地震作用下附建式变电站电气设备动力响应

李福权,王连锋,蔡粮锴,柏 文,戴君武,李 勇

(1. 深圳供电局有限公司,广东 深圳 518003; 2. 深圳供电规划设计院有限公司,广东 深圳 518054; 3. 中国地震局工程力学研究所地震工程与工程振动重点实验室,黑龙江 哈尔滨 150080; 4. 地震灾害防治应急管理部重点实验室,黑龙江 哈尔滨 150080)

0 引言

电力作为清洁、高效、便捷的终端能源,是居民日常消费最主要且不可或缺的能源,并且随着城市化的不断推进,城区的建筑密度和用电负荷密度日益增大,“十三五”期间居民用电量年均增长8.5%,因此建设一个安全稳定、布局合理的电网成为城市健康发展的重要保障。然而,由于北上广深等一线大城市城区土地资源紧缺,用地成本高,变电站距离居民住宅较近,越来越多城市选择采用附建式变电站来解决这一问题,将变电站中的主控部分作为一个模块附建到建筑中去,同时保留建筑的居住或商业等功能,目前该类变电站以110 kV和220 kV为主[1],以110 kV变电站为例,其主控楼模块需要的最小空间尺寸约为50 m×20 m×12 m,仅需要占据附建结构1000 m2左右的平面空间和三至四层楼高的竖向空间。附建式变电站已在国内十余个城市开始应用,若能全面推广,可以大大缓解城市密集区变电站的用地需求。

附建式变电站内电气设备需要置于楼板上或梁柱上,变电站的建筑结构可能会对地震作用有放大作用,因此附建式变电站内的电气设备的抗震问题也需要重点关注。由于电气设备具有特殊的结构形式,且设备与设备之间连接的管线较多,设备的本体和连接管线在地震作用下容易被破坏,而电力系统一旦在强烈地震中遭受破坏,将会导致周边地区的大面积停电,严重时还有可能引发火灾、爆炸等次生灾害,不利于灾后电力供应的即时恢复,影响抗震救灾的开展和社会的安全稳定。在许多震害调查和文献中都有关于电力系统的震害记载[2-11],1986年North Palm Springs地震、1988年Saguenay地震以及1995年Kobe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等电气设备都遭到了严重破坏。1999年集集7.3级地震,岛内南北电力传输枢纽2座超高压变电站内的电气设备及输电塔均严重受损,致使全台电力几乎瘫痪;1976年我国河北唐山地区发生了7.8级大地震,33座变电站因故障而停运(共37座变电站),导致电网完全处于瘫痪状态,唐山及临近的承德和秦皇岛断电时间超过1个月;2008年发生的汶川8.0级地震造成110 kV及以上变电站停运90座,并且临近省份陕西、甘肃、重庆、山西等地110个县区的电力设施受到不同程度损坏,汶川地震造成电力损失负荷达685万kW,246万户停电,直接经济损失超106亿元,电力系统的瘫痪给灾后救援和生产生活带来极大的困难。其中需要特别注意的是,在1989年洛玛普瑞埃塔7.1级地震、1994年北岭6.7级地震中还存在大量采用了隔振装置的电力设施破坏。

本文通过有限元模拟的方式,采用时程分析法分析附建式变电站内电气设备不采取隔振措施和采取普通隔振措施后,在不同周期类型地震动下电气设备的动力响应。

1 电气设备隔振装置介绍

1.1 弹簧阻尼隔振器

弹簧隔振器是一种隔振元件,一端与振动设备连接,另一端固定在基础上,利用弹簧较低的刚度,这就使设备与基础之间的固接变为弹性连接,能够隔离或者减小电气设备高频振动向基础或楼板传播,从而起到隔振作用。弹簧具备很好的稳定性和疲劳强度[12],是变电站内较早采用的设备隔振装置之一。但是弹簧阻尼较小,耗能能力较差,通常市面上常用的电气设备弹簧隔振器会增加阻尼器来提供一定的阻尼,综合多个减隔震设备厂家提供的阻尼弹簧隔振器产品参数,阻尼弹簧隔振器的隔振系统竖向自振频率为3～6 Hz,系统阻尼比约为0.02～0.06。

