电气设备抗震设计的分析探讨
2017-06-05 09:25:00
祥泰电气
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地震是一种自然灾害现象，人类无法避免和抗拒，强震一旦发生，会对人民的生命财产安全造成相当大的危害，只有提高抗震、防震意识，提高设施设备的抗震能力，才能有效地减少地震灾害的影响。在当代的社会生活中，电力供应关系到人类社会的各个方面，一旦失去，不仅会给人们的日常生活造成各种不便，给社会造成很大的影响，同时也会造成严重的经济损失，甚至还会造成社会动荡，影响整个社会和国民经济的发展。因此，在电力系统的设计、施工和运行管理中，必须对电气设备抗震设计有足够的重视。但在当前的电气设备设计和购置中，虽然对电气设备提出了抗震的要求，电力设备生产厂家也往往承诺能满足提出的抗震要求，这给设计人员和用户一个印象，即电气设备理所当然地具有很高的抗震能力。然而，在历次大地震中已经发现，电气设备的实际抗震性能远没有人们想象的那么好，四川汶川大地震对电力设施造成的严重破坏已经引起了人们的重视。在电气设备的抗震设计方面，人们还远没有如大坝等重要设施对抗震要求那么重视，对电气设备的抗震研究不足、要求不明确、设计不规范。抗震设计仅依赖设备生产厂家，而很少根据工程实际情况对其进行复核，同时，规范的不明确也造成设计人员和施工人员对其重视不够。有些设计不合理，致使在发生抗震设防烈度范围之内的地震时，造成设备位移、倾倒、元器件掉落、瓷套管破裂等现象，使发电站和变电所停运，影响正常或应急供电。因此，人们应当对电气设备的抗震设计予以足够的重视，从源头上解决减少地震对电力设施和电气设备造成重大损害。
1电力变压器抗震设计电力变压器是电力系统最重要的设备之一，它由变压器本体、散热器、油枕、瓷套管等组成。地震力对变压器每个部件所造成的损害，都将使其不能正常运行。因此，应当对变压器本体和每个部件提出抗震要求和抗震计算分析，这一点在GB50556-2010工业企业电气设备抗震设计规范中有明确的要求和计算方法。
地震波的卓越频率0.5~10Hz非常接近，在地震时极易引起共振，使变压器产生位移、掉台甚至倾倒，致使变压器的高、低压瓷套管拉断、错位、漏油、散热器砸坏、油箱震裂，甚至造成线圈短路而烧毁。因此除要求制造厂满足当地地震烈度要求外，在工程设计时，还应采取措施破坏变压器的自振频率接近地震波卓越频率，防止在地震时变压器发生共振和在水平地震波的作用下发生位移。但在目前的设计中，为了运输及检修的方便，多数变压器带有滚轮，并连同滚轮一起直接放在变压器基础的轨道上，只使用阻块防止变压器滑动，这样的阻块在发生基本地震加速度为0.05g及以上地区时，可能会造成变压器和研究工作。
的位移和损坏。
为破坏共振和防止变压器产生位移，在变压器安装时一定要把滚轮拆除，并在变压器基础板上设置地脚螺栓对变压器进行固定，固定的螺栓和混凝土基础应满足抗震设防烈度的要求，这一点国外规范比国内规范要求要严格得多。此外，为了防止地震时，与变压器连接的拉线受力而造成变压器套管的损坏，尽可能使用软导线或电缆进行连接，同时连线不宜拉得太紧，但也不宜放得过长，过长会造成在地震时导线摆动而引起短路形成新的事故。同时在选择变压器套管时，尽可能选择直立式套管，减少在地震时变压器套管发生根部断裂的可能。
2屋外高压电气设备抗震设计屋外高压电气设备主要指屋外蔽开式布置的高压电气设备，它们通常由基础、支架、绝缘瓷套管、母线连接处和其他元件组成，均属于细高形电瓷式设备，存在“头重脚轻”的问题。而由于瓷属于脆性材料，抗弯性能差，设备的结构又细又长，且上部质量相对较大，地震时瓷套管根部会承受很大的弯矩，瓷套管因强度不足而发生断裂。国产设备所标注的抗震水平往往只是设备本身的抗震能力，没有考虑设备安装在支架上时，因增加了设备本身的高度而附加了地震力及支架和基础对地震作用力的放大作用，从而降低了设备的抗弯强度。在采用角钢支架时，由于其具有一定的阻尼作用，抗震效果比钢筋混凝土管和钢管支架的要好。对于支柱式电气设备的抗震要求、试验和计算，我国标准虽有要求但不具体，对厂家的抗震要求也未严格进行控制。由于规范中的计算公式相对复杂，不太适合于工程设计中应用和复核，所以，很少有设计人员对此进行关注和复核，而生产厂家不管你提出什么样的抗震要求，在投标书中均予以满足，在产品生产和交付时仍是原有的产品，无人检查和复核。在这一点上，特别是对7度以上的地震区域应加强重视、提高意识。从汶川地震对电力设备的破坏来看，国产屋外高压瓷套设备损坏率明显高于国外产的损坏率，说明国产设备在抗震性能方面有待进一步提高。
