供電系統(tǒng)抗震性能分析_李桂榮

1、20卷4期2004年12月世界地震工程WORLDEARTHQUAKEENGINEERINGVol.20,No.4Dec.,2004文章編號:1007-6069(2004)04-0107-05供電系統(tǒng)抗震性能分析李桂榮郭恩棟朱敏(中國地震局工程力學(xué)研究所,黑龍江哈爾濱150080)摘要:介紹了供電系統(tǒng)抗震性能分析方法,結(jié)合實(shí)例進(jìn)行了系統(tǒng)功能損失綜合評價分析。關(guān)鍵詞:供電系統(tǒng);電氣設(shè)備;抗震性能中圖分類號:P315文獻(xiàn)標(biāo)識碼:AAnalysisofseismicresistancebehaviorofelectricpowersupplysystemLIGui-rongGUOEn-dongZHUM

2、in(InstituteofEngineeringMechanics,ChinaEarthquakeAdministration,Harbin150080,China)Abstract:Inthispaper,theanalysismethodofseismicresistancebehaviorofelectricpowersupplysystemisintroducedbriefly.ThefunctionstateofpowersupplysystemofGuangzhoucityisstudiedasanexample.Keywords:electricpowersupplysyste

3、m;electricalequipment;seismicresistancebehavior1前言供電系統(tǒng)是生命線工程的重要組成部分,該系統(tǒng)是否能正常安全工作,不僅直接影響著人們的生產(chǎn)生活,而且還會影響到城市的建設(shè)乃至國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。國內(nèi)外地震災(zāi)害中均有供電系統(tǒng)破壞的現(xiàn)象。因此進(jìn)行供電系統(tǒng)的抗震性能分析是非常必要的。根據(jù)近年來開展的研究工作,結(jié)合實(shí)例對城市供電系統(tǒng)的土建設(shè)施、高壓電氣設(shè)備進(jìn)行了抗震性能計(jì)算及系統(tǒng)功能損失分析。2供電系統(tǒng)抗震性能分析方法2.1土建設(shè)施震害等級劃分房屋的震害程度取決于其各組成構(gòu)件的破壞情況,根據(jù)構(gòu)件的破壞等級可評定出房屋的震害等級。房屋的震害等級分為5級:毀壞、嚴(yán)

4、重破壞、中等破壞、輕微破壞和基本完好,其評定方法及相應(yīng)的震害指數(shù)見表1和表2。2.2鋼筋混凝土房屋的抗震性能分析方法鋼筋混凝土房屋的主要承載構(gòu)件是框架結(jié)構(gòu),在地震作用下,框架結(jié)構(gòu)的破壞程度是評定鋼筋混凝土房屋震害的主要指標(biāo)。在鋼筋混凝土房屋的震害預(yù)測中,根據(jù)建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GB500112001)和建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)(GB5002395)等國家規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)中的有關(guān)規(guī)定,采用有限單元法計(jì)算樓層彈性反應(yīng)的最大地震剪力,按房屋實(shí)際的幾何尺寸、材料特性、框架梁柱的受力狀態(tài)和配筋情況計(jì)算各層的樓層屈服剪力,收稿日期:2004-07-15;修訂日期:2004-11-13作者簡介:李桂榮(1953-),女,遼

5、寧彰武人,副研究員,主要從事基礎(chǔ)設(shè)施抗震研究.108世界地震工程20卷表1構(gòu)件破壞等級磚柱屋面系統(tǒng)和樓板撐系統(tǒng)彎曲失穩(wěn),屋架墜落或傾斜。屋面板錯動,屋架傾斜,支撐系統(tǒng)變形明顯。屋面板松動,支撐系統(tǒng)有可見變形。構(gòu)件破壞等級鋼筋混凝土構(gòu)件破壞處混凝土酥碎,鋼筋嚴(yán)重彎曲,產(chǎn)生了較大變位或已折斷。破壞處表層脫落,內(nèi)層有明顯裂縫,鋼筋外露略有彎曲。破壞處表層有明顯裂縫,鋼筋外露。構(gòu)件表層有可見裂縫,對承載能力和使用無明顯影響。磚墻產(chǎn)生了多道裂縫,近于酥散狀態(tài)或已倒塌。墻體有多道顯著的裂縫或嚴(yán)重傾斜。墻體有明顯裂縫。同左同左有可見裂縫或松動。已斷裂,受壓區(qū)磚塊酥碎脫落或已倒塌。斷裂,受壓區(qū)磚塊酥碎。柱有水

