美国_变电站抗震设计推荐规程_评介

第6期·

·电力建设

Electric Power Construction

第30卷第6期

2009年6月

Vol．30No．6Jun,2009

美国《变电站抗震设计推荐规程》评介

尤红兵1，赵凤新1，刘锡荟2

（1．中国地震灾害防御中心，北京市，100029；2．信息产业部电子信息中心，北京市，100846）

［摘要］简要介绍了美国《变电站抗震设计推荐规程》（IEEE Std 693—2005）的基本情况，详细讨论了变电

站电气设备抗震性能标准，并与我国《电力设施抗震设计规范》进行了比较。介绍了IEEE Std 693—2005规范对变电站电气设备振动台试验输入时程的规定，并给出了满足IEEE Std693—2005要求的推荐输入时程。以断路器为例，简要介绍IEEE Std 693—2005抗震性能的评定方法和评定步骤。结合我国情况，提出了建立变电站电气设备抗震性能检测标准的建议。［关键词］

变电站电气设备；抗震规范；性能检测；IEEE Std 693—2005

中图分类号：TM63

文献标志码：A

文章编号：1000-7229（2009）06-0043-05

0引言

四川汶川地震中，变电站电气设备破坏严重，不

仅造成难以估量的经济损失，而且影响整个社会和国民经济的发展。电气设备的抗震规范是在地震设防区进行设计施工的依据，在减轻地震灾害中发挥着积极的、重要的作用。历次大地震震害的经验和教训推动着各国规范的不断修订和完善；相关的科学研究和抗震试验进展也推动各种规范的不断完善和发展。

唐山地震推动了我国各种抗震规范的编制。我国先后制订了《高压开关设备抗震性能试验》[1]、《电力设施抗震设计规范》[2]以及《工业企业电气设备抗震设计规范》[3]（2008，报批稿）。但我国电气设备抗震性能检测工作比较滞后，缺少相应的管理体制，也没有变电站电气设备统一的检测标准，这也是造成汶川地震中变电站电气设备破坏严重的原因之一。

阪神地震后，日本吸收抗震设计与试验的新知识、新技术，修订了《电气设备抗震设计指南》[4]，作为电气设备抗震设计与性能测试的主要文件。

美国先后2次修订了《变电站抗震设计推荐规程》（Recommended Practice for Seismic Design of

Substations ，IEEE Std 693—2005）[5]，这是美国现行

变电所电气设备耐震设计与性能测试的主要参考文件。

1IEEE Std 693—2005简介

1971年美国加州San Fernando 地震中，变电站

电气设备损坏严重，造成电力系统的损失惨重。这次地震成为美国电力设施抗震研究的转折点，随后美国对电气设备的抗震问题进行了深入研究。在此基础上，1984年美国电气与电子工程师协会（IEEE ）制订了《变电站抗震设计推荐规程》（IEEE Std 693—

1984），作为美国变电站电气设备抗震设计与性能测

试的主要参考文件。此标准的实施，提高了美国电气设备的抗震能力。1994年北岭地震对美国电力系统的破坏不大，损失较小。此后，美国分别于1997年和

2005年对IEEE Std 693进行了修订，吸收了新的科

研成果和经验教训。目前，美国学者进行相关抗震性能研究均以IEEE Std 693为依据，研究中所发现

IEEE Std 693的不足，将会回馈成为其未来修改版

的参考。

IEEE Std 693—2005主要内容包括：总论、依

据、定义、基本说明、安装考虑、评定方法、设计考虑、电气设备抗震性能标准等。该标准给出了变电站抗震设计的最低要求，重点是变电站电气设备及其支撑结构的抗震设计与性能测试，但不包括核电站

Class 1E 设备。其附录对14类电气设备的抗震性能

的评定作了详细规定，包括：操作要求、评定方法、评定步骤、设计要求、报告内容等，并给出了报告和考核证书的模板。

基金资助项目：地震行业科研专项资助（工业电气设备地震安全研究，编号：200708034）收稿日期：2009-02-09

作者简介：尤红兵(1970—)，男，博士，副研究员，从事地震工程研究。

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电力建设第30卷

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图3电力设施抗震设计规范标准谱与

IEEE Std 693中等水准反应谱比较

IEEE Std 693—2005为美国现行变电所电气设

备抗震设计与性能测试的主要参考文件，逐渐成为具有影响力和权威性的国际性规范。通过对IEEE

Std 693—2005的深入学习和研究，将会为我国电气

设备抗震性能检测标准的制订提供重要的借鉴。

2变电站电气设备抗震性能标准

2.1

IEEE Std 693-2005相关规定

IEEE Std 693定义了高、中、低3个基本抗震考核水平（high,moderate,and low seismic qualification level ），加速度峰值分别为0.1g 、0.25g 、0.5g 。并规定凡电气设备通过与图1所示的高等水准要求反应谱（required response spectrum ，简称RRS ）相符的地震动时程，其抗震性才满足高等抗震水平；凡电气设备通过与图2所示的中等水准反应谱相符的地震动时程，其抗震性才满足中等抗震水平。图中阻尼比分别为2％、5％、10％。这些反应谱频带较宽，考虑了不同震级、距离、场地条件的影响。