造成屋外电气设备损坏的另一个原因，是由设备之间的连接线所造成。当地震发生时，如果两个设备不同时向同一方向摆动（也很难做到），如果导线拉得过紧，由于导线的拉力作用而将设备拉倒损坏，如果导线拉得过松也会导致大幅摆度增大拉力或造成相间短路。对于在地震力作用下，设备之间的连线需要多长，目前规范没有规定。设计人员凭自己的认识设计，随手画弧线，安装人员凭经验安装。在GB50260-2013电力设施抗震设计规范6.7.2中有余量。“也没有给十分明确的规定。但在IEEE693中就有明确的规定。因此，在没有国家规定之前，对于7度及以上地震烈度地区，可IEEE693的做法确定设备之间连线的长度。
由此可见，地震时造成屋外高压设备损坏的原因是多方面的。一是设备本身的抗震水平；二是连同支架、基础等附件一起时设备抗震水平的复核计算；三是设计时的布置、安装方式及拉线松紧等。因此除对设备本身的抗震水平有要求外，在国家规定的设防烈度范围内，屋外电气设备的选型和布置宜符合下列要求：对重要的变电站和电站的屋外配电装置不宜采用半高型、高型或双层布置，尽量选用重心较低的罐式设备、GIS设备等。
在采用管
形母线布置时，对重要变电站式电厂，电压为220kV及以上时，尽量不采用支柱式结构，宜采用悬挂式结构。
形母线布置时，对重要变电站式电厂，电压为220kV及以上时，尽量不采用支柱式结构，宜采用悬挂式结构。
对设备制造厂应提出严格的要求，不仅是设备本身的抗震水平，同时也应满足在支架上安装时的抗震要求，对支架的结构形式也应予以说明，连接螺栓选择应根据设防地震烈度进行复核。
设备引下线及连接线不可太紧，也不能太松，以减少地震时引线及连接线摆动对设备端子的拉力，同时，也要防止大幅摆动时造成的相间短路事故发生。建议在无国家规定时，IEEE693中的规定，来确定连接线的长度。
3电气屏柜及元件抗震设计电气屏柜包括高低压开关柜、控制柜、直流屏、配电屏等，点多面广，承担着直接参与供电、控制等功能。终端供电一处发生破坏或故障时影响面比较小，但如果发生在重要变电站、发电厂就有重要的意义。这些设备在地震中遭受的破坏主要是倾覆、倒塌、滑落、变形卡阻等，从而丧失主要的使用功能，影响正常工作，而修复这些设备往往比较困难，耗费时间长，特别是一些进口的、已经淘汰而没有配件的设备和元器件，更是如此。对于高压开关设备和控制设备本身的抗震要求，IEC标准和国标均有比较详细的抗震技术要求，并且考虑了所有的辅助和控制设备元器件，不论是其一体安装还是独立安装，关键问题是厂家是否按照标准要求进行了相应地震烈度的全部抗震试验。在GB/T11022高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求中，对于振动，只要求“在可能出现地震的地区，用户应按GB/T13540来规定设备的抗震等级。”抗震试验并非为必试和强制性试验项目。因此，在需要地震设防的地区，在编写技术要求时，要将对开关柜（屏）和主要元器件的抗震要求写清楚，并提交合格的抗震试验报告或计算报告。
在地震烈度较高地区（8度以上）尽量少选或不选带手车的柜型（如中置柜、手车柜、抽屉柜），选用固定柜较好，防止在地震时出现滑落、卡阻现象。
除对设备本体和柜内元器件的抗震水平提出要求外，安装方式也是提高抗震水平的一个重要方面。
