供电系统抗震性能分析_李桂荣

1、20卷4期2004年12月世界地震工程WORLDEARTHQUAKEENGINEERINGVol.20,No.4Dec.,2004文章编号:1007-6069(2004)04-0107-05供电系统抗震性能分析李桂荣郭恩栋朱敏(中国地震局工程力学研究所,黑龙江哈尔滨150080)摘要:介绍了供电系统抗震性能分析方法,结合实例进行了系统功能损失综合评价分析。关键词:供电系统;电气设备;抗震性能中图分类号:P315文献标识码:AAnalysisofseismicresistancebehaviorofelectricpowersupplysystemLIGui-rongGUOEn-dongZHUM

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

3、m;electricalequipment;seismicresistancebehavior1前言供电系统是生命线工程的重要组成部分,该系统是否能正常安全工作,不仅直接影响着人们的生产生活,而且还会影响到城市的建设乃至国民经济的发展。国内外地震灾害中均有供电系统破坏的现象。因此进行供电系统的抗震性能分析是非常必要的。根据近年来开展的研究工作,结合实例对城市供电系统的土建设施、高压电气设备进行了抗震性能计算及系统功能损失分析。2供电系统抗震性能分析方法2.1土建设施震害等级划分房屋的震害程度取决于其各组成构件的破坏情况,根据构件的破坏等级可评定出房屋的震害等级。房屋的震害等级分为5级:毁坏、严

4、重破坏、中等破坏、轻微破坏和基本完好,其评定方法及相应的震害指数见表1和表2。2.2钢筋混凝土房屋的抗震性能分析方法钢筋混凝土房屋的主要承载构件是框架结构,在地震作用下,框架结构的破坏程度是评定钢筋混凝土房屋震害的主要指标。在钢筋混凝土房屋的震害预测中,根据建筑抗震设计规范(GB500112001)和建筑抗震鉴定标准(GB5002395)等国家规范、标准中的有关规定,采用有限单元法计算楼层弹性反应的最大地震剪力,按房屋实际的几何尺寸、材料特性、框架梁柱的受力状态和配筋情况计算各层的楼层屈服剪力,收稿日期:2004-07-15;修订日期:2004-11-13作者简介:李桂荣(1953-),女,辽

5、宁彰武人,副研究员,主要从事基础设施抗震研究.108世界地震工程20卷表1构件破坏等级砖柱屋面系统和楼板撑系统弯曲失稳,屋架坠落或倾斜。屋面板错动,屋架倾斜,支撑系统变形明显。屋面板松动,支撑系统有可见变形。构件破坏等级钢筋混凝土构件破坏处混凝土酥碎,钢筋严重弯曲,产生了较大变位或已折断。破坏处表层脱落,内层有明显裂缝,钢筋外露略有弯曲。破坏处表层有明显裂缝,钢筋外露。构件表层有可见裂缝,对承载能力和使用无明显影响。砖墙产生了多道裂缝,近于酥散状态或已倒塌。墙体有多道显著的裂缝或严重倾斜。墙体有明显裂缝。同左同左有可见裂缝或松动。已断裂,受压区砖块酥碎脱落或已倒塌。断裂,受压区砖块酥碎。柱有水

6、平通缝。表2震害等级毁坏宏观结构震害等级和相应的震害指数现象定义的震害指数 D1.00.70.40.20.0指数的上下限0.85<D0.55<D0.850.30<D0.550.10<D0.30D0.10大部分构件为表1中的级破坏和级破坏,结构已濒于倒毁或已倒毁,已无修复可能,失去了结构设计时预定的功能。大部分构件为级破坏,个别构件有级破坏现象,难以修复。部分构件为级破坏,个别构件有级破坏现象,经修复后仍可恢复原设计的功能。部分构件为级破坏,个别构件有级破坏现象。各类构件无损坏,或个别构件有级破坏现象。严重破坏中等破坏轻微破坏基本完好取楼层屈服剪力与楼层弹性反应的最大地震