为满足客户的更高要求，定义了高、中2个抗震性能水平（performance level ，简称PL ），反应谱值为相应RRS 的2倍，加速度峰值分别为1.0g 、0.5g 。

抗震设防目标是：当遭遇给定水平的RRS 地震时，设备完全无损坏，能继续运行；遭遇给定水平的

PL 地震时，设备稍微损坏，大部分设备能继续运行。

设计时应选取何种抗震水平，则根据工程场地

50年超越概率2％的PGA 值而决定（小于0.1g 时取低，介于0.1～0.5g 时取中，大于0.5g 时取高抗震

水平）。

2.2IEEE Std 693—2005与《电力设施抗震设计

规范》比较

《电力设施抗震设计规范》（GB50260—96）为我国强制性国家标准。按本规范设计的电气设施，

当遭受到相当于设防烈度及以下的地震影响时，不受损坏，仍可继续使用；当遭受到高于设防烈度预估的罕遇地震影响时，不致严重损坏，经修理后即可恢复使用。另外，本规范对电气设施抗震设计的要求、设计方法、抗震计算、试验验证等作了明确的规定。

地震作用的地震影响系数根据场地指数、场地特征周期和结构自振周期确定。当结构的阻尼比为

5％时，水平地震影响系数的最大值按表1采用。图3为阻尼比为2％时，电力设施抗震设计规范标准谱（8度设防，αmax =0.45）与IEEE Std 693中等水准反应谱比较。图4为阻尼比为2％时，电力设施抗震设计

规范标准谱（9度设防，αmax =0.9）与IEEE Std 693高等水准反应谱比较。

从图3～4可以看出：当设防烈度为8度时，电

力设施抗震设计规范不同场地标准谱平台高度为

0.6g ，拐点周期分别为0.22s （硬场地）、0.3s （中硬场

地）、0.42s （中软场地）、0.53s （软场地），明显小于

IEEE Std 693中等水准反应谱平台高度0.81g 及拐点周期1.0s ；当设防烈度为9度时，电力设施抗震

设计规范不同场地标准谱平台高度为1.2g ，明显低

图1高等水准反应谱

图2

中等水准反应谱

表1

水平地震影响系数的最大值

设防烈度

6789αmax

0.12

0.23

0.45

0.90

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图8输入时程反应谱与RRS 比较

于IEEE Std 693高等水准反应谱平台高度1.6g 。与《电力设施抗震设计规范》相比，IEEE Std 693对变电站电气设备的抗震性能有更高更严格的要求。

3振动台试验输入时程

3.1

IEEE Std 693—2005相关规定

IEEE Std 693—2005对变电站电气设备振动台

试验输入时程作了详细规定，应满足下列要求：

（1）谱的匹配：振动台输入的理论反应谱应包络相应水准的RRS 或PL 谱。计算反应谱时，阻尼比取

2%，并应包括1.1Hz 频率点，所有反应谱值（纵坐

标）按线性比例绘图。

（2）持时：输入时程的持时至少为20s 。持时的定义为幅值最先与最后一个达到最大幅值25%的时段长。

（3）理论输入运动：计算反应谱时，倍频程（octave ：频率比为2∶1的两个频率的间隔）所分点数n ≥24；阻尼比为2%时，理论反应谱与RRS 的误差不超过±10%。

（4）滤波限制：对理论输入运动进行高通滤波，滤波频率小于或等于试验规定的最低频率的70%，且不高于2Hz 。试验规定的最低频率通过试验确定。

（5）滤波后的理论输入运动：滤波后的反应谱应包络RRS ；计算反应谱时，倍频程数n ≥12，偏差范围：-5%～+30%；SDOF 震荡器(阻尼2%，频率范围：

0.78～11.78Hz)在滤波后的输入运动下反应的高振幅循环数：2～25；振动台输入运动的强度比≥30%。强度比指累积能量从总能量的25%到75%的时间

与累积能量从总能量的5%到95%的时间比值。

（6）振动台输出运动：振动台输出运动的反应谱（TRS ）应包络RRS ；计算反应谱时，倍频程所分点数

n ≥12，偏差范围：-10%～+50%。

3.2

满足IEEE Std 693—2005要求的输入时程Shakhzod 等[6]深入研究了用于变电站电气设备

模拟振动台的输入地震动，研究成果被IEEE Std

693—2005采用。利用Landers 记录在时域内拟和，

并通过滤波，得到了满足IEEE Std 693—2005要求的3个方向振动台输入时程[6]，如图7所示。输入时

图4电力设施抗震设计规范标准谱与

IEEE Std 693高等水准反应谱比较

图7

振动台试验输入时程

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程反应谱与RRS比较如图8所示，偏差范围均在-5%至+30%，满足规范要求。

