变电站抗震性能化设计建议

变电站抗震性能化设计建议

贾小永

中国能源建设集团云南省电力设计院有限公司昆明650011

摘要：现行抗震规范GB50011-2010已将性能化设计纳入其中，但工程实际应用中操作性仍然不强，目前变电站工程均未采用该设计方法。因此，有必要对变电站进行抗震性能化设计，本文在总结性能化研究成果的基础上，提出一些设计建议。

关键词：变电站；抗震性能化；设备抗震

2008年至今，我国处于地震多发时期，汶川地震、玉树地震、彝良地震、鲁甸地震和景谷地震等，均对电力工程造成了巨大的破坏，严重影响了社会生产和生活。变电站结构主要包括主控通讯楼、户内配电室和进出线钢结构构架，如何保证地震作用下结构的安全稳定是工程设计人员重点考虑的问题。我国目前的抗震规范规定了三水准设防是以保障生命安全为主要设防目标的，尽管它可以做到大震时主体结构不倒塌以保障生命安全，但它可能导致中小震下结构正常使用功能的丧失而引起巨大的经济损失。特别是随着经济的发展，结构物内的装修、非结构构件、信息技术装备等的费用往往超过结构物的费用，这种损失会更加严重。变电站属于生命线工程，纵观历次大地震中，由于变电站的破坏而导致的直接经济损失和间接经济损失都不可估量，因此地震时变电站应尽量保持正常运行，即使发生停电，震后应能尽快恢复。现行抗震规范GB50011-2010已将性能化设计纳入其中，但工程实际应用中操作性仍然不强，目前变电站工程均未采用该设计方法。因此，有必要对变电站进行抗震性能化设计，本文在总结性能化研究成果的基础上，提出一些设计建议。

1建构筑物抗震性能化设计

变电站内建构筑物主要服务于电气工艺要求，以往的结构为了满足工艺特殊需求，常出现体型不规则甚至是异形结构，对抗震设计极为不利。在推行抗震性能化设计中，建议建构筑物的抗震设计从以下方面考虑：

（1）重视概念设计

主控通信楼、配电装置楼（室）、继电器室平面、立面的布置宜规则、对称，房屋质量和刚度沿竖向分布宜均匀变化。多层配电装置楼不应采用单跨框架结构。当抗震设防烈度不低于8度时，对于控制室顶部大开间结构的屋面宜采用钢结构和轻型屋面。结合电气设备的布置，在满足工艺要求下，避免出现异形结构。

（2）加强结构选型

性能化设计中，提高结构的抗震性能，并不意味着只是单纯的增大构件截面。从6度到8度设防时，通过改变构件的截面尺寸和配筋率来提高结构的抗震能力，效果显著。但当设防烈度超过8度时，依旧通过改变构件的截面尺寸和配筋率来提高结构的抗震能力已经不是最经济的方法，一方面加大竖向构件尺寸将降低有效使用面积，同时由于刚度的增加也加大了地震的作用力，此时应通过改变结构体系、增加抗震斜撑体系、增设隔震消震措施等提高结构抗震性能来达到抗震设防烈度的要求，这样提高的造价比单纯提高结构的截面尺寸和配筋量还少。根据各种结构类型的抗震性能从低到高，依次选择砖混结构、框架结构、框-剪结构等，选择合适的结构体系是保证结构抗震能力的第一步。

（3）提高部分建筑抗震等级

关于进行变电站抗震计算或采取抗震措施时需确定的建筑结构抗震设防依据，抗震规范一般从三个层面考虑：变电站所在地区的设防烈度、建筑物所在地点的场地类别、建筑物的使用功能。前两个层面由抗震规范确定，不宜随便提高，但针对第三个层面“建筑物使用功能的设防标准”，审批主管单位可以通过提高变电站建筑物的重要性等级来提高建筑物抗震设防措施标准。

随着我国综合国力的提高，国内抗震设计的标准也在逐渐提高，针对电网等生命线工程，安全性和可靠性尤其重要。在变电站设计中，除遵循现行国家及行业标准外，还应进行相应的性能化设计。在对变电站的震害分析中发现，配电楼在地震中震害严重，在抗震设计中应引起重视。

《电力设计抗震设计规范》（GB50260-2013）7.1.1条规定，规模较小的乙类建筑，当采用抗震性能较好的结构体系时，允许按丙类建筑设防。这里较小的乙类建筑，一般指单层且高度不超过12m的规则现浇钢筋混凝土框架结构或钢结构，如单层继电器室、屋面配电装置室、站用电室等。建议对于采用单跨框架结构的乙类建筑不降低，其余抗震性能好的乙类建筑可减低。7.1.2条规定，丙类建筑中的屋内配电装置楼，当采用钢筋混凝土结构时，抗震等级提高一级。针对规范中的表述较零散，设计人员不便于把握。对110kV～500kV变电站及换流站中的配电装置室、继电器室、站用电室等单层建筑，若采用单跨框架结构，按乙类建筑设计，抗震等级提高一级；若采用多跨框架结构，按丙类建筑设计，抗震等级不提高。110kV～500kV变电站及换流站中的主控楼、配电装置楼等涉及带电设备的多层建筑，当采用钢筋混凝土结构时，一律按乙类建筑，抗震等级提高一级。

