相应的设计规范和手册，来指导电气设备的抗震设计，并提高其抗震性能。

IEEE Std693[12]定义了高、中、低3个基本抗震设防水平，其加速度峰值分别为0.05 g、0.25 g和0.5 g，中等设防水平下的地震加速度反应谱如图2所示。每种设防水平下分别给出了2%、5%和10%阻尼比工况下的地震加速度反应谱曲线，各反应谱的卓越频率范围为(1.1~8) Hz，频率超过33 Hz之后的反应谱加速度将视为零周期加速度，反应谱综合考虑了不同地震动的频谱特性、震级、距离和场地等条件，具有广泛的代表性。该规范规定，只有当设备通过与相应设防等级要求的反应谱相符的地震动时程时，其抗震性能才能满足相应等级抗震水平。另外，为满足客户更高要求，规范还定义了高、中2个抗震性能水平，反应谱值为相应RRS的2倍，加速度峰值分别为1.0 g和0.5 g。

日本电气设备抗震设计指南JEAG5003[13]未明确规定用于抗震计算的反应谱，只给出了地震力相关说明和地震波的卓越频率分布范围。对于户外电瓷型电气设备，设计水平地震加速度为0.3 g，日本电力企业联合会通过对典型变电站进行计算，根据未来75年的基岩最大加速度的预测值推算地表层加速度，地表层加速度值超过0.3 g的概率是很小的，因此，该规范将设计的标准水平地震力规定为0.3 g，相当于日本7度烈度的地震。

高压开关设备和控制设备的抗震要求GB/T 13540[14]将抗震级别划分为3个等级，分别是高、中、低３个抗震等级，基本设防加速度分别为0.5 g、0.3 g和0.2 g，反应谱的卓越频率范围为2.4 Hz~9 Hz，频率超过25 Hz之后的反应谱加速度将视为零周期加速度。

《电力设施抗震设计规范》（GB 50260—2013）

[15]

将反应谱进行了修订，其中将地震动力放大系数由原来的2.25调整为2.5，故各设防烈度下的地震影响系数相对GB 50260—96版规范均有增大，见表1。对于II类场地土，规范给出了反应谱曲线计算公式，其中零周期加速度为0.4max，平台段和衰减段计算公式与《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)[12]规范规定的计算公式一致。对于其他类场地，应按规范规定考虑相应的地震影响系数最大值场地调整系数。

中国电力科学研究院和中国地震灾害防御中心在针对特高压电气设备进行动力特性调研的基础上，通过对大量强震记录的频谱特性进行分析，提出了适用于高压电气设备抗震评估和试验用的标准反应谱，该反应谱的特征周期为0.9s，地震动力放大系数为2.5，可适用于较广泛电压等级和多种材料的电气设备抗震试验和评估，具有较广泛的场地包络性。与反应谱对应的地震影响系数曲线如图6所示，各段曲线的计算公式如下：

图6 与反应谱对应的地震影响系数曲线



0.4max 0≤T0.03[0.420.4(T0.03)]max0.030.07≤T0.1 (0.1≤T0.9)2max0.9

(T)2max(0.9≤T4.5)[2

0.21(T4.5)]max(4.5≤T6.0)（1）

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0.9

0.050.36 （2）

0.0510.02432 （3）

10.0520.081.6 （4）

式中：α为水平地震影响系数；αmax为水平地震影响系数最大值；T为结构自振周期（s）；γ为曲线下降段的衰减指数；ξ为结构阻尼比；η1为直线下降段的下降斜率调整系数，当计算值η1＜0时，η1应取为0；η2为阻尼调整系数，当计算值η2＜0.55时，η2应取为0.55。

2.4 减、隔震技术现状

电气设备由于其特殊的结构形式，在地震高烈度区，单纯依靠硬抗往往不能满足抗震设防要求，这就需要采取相应的减震或隔震技术，来降低设备的地震响应。减震技术通过内部的耗能构件消耗地震能量来达到保护设备的目的，隔震技术通过改变设备的频率，使其与可能引起破坏的地震动频率分离，从而阻断地震能量的传播，减小设备的地震响应。

