变电站电气设备抗震设计规范.doc

ICSCSEE E中国电机工程学会标准T/CSEE XXXXYYYY变电站电气设备抗震设计规范Code for seismic design of substation electrical equipmenXXXX - XX - XX发布XXXX - XX - XX实施中国电机工程学会发布T/CSEE XXXX-YYYY目次前言II1总则12规范性引用文件13术语和符号14电气设备的抗震设计44.1基本原则44.2地震作用44.3抗震设计与计算74.4悬吊设备104.5抗震试验115设备耦联连接的抗震设计115.1说明115.2软导线连接的电气设备抗震设计115.3软导线连接的电气设备净距校核135.4硬导线连接的电气设备抗震设计146设备安装及减隔震设计146.1基本规定146.2设备基础连接设计146.3电气设备安装设计146.4电气设备隔震与消能减震设计15图地震影响系数曲线5图4.4.1悬吊设备组成部分10图5.2.3软导线的推荐形状13表4.2.1-1水平地震影响系数最大值5表4.2.1-2 特征周期表6表4.2.1-3地震影响系数最大值场地调整系数7表5.2.4单分裂及双分裂软导线的等效端子力13前言本标准按照中国电机工程学会团体标准管理办法（暂行）的要求，依据GB/T 1.12009标准化工作导则 第1部分：标准的结构和编写的规则起草。本标准制定的主要技术内容包括：规定了适用范围（见第1章）；明确了本标准适用的术语和定义（见第3章）；对变电站单体设备的抗震设计提出建议（见第4章）；对变电站设备耦联连接的抗震设计提出建议（见第5章）；对设备安装及减隔震设计提出建议（见第6章）。本标准的某些内容可能涉及专利，本标准的发布机构不承担识别这些专利的责任。本标准由中国电机工程学会提出。本标准由中国电机工程学会变电专业委员会技术提出并解释。本标准起草单位：同济大学、西安西电电气研究院有限责任公司、中国电力科学研究院、电力规划总院有限公司、南方电网科学研究院有限责任公司、中国电力顾问集团公司西北电力设计院、中国电力顾问集团公司西南电力设计院、中国电力顾问集团公司华北电力设计院、中国电力顾问集团公司华东电力设计院、北方工业大学、重庆大学、中国地震局工程力学研究所、中国地震局灾害防御中心、广东电力设计院有限公司、国网山东省电力公司经济技术研究院、河南省电力设计研究院、国网四川省电力公司电力科学研究院、云南电网有限责任公司电力科学研究院、中国水利科学研究院、特变电工股份有限公司、四川省电力勘测设计研究院有限公司、西安高压电器研究院有限责任公司。本标准主要起草人：谢强、薛松涛、党镇平、卢智成、颜士海、贺瑞、朱瑞元、卓然、朱晓利、余波、庞亚东、王晓京、曹枚根、刘立平、王涛、尤红兵、韦文兵、廖德芳、孙启刚、王健生、曹永兴、徐肖伟、胡晓、辛朝辉、李秋熠。本标准为首次发布。本标准执行过程中的意见或建议反馈至中国电机工程学会标准执行办公室（地址：北京市西城区白广路二条1 号，100761，网址：http：/，邮箱：）。15变电站电气设备抗震设计规范1 总则1.1本标准适用于110 kV及以上变电站电气设备及其连接的抗震设计，包括电气设备本体、设备间耦联及设备与基础连接的抗震设计。1.2 变电站电力设备的抗震设防烈度或地震动参数应根据现行国家标准中国地震动参数区划图GB 18306 的有关规定确定。 1.3 当变电站所在区域抗震设防烈度为6度及以上时，应进行电气设备抗震设计。1.4 抗震设防烈度为68度地区，新建、扩建的220kV枢纽变电站和330kV及以上的变电站内电气设备，按抗震设防烈度提高 1 度设防。1.5 当遭受到本地区抗震设防烈度及以下的地震作用时，按本标准设计的变电站电气设备不应损坏，能继续使用。当遭受到高于本地区抗震设防烈度的罕遇地震影响时，按本标准设计的变电站电气设备可能发生损坏，经一般性修理仍可继续使用。