電氣設(shè)備抗震設(shè)計的分析探討
2017-06-05 09:25:00
祥泰電氣
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地震是一種自然災(zāi)害現(xiàn)象，人類無法避免和抗拒，強(qiáng)震一旦發(fā)生，會對人民的生命財產(chǎn)安全造成相當(dāng)大的危害，只有提高抗震、防震意識，提高設(shè)施設(shè)備的抗震能力，才能有效地減少地震災(zāi)害的影響。在當(dāng)代的社會生活中，電力供應(yīng)關(guān)系到人類社會的各個方面，一旦失去，不僅會給人們的日常生活造成各種不便，給社會造成很大的影響，同時也會造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，甚至還會造成社會動蕩，影響整個社會和國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。因此，在電力系統(tǒng)的設(shè)計、施工和運(yùn)行管理中，必須對電氣設(shè)備抗震設(shè)計有足夠的重視。但在當(dāng)前的電氣設(shè)備設(shè)計和購置中，雖然對電氣設(shè)備提出了抗震的要求，電力設(shè)備生產(chǎn)廠家也往往承諾能滿足提出的抗震要求，這給設(shè)計人員和用戶一個印象，即電氣設(shè)備理所當(dāng)然地具有很高的抗震能力。然而，在歷次大地震中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，電氣設(shè)備的實際抗震性能遠(yuǎn)沒有人們想象的那么好，四川汶川大地震對電力設(shè)施造成的嚴(yán)重破壞已經(jīng)引起了人們的重視。在電氣設(shè)備的抗震設(shè)計方面，人們還遠(yuǎn)沒有如大壩等重要設(shè)施對抗震要求那么重視，對電氣設(shè)備的抗震研究不足、要求不明確、設(shè)計不規(guī)范?？拐鹪O(shè)計僅依賴設(shè)備生產(chǎn)廠家，而很少根據(jù)工程實際情況對其進(jìn)行復(fù)核，同時，規(guī)范的不明確也造成設(shè)計人員和施工人員對其重視不夠。有些設(shè)計不合理，致使在發(fā)生抗震設(shè)防烈度范圍之內(nèi)的地震時，造成設(shè)備位移、傾倒、元器件掉落、瓷套管破裂等現(xiàn)象，使發(fā)電站和變電所停運(yùn)，影響正?；驊?yīng)急供電。因此，人們應(yīng)當(dāng)對電氣設(shè)備的抗震設(shè)計予以足夠的重視，從源頭上解決減少地震對電力設(shè)施和電氣設(shè)備造成重大損害。
1電力變壓器抗震設(shè)計電力變壓器是電力系統(tǒng)最重要的設(shè)備之一，它由變壓器本體、散熱器、油枕、瓷套管等組成。地震力對變壓器每個部件所造成的損害，都將使其不能正常運(yùn)行。因此，應(yīng)當(dāng)對變壓器本體和每個部件提出抗震要求和抗震計算分析，這一點在GB50556-2010工業(yè)企業(yè)電氣設(shè)備抗震設(shè)計規(guī)范中有明確的要求和計算方法。
地震波的卓越頻率0.5~10Hz非常接近，在地震時極易引起共振，使變壓器產(chǎn)生位移、掉臺甚至傾倒，致使變壓器的高、低壓瓷套管拉斷、錯位、漏油、散熱器砸壞、油箱震裂，甚至造成線圈短路而燒毀。因此除要求制造廠滿足當(dāng)?shù)氐卣鹆叶纫笸?，在工程設(shè)計時，還應(yīng)采取措施破壞變壓器的自振頻率接近地震波卓越頻率，防止在地震時變壓器發(fā)生共振和在水平地震波的作用下發(fā)生位移。但在目前的設(shè)計中，為了運(yùn)輸及檢修的方便，多數(shù)變壓器帶有滾輪，并連同滾輪一起直接放在變壓器基礎(chǔ)的軌道上，只使用阻塊防止變壓器滑動，這樣的阻塊在發(fā)生基本地震加速度為0.05g及以上地區(qū)時，可能會造成變壓器和研究工作。
的位移和損壞。