1988年新西兰对位于哈特谷地的海沃兹HVDC变电站的交流滤波电容器组采用橡胶支座和滞变钢阻尼器的基底隔震方法进行抗震加固。德国西门子研发了由粘滞耗能的阻尼器和弹簧构成的减震器，连接设备与基础，如图7所示。日本东芝研发了由仅受压耗能的摩擦弹片构成的减震器，在设备法兰底板上下双层布置，如图8所示。

图7 西门子研发的减震装置

图8 东芝研发的减震装置

上述减隔震技术有效提高了电气设备的抗震性能，但存在如下缺点待解决：1）作为承力构件，长期受压致承载力降低；2）降低了连接刚度，易产生风致疲劳；液压油易泄露（西门子）；3）耐久性差。

针对变电站支柱类电气设备减震技术难题，中国电科院研发了兼具联接与耗能双重功能的减震器，减震装置替代螺栓连接设备与支架，地震时减震装置外套与中心轴上下错动，内部铅合金发生剪切变形，耗散地震能量，达到减震目的。减震器的耗能构件采用高性能阻尼材料，基于强度、冲击功、耐腐蚀等多目标优化函数，通过减震材料的盐雾腐蚀和机械力学性能等试验，提出了铝-铅质量比为0.05%的较优减震材料配比，提升了减震材料的耐久性。发明了置于设备与支架之间的支撑机构，用于承担全部竖向静载荷，降低了减震器静应力水平；改变了地震作用下的传力路径，使减震器产生拉压恢复力，实现滞回耗能最大化。图9位减震装置照片及安装示意。

图9 中国电科院研发的减震装置

针对变电站主变类设备隔震技术难题，中国电科院发明了一种具有限位和检修功能的隔震装置，经试验验证，隔震效率50%以上，提高了地震高烈度区主变类电气设备的抗震水平，隔震装置的工程应用如图10所示。针对变压器类设备和二次平柜设备，研制了非线性SD振子隔震装置，并开展了地震模拟振动台试验。结果表明，非线性隔震装置的隔震频率在0.7Hz

左右，试验结果与仿真结果吻合较好。经二次屏柜的试验验证，隔震效率55%以上。图11为SD振子非线性隔震装置在变压器上的安装示意。

图10 隔震装置的工程应用

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图11 SD振子非线性隔震装置在变压器上的安装示意

2.5 抗震评估现状

对于电气设备抗震性能的安全性评价标准，目前规范大都采用基于容许应力或破坏应力为基准的安全系数评价标准。IEEE Std693规定，采用允许应力设计时，对于无明显屈服点的材料，设备在地震作用下的最大应力不应超过破坏应力的50%，对于有明显屈服点的材料，最大应力不应超过屈服应力的80%。

JEAG5003认为试验过程中求得的各部件最大应力值如果在各部件的许容应力以下，则可以确定此部件可以满足抗震要求，并且可以认为输入规定的设计地震力后，其机能不会有异常现象发生。

GB/T 13540—2009规定机械和电气设备以及支撑构架的抗震验证应在许用应力的基础上完成，对于具有屈服点的材料制成的元件的总应力不应超过该材料屈服强度的90%。对于套管，总应力不超过材料破坏应力的50%。对于设备或支撑构架中的焊接结构，总应力不应超过屈服强度的100%。

GB50260—2013规定，电气设施的结构抗震强度验算，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备或材料的容许应力值，当采用破坏应力或破坏弯矩进行验算时，对于瓷套管和瓷绝缘子应满足1.67倍安全系数的要求。 3

总结和展望

国内外相关学者和技术人员在电气设备抗震研究方面已开展了大量工作，研究成果有力支撑了电网建设，提高了变电站电气设备在地震作用下的安全稳定运行水平。事实表明，我国是地震多发国家，持续开展电气设备抗震新理论和新技术研究，对于保障地震作用下电网的安全稳定运行和“三型两网”建设具有重要的支撑作用。后续研究工作中，还需在以下几方面开展研究：

（1）研发电气设备用新型自恢复减震装置和三维隔震装置。

（2）开展基于可靠度理论的电力设施抗震评估与抗震设计技术，开展变电站、换流站整站减隔震加固

技术和抗震风险评估技术研究。

（3）研发电力设施地震在线监测系统，组建监测及预警系统，建立健全大电网地震应急响应机制和震后快速回复机制。

参 考 文 献

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