2 规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅所注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T 2424.25 电工电子产品环境试验 第3部分：试验导则 地震试验方法GB 18306 中国地震动参数区划图GB 50011 建筑抗震设计规范GB 50223 建筑工程抗震设防分类标准GB 50260-2013 电力设施抗震设计规范GB 20688.3 橡胶支座 第3部分：建筑隔震橡胶支座DL/T 5222 导体和电器选择设计技术规定T/CSEE 0010-2016 1 000 kV变电站抗震设计规范3 术语和符号3.1 术语下列术语和定义适用于本文件。3.1.1 抗震设防烈度 seismic precautionary intensity按国家规定的权限批准作为一个地区抗震设防依据的地震烈度。一般情况下，取50年内超越概率10%的地震烈度。GB 50260-2013,定义.2 场地 site工程群体所在地，具有相似的反应谱特征。其范围相当于厂区、居民小区和自然村或不小于1.Okm2 的平面面积。GB 50260-2013,定义.3 地震作用 earthquake action由地震动引起的结构动态作用，包括水平地震作用和竖向地震作用。GB 50260-2013,定义.4 设计基本地震加速度 design basic acceleration of ground motion50 年设计基准期超越概率10% 的地震加速度值，为一般建设工程抗震设计地震加速度取值。GB 50260-2013,定义.5 设计特征周期 design characteristic period of ground motion抗震设计用的地震影响系数曲线中，反映地震震级、震中距和场地类别等因素的下降段起始点对应的周期值，简称特征周期。GB 50260-2013,定义.6 抗震措施 seismic measures除地震作用计算和抗力计算以外的抗震设计内容，包括抗震构造措施。GB 50260-2013,定义.7 抗震构造措施 detail of seismic design根据抗震概念设计原则，一般不需计算而对结构和非结构各部分必须采取的各种细部要求。GB 50260-2013,定义.8 固有频率 natural frequency只取决于结构本身物理特性（质量、刚度和阻尼）的自由振动频率。GB 50260-2013,定义.9 时程曲线 time history curve加速度、速度、位移等物理量与时间的关系曲线分别称为加速度、速度、位移时程曲线。GB 50260-2013,定义.10 单体设备 standalone equipment未通过导线与其他设备相连的电气设备。3.1.11 耦联设备 coupling equipment通过导线连接的相邻电气设备。3.1.12 等效端子力法 Equivalent Terminal Force (ETF) method通过在设备终端施加一个力来考虑导线相互作用影响的方法。3.2 符号下列符号本文件。3.2.1 作用和作用效应：地震作用效应与其他荷载效应的基本组合；设备自重标准值（包括设备本体、连接软导线组合引下线、附属连金具等重量）计算所得效应值；地震作用标准值计算所得效应值； 风荷载标准值计算所得效应值；端子拉力标准值计算所得效应值；设备内部压力标准值计算所得效应值。3.2.2 抗力和材料性能：瓷套管的弹性模量；瓷套管的抗弯刚度；结构(设备)构件承载力设计值；结构(设备)构件的刚度；地震作用和其他荷载产生的总应力；设备或材料的破坏应力。3.2.3 几何参数：电气设施体系重心高度；计算断面处距底部高度；瓷套管与法兰胶装高度；截面惯性矩；瓷套管胶装部位外径；梁单元长度；法兰与瓷套管之间的间隙距离。