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電氣設(shè)備抗震設(shè)計的分析探討

文檔作者：穆建軍楊莉娜李振華文檔來源：湖南省水利水電勘測設(shè)計研究總院		點擊數(shù)：	更新時間： 2025年05月30日
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收稿日期：2014-06-07
作者簡介：穆建軍（1960-），男，教授級高級工程師，從事電氣設(shè)計
和研究工作。
電氣設(shè)備抗震設(shè)計的分析探討
穆建軍，楊莉娜，李振華
（湖南省水利水電勘測設(shè)計研究總院，湖南長沙410007）
摘要：就目前電氣設(shè)備抗震設(shè)計方面的問題進行了總結(jié)和闡述，指出了在抗震設(shè)計方面存在的不足，提出了今后
在電氣設(shè)備抗震設(shè)計方面需要加強和注意的問題，以保證在地震設(shè)防烈度范圍內(nèi)發(fā)生地震時，電氣設(shè)備不致發(fā)生破
壞性損壞，從而有效地保障人民生產(chǎn)生活的正常用電和抗震救災(zāi)的需求。
關(guān)鍵詞：電氣設(shè)備；抗震設(shè)計；分析探討
中圖分類號：TM50 文獻標識碼：A 文章編號：1672-5387（2014）06-0019-04
0 引言
地震是一種自然災(zāi)害現(xiàn)象，人類無法避免和抗
拒，強震一旦發(fā)生，會對人民的生命財產(chǎn)安全造成相
當大的危害，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，同時也會造成嚴重
的經(jīng)濟損失，甚至還會造成社會動蕩，影響整個社會
和國民經(jīng)濟的發(fā)展。因此，在電力系統(tǒng)的設(shè)計、施工
和運行管理中，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。抗
震設(shè)計僅依賴設(shè)備生產(chǎn)廠家，而很少根據(jù)工程實際
情況對其進行復核，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，影響正?；驊?yīng)急供電。因此，人
們應(yīng)當對電氣設(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
常運行。因此，應(yīng)當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。
由于變壓器的自振頻率為1.4~6.8 Hz 之間，與
地震波的卓越頻率0.5~10 Hz 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?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0.05 及以上地區(qū)時，可能會造成變壓器
第37 卷第6 期水電站機電技術(shù)Vol.37 No.6
2014 年12 月Mechanical &amp;amp; Electrical Technique of Hydropower Station Dec.2014 19
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，盡可能使用軟導線或電纜進行連接，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
套管因強度不足而發(fā)生斷裂。國產(chǎn)設(shè)備所標注的抗
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，我國標準雖有要求但不具
體，對廠家的抗震要求也未嚴格進行控制。由于規(guī)范
中的計算公式相對復雜，不太適合于工程設(shè)計中應(yīng)
用和復核，所以，很少有設(shè)計人員對此進行關(guān)注和復
核，而生產(chǎn)廠家不管你提出什么樣的抗震要求，在投
標書中均予以滿足，在產(chǎn)品生產(chǎn)和交付時仍是原有
的產(chǎn)品，無人檢查和復核。在這一點上，特別是對7
度以上的地震區(qū)域應(yīng)加強重視、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?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），如果導線
拉得過緊，由于導線的拉力作用而將設(shè)備拉倒損壞，
如果導線拉得過松也會導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
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
“設(shè)備引線和設(shè)備間連線宜采用軟導線，其長度應(yīng)留
有余量?！币矝]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)，可參考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：
（1）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。
（2）在采用管形母線布置時，對重要變電站式電
廠，電壓為220 kV 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)。
（3）對設(shè)備制造廠應(yīng)提出嚴格的要求，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)防地震烈度進行復核。
（4）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，參考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，而修復這些設(shè)備往往比較困難，耗費時
間長，特別是一些進口的、已經(jīng)淘汰而沒有配件的設(shè)
20 水 電 站 機 電 技 術(shù) 第37卷
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 標準和國標均有比較詳細
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準要求進行了相應(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)備標準的共用技術(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?！笨拐鹪囼灢⒎菫楸卦嚭蛷娭菩栽?