（4）推广性能化设计软件的运用

在本研究课题的基础上，在今后的变电站结构设计中，推行性能化设计，设计人员应熟练掌握计算和分析方法，学习性能化设计软件的运用。

（5）加强非结构构件的抗震计算和抗震构造措施

变电站中电气设备运行的安全性和非结构构件密切相关，且国内非结构构件的抗震问题研究严重滞后于结构抗震，在今后的变电站设计中应重视非结构构件的抗震设计。

2电气设备抗震性能化设计

根据相关设计规范和所查阅考资料分析，从性能化角度入手，提高电气设备的抗震能力，归纳起来，大体有以下建议：

（1）全面推广抗震型电气设备

由生产电气设备的厂家设计、制造出成系列的能满足电力工程所需要的各种抗震型电气设备产品，供用户选用。例如，将高压电气设备的瓷柱外形由等径柱体改为下粗上细的锥形柱体，以降低其重心高度，增强根部的刚度；提高瓷件的材料力学强度，将其破坏强度由12～20MPa提高到10～50MPa等。当然，这是最根本的解决办法。

设计过程中严格要求设备制造厂家保证设备抗震能力，在技术规范书中应提出明确要求，可以要求出厂时抽检部分产品的抗震能力，做抗震实验，杜绝厂家因侥幸心理提供不满足抗震要求的产品。

（2）增强电气设备的整体性和稳定性

在原有电气设备如普通阀型避雷器侧面加设绝缘拉杆，可大大提高其抗震能力。但实施起来比较繁琐，而且使瓷件的清污变得困难，增加了正常运行中的不安全因素。

（3）采取隔震减震措施

电气设备隔震措施主要是在设备和基础之间设置隔震支座。电气设备的减震措施，多是在设备底座与其支架之间设置减震器或阻尼器，也有采用悬吊式支架再加设阻尼器的，或者加大支架的水平向刚度。减震器和阻尼器有橡胶与薄钢板层叠构成的，也有全铅型的，具有结构简单，取材方便，制造容易，工作性能较好，价格便宜，安装、检修和更换都很方便，一般不影响电力生产，实施见效快等优点。

在电气设上加设隔震减震装置以提高其抗震能力，在技术上已比较成熟。特别应该提出的是，这种隔震减震装置的投资，仅占电气设备投资的1～5%，已投运的大量电气设备急需提高抗震能力的现实条件下，尤其具有重大的现实和经济意义。

（4）优化电气设备支架体系

例如可以采用加大支架水平向刚度的办法来提高抗震能力，如对已运行的电气设备支架，把单柱式的改为多柱式的，在多柱式的支柱间加设斜（剪刀）撑，加强其整体性，提高支架的水平向刚度。这些做法，都比较简单易行、经济快捷，一般不影响电气设备的运行，对电气设备本体也不做任何改动，因而易被电力企业所接受。

（5）改善联结和安装方式

采用软联结和弹性安装方式，与设备瓷件相接的引线留有足够的裕度。高压电气设备本体立柱与部件之间应采用软联结，电气设备与其支架间应采用弹性安装方式，与电气设备瓷件相接的引线应留有足够的拉伸裕度，以减小相互关联约束的不利影响。

对高压开关柜、低压开关柜、控制及保护屏等设备，采用焊接或螺栓连接的固定方式，使其牢固的固定在基础上。对于地震烈度高于8度的地震区，还应将几块屏（柜）上部连成一个整体，增加其稳定性。

变压器（高抗）、换流变（平抗）等大型落地设备，应加强设备本体和基础之间的连接，以防止这些质量较大的大型设备在地震时发生滑移、脱轨、转动或倾斜等震害。在安全距离有保证的情况下，将与变压器连接的高压引线放松，留下缓冲的余度。

加强电力系统通信设备的固定，防止地震时被震倒。通信设备屏柜（含电源柜）四角应与基础可靠连接，加固微波天线基座与基础的连接。进一步完善地震等突发事件的应急机制，加强通信手段，对于枢纽站，可考虑配备卫星电话等。

（6）重视设备的立体布置

因地制宜，对电气设备进行合理的立体布置。当抗震设防烈度为7度及其以上，或场地条件很差时，变电站的电气设备应采用低位式或落地式布置，以降低设备的重心，减小地震反应。

参考文献：

[1]国家标准GB50011-2010《建筑抗震设计规范》，北京：中国建筑工业出版社，2010

[2]国家标准GB50260-2013《电力设施抗震设计规范》，北京：中国计划出版社，2013