為破壞共振和防止變壓器產(chǎn)生位移，在變壓器安裝時一定要把滾輪拆除，并在變壓器基礎(chǔ)板上設(shè)置地腳螺栓對變壓器進(jìn)行固定，固定的螺栓和混凝土基礎(chǔ)應(yīng)滿足抗震設(shè)防烈度的要求，這一點國外規(guī)范比國內(nèi)規(guī)范要求要嚴(yán)格得多。此外，為了防止地震時，與變壓器連接的拉線受力而造成變壓器套管的損壞，盡可能使用軟導(dǎo)線或電纜進(jìn)行連接，同時連線不宜拉得太緊，但也不宜放得過長，過長會造成在地震時導(dǎo)線擺動而引起短路形成新的事故。同時在選擇變壓器套管時，盡可能選擇直立式套管，減少在地震時變壓器套管發(fā)生根部斷裂的可能。
2屋外高壓電氣設(shè)備抗震設(shè)計屋外高壓電氣設(shè)備主要指屋外蔽開式布置的高壓電氣設(shè)備，它們通常由基礎(chǔ)、支架、絕緣瓷套管、母線連接處和其他元件組成，均屬于細(xì)高形電瓷式設(shè)備，存在“頭重腳輕”的問題。而由于瓷屬于脆性材料，抗彎性能差，設(shè)備的結(jié)構(gòu)又細(xì)又長，且上部質(zhì)量相對較大，地震時瓷套管根部會承受很大的彎矩，瓷套管因強(qiáng)度不足而發(fā)生斷裂。國產(chǎn)設(shè)備所標(biāo)注的抗震水平往往只是設(shè)備本身的抗震能力，沒有考慮設(shè)備安裝在支架上時，因增加了設(shè)備本身的高度而附加了地震力及支架和基礎(chǔ)對地震作用力的放大作用，從而降低了設(shè)備的抗彎強(qiáng)度。在采用角鋼支架時，由于其具有一定的阻尼作用，抗震效果比鋼筋混凝土管和鋼管支架的要好。對于支柱式電氣設(shè)備的抗震要求、試驗和計算，我國標(biāo)準(zhǔn)雖有要求但不具體，對廠家的抗震要求也未嚴(yán)格進(jìn)行控制。由于規(guī)范中的計算公式相對復(fù)雜，不太適合于工程設(shè)計中應(yīng)用和復(fù)核，所以，很少有設(shè)計人員對此進(jìn)行關(guān)注和復(fù)核，而生產(chǎn)廠家不管你提出什么樣的抗震要求，在投標(biāo)書中均予以滿足，在產(chǎn)品生產(chǎn)和交付時仍是原有的產(chǎn)品，無人檢查和復(fù)核。在這一點上，特別是對7度以上的地震區(qū)域應(yīng)加強(qiáng)重視、提高意識。從汶川地震對電力設(shè)備的破壞來看，國產(chǎn)屋外高壓瓷套設(shè)備損壞率明顯高于國外產(chǎn)的損壞率，說明國產(chǎn)設(shè)備在抗震性能方面有待進(jìn)一步提高。
造成屋外電氣設(shè)備損壞的另一個原因，是由設(shè)備之間的連接線所造成。當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時，如果兩個設(shè)備不同時向同一方向擺動（也很難做到），如果導(dǎo)線拉得過緊，由于導(dǎo)線的拉力作用而將設(shè)備拉倒損壞，如果導(dǎo)線拉得過松也會導(dǎo)致大幅擺度增大拉力或造成相間短路。對于在地震力作用下，設(shè)備之間的連線需要多長，目前規(guī)范沒有規(guī)定。設(shè)計人員憑自己的認(rèn)識設(shè)計，隨手畫弧線，安裝人員憑經(jīng)驗安裝。在GB50260-2013電力設(shè)施抗震設(shè)計規(guī)范6.7.2中有余量。“也沒有給十分明確的規(guī)定。但在IEEE693中就有明確的規(guī)定。因此，在沒有國家規(guī)定之前，對于7度及以上地震烈度地區(qū)，可IEEE693的做法確定設(shè)備之間連線的長度。
由此可見，地震時造成屋外高壓設(shè)備損壞的原因是多方面的。一是設(shè)備本身的抗震水平；二是連同支架、基礎(chǔ)等附件一起時設(shè)備抗震水平的復(fù)核計算；三是設(shè)計時的布置、安裝方式及拉線松緊等。因此除對設(shè)備本身的抗震水平有要求外，在國家規(guī)定的設(shè)防烈度范圍內(nèi)，屋外電氣設(shè)備的選型和布置宜符合下列要求：對重要的變電站和電站的屋外配電裝置不宜采用半高型、高型或雙層布置，盡量選用重心較低的罐式設(shè)備、GIS設(shè)備等。
在采用管
形母線布置時，對重要變電站式電廠，電壓為220kV及以上時，盡量不采用支柱式結(jié)構(gòu)，宜采用懸掛式結(jié)構(gòu)。
形母線布置時，對重要變電站式電廠，電壓為220kV及以上時，盡量不采用支柱式結(jié)構(gòu)，宜采用懸掛式結(jié)構(gòu)。