弹簧隔振器会依据弹簧的数量、弹簧的规格、阻尼的设置、用途的不同等分为多种类型,常见的一种金属弹簧隔振器如图1所示。

1.2 橡胶隔振垫

隔振垫一般有橡胶、软木、毛毡、玻璃纤维板和金属橡胶板等材质,电气设备隔振采用较多的是橡胶隔振垫和软木隔振垫。

橡胶隔振垫主要是以优质丁睛橡胶(NBR)制造,SD-型橡胶隔振垫的结构如图2所示,橡胶隔振垫的正反面均有条形齿状凸起,上下凸起是错开的,从侧面看像正弦波波形,因为橡胶材料受压时容积压缩量极小,则需要将橡胶垫做成此类异形板,来增加静态压缩量。当电气设备振动传递到橡胶隔振垫上,橡胶材料吸收一部分振动的同时,橡胶隔振垫上凸起部分被压缩,凹槽部分形成一个开放式气囊,可以吸收削减振动振幅[13]。橡胶隔振垫广泛应用于各类机械设备的隔振降噪,对机械高频振动及冲击振动隔离和降低房屋结构固体传声效果显著。

图2 SGD型橡胶隔振垫Fig. 2 SGD rubber vibration isolation pad

综合多个减隔震设备厂家提供的隔振垫产品参数,市面上用于电气设备的橡胶隔振垫的竖向自振频率8～12 Hz,隔振系统阻尼比0.08～0.12。

1.3 空气弹簧隔振器

空气弹簧隔振器又称气垫隔振器,由密闭的柔性橡胶气囊制作而成,气囊内充入压缩空气后就有了弹性,且空气弹簧隔振器的竖向刚度会随着载荷的增大而增大,通过调节气囊内气压便可以改变竖向刚度,因而可以适应不同载荷情况。空气弹簧具备在共振时具有较大的阻尼,阻尼比可达到0.10,而在高频时阻尼小的特点[14],对5 Hz以上的高频振动的隔振率能达到90%以上。空气弹簧可根据其构造分为单层(单囊)、双层(双囊)(图3)、多层(多囊)等多种类型,系统的自振频率和阻尼也会随着气囊的层数和大小而改变。多个空气弹簧隔振器组成的隔振系统可配备一套自适应的气路控制系统,可以随时监测气囊内气压并及时调节。

图3 双层空气弹簧Fig. 3 Double air spring

综合多个减隔震设备厂家提供的空气弹簧产品参数,用于电气设备的空气弹簧的竖向自振频率1.5～5.3 Hz,隔振系统阻尼比0.05～0.10。

1.4 双层隔振装置

弹簧隔振器、隔振垫和空气弹簧等隔振装置均存在一定的优点和缺点,洪陈玉[15]用四端参数法揭示了单层隔振效果不佳的一个重要原因是基础的刚性不足,因此,孙春平[16]、杨龙宇[17]、吴祺[18]、汪海涛[19]提出电气设备双层隔振。双层隔振装置的隔振频域范围更广,不仅能更好地隔离电气设备的高频振动,还能隔离一定的低频成分。双层隔振装置上层是横向刚度小、易于传递高频振动但低频隔振性能好的金属弹簧隔振器,用于隔离低频振动和部分高频振动,双层隔振装置下层是横向刚度较大的橡胶隔振垫,用于避免设备和上层弹簧隔振器水平晃动过大,其作用隔离高频振动。双层隔振系统中间会设置质量块,一是用来安装上层的弹簧隔振器,二是用来调节隔振系统的重心。

1.5 磁流变弹性体

磁流变弹性体(magneto rheological elastomer, MRE)是将铁磁性颗粒均匀混合到基材中,得到的材料兼具磁流变材料和弹性体的优点,基材通常为人工或天然橡胶、弹性体材料(硅橡胶)、聚合物材料(聚氨酯)等[20-21]。铁磁性颗粒在橡胶中形成近似链状结构,可以通过外界磁场的变化来控制磁流变弹性体的剪切模量、刚度和阻尼,且对于其应用装置的结构具有免密封、性能稳定、快速响应等特点,因而可以应用于对小振动的抑制[22]。