7、剪力之比为楼层的剪力屈服系数qi,即:qi=QZi Qmi式中:qi楼层剪力屈服系数;QZi楼层屈服剪力;Qmi楼层弹性反应的最大地震剪力;i楼层序号。根据结构弹塑性地震反应分析的结果,可以确定楼层剪力屈服系数qi与楼层最大延伸率的平均值之间的关系,由楼层最大延伸率的平均值可评定该建筑物的震害程度。在评定钢筋混凝土房屋的抗震能力时,应综合考虑房屋的构造措施及结构特点等因素对房屋整体抗震能力的影响。这些因素主要有结构的整体形状、平面规则程度、立面刚度变化程度、施工质量、抗震设计标准及房屋结构现状等,它们对房屋结构的整体性和地震荷载的分配均会造成一定程度的影响。因此,应依据这些因素对房屋抗震能力的

8、影响,对计算的楼层最大延伸率平均值进行修正,根据修正后的结果,确定钢筋混凝土房屋抗震能力。2.3高压电气设备的抗震能力分析方法高压电气设备的结构型式、材料特性和运行功能上的要求均与一般土建结构相差甚远,采用通常的轻微破坏、中等破坏等震害程度的划分已不能合理地描述其破坏状态及震害对供电系统运行功能的影响,主要的问题已不是某个设备自身是否破坏,而重要的是供电系统中有多少电气设备可能遭到破坏及由此而产生的对系统供电功能的影响程度。因此,在高压电气设备的抗震能力分析中,引入破坏概率的概念,这一概念是指在不同强度的地震作用下,某种类型的高压电气设备发生破坏的可能性,从而可以评定其震害对系统功能的影响。高

9、压电气设备大多为单节或多节瓷套管由法兰盘联结而成,通常安装在钢支架或混凝土支架上。在这类结构的动力计算中,各瓷套管之间的连接刚度是正确反映其结构的动力特性的重要问题,经过对高压电气设备所采用的法兰盘的结构分析和试验研究,确定了用具有转动刚度的回转弹簧来表示节点柔性连接特性的多质点系统作为瓷质高压电气设备的结构动力计算模型。对于这类具有柔性节点的多质点体系,采用具有柔性节点的有限单元法,将柔性节点所产生的刚度矩阵加到通常的杆单元刚度矩阵中,形成一种子结构的单元刚度矩阵,然后按体系进行组合,经动力凝聚后即可(1)4期李桂荣等:供电系统抗震性能分析109根据电力设施抗震设计规范(GB50260-96

10、)的规定,法兰的弯曲刚度Kc按下式计算:胶装连接时Kc=6.54dchc te弹簧卡式连接时Kc=4.9dchd te式中:dc瓷套管连接部位外径;hc瓷套管与法兰胶装高度;te法兰与瓷套管之间的间隙距离;hd弹簧卡式连接中心至法兰底部的高度。采用有限单元法进行抗震计算时,电气设备法兰与瓷套管连接的弯曲刚度由一个等效梁单元产生,其截面惯性距Ic按下式确定:Ic=KcLcEc(4)22(2)(3)式中:Lc梁单元长度,取单根瓷套管长度的1 20左右;Ec瓷套管的弹性模量。2.4系统功能损失的分级准则供电工程是一个网络系统,以系统的形式发挥其功能,它的震害也通过系统功能损失的形式表现出来,因此,在

11、抗震能力评价时,应对系统功能损失作出评价,为此,应确立供电工程系统功能损失的分级准则见表3。表3震害等级供电工程系统功能损失震害等级系统功能损失程度事故可及时排除,供电功能基本不受影响,当日即可保持全部供电服务范围正常供电。发电或变配电功率损失不超过20%,供电服务范围内不超过10%的地区停止供电23天,一周内恢复正常供电。发电或变配电功率损失不超过50%,供电服务范围内不超过30%的地区停止供电10天以下,经抢修,在一个月内可恢复正常供电。发电或变配电功率损失超过50%,供电服务范围内超过30%的地区停止供电10天以上,即使多方努力抢修,也需数月或更长的时间才能恢复正常供电。3分析实例广州市

