隔震减震技术在九度地震烈度区变电工程中的分析和应用

2023-11-11屈军

云南电力技术 2023年5期

屈军

（云南电网有限责任公司昆明供电局，云南昆明 650011）

0 前言

在人类所历经的各类自然灾害中，地震是对人类威胁最大的灾害之一。地震不仅使各类建筑结构在强烈地中遭受严重破坏，并造成整个电网系统功能大幅度受损，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。在汶川大地震中，国家电网公司系统内就有258 座110 千伏及以上变电站、204 条110千伏及以上线路等设施不同程度受损。

1 地震对变电站电力设施的危害

1）电瓷型高压电气设备：包括断路器、隔离开关、电流互感器、电压互感器、支柱绝缘子、避雷器等。这类设备的绝缘部分均由瓷套管组成，其震害特点大多是瓷套管根部断裂。

2）电力变压器：在地震中主要表现一般为主体移位、扭转或倾倒，同时套管、散热器或潜油泵等附件出现不同程度损坏。

3）站内母线：硬母线的破坏主要是支撑母线的棒式支柱绝缘子（一般为瓷柱）在地震作用下折断造成的；软母线自身的强度很高，不易损坏，一般是悬挂母线的绝缘子被拉断。

2 高压设备减隔震技术对比选择

隔震减震技术在民用建筑上已经非常成熟，但电力设施与民用建筑物在功能与构造上有许多不同。目前，我国电力设施有关的抗震设计规范主要有《电力设施抗震设计规范》和《建筑抗震设计规范》，基本上只考虑建筑结构本身的抗震，未考虑高压电气设备抗震，比如变电站内运行在标称电压为6 kV 以上的交直流系统中的以瓷套（支柱）为主要承重结构的设备，及变压器、母线等。传统的抗震设计是弹塑性设计方法，采用增加结构强度的方法来抵御地震。用这种方法设计的建筑在强地震作用下结构框架会发生严重破坏，但不至于倒塌。随着工程结构技术的发展，各种新型隔震减震技术也开始被应用。总体原理就是人为采取一个隔离措施，隔断或减小地震传播到电力设施上的能量，从而减小电力设施所受到的地震破坏。根据目前国内主流技术发展趋势，设备减震技术主要有以下几种：

1）加装橡胶垫；2）加装铅阻尼器；3）加装摩擦阻尼减震器；4）加装钢丝绳减震器和油阻尼器。5）加装弹簧隔震器。5 种技术的应用对比如表1 所示。

表1 不同减隔震技术应用对比

表2 隔震支座规格

从技术、造价、减震效果等方面分析，并对国内市场进行了调研，摩擦阻尼减震器技术在日本、美国有很多应用实例，在国内有少部分厂商生产，同时其价格仅为国外价格的60%左右，在技术上较为成熟，性价比较高。

3 站内高压设备减隔震具体方案分析

110 kV 阿里塘输变电工程位于云南省昆明市嵩明县小街镇，属于对建筑抗震一般地段，地面20 m 深度范围内场地土的类型为中软土，建筑场地类别划分为Ⅱ类，设计地震分组为第二组。特征周期0.40 s。该地区地震基本烈度为9 度，设计基本地震加速度值为0.40g。同时该站址为唯一方案，无法更改。根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）、《电力设施抗震设计规范》（GB50260-2013），《高压开关设备和控制设备的抗震要求》（GB13540-2009-T）的相关要求，本工程按照抗震规范设防地震加速度0.40g地区进行设计，罕遇地震下地面加速度峰值（PGA）为0.60g。并且根据相关条文要求，对地震烈度9 度及以上地区的变电站，需进行抗震验算和隔震减震措施设计和实施。

本工程隔震减震设计目的是：针对不同的电力设施，确定合理具体的减震隔震措施，选择合理的减震隔震参数，达到70%减震隔震效果，使上部结构和高压设备的设防烈度由9 度降低到8 度设防。