3.2.4 计算系数：水平地震影响系数； 水平地震影响系数最大值； 结构自振周期；衰减指数； 地震影响系数曲线中直线下降段的下降斜率调整系数； 阻尼调整系数；结构阻尼比；设计基本地震加速度。4 电气设备的抗震设计4.1 基本原则4.1.1 电气设备的抗震设计分析宜采用下列方法：1 对于基频高于33Hz的刚性电气设备，可采用静力法；2 对于以一阶振型变形为主或近似于单质点体系的电气设备，可采用底部剪力法；3 除上述以外的电气设备，宜采用振型分解反应谱法或时程分析法；4 对于特别不规则或有特殊要求的电气设备，宜采用时程分析法；对于悬挂设备和带有明显非线性的电气设备应采用时程分析法。4.1.2 对新型设备或结构改型较大的设备，应通过地震模拟振动台试验验证其抗震能力；对由于尺寸、重量或复杂性等原因而不具备整体试验条件的设备，或已经通过试验而又改型不大的设备，可以采用部分试验或试验与分析相结合的方法进行验证。4.2 地震作用4.2.1 地震影响系数1 水平地震影响系数最大值 与设计基本地震加速度、电气设备设计地震加速度分别相对应的水平地震影响系数最大值，在电气设备结构阻尼比为5%时应按表4.2.1-1采用。表4.2.1-1 水平地震影响系数最大值抗震设防烈度6789设计基本地震加速度对应的地震影响系数最大值0.1250.25a0.375 b0.50a0.75b1.00 设备设计地震加速度对应的地震影响系数最大值0.250.50 a0.75b1.00a1.25b1.25a 其数值分别对应于设计基本地震加速度为 0.1g和 0.2g的地区；b 其数值分别对应于设计基本地震加速度为 0.15g和 0.30g的地区。 2 场地条件不明确时地震影响系数 计算地震作用的地震影响系数曲线如图所示，其中场地特征周期取包络值 0.9s。图 地震影响系数曲线图 中形状参数应符合下列规定： a) 水平段，周期小于 0.03 s 的区段； b) 直线上升段，自 0.03 s 至 0.1 s 的区段； c) 水平段，自 0.1s 至 0.9s 的区段； d) 曲线下降段，自 0.9s 至 4.5s 的区段； e) 直线下降段，自 4.5s 至 6s 区段。 周期大于 6.0s 的结构所采用的地震影响系数应专门研究。地震影响系数曲线表达式按式（4.2.1）式（4.2.4）计算： （4.2.1） （4.2.2） （4.2.3） （4.2.4）式中： 水平地震影响系数； 水平地震影响系数最大值； 结构自振周期；曲线下降段的衰减指数； 直线下降段的下降斜率调整系数，小于 0 时取 0； 阻尼调整系数，当小于 0.55 时，应取 0.55；结构阻尼比。3 场地条件明确时地震影响系数 a) 应采用表4.2.1-1中电气设备设计地震加速度相对应的地震影响系数；a) 计算地震影响系数所需的特征周期，根据电气设备所在地的设计地震分组和场地类别按表4.2.1-2采用；表 4.2.1-2 特征周期表 单位：s设计地震分组场地类别01第一组0.250.300.400.500.70第二组0.300.350.450.600.80第三组0.350.400.500.700.95计算地震作用的地震影响系数中的地震影响系数最大值场地调整系数，应按照表4.2.1-3 执行，其他参数按照本标准中的4.2.1第2节取值。表4.2.1-3 地震影响系数最大值场地调整系数场地类别设计基本地震加速度g0.000.300.4000.720.740.750.760.850.9010.800.820.830.850.951.001.001.001.001.001.001.001.3001.001.0001.000.950.904.3 抗震设计与计算4.3.1 当电气设备有支承结构时，应充分考虑支承结构的动力放大作用，并符合下列规定：1 当支架设计参数确定时，应将支架与电气设备作为一个整体进行抗震设计；2 当支架设计参数缺乏时，对于预期安装在室外、室内底层、地下洞内、地下变电站底层地面上或低矮支架上的电气设备，特高压设备支架动力反应放大系数不宜小于1.4，其他电压等级设备支架动力反应放大系数不宜小于1.2；3 安装在室内二、三层楼板上的电气设备和电气装置，建筑物的动力反应放大系数取2.0；对于更高楼层上的电气设备和电气装置，应专门研究；4 安装在变压器、电抗器的本体上的部件，动力反应放大系数取2.0；5 安装在建筑物一层墙体结构上的电气设备和电气装置，动力反应放大系数可取2.0；对于更高楼层墙体结构上的电气设备和电气装置，应专门研究。