磁流变弹性体最早由RIGBI等[23]在1983年提出,但主要被用于军事领域,在民用领域多用于汽车减振,却很少有人提出将其应用于变电站电气设备隔振,吴丹[24]在2016年提出基于磁流变弹性体设计的半主动隔振器,并通过理论推导加有限元模拟的方式验证了装置针对变压器等高频振动电气设备隔振的有效性。王文静等[25]提出了基于磁流变弹性体的电力变压器主动减振系统,通过仿真模型对比该系统在谐波激励、冲击激励和随机激励下减振性能。目前尚未有基于磁流变弹性体设计的隔振装置应用于电气设备隔振的实际案例,但磁流变弹性体隔振器具有结构简单、竖向刚度和阻尼可控等特点,方便根据不同类型、大小的电气设备调整合适的隔振参数,对于变电站内电气设备的振动和噪声控制具有一定的研究和应用价值。

2 有限元模型及分析方法

2.1 结构概况

本文选取了某地区220 kV附建式变电站为研究对象,进行了有限元建模和动力时程分析。该附建式变电站是变电站和商业公寓综合体,整体结构包括地下4层,地上6层,地下4层主体部分为框架剪力墙结构,地下附属2层及地上结构为框架结构,配变电设施布置在地下4层及地上2层,地上三至六层为商业公寓,结构总高度23.55 m,地下室底层标高-17.65 m,结构总长71.5 m,宽52.6 m,其中商业公寓部分,三层层高3.9 m,四至六层层高3.3 m。结构有限元模型如图4所示。变电站内配变电设施和功能室主要分布如下:GIS室和电容器室位于主体地下二层和三层;电缆层位于主体地下四层及主体地下一层、附属地下一层;主变室位于地上附属结构一层和二层;配电室和警传室位于主体结构地上一层;电抗器室位于主体结构和附属结构交界处地上一层;培训房和继电器及通信室位于主体结构地上二层。结构前6阶周期分别为:2.09、2.03、1.67、0.67、0.63、0.60 s,前3阶竖向自振周期为:0.46、0.42、0.40 s。

图4 附建式变电站有限元模型Fig. 4 Finite element model of co-construction substation

2.2 分析方法

GB 50260—2013《电力设施抗震设计规范》[26]5.0.3节中规定设计基本地震加速度应根据现行国家标准GB 18306—2015《中国地震动参数区划图》[27]取电气设施所在地的地震动峰值加速度,《电力设施抗震设计规范》中表5.0.3给出6～9度区的设计基本地震加速度,6度(0.05g)、7度(0.1g)、7度(0.15g)、8度(0.2g)、8度(0.3g)、9度(0.4g)。

美国IEEE693标准是目前最主要的变电站抗震设计标准及电气设备抗震性能鉴定的标准和方法,IEEE 693标准规定电气设备本体设计采用静力设计方法,地表加速度分3个等级,高抗震等级为0.5g;中抗震等级为0.25g;低抗震等级为不考虑。

日本电气设备抗震设计指南JEAG 5003中指出电气设备抗震设计初期采用静力法,对变压器和瓷质设备均考虑0.5g加速度进行静力设计。

本文的目的是研究地震作用下附建式变电站内电气设备的动力响应,通过数值模拟的方法验证结构和普通隔振装置对竖向地震作用放大情况,特别是对不同周期类型地震动竖向作用放大情况。本文通过时程分析法计算无控、阻尼弹簧隔振器和橡胶隔振垫3种方案下电气设备的动力响应,地震动峰值加速度取0.2g(8度中震),阻尼弹簧隔振器隔振系统竖向自振频率取5 Hz,阻尼比取0.02,橡胶隔振垫隔振系统竖向自振频率取10 Hz,阻尼比取0.10。