6、平通縫。表2震害等級毀壞宏觀結(jié)構(gòu)震害等級和相應(yīng)的震害指數(shù)現(xiàn)象定義的震害指數(shù) D1.00.70.40.20.0指數(shù)的上下限0.85<D0.55<D0.850.30<D0.550.10<D0.30D0.10大部分構(gòu)件為表1中的級破壞和級破壞,結(jié)構(gòu)已瀕于倒毀或已倒毀,已無修復(fù)可能,失去了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時預(yù)定的功能。大部分構(gòu)件為級破壞,個別構(gòu)件有級破壞現(xiàn)象,難以修復(fù)。部分構(gòu)件為級破壞,個別構(gòu)件有級破壞現(xiàn)象,經(jīng)修復(fù)后仍可恢復(fù)原設(shè)計(jì)的功能。部分構(gòu)件為級破壞,個別構(gòu)件有級破壞現(xiàn)象。各類構(gòu)件無損壞,或個別構(gòu)件有級破壞現(xiàn)象。嚴(yán)重破壞中等破壞輕微破壞基本完好取樓層屈服剪力與樓層彈性反應(yīng)的最大地震

7、剪力之比為樓層的剪力屈服系數(shù)qi,即:qi=QZi Qmi式中:qi樓層剪力屈服系數(shù);QZi樓層屈服剪力;Qmi樓層彈性反應(yīng)的最大地震剪力;i樓層序號。根據(jù)結(jié)構(gòu)彈塑性地震反應(yīng)分析的結(jié)果,可以確定樓層剪力屈服系數(shù)qi與樓層最大延伸率的平均值之間的關(guān)系,由樓層最大延伸率的平均值可評定該建筑物的震害程度。在評定鋼筋混凝土房屋的抗震能力時,應(yīng)綜合考慮房屋的構(gòu)造措施及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等因素對房屋整體抗震能力的影響。這些因素主要有結(jié)構(gòu)的整體形狀、平面規(guī)則程度、立面剛度變化程度、施工質(zhì)量、抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及房屋結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀等,它們對房屋結(jié)構(gòu)的整體性和地震荷載的分配均會造成一定程度的影響。因此,應(yīng)依據(jù)這些因素對房屋抗震能力的

8、影響,對計(jì)算的樓層最大延伸率平均值進(jìn)行修正,根據(jù)修正后的結(jié)果,確定鋼筋混凝土房屋抗震能力。2.3高壓電氣設(shè)備的抗震能力分析方法高壓電氣設(shè)備的結(jié)構(gòu)型式、材料特性和運(yùn)行功能上的要求均與一般土建結(jié)構(gòu)相差甚遠(yuǎn),采用通常的輕微破壞、中等破壞等震害程度的劃分已不能合理地描述其破壞狀態(tài)及震害對供電系統(tǒng)運(yùn)行功能的影響,主要的問題已不是某個設(shè)備自身是否破壞,而重要的是供電系統(tǒng)中有多少電氣設(shè)備可能遭到破壞及由此而產(chǎn)生的對系統(tǒng)供電功能的影響程度。因此,在高壓電氣設(shè)備的抗震能力分析中,引入破壞概率的概念,這一概念是指在不同強(qiáng)度的地震作用下,某種類型的高壓電氣設(shè)備發(fā)生破壞的可能性,從而可以評定其震害對系統(tǒng)功能的影響。高