4.3.2 若仅作电气设备本体的抗震设计分析时，地震输入加速度应乘以支承结构动力反应放大系数。4.3.3 当采用静力设计法进行抗震设计时，地震作用产生的弯矩或剪力可按下列公式计算： (4.3.1) (4.3.2)式中：地震作用产生的弯矩（kNm）；结构等效总重力荷载代表值（kN）；电气设备体系重心高度（m）；计算断面处距底部高度（m）；地震作用产生的剪力（kN）；设计地震加速度值；重力加速度。4.3.4 电气设备按振型分解反应谱法或时程分析法进行抗震计算时，应包括下列内容：1 体系特征频率和振型计算，振型个数一般可以取振型参与质量达到总质量90%所需的振型数；2 振型参与系数及地震作用计算；3 在地震作用下，各质点的位移、加速度和各断面的弯矩、应力等动力响应值计算；4 在电气设备、电气装置的根部和其它危险断面处，对地震作用与其它荷载产生的内力按规定的方式进行组合；5 抗震强度验算。4.3.5 当采用动力时程分析法进行抗震设计时，可采用实际强震记录或人工合成地震动时程作为地震动输入时程。输入地震动时程不应少于3组，其中至少有一组人工合成地震动时程。时程的总持续时间不应少于30s，其中强震段（指时程曲线幅值从首次达到最大值的25%至最后下降到最大值的25%的时间历程）持续时间不应少于20s。计算结果宜取时程法计算结果的包络值和振型分解反应谱法计算结果二者之间的较大值。4.3.6 电气设备抗震设计应根据体系的特点、计算精度的要求及不同的计算方法，可采用质量弹簧体系力学模型或有限元力学模型。4.3.7 质量弹簧体系力学模型可按下列原则建立：1 单柱式、多柱式和带拉线结构的体系可采用悬臂多质点体系或质量弹簧体系；2 装设减震阻尼装置的体系，非线性阻尼装置宜采用实测滞回曲线进行计算，采用线性阻尼装置时，应计入减震阻尼装置的剪切刚度、弯曲刚度和阻尼比；3 高压管型导线、大电流封闭导线等长跨结构的电气装置及细长且顶部带有较大质量的支柱式设备，可简化为多质点弹簧体系；4 斜向布置套管可简化为悬臂多质点体系，如变压器类的套管； 5 计算时应计入设备法兰连接的弯曲刚度；6 建立多质点体系及质量弹簧体系时宜有模态测试结果作为支撑。4.3.8 直接建立质量弹簧体系力学模型时，主要力学参数可按下列原则确定：1 把连续分布的质量简化为若干个集中质量，并应合理的确定质点数量；2 刚度应包括设备本体的刚度和连接部分的集中刚度，并应符合下列要求：1) 设备本体的刚度可根据构件的弹性模量和外形尺寸计算求得；2) 法兰与瓷套管胶装时，其弯曲刚度可按下式计算： （4.3.3）式中： 弯曲刚度（）（其适用范围为750kV以下设备，建议特高压设备参照T/CSEE 0010-2016中的取值）；瓷套管胶装部位外径（m）；瓷套管与法兰胶装高度（m）；法兰与瓷套管之间的间隙距离（m）。3) 法兰与瓷套管用弹簧卡式连接时，其弯曲刚度可按下式计算： （4.3.4）式中： 弹簧卡式连接中心至法兰底部的高度（m）。4) 减震阻尼装置的弯曲刚度可按制造厂规定的性能要求确定，非线性阻尼装置可取其等效刚度。4.3.9 按有限单元分析建立力学模型时，应合理确定有限单元类型和数目，并应符合下列规定：1 有限单元的力学参数可由电气设备体系和电气装置的结构直接确定，有限元模型宜进行必要的简化。