12、电力工业发展迅速,至2000年底,广州地区发电设备容量为732.15万千瓦,年发电量268.25亿千瓦时,总供电量209.65亿千瓦时,总售电量195.42亿千瓦时。现以广州市为例进行供电系统的抗震能力分析。3.1土建设施广州市供电系统包括五仙门站、鹿鸣站、盘福站、文德站、龙潭站、区庄站、东堤站、越秀站、流花站、西关站与黄沙站,负责东山区、荔湾区、越秀区电力供应。该系统各变电站地理分布如图1所示。这11座变电站中有220kV变电站2座,110kV变电站9座,各站主控楼均为85年以后新建的钢筋混凝土结构。采用钢筋混凝土房屋的抗震能力分析方法对各变电站的主要建筑物进行了抗震计算,计算结果见表4。表

13、4各变电站主控楼抗震能力计算结果编号12345678910名称伍仙门站鹿鸣站文德站盘福站区庄站龙潭站东堤站越秀站流花站黄沙站结构类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破坏程度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基本完好轻微破坏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基本完好中等破坏轻微破坏中等破坏轻微破坏轻微破坏轻微破坏轻微破坏轻微破坏基本完好0.4g轻微破坏严重破坏中等破坏中等破坏中等破坏中等破坏

14、中等破坏中等破坏中等破坏中等破坏110世界地震工程20卷图1各变电站地理分布3.2高压电气设备广州市各站均为室内变电站,高压电气设备大部分置于手车式开关柜内或为GIS组合电器。高压电气设备主要包括电力变压器、隔离开关、电流互感器、电压互感器与避雷器等。根据高压电气设备抗震能力分析方法,计算了在不同强度地震作用下高压电气设备破坏概率见表5。表5电气设备破坏概率设备名称断路器设备型号GIS3AP1LTB145LW6110隔离开关GISGW4220GW4110电流互感器电压互感器避雷器电力变压器蓄电池屏、柜、盘GISLCWB6110GISJDC6110GISY10W1108 268鹿鸣站二台主变其它

15、GGM300手车式开关柜等破坏概率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供电系统功能损失分析根据土建房屋和变配电设施的抗震能力分析方法及分析结果,按结构震害等级和系统功能损失震害分级准则,求得,广州市供电系统在不同强度的地震作用下,结构破坏及系统功能损失状态如下:(1)地震加速度峰值0.05g情况

16、,系统基本完好。(2)地震加速度峰值0.1g情况,主控楼至多呈轻微破坏,电气设备中少数蓄电池可能滑移或倾倒,若及,4期李桂荣等:供电系统抗震性能分析111(3)地震加速度峰值0.2g情况,各站主控楼大部分表现为轻微破坏,电气设备中断路器、隔离开关等有少数遭到破坏,一些蓄电池产生滑移、倾倒或跌落损坏的震害,供电系统功能出现故障,震害等级为级。(4)地震加速度峰值0.4g情况,个别主控楼为严重破坏,大多主控楼为中等破坏,多种型号的高压电气设备遭到破坏,部分电力变压器会产生位移以至倾倒的震害,浮放的GGM300等蓄电池绝大部分倾倒或跌落损坏,系统功能出现严重故障,震害等级为级。5结语本文基于近年来的研究成果,结合广州供电系统的实例,介绍了供电系统的土建设施、高压电气设备的抗震性能分析方法,并进行了系统功能损失分析,本项研究对城市生命线工程防震减灾工作深入开展是有意义的。参考文献:1刘恢先.唐山大地震M.北京:地震出版社,1986.2尹之潜,等.震害与地震损失的估计方法J.地震工程与工程震动,1990,10(1):99-107.3LundL,SchiffAJ.LomaPrietaearthquakereconnaissancereportJ.Ea