9、壓電氣設(shè)備大多為單節(jié)或多節(jié)瓷套管由法蘭盤聯(lián)結(jié)而成,通常安裝在鋼支架或混凝土支架上。在這類結(jié)構(gòu)的動力計(jì)算中,各瓷套管之間的連接剛度是正確反映其結(jié)構(gòu)的動力特性的重要問題,經(jīng)過對高壓電氣設(shè)備所采用的法蘭盤的結(jié)構(gòu)分析和試驗(yàn)研究,確定了用具有轉(zhuǎn)動剛度的回轉(zhuǎn)彈簧來表示節(jié)點(diǎn)柔性連接特性的多質(zhì)點(diǎn)系統(tǒng)作為瓷質(zhì)高壓電氣設(shè)備的結(jié)構(gòu)動力計(jì)算模型。對于這類具有柔性節(jié)點(diǎn)的多質(zhì)點(diǎn)體系,采用具有柔性節(jié)點(diǎn)的有限單元法,將柔性節(jié)點(diǎn)所產(chǎn)生的剛度矩陣加到通常的桿單元剛度矩陣中,形成一種子結(jié)構(gòu)的單元剛度矩陣,然后按體系進(jìn)行組合,經(jīng)動力凝聚后即可(1)4期李桂榮等:供電系統(tǒng)抗震性能分析109根據(jù)電力設(shè)施抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50260-96

10、)的規(guī)定,法蘭的彎曲剛度Kc按下式計(jì)算:膠裝連接時Kc=6.54dchc te彈簧卡式連接時Kc=4.9dchd te式中:dc瓷套管連接部位外徑;hc瓷套管與法蘭膠裝高度;te法蘭與瓷套管之間的間隙距離;hd彈簧卡式連接中心至法蘭底部的高度。采用有限單元法進(jìn)行抗震計(jì)算時,電氣設(shè)備法蘭與瓷套管連接的彎曲剛度由一個等效梁單元產(chǎn)生,其截面慣性距Ic按下式確定:Ic=KcLcEc(4)22(2)(3)式中:Lc梁單元長度,取單根瓷套管長度的1 20左右;Ec瓷套管的彈性模量。2.4系統(tǒng)功能損失的分級準(zhǔn)則供電工程是一個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),以系統(tǒng)的形式發(fā)揮其功能,它的震害也通過系統(tǒng)功能損失的形式表現(xiàn)出來,因此,在

11、抗震能力評價時,應(yīng)對系統(tǒng)功能損失作出評價,為此,應(yīng)確立供電工程系統(tǒng)功能損失的分級準(zhǔn)則見表3。表3震害等級供電工程系統(tǒng)功能損失震害等級系統(tǒng)功能損失程度事故可及時排除,供電功能基本不受影響,當(dāng)日即可保持全部供電服務(wù)范圍正常供電。發(fā)電或變配電功率損失不超過20%,供電服務(wù)范圍內(nèi)不超過10%的地區(qū)停止供電23天,一周內(nèi)恢復(fù)正常供電。發(fā)電或變配電功率損失不超過50%,供電服務(wù)范圍內(nèi)不超過30%的地區(qū)停止供電10天以下,經(jīng)搶修,在一個月內(nèi)可恢復(fù)正常供電。發(fā)電或變配電功率損失超過50%,供電服務(wù)范圍內(nèi)超過30%的地區(qū)停止供電10天以上,即使多方努力搶修,也需數(shù)月或更長的時間才能恢復(fù)正常供電。3分析實(shí)例廣州市

12、電力工業(yè)發(fā)展迅速,至2000年底,廣州地區(qū)發(fā)電設(shè)備容量為732.15萬千瓦,年發(fā)電量268.25億千瓦時,總供電量209.65億千瓦時,總售電量195.42億千瓦時?，F(xiàn)以廣州市為例進(jìn)行供電系統(tǒng)的抗震能力分析。3.1土建設(shè)施廣州市供電系統(tǒng)包括五仙門站、鹿鳴站、盤福站、文德站、龍?zhí)墩?、區(qū)莊站、東堤站、越秀站、流花站、西關(guān)站與黃沙站,負(fù)責(zé)東山區(qū)、荔灣區(qū)、越秀區(qū)電力供應(yīng)。該系統(tǒng)各變電站地理分布如圖1所示。這11座變電站中有220kV變電站2座,110kV變電站9座,各站主控樓均為85年以后新建的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。采用鋼筋混凝土房屋的抗震能力分析方法對各變電站的主要建筑物進(jìn)行了抗震計(jì)算,計(jì)算結(jié)果見表4。表