2 电气设备法兰与瓷套管连接的弯曲刚度用一个等效梁单元代替时，该梁单元的截面惯性矩Ic可按下式确定： (4.3.5)式中：截面惯性矩(m4)；梁单元长度(m)，取单根瓷套管长度的1/20左右；瓷套管的弹性模量(Pa)。4.3.10 在对电气设备进行地震作用计算时，应采用结构的实测阻尼比。若实测阻尼比未知，取值不应超过2%。4.3.11 荷载效应组合 电气设备用于抗震承载力验算所取的荷载效应组合应包括设备自重、地震作用、0.25 倍设计风荷载、端子拉力、设备内部压力所产生的效应组合，见式（4.3.6）： （4.3.6）式中： 荷载效应的组合值； 设备自重标准值（包括设备本体、连接软导线组合引下线、附属连金具等重量）计算所得效应值；地震作用标准值计算所得效应值； 风荷载标准值计算所得效应值；端子拉力标准值计算所得效应值； 设备内部压力标准值计算所得效应值。4.3.12 电气设备的结构抗震强度验算，应保证设备和装置的根部或其它危险断面处产生的应力值小于设备或材料的容许应力值。当采用破坏应力或破坏弯矩进行验算时，应满足下列公式的要求： (4.3.7) (4.3.8)式中：地震作用和其它荷载组合后产生的总应力(Pa)；对于瓷套管和瓷绝缘子为设备或材料的破坏应力值(Pa)，对复合套管和复合绝缘子为其额定机械负荷SML作用下对应的应力值(Pa)；地震作用和其它荷载组合后产生的总弯矩(Nm)；对于瓷套管和瓷绝缘子为设备或材料的破坏弯矩(Nm)，对复合套管和复合绝缘子为其额定机械负荷SML作用下对应的弯矩(Nm)。4.4 悬吊设备4.4.1 悬吊设备包括消波设备、电容式电压互感器、电容器，以及换流阀等采用杆件悬吊在支撑结构上的设备，通常由设备本体、悬吊装置、约束装置和电气连接装置组成。图4.4.1 悬吊设备组成部分4.4.2 悬吊装置应保证足够的水平柔性，其连接节点处需要能绕任意水平轴转动。4.4.3 在约束装置不会严重影响电气功能的情况下，悬吊设备宜设置约束装置限制自身的位移。4.4.4 悬吊装置和约束装置应在地震作用下不发生松弛，可在悬吊装置和约束装置中设置阻尼装置以减小设备本体的地震响应。4.4.5 电气连接装置应具有一定的柔性，以防悬吊设备本体的运动对相邻设备产生牵拉。4.4.6 对悬吊设备的支撑结构进行设计时，应考虑悬吊设备在竖向地震下的动力放大作用，以及运行荷载及约束装置产生的额外附加力。4.5 抗震试验4.5.1 试验时试件安装应与现场运行时相同，否则需要确定试验时的安装方式不会对试件的动力特性造成影响。4.5.2 电气设备抗震验证试验应分别在两个主轴方向上进行，并检验危险断面处的强度。对于对称的电气设备和电气装置，可只对一个方向进行验证试验。对需要考虑竖向地震作用的设备，应进行水平与竖向共同作用的组合。对于结构形式复杂或有特殊要求的设备应在水平两个主轴和竖向同时输入地震波进行验证。4.5.3 若支撑结构过大，可仅对设备本体进行试验，但需考虑支撑结构的动力放大系数，支撑结构的动力放大系数宜由整体计算得出，在支撑设备参数不明时动力放大系数可取2。4.5.4 对斜向布置的悬臂电气设备，应采用水平和竖向双向同时输入波形地震波进行验证试验。4.5.5 试件的测点布置应根据电气设备的结构型式、试验要求等确定；所有测点的数值应同时记录和采集。4.5.6 验证试验测得的危险断面应力值，应与重力、内部压力、端子拉力及0.25倍设计风速等荷载所产生的内力进行组合。4.5.7 对于基频较低的设备（如基频低于1Hz），需尽量延长采样时间以减小基频识别时的误差；振动台输入地震动时程时其最低截止频率不应大于设备基频的0.75倍。4.5.8 设备基频可由白噪声测试得出，白噪声峰值不宜小于0.08g，持续时间T应大于，且宜大于。其中为设备基频，z为设备基频对应的阻尼比。对于带有明显非线性的电气设备，如带有非线性阻尼装置的设备，其白噪声峰值应根据情况适当降低。5 设备耦联连接的抗震设计5.1 说明5.1.1 本章适用于导线连接的变电站电气设备设计。设备间的连接包括软导线连接及硬导线连接。