對設(shè)備制造廠應(yīng)提出嚴(yán)格的要求，不僅是設(shè)備本身的抗震水平，同時也應(yīng)滿足在支架上安裝時的抗震要求，對支架的結(jié)構(gòu)形式也應(yīng)予以說明，連接螺栓選擇應(yīng)根據(jù)設(shè)防地震烈度進(jìn)行復(fù)核。
設(shè)備引下線及連接線不可太緊，也不能太松，以減少地震時引線及連接線擺動對設(shè)備端子的拉力，同時，也要防止大幅擺動時造成的相間短路事故發(fā)生。建議在無國家規(guī)定時，IEEE693中的規(guī)定，來確定連接線的長度。
3電氣屏柜及元件抗震設(shè)計電氣屏柜包括高低壓開關(guān)柜、控制柜、直流屏、配電屏等，點多面廣，承擔(dān)著直接參與供電、控制等功能。終端供電一處發(fā)生破壞或故障時影響面比較小，但如果發(fā)生在重要變電站、發(fā)電廠就有重要的意義。這些設(shè)備在地震中遭受的破壞主要是傾覆、倒塌、滑落、變形卡阻等，從而喪失主要的使用功能，影響正常工作，而修復(fù)這些設(shè)備往往比較困難，耗費(fèi)時間長，特別是一些進(jìn)口的、已經(jīng)淘汰而沒有配件的設(shè)備和元器件，更是如此。對于高壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備本身的抗震要求，IEC標(biāo)準(zhǔn)和國標(biāo)均有比較詳細(xì)的抗震技術(shù)要求，并且考慮了所有的輔助和控制設(shè)備元器件，不論是其一體安裝還是獨立安裝，關(guān)鍵問題是廠家是否按照標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行了相應(yīng)地震烈度的全部抗震試驗。在GB/T11022高壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)的共用技術(shù)要求中，對于振動，只要求“在可能出現(xiàn)地震的地區(qū)，用戶應(yīng)按GB/T13540來規(guī)定設(shè)備的抗震等級。”抗震試驗并非為必試和強(qiáng)制性試驗項目。因此，在需要地震設(shè)防的地區(qū)，在編寫技術(shù)要求時，要將對開關(guān)柜（屏）和主要元器件的抗震要求寫清楚，并提交合格的抗震試驗報告或計算報告。
在地震烈度較高地區(qū)（8度以上）盡量少選或不選帶手車的柜型（如中置柜、手車柜、抽屜柜），選用固定柜較好，防止在地震時出現(xiàn)滑落、卡阻現(xiàn)象。
除對設(shè)備本體和柜內(nèi)元器件的抗震水平提出要求外，安裝方式也是提高抗震水平的一個重要方面。
在GB50260-2013電力設(shè)施抗震設(shè)計規(guī)范6.7.8條規(guī)定“開關(guān)柜（屏）、控制保護(hù)屏、通信設(shè)備等，應(yīng)采用螺栓或焊接的固定方式。當(dāng)設(shè)防烈度為8度或9度時，可將幾個柜（屏）在重心位置以上連成整體。”屏柜焊接安裝方式是目前國內(nèi)比較常用的一種方式，但對于如何焊接，焊接面積多少，沒有統(tǒng)一規(guī)定，能抗多大烈度的地震不得而知，安裝單位大多采用點焊方式固定。但在國外的工程中大多要求采用能抗震的地腳螺柱或帶有隔震減震裝置的螺栓連接固定，點焊幾乎不被接受，除非有說明或計算。對于強(qiáng)震地區(qū)，在屏柜單個本體不能滿足抗震要求時，在屏柜底部用框架將屏柜整體連接，然后再用螺栓固定在槽鋼基礎(chǔ)上以提高抗震能力。GB50260-2013規(guī)范中要求在重心位置以上連成整體是較難實現(xiàn)，一是柜體的重心不好確定，二是只能用螺栓進(jìn)行連接，但螺栓如何選擇，強(qiáng)度多大均沒有規(guī)定，同時有些柜體結(jié)構(gòu)連接起來是比較困難的。
4其他電氣設(shè)備和附件抗震設(shè)計在電力系統(tǒng)中，蓄電池和UPS是提供控制、保護(hù)及應(yīng)急疏散照明的主要電源，電纜是傳輸電力、控制和保護(hù)、通信信號的中間環(huán)節(jié)，電纜橋架或支架是用于支撐電纜的設(shè)備。這些設(shè)備和設(shè)施在地震中一旦遭到破壞，同樣將影響整個變電站或電站的正常工作，在抗震設(shè)防的地區(qū)同樣應(yīng)引起足夠的重視。
