全戶內變電站樓面電氣設備抗震設計

張肖峰，袁灼光，黎玉婷，胡樂生，陳荔

（1.中國能源建設集團廣東省電力設計研究院有限公司，廣州 510663；2.廣東電網有限責任公司東莞供電局，廣東 東莞 523287)

1 引言

電力系統(tǒng)是重要的社會基礎設施，事關人們的正常生產和生活，一旦因遭受地震而破壞，就會影響社會正常供電。本文根據實際電力系統(tǒng)工程，建立樓面電氣設備整體有限元分析模型，提出一種新的且適用于全戶內變電站樓面電氣設備的抗震設計方法。

2 全戶內變電站概述

國家電力系統(tǒng)要求一棟民用建筑（5層及以上高度）需要安裝全戶內變電站進行工程電力分配。該變電站需具備以下設備及其安裝空間：1層安裝變壓器及電纜；2層安裝10 kV配電設備和電抗、接地設備；3層安裝110 kV GIS（氣體隔離金屬閉合開關）和電容設備；4層安裝通信、繼電保護裝置和蓄電池等；5層安裝GIS系統(tǒng)。

由于火災的危險等級不同，可以將設計分為3類進行：消防栓設計（包括室內和室外）、噴霧系統(tǒng)設計（變壓器工作區(qū)域）及3層電容設備滅火方案設計。

3 戶內變電站及電氣設備介紹

電力設備在多次的地震中受到很大的損害，其抗震能力是影響電網安全的重要因素之一，因此，需要加強對其設計的研究。戶內變電站具備節(jié)能、節(jié)地、可靠的供電特性等諸多優(yōu)勢[1]，已經被廣泛應用到了城市電網建設中。全戶內變電站主控樓-樓面電氣設備整體結構的計算模型如圖1所示。

樓面電氣設備所受的地震作用為：

式中，Fe為樓面電氣設備所受地震作用力，kN；α為相應于主控樓結構所在地的設計地震加速度，m/s2；γ為主控樓樓面的最大加速度放大系數；β為加速度放大系數；me為樓面電氣設備的質量，kg。

3.1 戶內變電站生產綜合樓結構

以某220 kV戶內變電站為例，其樓面結構是鋼混框架結構，分為3層，地下2層，地上1層。生產綜合樓長48.00 m、寬29.00 m、高19.00 m。柱距為：東西方向12.00 m、南北方向12.50 m，地下室層高為3.0 m，由下至上3層層高依次為5.3 m、4.5 m、4.5 m。各向框架柱的截面積為900 mm×900 mm、700 mm×700 mm和650 mm×650 mm，梁的大小為400 mm×900 mm、400 mm×700 mm和350 mm×700 mm。1層、2層樓板厚度為120 mm，頂層樓板厚度為110 mm。在低端電纜層附近，用厚度為350 mm的剪力墻作為擋墻。梁、柱、剪力墻、樓面均使用C30、彈性模量為3.0×104MPa、泊松比為0.25、密度為2 500 kg/mm3的混凝土，整個生產綜合樓的主體結構由鋼筋混凝土框架構成。

3.2 樓面GI S電氣設備

220 kV的樓面GIS組合電氣設備由以下部件組成：1套Ⅰ、Ⅱ母設備間隔、1套母聯間隔、3套主變進線間隔、6套出線間隔，使用的套管內壁厚度≥0.006 m、直徑≥0.400 m。GIS進線段的套管從2樓隔墻上引出，懸掛于鋼吊桿上，并與1樓的主變頂板座相連。110 kV的GIS電氣設備套管直徑和壁厚相對于220 kV設備分別增加0.1 m和0.002 m。但材質完全相同，均采用密度7.85 kg/mm3、彈性模數206 GPa、泊松比0.3的鋼管。所有的電氣設備總和稱之為樓面的附屬結構模型。

4 有限元建模及動力特性分析

4.1 有限元模型

采用ABAQUS有限元分析軟件進行建模，建立了主體結構模型、樓層GIS電氣設備模型、主輔結構模型。利用地面GIS的主體結構模型和電氣設備模式將主體結構與地面設備強制分離，并且為了便利分析和研究，將其分為2個單元結構。從整個模型方面分析，主-附結構模型的主體采用地面GIS電氣裝置，對結構模型進行全面驗算，先分別分析各單元，再對單元和主體結構的聯結情況進行研究與分析。圖2為樓面GIS電氣設備有限元分析模型。

4.2 動力特性分析

利用有限元軟件，對主結構、地面GIS的電氣裝置及主-附結構模型進行了動態(tài)性能的研究。第一級振型為X方向的平動，頻率為1.512 Hz；樓面GIS電子裝置的一級模態(tài)為7.420 Hz，是2號懸臂套的局部振動。考慮到樓面GIS系統(tǒng)的電氣設備質量與性能，質量良好，剛度較大，1階頻率要顯著高于主結構頻率，自振頻率降低不明顯。

從振動頻率看，主-附結構模式前3個階段的頻率和主結構模式的頻率相似，差距較小，不超過3.0%。這主要由于主-附結構模式的前3階模式與主結構模式的前3階模式構式類似，結構方式都是平移和扭轉。從4階模式起，由于樓面GIS電子設備的存在與整體樓面共同發(fā)生振動，導致兩種模式的自振頻率差異較大。在地震反應分析中，可以發(fā)現前3階的模式中都是長懸臂套管出現了局部振動，因而長臂套管是需要重點加強抗震設計的構件。