13、4各變電站主控樓抗震能力計(jì)算結(jié)果編號12345678910名稱伍仙門站鹿鳴站文德站盤福站區(qū)莊站龍?zhí)墩緰|堤站越秀站流花站黃沙站結(jié)構(gòu)類型框框框框框框框框框框架架架架架架架架架架建造年代19991993、199719961987198519921990199119961994破壞程度0.05g基本完好基本完好基本完好基本完好基本完好基本完好基本完好基本完好基本完好基本完好0.1g基本完好輕微破壞基本完好基本完好基本完好基本完好基本完好基本完好基本完好基本完好0.2g基本完好中等破壞輕微破壞中等破壞輕微破壞輕微破壞輕微破壞輕微破壞輕微破壞基本完好0.4g輕微破壞嚴(yán)重破壞中等破壞中等破壞中等破壞中等破壞

14、中等破壞中等破壞中等破壞中等破壞110世界地震工程20卷圖1各變電站地理分布3.2高壓電氣設(shè)備廣州市各站均為室內(nèi)變電站,高壓電氣設(shè)備大部分置于手車式開關(guān)柜內(nèi)或?yàn)镚IS組合電器。高壓電氣設(shè)備主要包括電力變壓器、隔離開關(guān)、電流互感器、電壓互感器與避雷器等。根據(jù)高壓電氣設(shè)備抗震能力分析方法,計(jì)算了在不同強(qiáng)度地震作用下高壓電氣設(shè)備破壞概率見表5。表5電氣設(shè)備破壞概率設(shè)備名稱斷路器設(shè)備型號GIS3AP1LTB145LW6110隔離開關(guān)GISGW4220GW4110電流互感器電壓互感器避雷器電力變壓器蓄電池屏、柜、盤GISLCWB6110GISJDC6110GISY10W1108 268鹿鳴站二臺主變其它

15、GGM300手車式開關(guān)柜等破壞概率0.05g000000000000000000.1g00000000000000.0500.0800.2g000.060.1200.110.18000000.060.190.120.280.050.4g0.030.100.220.340.030.320.570.030.030.030.050.030.210.590.300.850.254供電系統(tǒng)功能損失分析根據(jù)土建房屋和變配電設(shè)施的抗震能力分析方法及分析結(jié)果,按結(jié)構(gòu)震害等級和系統(tǒng)功能損失震害分級準(zhǔn)則,求得,廣州市供電系統(tǒng)在不同強(qiáng)度的地震作用下,結(jié)構(gòu)破壞及系統(tǒng)功能損失狀態(tài)如下:(1)地震加速度峰值0.05g情況

16、,系統(tǒng)基本完好。(2)地震加速度峰值0.1g情況,主控樓至多呈輕微破壞,電氣設(shè)備中少數(shù)蓄電池可能滑移或傾倒,若及,4期李桂榮等:供電系統(tǒng)抗震性能分析111(3)地震加速度峰值0.2g情況,各站主控樓大部分表現(xiàn)為輕微破壞,電氣設(shè)備中斷路器、隔離開關(guān)等有少數(shù)遭到破壞,一些蓄電池產(chǎn)生滑移、傾倒或跌落損壞的震害,供電系統(tǒng)功能出現(xiàn)故障,震害等級為級。(4)地震加速度峰值0.4g情況,個別主控樓為嚴(yán)重破壞,大多主控樓為中等破壞,多種型號的高壓電氣設(shè)備遭到破壞,部分電力變壓器會產(chǎn)生位移以至傾倒的震害,浮放的GGM300等蓄電池絕大部分傾倒或跌落損壞,系統(tǒng)功能出現(xiàn)嚴(yán)重故障,震害等級為級。5結(jié)語本文基于近年來的研究成果,結(jié)合廣州供電系統(tǒng)的實(shí)例,介紹了供電系統(tǒng)的土建設(shè)施、高壓電氣設(shè)備的抗震性能分析方法,并進(jìn)行了系統(tǒng)功能損失分析,本項(xiàng)研究對城市生命線工程防震減災(zāi)工作深入開展是有意義的。參考文獻(xiàn):1劉恢先.唐山大地震M.北京:地震出版社,1986.2尹之潛,等.震害與地震損失的估計(jì)方法J.地震工程與工程震動,1990,10(1):99-107.3LundL,SchiffAJ.LomaPrietaearthquakereconnaissancereportJ.Ea