4断路器抗震性能评定

IEEE Std693—2005附录对断路器、隔离开关、变压器等14类电气设备的抗震性能的评定作了详细规定，包括：操作要求、评定方法、评定步骤、设计要求、报告内容等。下面以断路器为例，简要介绍其抗震性能的评定方法和评定步骤。

4.1评定方法

变电站电气设备的试验和分析应接近其运行状态，包括支座或其他支撑结构。根据断路器不同的电压等级，可采用不同的评定方法。

（1）≥169kV，采用时程和正弦拍波振动台试验方法。

（2）≥121kV且＜169kV，采用动力分析方法，包括反应谱分析和时程分析。

（3）≥35kV且＜121kV，采用静力系数方法。一般用于设备的几个重要模态频率分布在地震波主要频率范围内。由RRS得到的峰值加速度（g）的1.5倍进行计算，系数1.5表示多模态的影响。

（4）＜35kV，满足构造要求（inherently accept-able）。在产品说明书中注明满足抗震要求的计算过程。设备和支架应承受一个水平向1.0倍自重及竖向0.8倍自重的作用力。将正常操作荷载、恒载组合，按最大应力进行设计计算。

4.2评定步骤

IEEE Std693—2005对时程和正弦拍波振动台试验步骤作了明确规定，共分为5个阶段：

（1）测定自振频率：自振频率的测定可采用白噪声试验方法或正弦扫描试验方法。

（2）时程试验：确定抗震考核水平；根据RRS，选择满足规范要求的振动台输入时程；通过振动台试验，测定其抗震性能。

（3）时程操作试验：时程试验中进行开－关－开操作，并且在规定气压下加气操作。对开－关－开操作时间也作了明确规定。通过振动台时程试验，测定抗震性能。

（4）正弦拍波试验：采用白噪声试验或正弦扫描试验测定自振频率；根据测定的自振频率，合成正弦拍波，建议采用10周5拍正弦波。每拍间隔应足够长，使反应不叠合。幅值分别取：0.5g（高等水准）、0.25g（中等水准），竖向取水平向的80％。

（5）自振频率检测：重新测定断路器的自振频率，判断设备是否有显著变化，即共振频率前后相比是否超过20％。

试验中应记录重点部位的位移、加速度及应力的变化。根据最大应力是否满足要求评定设备的抗震性能。

在IEEE Std693—2005中，只有断路器的抗震性能评定中，进行时程和正弦拍波试验。其他设备的抗震试验均不采用正弦拍波，只进行振动台时程试验，应重视正弦拍波的适用性。

5建议

提高电力系统的抗震安全性，重要的一环是编制和实施相关的抗震技术标准。IEEE Std693—2005为美国现行变电所电气设备抗震设计与性能测试的主要参考文件，已成为最具影响力和权威性的国际性规范之一。通过对IEEE Std693—2005的深入学习和研究，将为我国电气设备抗震性能检测标准的制订提供重要的借鉴。为加强我国相关工作，建议：（1)成立全国电力系统与电气设备抗震标准化委员会，制定电力系统与电气设备抗震标准化体系。

（2）应适当提高电力系统抗震设防标准。美国、日本、我国台湾在大地震后（如北岭地震，坂神地震，集集地震）都将电力系统抗震设防标准有所提高。应由相关专家委员会提出建议，广泛征求意见后给出权威性规定。

（3）深入调查汶川大地震电力系统震害，总结经验，吸取教训，选择典型的电气设备进行深入研究。

（4)借鉴IEEE Std693的成功经验，尽快实现变电站电气设备抗震性能检测标准化、制度化，编制相关标准，制订授权单位资证要求，制定检测合格证统一形式及发布程序。

总之，结合我国的实际情况，尽快建立变电站电气设备抗震性能检测标准及相关制度，尽快提高我国电气设备的抗震能力。

6参考文献

[1]GB/T13540—92高压开关设备抗震性能试验[S].北京：中国标准

出版社，1992.

[2]GB50260—96电力设施抗震设计规范[S].北京：中国计划出版

社，1996.

[3]工业企业电气设备抗震设计规范（报批稿），2008.

[4]JEAG5003—2008电气设备抗震设计指南[S].日本，1998.