蓄電池的震害與蓄電池的類型和安裝方式有很大的關(guān)系，如果立放，則由于高度增加，底部接觸面積小，地震時容易傾覆。如果平放，抗震性能較好，但其散熱和布置面積增大，因此應(yīng)根據(jù)設(shè)防烈度和電池型式確定安裝方式。設(shè)置抗震支架是保證蓄電池在地震時不被破壞的較好方法之一，它投資小，且易于實現(xiàn)，將蓄電池牢固地固定在抗震支架上，可有效地防止在地震時蓄電池的滑落和傾倒。同時，為了防止蓄電池在地震時受力拉壞，應(yīng)采用軟導(dǎo)線和電纜的連接方案，且引接線和連接線不能過緊，應(yīng)留有適當(dāng)?shù)脑６取?/span>
1996版中“電纜、空氣壓縮機(jī)、管道、接地線等，應(yīng)采取防止地震時被切斷的措施”一條。但在一些國外工程中，特別是強(qiáng)震國家，仍要求進(jìn)行電纜橋架、管道固定件的抗震計算分析。對于采用電纜支架的敷設(shè)方式，由于各支架是單獨固定和支撐，在地震時不會造成連續(xù)斷裂和擠壓現(xiàn)象，同時電纜具有一定的下垂和裕量，地震時電纜不易斷裂，可以不進(jìn)行抗震校驗。但對于采用電纜橋架的敷設(shè)方式，由于是連續(xù)固定在一起，在地震時會形成連鎖反映，造成斷裂甚至擠斷電纜，整體破壞電纜橋架，因此，要求在相應(yīng)的地震設(shè)防烈度下，對電纜橋架及支撐件進(jìn)行抗震計算以滿足相應(yīng)地震烈度的要求是比較合理的。
結(jié)語電氣設(shè)備（如電力變壓器、斷路器、開關(guān)設(shè)備、蓄電池等）是電力系統(tǒng)的重要設(shè)備，在國家規(guī)定的地震設(shè)防烈度內(nèi)，采取一定的抗震措施，使其在發(fā)生地震時，不致造成故障、設(shè)備損壞和停電，對于抗震救災(zāi)、堅持生產(chǎn)、保證生活有著重要意義。在強(qiáng)震地區(qū)和要求設(shè)防的地區(qū)進(jìn)行電站或變電站設(shè)計時應(yīng)注意以下問題。
對電氣設(shè)備應(yīng)提出明確的抗震要求，并提供相關(guān)資料。
在地震設(shè)防烈度比較高的地區(qū)（8度及以上）應(yīng)盡可能選擇重心較低的設(shè)備，如GIS、罐式斷路器、Pass等。
對設(shè)備的固定螺栓、基礎(chǔ)應(yīng)進(jìn)行地震復(fù)核，考慮地震附加力的作用。
對設(shè)備之間的連接盡可能采用軟連接，并適可見，當(dāng)發(fā)電機(jī)輸出不同容量時，無阻尼固有振蕩頻率也是不同的。
其他表達(dá)式bookmark7 4.1用機(jī)械（或慣性）時間常數(shù)Tm來表達(dá)機(jī)械（或慣性）時間常數(shù)表示在發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩作用下，把轉(zhuǎn)子從靜止?fàn)顟B(tài)加速到額定轉(zhuǎn)速所需要的時間。
這可以由發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速運(yùn)動方程求得。
將轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速運(yùn)動方程：兩邊求積分：dw=有=扣M 4.2用儲能常數(shù)H來表達(dá)儲能常數(shù)H（單位指的是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動部分的動能和發(fā)電機(jī)額定容量的比值，即：由于，所以，故有nN發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速，r/min.這就是我們常用的機(jī)械（或慣性）時間常數(shù)計算式。
所以，當(dāng)cos0=1時，pyN=PN，此時有：在計算式推導(dǎo)過程中，發(fā)現(xiàn)本文引言中提到的的問題，實際上是由于未對各阿物理量的量綱進(jìn)行仔細(xì)核對所致。
通過仔細(xì)推導(dǎo)，我們得出了凸極同步發(fā)電機(jī)多種情況下無阻尼振蕩固有頻率正確計算表達(dá)式。
必須注意的是，電機(jī)設(shè)計計算中所采用的實際值、標(biāo)幺值參數(shù)不能相互混淆。