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）、控制保護屏、通信設(shè)備等，應(yīng)采用
螺栓或焊接的固定方式。當設(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
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，二是只能用螺栓進行連接，
但螺栓如何選擇，強度多大均沒有規(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、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?shù)脑６取?
在GB50260-2013 中取消了1996 版中“電纜、
空氣壓縮機、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
震國家，仍要求進行電纜橋架、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行抗震計算以滿足相應(yīng)地震
烈度的要求是比較合理的。
5 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。在強震地區(qū)和要
求設(shè)防的地區(qū)進行電站或變電站設(shè)計時應(yīng)注意以下
問題。
（1）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。
（2）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。
（3）對設(shè)備的固定螺栓、基礎(chǔ)應(yīng)進行地震復核，
考慮地震附加力的作用。
（4）對設(shè)備之間的連接盡可能采用軟連接，并適
淵下轉(zhuǎn)第30 頁冤
第6 期 穆建軍，等：電氣設(shè)備抗震設(shè)計的分析探討 21
當留有裕度，以適應(yīng)地震時設(shè)備不同擺動引起的拉
力作用。
（5）在高地震區(qū)域的電站或變電所盡可能選用
固定柜，以防止地震時出現(xiàn)卡阻現(xiàn)象。
參考文獻：
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出版社，2013.
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中國計劃出版社，2010.
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設(shè)計研究[J].世界地震工程，2009，25（4）.
[3]程永鋒，朱全軍，盧智成.變電站電力設(shè)施抗震措施研究現(xiàn)
狀與發(fā)展趨勢[J].電網(wǎng)技術(shù)，2008，32（22）.
淵上接第21 頁冤
可見，當發(fā)電機輸出不同容量時，無阻尼固有振蕩
頻率也是不同的。
4 其他表達式
4.1 用機械（或慣性）時間常數(shù)來表達
機械（或慣性）時間常數(shù)表示在發(fā)電機額定轉(zhuǎn)
矩作用下，把轉(zhuǎn)子從靜止狀態(tài)加速到額定轉(zhuǎn)速所需要
的時間。
這可以由發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速運動方程求得。
將轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速運動方程：dω
dt
=
改寫為：Jdω= dt
兩邊求積分：
ω2
ω1 乙dω=
t2
t1 乙dt
當ω1=0，ω2= 1，t1=0，t2= mec 時，
有mec=
而=
故有
=
=
27.4 2
100 蓸蔀（s） （11）
式中： 2———轉(zhuǎn)動部分飛輪力矩， 2=4 ，kg·2 m；
p＇N———發(fā)電機功率，kW；當cos =1時，p＇N=pN；
———發(fā)電機額定轉(zhuǎn)速，r/min。
這就是我們常用的機械（或慣性）時間常數(shù)計
算式。
所以，當cos =1 時，p＇N=pN，此時有：
= 1
2π
p2 姨= 1
2π
2
姨 1 = 1
2π
14
2
姨 1 = 1
2π
2π 姨（12）
4.2 用儲能常數(shù)來表達
儲能常數(shù)（單位：s）指的是發(fā)電機轉(zhuǎn)動部分的
動能和發(fā)電機額定容量的比值，即：
=12
1
2
（s） （13）
由于，
=12
1
2
=12
1
2 2π6
0
=12
J
1
2π
（14）
所以，
= 1
2π 姨= 1
2π 姨 1 = 1
2π
π 姨（15）
5 結(jié)語
在計算式推導過程中，發(fā)現(xiàn)本文引言中提到的
文獻[2]中所示發(fā)電機固有振蕩頻率計算式存在錯誤
的問題，實際上是由于未對各物理量的量綱進行仔
細核對所致。
通過仔細推導，我們得出了凸極同步發(fā)電機多
種情況下無阻尼振蕩固有頻率正確計算表達式。
必須注意的是，電機設(shè)計計算中所采用的實際
值、標幺值參數(shù)不能相互混淆。
參考文獻：
[1]王金山,龔守志. 獅子灘水電站水輪發(fā)電機功率擺動的分析
和處理[J].水力發(fā)電,1982，(09).
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學出版社,2003：68-69.
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30 水 電 站 機 電 技 術(shù) 第37卷

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