[5]IEEE Standard693.Recommended Practice for Seismic Design of

Substations[S].Institute of Electrical and Electronic Engineers, USA,2005.

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Introduction of "Recommended Code of Substation Aseismatic Design"USA

YOU Hong-bing 1,ZHAO Feng-xin 1;LIU Xi-hui 2

(1.Earthquake Disaster Defense Center of China,Beijing 100029,China;2.Electronic Center of Information and Industrial Ministry,Beijing

100846,China)

［Abstract ］

The paper introduces briefly fundamental situation of "Recommended Code of Substation Aseismatic Design"USA (IEEE Std 693-

2005),discusses substation electrical equipment aseismatic performance standards in details and compares them with "Electrical Apparatus Aseismatic Design Specifications"in China.It illustrates stipulations of the code for substation electrical device vibration table test input time and gives out recommended input time meeting IEEE693-2005's requirements.Taking a circuit breaker as an example,aseismatic performance evaluating method and procedure in IEEE Std 693-2005,and comments on establishing inspection standard of substation electrical equipment aseismatic performance are given.［Keywords ］

substation electrical equipment;aseismatic specification;performance inspection;IEEE Std 693—2005

[6]

Shakhzod M Takhirov,Gregory L Fenves,Fujisaki Eric.Ground motions for earthquake simulator qualification of electrical substation equipment [R].PEER -2004/07,Pacific Earthquake

Engineering Research Center,University of California,Berkeley,USA,2005.

（责任编辑：魏希辉）

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将于2009年10月20-24日在广西南宁举办的第6届中国-东盟博览会，继续设置电力与能源设备专题展（简称“电力能源展”），集中展示发电设备、输配电设备、变电设备、电线电缆、电气自动化设备、仪器仪表、电力保护设备等电力设备。此外，还将重点展出新能源装备，如风/太阳/核/生物等新能源的转换、加工设备及配套设施，工程建设技术、成果等，将为我国电力行业企业应对金融风暴创造更多商机。

在已成功举办5届的中国-东盟博览会上，电力能源展为商品贸易专题中最具成效的专题展区之一。仅第5届博览会，该展区的贸易成交额达8179.17万美元，位居博览会各行业贸易成交前列。来自24个国家的2000余家电力行业专业观众到会，较往届增长了81.8%。印尼国家电力公司、柬埔寨输配电公司、中国华能集团、广东粤电集团、葛洲坝集团、国家核电技术公司等众多国内外电力知名企业参展参会。

通过博览会，许多电力企业进一步开拓了市场，找到了自己的合作伙伴。第5届博览会上，赣州发电设备成套制造有限公司成交500万美元，广州番禺超能机电设备有限公司成交208万美元，浙江奥德康仪器仪表有限公司成交200.29万美元。一批中国电力企业与马来西亚、菲律宾、泰国、柬埔寨等东盟国家企业达成了合作意向，相当部分参会企业签署了合作协议，并承接了建设项目。

博览会秘书处将加大力度组织采购商参会。在第6届博览会高官会上，东盟10国共办方均表示，将继续积极支持中国-东盟博览会，继续加大本国采购商参会的组织。中国商务部把中国-东盟博览会列为重点支持的4大展会之一。在4月份举行的国内筹备会上，商务部要求各省市商务主管部门采取有效措施，积极组织本地区商家企业参会。博览会秘书处还将继续与中国电力企业联合会等国内相关权威性行业协会合作，组织采购商参会。此外，今年还把采购商的邀请范围扩大到“10+1”地区以外，广泛邀请日本、韩国以及欧美企业到会采购。

博览会秘书处将为参展企业提供优质服务。秘书处将精选11国优势项目，提供项目发布、查询和撮合服务，为投、引资方安排现场洽谈与对接；提供配对服务，安排对应的参展企业现场洽谈与对接；举办参展商讲坛，邀请参展企业发言，展示公司形象与推介商品，组织买家参加与交流；组织采购商说明会，邀请知名采购团体和机构发布采购清单，帮助参展商及时掌握市场需求，准确定位目标客户；现场还将举办东盟10国和国内重点省市推介会，介绍投资政策与环境，发布项目信息，寻求合作伙伴。

当前，全球金融风暴影响日益蔓延的形势下，中国-东盟博览会迎难而上，采取有力措施确保展会经贸成效，应对金融危机。展期由往届的4天延长到5天，展位总规模由3300个增加到4000个，展示内容更深入，专业性更强，将为企业客户提供更多的商机和便利，促使参展参会客商实现贸易需求。

（中国—东盟博览会秘书处供稿）

第六届中国-东盟博览会电力能源展

应对金融风暴搭建经贸合作平台

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