5.1.2 对于不共用同一基础的耦联设备来说，应分别估算不同基础上的结构位移，由此得出耦联的设备间相对位移值。5.2 软导线连接的电气设备抗震设计5.2.1 使用软导线连接电气设备时，在地震作用下软导线不应被拉直，设备间软导线长度应保证地震作用下软导线留有充足的冗余度。5.2.2 设备间软导线的长度可按以下方法确定：1 单体设备端子处最大位移的确定对于结构型式较简单的设备，如支柱绝缘子等，可将设备简化为整体单自由度体系，利用设计反应谱计算地震作用下设备端子处位移。设备端子处最大位移计算如式（5.2.1）所示。 （5.2.1）式中：设备端子处最大位移由地震影响系数曲线推得的设计加速度反应谱设备圆频率。对于结构型式较复杂的设备，应考虑多自由度计算，并利用SRSS或CQC法组合各阶振型下的最大位移。各阶振型下设备端子处的最大位移可由式（5.2.1）计算。2 软导线长度的确定设备之间的相对位移可以用求得的单体设备的最大位移值确定，如式（5.2.2）所示： （5.2.2）式中：地震时设备1和2之间的相对水平位移最大值；表示设备1端子处在导线平面被位移最大值；表示设备2端子处在导线平面被位移最大值。确定耦联设备间相对水平位移最大值后，耦联设备间软导线长度可由式（5.2.3）确定： （5.2.3）式中：耦联设备之间连接导线的必要长度；两设备端子间的直线距离；设备间连接导线需满足的附加长度，使设备间相对位移达最大值时，导线抗拉刚度不显著增加而产生过大的端子力。5.2.3 采用软导线连接电气设备时，应对软导线电气性能及净距进行校核。设备间软导线可采用以下形状： 形状1 形状2 形状3 形状4图5.2.3 软导线的推荐形状5.2.4 采用软导线连接电气设备时，对电气设备的抗震设计应考虑软导线带来的端子力。对不同电压等级的单体电气设备，单分裂或双分裂软导线带来的端子力可按表5.2.4考虑。对于弯曲刚度较大的四分裂或四分裂以上导线，需通过分析或试验确定端子力。表5.2.4 单分裂及双分裂软导线的等效端子力电压等级方向等效端子力（N）220kV及以下电压等级的设备水平方向450高于220kV的设备360所有设备竖直方向05.3 软导线连接的电气设备净距校核5.3.1 对软导线在地震作用下的电气净距进行校核时，应考虑由于设备位移引起的导线形状改变。宜采用理论分析方法或非线性有限元法对不同端部位移情况下的导线形状进行校核分析。5.3.2 当软导线为单根导线或双分裂导线时，可将导线简化为无抗弯刚度的索进行分析，当软导线截面较大或采用三分裂及以上形式时，应考虑软导线自身的抗弯刚度及间隔棒等金具对导线刚度的影响。5.3.3 校核软导线地震下净距时，软导线截面的抗拉刚度由其实际弹性模量及截面积确定。软导线截面的抗弯刚度EI由式（5.2.4）确定 （5.2.4）式中：导线的层数i；处于第i层导线的杨式弹性模量；处于第i层导线的直径；厂商提供的处于第i层导线的层间角。5.3.4 对软导线电气净距进行分析时，间隔棒可简化为刚体。5.3.5 可采用同样的参数及理论或非线性有限元模型分析导线在地震作用下的端子力。5.4 硬导线连接的电气设备抗震设计5.4.1 当相邻电气设备动力特性差异较大时，不宜采用硬导线进行连接。5.4.2 采用硬导线连接电气设备时，导线一端应设置足够行程的伸缩节或滑移单元等柔性连接。5.4.3 当硬导线的柔性连接在反复荷载作用下具有明显的滞回性能时，可考虑该滞回性能的耗能作用，并对耦联体系进行整体抗震分析。5.4.4 对于用硬导线连接的电气设备，端子拉力取0.75倍的静态端子最大允许机械载荷值。6 设备安装及减隔震设计6.1 基本规定电气设备应根据设防标准进行选择。对位于高烈度区且不能满足抗震要求或对于抗震安全性和使用功能有较高要求或专门要求的电气设施，可采用隔震或消能减震措施。6.2 设备基础连接设计6.2.1 基础设计应保证有足够的承载能力，不能发生对基础有危害的沉降、倾覆