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中美变电站隔离开关抗震设防规范的研究

2017-03-21 10:57:51 《智能电网》杂志

摘要:为研究我国电力设备抗震设计规范的适用性,通过研究中美电气设备的抗震设防标准,对比分析了电气设备的分类、设防目标、设防水准等方面之间的差异,提出了我国相关规范的特点。并以隔离开关和接地开关为例,阐述了它的操作要求、评定方法、评定步骤、设计要求和报告内容等。通过美国变电站抗震设防标准的分析研究,借鉴其先进的抗震设计理论,提出了修订我国电气设备抗震设计的建议。

关键词 变电站电气设备,抗震规范,隔离开关,接地开关

1. 引言

地震会造成变电站中电气设备的严重破坏,例如,在汶川地震中,40 台以上变压器发生套管漏油、脱轨等,35 台断路器发生了倾倒,21 组隔离开关出现损坏等情况。电气设备的破坏,不仅造成了巨大的经济损失,而且还影响着抗震救灾工作和国民经济的发展。因此,通过对比研究中美电气设备的抗震设计规范,评价我国电气设备的抗震设防标准的设防水平,对提高我国电气设备的抗震规范,具有十分重要的作用。

1971 年,美国加州 San Fernando 发生地震,造成变电站电气设备损坏严重。1984 年,美国电气与电子工程师协会(IEEE)制定了《变电站抗震设计推荐规程》(IEEE Std 693-1984)。此后,发展到 IEEE Std 693-1997,现行的是 IEEE Std 693-2005 [1]。1976 年,我国唐山发生地震,推动了我国抗震规范的编制。 1996 年,我国颁布了强制性国家标准《电力设施抗震设计规范》(GB 50260-96)。2008 年发生汶川地震后,我国吸取相关经验教训,对 GB 50260 进行了修订,实施了新标准 GB 50260-2013 [2]。

尤红兵等介绍了美国 IEEE Std 693-2005 中电气设备的抗震设防标准[3];解琦等分析了日中美抗震规范在电气设备动力反应放大效应、法兰–瓷套管连接和电气设施振动台试验等方面的不同特点[4]。尤红兵等对比分析了中外电气设备抗震设防标准,从设防目标、设防水准、抗震设计反应谱等方面进行比较 [5]。钟珉等对比研究了中外电气设备设防水准的不同,提出改进我国规范的建议[6] [7]。但上述研究中对中外电气设备的抗震规范的对比研究还不够完善。

本文通过中美电气设备的抗震标准的对比,比较电气设备的分类、设防目标、设防水准等方面之间的差异,指出我国规范的不足。美国标准对 14 种电气设备都进行了详细的规定,并以隔离开关和接地开关为例,详细阐述了其设计规范标准,提出改进我国电气设备的抗震标准的相关建议。

2. 中美电气设备抗震设防相关标准及规范的对比分析

2.1. 电气设备的分类

美国抗震设防标准对电气设备没有明确区分。我国电气设备分为重要和一般电气设备。符合下列条款之一者为重要电力设备:

(1) 单机容量为 300 MW 及以上或规划容量为 800 MW 及以上的火力发电厂;

(2) 停电会造成重要设备严重破坏或危及人身安全的了矿企业的自备电厂;

(3) 设计容量为 750 MW 及以上的水力发电厂;

(4) 220 kV 枢纽变电站,330 kV~750 kV 变电站,330 kV 及以上换流站,500 kV~750 kV 线路大跨越塔,土 400 kV 及以上线路大跨越塔;

(5) 不得中断的电力系统的通信设施;

(6) 经主管部(委)批准的,在地震时必须保障正常供电的其他重要电力设施。其余为一般电力设施。

2.2. 设防目标

我国和美国电气设备均采用两级设防。

GB 50260-2013 规定[2]:对于我国一般电气设备,设防目标为“中震不坏”、“大震可修”,即当遭受到相当于本地区抗震设防烈度及以下的地震影响时,不应损坏,仍可继续使用;当遭受到高于本地区抗震设防烈度相应的罕遇地震影响时,不应严重损坏,经修理后即可恢复使用。对于变电站重要的电气设备,按设防烈度提高 1 度进行设防,即“大震不坏”;但抗震设防烈度为 9 度及以上时不再提高。