2.3 地震动选取

附建式变电站内的电气设备置于建筑结构中,不同的楼层会对地震作用有一定的放大效应,《电力设施抗震设计规范》规定对安装在室内二、三层楼板上的电气设备,建筑物的动力放大系数应取2.0。谢强等[2,4,15-17]研究发现,户内变电站主控楼结构二层楼面峰值加速度放大系数平均值为1.35,当电气设备与主控楼结构的周期比为0.9～1.1区间时,主控楼平均楼面谱放大系数曲线达到最大值4.80。电气设备在地震下的加速度响应受建筑结构内电气设备所在楼面的地震响应、电气设备隔振系统自振周期和地震动的频谱特性影响,为充分评估震振双控装置的隔震性能应考虑不同频谱类型地震动的影响,依据GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》[28](以下简称《抗规》)和《电力设施抗震设计规范》选取了7条地震动进行计算,其中包含2条人工波(RH1、RH2)和5条天然波(El Centro波、卧龙波、Northridge波、Landers波、Chi-Chi波),依据李雪红等[29]提出的βl界定参数将7条地震动分为短周期(RH1、卧龙波、El Centro)、中周期(RH2、Northridge波)和长周期(Landers波、Chi-Chi波)。地震动输入按《抗规》条文说明5.1.2规定的1∶0.85∶0.65输入。地震动的基本信息如表1所示,7条地震动归一化后的时程曲线如图5～图11所示。

表1 地震动信息Table 1 Ground motion informations

图5 人工波RH1时程曲线Fig. 5 Artificial wave RH1 time history curves

图6 卧龙波时程曲线Fig. 6 Wolong wave time history curves

图7 El Centro波时程曲线Fig. 7 El Centro wave time history curves

图8 人工波RH2时程曲线Fig. 8 Artificial wave RH2 time history curves

图9 Northridge波时程曲线Fig. 9 Northridge wave time history curves

图10 Landers波时程曲线Fig. 10 Landers wave time history curves

图11 Chi-Chi波时程曲线Fig. 11 Chi-Chi wave time history curves

3 设备处动力响应对比

3.1 无控方案下设备动力响应

本节主要对比在无控、阻尼弹簧隔振器和橡胶隔振垫3种方案下的设备下方楼板处的加速度响应和设备上的加速度响应。

在结构不采取隔震措施下,建筑主体结构会对地面加速度有一定的放大作用,即楼层加速度大于基础处输入的加速度,《电力设施抗震设计规范》要求电气设备位于室内底层时,建筑物的动力反应放大系数不宜小于1.2,置于室内二层和三层时,建筑物的动力反应放大系数应取2.0。然而不同地方的附建式变电站结构设计各具特色,简单的用放大系数进行抗震设计可能会趋于保守或偏于不安全,针对本文附建式变电站算例,通过有限元时程分析计算了无控方案下设备层楼板处的加速度响应,输入地震动调幅至8度中震(0.2g),无控方案计算结果如表2所示。

表2 无控方案下各节点加速度响应Table 2 Acceleration response of each node under uncontrolled scheme g

由表2可知,结构在设备所在楼板边缘处的水平地震作用响应相比于基础处放大了2～4倍,竖向地震作用响应放大了1.5～3倍,楼板中心处的水平地震作用和楼板边缘处基本一致,但竖向地震作用放大了2～3倍,楼板中心处的竖向地震作用相较于基础处放大3～9倍,楼板中心处的加速度响应相较于基础处输入的8度中震水平(0.2g)放大到九度中震(0.4g),甚至9度大震(0.63g)水平,因此对于电气设备抗震,将电气设备置于板边和梁上有利于竖向抗震,若因电气设备体积较大不便改变安装位置,可在楼板下增设梁以减小楼板对竖向地震作用放大的影响。

3.2 阻尼弹簧隔振方案下设备动力响应

在阻尼弹簧隔振方案下,基础输入、设备层楼板及设备加速度对比如表3所示。

表3 阻尼弹簧隔振方案下各节点加速度响应Table 3 Acceleration response of each node under damping spring vibration isolation scheme