3.1.1 变压器隔震分析

1）变压器型号为SSZ11-50000/110GYW。变压器原放置方案为浮放在混凝土基础上，根据《电力设施抗震设计规范》，变压器与混凝土基础之间采用隔震方案：变压器放置在支撑梁上；支撑梁放置在隔震支座上；变压器与支撑梁之间采用焊接或螺栓；支撑梁与隔震支座之间采用高强螺栓连接。

2）隔震支座选择

隔震设计的目标为：将变压器的抗震设防烈度降低1 度（从9 度降到8 度，基本地震加速度从0.40g降低到0.20g），改善变压器的抗震性能，同时保证在风荷载和微小地震下变压器不晃动。经过反复试算和技术比较，本工程采用的隔震支座规格为：GZY200 型，根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010），隔震支座平均压应力不大于15.0 MPa 及罕遇地震位移不大于0.55D（D为隔震支座直径）和3.0 TR（TR 为橡胶层总厚度）的要求，再由隔震结构荷载，确定每个隔震支座的直径。

3）隔震支座性能参数

隔震支座力学性能参数如表3 所示。

表3 隔震支座力学性能

表4 110 kV避雷器减震结构前10阶模态分布

表5 110 kV避雷器原结构与减震结构在不同工况下的分析结果对比

隔震支座的参数采用原则：验算多遇地震时，宜采用隔震支座剪切变形为50%时的水平刚度和等效粘滞阻尼比。验算罕遇地震时，对直径小于600 mm 的隔震支座，宜采用隔震支座剪切变形为250%时的水平刚度和等效粘滞阻尼比；对直径不小于600 mm 的隔震支座，宜采用隔震支座剪切变形为100%时的水平刚度和等效粘滞阻尼比。

4）变压器及支撑梁的计算模型建立

本工程采用sap 2000 进行变压器及支撑梁组成的隔震结构自振特性和地震反应计算。计算分析时，支撑梁采用空间梁柱单元，由于变压器形状非常复杂，难于建模，只能假设变压器荷载均布在六块700×700×20 的钢板上。支撑梁采用HW 400×400×30×50 型钢焊接而成。建立隔震模型时，隔震支座采用Link 单元中的rubberisolator 模拟，设置在支撑梁柱脚。根据隔震分析结果，变压器结构可近似按降低1度设计，达到了本工程的隔震目标。

3.1.2 避雷器等单支柱类设备减震分析

1）110 kV 避雷器型号为：YH10W-108/281 W，高强瓷套的破坏应力为40 MPa，当采用普通瓷套时的破坏应力为20 MPa。

2）减震模型的建立

110 kV 避雷器通过刚性杆与四个弹簧阻尼器连接，弹簧阻尼器下端与支架顶端的钢板刚性连接。弹簧阻尼器由上下各一的向心式摩擦阻尼减震器组成。隔震计算模型与避雷器外形分别见图1 和图2。

图1 隔震计算模型

图2 110kV避雷器设备外形图

3）减震结构的模态分析

通过对减震结构进行模态分析，可以得到减震结构的各阶频率和振型，从分析结果可以看到，安装减震装置后110 kV 避雷器的一阶频率分别为3.84 Hz，相对于原结构10.27 Hz 的频率值降低，减震结构与原结构在模态变化趋势上具有一致性。

由表4 表5 中的分析可以看到：当共振调幅波串的加速度峰值在0.15g和0.3g之间变化时，110 kV 避雷器减震装置的减震效率由14.36% 增大至57.40%，随着共振调幅波串加速度峰值的增大，减震装置进入摩擦阻尼耗能工作状态。在9 度设防地震烈度（共振调幅波串的加速度峰值为0.3 g）作用下110 kV 避雷器原始结构和减震结构瓷套的安全系数分别为1.63 和1.98，减震结构瓷套的安全系数满足规范规定的大于1.67 的要求，说明减震装置能达到预先设定的减震目标，能保证结构在罕遇地震作用下具有良好的工作性能。