美国 IEEE Std 693-2005 规定[1]:当遭遇给定水平的 RRS(需求响应谱(Required Response Spectra,简称RRS))地震时,设备完全无损坏,能继续运行;当遭遇给定水平的PL(抗震性能水平(Performance Levels,简称 PL)地震时,设备稍微损坏,大部分设备能继续运行。

2.3. 设防水准

根据电力设施抗震设计规范(GB 50260-2013)和中国地震动参数区划分图(GB 18306-2015) [8]。一般情况下,我国取 50 年超越概率 10%的地震烈度。多遇地震取 50 年超越概率 63%的地震烈度。罕遇地震取 50 年超越概率 2%的地震烈度。极罕遇地震取年超越概率为 10-4 的地震烈度。

美国 IEEE Std 693-2005 根据工程场地 50 年超越概率 2%的 PGA 决定低、中、高抗震水平。

2.3.1. 设计基本地震加速度

是 II 类场地,应加大其抗震设防水准,适当提高其特征周期。

3. 电气设备的抗震设防规范

美国 IEEE Std 693-2005 附录对断路器、隔离开关、变压器等 14 类电气设备的抗震性能的评定作了详细规定,包括:操作要求、评定方法、评定步骤、设计要求、报告内容等。我国 GB 50260-2013 只对所有电气设备进行了一般规定、设计方法、抗震计算、抗震试验、电气设施布置等,并没有对具体的设备有详细的设防规范要求。下面以隔离开关和接地开关为例分析了美国和我国的设防规范的特点。

3.1. 隔离开关和接地开关的设防规范

3.1.1. 地震水平

美国设防规范中,地震等级分为三类:高、中、低。对于建在高和中抗震水平的场地,均要求所有电压等级的隔离开关、接地开关,也包括支架结构、操作设备、其它附件满足抗震要求。对于建在低抗震水平的场地,仅仅要求隔离开关满足抗震要求。

我国设防规范中,隔离开关和接地开关作为重要电气设施,当抗震设防烈度为 7 度及以上时,应进行抗震设计。

3.1.2. 操作要求

在地震事件中,美国规范中要求隔离开关、接地开关和支持设备等不能发生破坏或者功能损失,并保持操作过程的正确性。我国规范中没有要求。

3.1.3. 设计方法

美国规范中鉴定方法根据电压等级不同,设计方法也不同,分为四种:(1) ≥169 KV 以上,通过时程振动台实验。(2) <169 KV 且≥121 KV,采用动力分析方法。(3) <121 KV 且≥35 KV,采用静力系数方法。 (4) <35 KV,满足构造要求(inherently acceptable)。

我国主要根据不同电气设施特点,分为四类:(1) 对于基频高于 33 Hz 的刚性电气设施,可采用静力法。(2) 对于以剪切变形为主或近似于单质点体系的电气设施,可采用底部剪力法。(3) 除以上两类的电气设施,宜采用振型分解反应谱法。(4) 对于特别不规则或有特殊要求的电气设施,可采用时程分析法进行补充抗震设计。

3.1.4. 评定过程

以美国设防规范为例,对隔离开关和接地开关的评定过程进行了阐述。

测试或分析过程将与隔离开关的开闭状态一起进行。如果包括一个接地开关,在测试或分析过程中,包括隔离开关打开而接地开关关闭、隔离开关和接地开关都打开、隔离开关关闭和接地开关打开三种状态。

(1) 时程振动台测试(Time history shake-table testing)

开关、结构、操作装置和其它相关附件将都装在振动台并进行调整。测试之前,必须核对下正确操作(全开和全闭)。

设备安装和调试完成后,测试过程如下:设备和结构根据相关要求 A.1.2.2 的时程振动测试。主要要求:(a) 为了避免过量试验,在合适范围内,允许试验反应谱 TRS (test response spectrum)的值比需求反应谱 RRS 的值降低一点。(b) 在所有案例中,应该采用 1.1 Hz 的频率点;根据规定分辨率,从这个起点开始测试其它频率点。最大允许频率点的间隔应满足八分之一的,如 fi + 1/fi = 21/n (fi 代表第 i 个的频率点, n 代表 1/8 的个数)。

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