5 地震響應分析

5.1 地震波的選擇

發(fā)生地震時，地震波會以震源為中心向四周傳播擴散，為保證地震響應分析的科學性和準確性，必須選擇合適的地震波。根據區(qū)域地震情況確定地震波形式和大小，確保地震波在反應譜所覆蓋范圍內。本文所分析案例位于7度設防地區(qū)，其基礎的地震加速度是0.15g，設定地震分類為第二組，場地類型為Ⅲ類。選取5個天然地震波和2個人工地震波進行時程反應的觀察和計算。5個天然地震波分別為：Kobe波、Westmorland波、ElCentro波、Delta波、Darfield波；兩個人工地震波根據電力抗震技術要求進行人工合成。

在輸入地震波之前，需將7個地震波進行標準化，然后向X、Y、Z這3個方向輸入地震波，其加速度最大值比例為1.05∶0.80∶0.75。 主-附結構和主結構模式的前3階頻率為1.455~1.806 Hz，頻率浮動范圍不超出需求譜的允許范圍，并且所選擇的5次自然地震和2次人造地震波的加速度響應譜均能滿足分析需求。

5.2 主-附結構模型的地震響應分析

5.2.1 主結構對地震動的加速度放大作用

全戶內變電站樓面GIS電子裝置安裝在主建筑地面上，遭遇地震時，電子設置裝置便會利用主體結構的放大作用，將地震波傳遞到電器設備上。由于主體結構不是無限剛度，所以，在樓板上的加速度最大值比地板上的加速度最大值大。在Kobe地震波的輸入下，2樓的X向加速度峰值達到6.79 m/s2，3樓的X方向加速度峰值為10.36 m/s2。在7種不同的地震波作用下，分別對X方向、Y方向的主結構樓面的加速度增大系數進行了計算?？梢源_定，盡管地下1樓是剪力墻結構建筑，但仍具有一定的放大效應，平均加速度峰值放大系數是1.1。在2樓，X方向平均加速度峰值放大系數為1.57，Y方向的平均加速度峰值放大系數為1.56。在某些地震情況下，2樓的加速度峰值放大系數可以達到2.19。在3樓，X方向的加速度峰值放大系數為2.17。在某些地震情況下，3樓的加速度峰值放大系數可達到2.34。而在屋頂位置，X方向平均加速度峰值放大系數為2.39，Y方向的平均加速度峰值放大系數為2.22。2層、3層的電器設施的動力反應放大系數為2.0。通過數據分析可以得到，這種功率放大系數并不能完全覆蓋加速度的峰值放大系數，因此，2樓的動力反應放大系數選取2.0，3樓的動態(tài)響應放大系數選取2.5。

抽取地面、2層、3層樓面及屋頂X向加速度的時程響應數據，并繪出2%阻尼率的加速度反應譜計算結果。在低頻階段（0.1~1 Hz)，每一樓層的加速度響應頻譜與地面輸入地震的響應譜基本保持一致；在1~3 Hz的中頻階段，每一樓層的地震加速度響應譜比從地表輸入的響應譜多，具有較大的放大作用。根據計算，地面GIS電氣裝置的基礎頻率為7.420 Hz，為響應波段的高頻率，而主結構的基本頻率為1.512 Hz，為響應波段的中間頻率。當地震出現建筑物自振頻率與裝置頻率相近時，受到類共振的影響地面GIS電氣裝置能夠有效感知放大地震波，同時也能夠對地震做出響應。假設樓板設備剛度＞3 Hz，也就是超過大樓剛度，這時將無法與大樓產生強共振，但樓板設備的最大加速度頻譜將與樓面的最大加速度反應譜類似，也能夠對地震波作出影響。地震發(fā)生時，受到地震波的影響，樓面的最大加速度響應放大，因而在高頻時，各層的反應譜都大于地表，而且這種影響隨著樓層的增加而增加。

5.2.2 樓面GIS電氣設備地震響應

一旦發(fā)生地震，主結構和樓面的GIS電氣設備會快速放大來自地面的地震波，而主-附結構模型也將對地震作出響應。通常來說，樓層中的GIS電氣設備都是通過主變連接的GIS套管連接到屋頂上，正是由于主變壓器和懸臂式套管相連，變壓器和提升座將會在一定程度上增大地面震動。從主變上部懸臂梁端的加速度時程和MISES應力時程曲線中，可以得到3個地震輸入點，即包括主變提升臺、2層樓面GIS系統(tǒng)以及屋頂樓板。3個地震輸入點同時輸入地震波，井筒末端X向加速度最大值達到7.36 m/s，比地表輸入高2.37倍。同時，在Kobe波作用下，提取了懸臂套末端的垂直加速度時程，其最大垂直加速度為5.52 m/s2，比地表輸入速度高出2.74倍。同時，利用MISES應力時程分析，發(fā)生地震時，樓面GIS電氣設備的懸臂套管會產生強烈的豎向振動，形成應力響應。另外，樓面GIS電氣設備本身也會受到多點地震輸入的影響，具體體現在其軸向端常有較大的應力集中，Kobe地震波的影響使其應力峰值達到51.2 MPa。

6 結語

綜上所述，本文應用ABAQUS有限元分析方法，對220 kV戶內變電所的生產綜合樓及樓面GIS的電氣裝置進行了有限元模型分析，著重研究了主-附結構模型、主結構模型以及地面GIS電氣裝置模型對地震的反應，以提高電氣設備抗震水平，保障電氣設備的安全。