续表

由表3可知,在阻尼弹簧隔振方案下,设备所在楼板边缘处的地震作用响应与设备所在楼板中心的水平地震作用响应与无控方案基本一致。楼板中心处的竖向地震作用响应与无控方案差距较大,在Chi-Chi地震动激励下,楼板中心处加速度响应较无控方案放大了0.16g,其余6条地震动激励下,楼板中心处的加速度响应均有所减小。在卧龙和Northridge地震动激励下,阻尼弹簧存在一定隔振效果,但隔震效果很小,在其余5条不同频谱特性的地震动激励下,阻尼弹簧隔振器不仅没有起到隔震的作用,在El Centro、RH2、Landers、Chi-Chi地震动激励下,电气设备处加速度响应较楼板中心处均放大了3～4倍,甚至远超9度大震(0.63g)水平,可以预见的是,在如此大的地震作用下,电气设备将会遭受非常大的破坏。

对比无控方案,楼板中心处加速度响应有所减小,电气设备加速度响应有所放大,主要是因为电气设备和阻尼弹簧隔振器组成了一个小型TMD系统,对楼板起到竖向减震作用,但此时放大了电气设备地震响应,对于电气设备是非常不利的,同时楼板处还存在较大的水平地震作用,阻尼弹簧隔振器若未采取抗剪措施,在地震作用下易造成电气设备倾覆。

3.3 橡胶隔振垫方案下设备动力响应

在橡胶隔振垫隔振方案下,基础输入、设备层楼板及设备等节点加速度对比如表4所示。

由表4可知,在橡胶隔振支座/垫隔振方案下,设备所在楼板边缘处的地震作用响应与设备所在楼板中心的水平地震作用响应与无控方案基本一致。楼板中心处的竖向地震作用响应与无控方案差距较大,在Chi-Chi地震动激励下,楼板中心处加速度响应较无控方案放大了0.1g,其余6条地震动激励下,楼板中心处的加速度响应均有所减小,卧龙地震动激励下,楼板中心加速度响应减小了0.47g。在7条不同频谱特性的地震动激励下,橡胶隔振支座/垫不仅没有起到隔震的作用,对于竖向地震作用均有不同程度的放大,对于短周期地震动激励下,设备处的加速度响应是楼板中心处的1.5倍左右,对于中长周期地震动激励下,设备处的加速度响应是楼板中心处的1.1～1.3倍左右,短周期地震动对于橡胶隔振支座/垫隔振系统更不利,但设备处加速度放大情况较阻尼弹簧隔振器有所改善,主要原因是橡胶材料临界阻尼较大,能够很好地抑制共振峰。

附建式变电站电气设备“上楼”,既面临振动噪声扰民问题,也面临地震下安全性问题,通常在采用普通隔振装置后,电气设备在地震下加速度响应会更大,因此附建式变电站内电气设备抗震应充分考虑隔振装置对抗震的负面效果。

4 结论

附建式变电站内部的电抗器等设备存在工作振动,为了降低其工作振动的不利响应,需要采取隔振措施。目前,绝大部分隔振措施只考虑了设备自身的高频微幅振动,缺乏对地震荷载的考虑,这在地震来临时可能造成极其不利的影响。

本文通过有限元分析方法,构建了附建式变电站-设备的一体化模型,对比了附建式变电站内部电气设备在无控、阻尼弹簧隔振器、橡胶隔振垫3种方案下,面对不同周期类型地震动时的动力响应情况,并得出以下结论:

1)附建式变电站大部分电气设备需要布置于楼板上,而结构会对地震有一定的放大作用,放大情况与结构和所在楼层有关,楼板中心处的竖向地震作用相较于同层梁柱节点处放大2～3倍。

2)常用电气设备隔振装置如弹簧阻尼隔振器和橡胶隔振垫等在地震激励下可能都无法起到预期的隔震作用,反而会放大地震竖向作用。在弹簧阻尼隔振器这种相对低频率低阻尼的隔振方案下,电气设备在中长周期地震作用下更不利,在橡胶隔振垫这种相对高频率高阻尼的隔振方案下,对竖向地震作用放大虽然不多,但对于电气设备抗震来说,都是不利于电气设备安全的。

3)电力设施抗震设计规范缺乏对隔振设备抗震设计的专门考虑,对此类情况的地震反应放大系数考虑不足,在之后的修订中应做补充。