在GB50260-2013电力设施抗震设计规范6.7.8条规定“开关柜（屏）、控制保护屏、通信设备等，应采用螺栓或焊接的固定方式。当设防烈度为8度或9度时，可将几个柜（屏）在重心位置以上连成整体。”屏柜焊接安装方式是目前国内比较常用的一种方式，但对于如何焊接，焊接面积多少，没有统一规定，能抗多大烈度的地震不得而知，安装单位大多采用点焊方式固定。但在国外的工程中大多要求采用能抗震的地脚螺柱或带有隔震减震装置的螺栓连接固定，点焊几乎不被接受，除非有说明或计算。对于强震地区，在屏柜单个本体不能满足抗震要求时，在屏柜底部用框架将屏柜整体连接，然后再用螺栓固定在槽钢基础上以提高抗震能力。GB50260-2013规范中要求在重心位置以上连成整体是较难实现，一是柜体的重心不好确定，二是只能用螺栓进行连接，但螺栓如何选择，强度多大均没有规定，同时有些柜体结构连接起来是比较困难的。
4其他电气设备和附件抗震设计在电力系统中，蓄电池和UPS是提供控制、保护及应急疏散照明的主要电源，电缆是传输电力、控制和保护、通信信号的中间环节，电缆桥架或支架是用于支撑电缆的设备。这些设备和设施在地震中一旦遭到破坏，同样将影响整个变电站或电站的正常工作，在抗震设防的地区同样应引起足够的重视。
蓄电池的震害与蓄电池的类型和安装方式有很大的关系，如果立放，则由于高度增加，底部接触面积小，地震时容易倾覆。如果平放，抗震性能较好，但其散热和布置面积增大，因此应根据设防烈度和电池型式确定安装方式。设置抗震支架是保证蓄电池在地震时不被破坏的较好方法之一，它投资小，且易于实现，将蓄电池牢固地固定在抗震支架上，可有效地防止在地震时蓄电池的滑落和倾倒。同时，为了防止蓄电池在地震时受力拉坏，应采用软导线和电缆的连接方案，且引接线和连接线不能过紧，应留有适当的裕度。
1996版中“电缆、空气压缩机、管道、接地线等，应采取防止地震时被切断的措施”一条。但在一些国外工程中，特别是强震国家，仍要求进行电缆桥架、管道固定件的抗震计算分析。对于采用电缆支架的敷设方式，由于各支架是单独固定和支撑，在地震时不会造成连续断裂和挤压现象，同时电缆具有一定的下垂和裕量，地震时电缆不易断裂，可以不进行抗震校验。但对于采用电缆桥架的敷设方式，由于是连续固定在一起，在地震时会形成连锁反映，造成断裂甚至挤断电缆，整体破坏电缆桥架，因此，要求在相应的地震设防烈度下，对电缆桥架及支撑件进行抗震计算以满足相应地震烈度的要求是比较合理的。
结语电气设备（如电力变压器、断路器、开关设备、蓄电池等）是电力系统的重要设备，在国家规定的地震设防烈度内，采取一定的抗震措施，使其在发生地震时，不致造成故障、设备损坏和停电，对于抗震救灾、坚持生产、保证生活有着重要意义。在强震地区和要求设防的地区进行电站或变电站设计时应注意以下问题。
对电气设备应提出明确的抗震要求，并提供相关资料。
在地震设防烈度比较高的地区（8度及以上）应尽可能选择重心较低的设备，如GIS、罐式断路器、Pass等。
对设备的固定螺栓、基础应进行地震复核，考虑地震附加力的作用。
对设备之间的连接尽可能采用软连接，并适可见，当发电机输出不同容量时，无阻尼固有振荡频率也是不同的。
其他表达式bookmark7 4.1用机械（或惯性）时间常数Tm来表达机械（或惯性）时间常数表示在发电机额定转矩作用下，把转子从静止状态加速到额定转速所需要的时间。
这可以由发电机转子转速运动方程求得。
将转子转速运动方程：两边求积分：dw=有=扣M 4.2用储能常数H来表达储能常数H（单位指的是发电机转动部分的动能和发电机额定容量的比值，即：由于，所以，故有nN发电机额定转速，r/min.这就是我们常用的机械（或惯性）时间常数计算式。
所以，当cos0=1时，pyN=PN，此时有：在计算式推导过程中，发现本文引言中提到的的问题，实际上是由于未对各阿物理量的量纲进行仔细核对所致。
通过仔细推导，我们得出了凸极同步发电机多种情况下无阻尼振荡固有频率正确计算表达式。
必须注意的是，电机设计计算中所采用的实际值、标幺值参数不能相互混淆。
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