尤紅兵 趙鳳新

（中國地震災(zāi)害防御中心，北京100029）

引言

近年來發(fā)生的破壞性地震再次表明電氣設(shè)備具有較高的地震易損性（于永清等，2008）。為減輕地震損失，及時(shí)吸收新的研究成果和經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，各國不斷修訂電氣設(shè)備相關(guān)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)比分析國內(nèi)外電氣設(shè)備的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)提高我國電氣設(shè)備的抗震能力和相關(guān)規(guī)范的修訂具有十分重要的意義。

美國《變電站抗震設(shè)計(jì)推薦規(guī)程》（IEEE，2005）從IEEE Std 693-1984發(fā)展到IEEE Std 693-1997，現(xiàn)行的是IEEE Std 693-2005，目前新的修訂工作正在進(jìn)行。美國的地震環(huán)境與我國相似，IEEE Std 693對(duì)我國相關(guān)規(guī)范的修訂具有重要借鑒意義。日本《電氣設(shè)備抗震設(shè)計(jì)指南》（日本電気技術(shù)規(guī)格委員會(huì)，2010）從JEAG 5003-1980發(fā)展到JEAG 5003-1998，現(xiàn)行的是JEAG 5003-2010。同時(shí)，國際電工委員會(huì)也在不斷推出新的IEC相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并被我國引入成為國家標(biāo)準(zhǔn)。汶川地震推動(dòng)了我國電氣設(shè)備相關(guān)抗震規(guī)范的編制，新修訂了國家標(biāo)準(zhǔn)《高壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備的抗震要求（GB/T 13540-2009）》（中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，2009）及《工業(yè)企業(yè)電氣設(shè)備抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50556-2010）》（中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，2010a），《電力設(shè)施抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50260-201X）（報(bào)批稿）也已修訂完成。

Takhirov等（2009）、尤紅兵等（2009）分別介紹了美國IEEE Std 693-2005中電氣設(shè)備的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)；Eric Fujisaki（2009）比較了IEEE Std 693-2005和IEC 62271-300在變電站電氣設(shè)備抗震設(shè)計(jì)中的差異；Ji Ye等（2010）對(duì)日中美抗震規(guī)范中的荷載組合進(jìn)行了參數(shù)分析；Lu Zhicheng等（2010）研究了支架的動(dòng)力放大系數(shù)，并與日中規(guī)范進(jìn)行了對(duì)比；解琦等（2009）分析了日中美抗震規(guī)范在電氣設(shè)備動(dòng)力反應(yīng)放大效應(yīng)、法蘭-瓷套管連接和電氣設(shè)施振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)等方面的不同特點(diǎn)，提出了我國規(guī)范的改進(jìn)建議。但上述研究在電氣設(shè)備的抗震設(shè)防目標(biāo)、設(shè)防水準(zhǔn)、抗震設(shè)計(jì)反應(yīng)譜等方面對(duì)我國相關(guān)規(guī)范的分析還較少。

本文簡要介紹了目前美國、日本、IEC系列標(biāo)準(zhǔn)及我國相關(guān)規(guī)范的基本情況，從抗震設(shè)防目標(biāo)、設(shè)防水準(zhǔn)、抗震設(shè)計(jì)反應(yīng)譜等方面對(duì)比分析了電氣設(shè)備抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的差異，指出了我國規(guī)范的不足，提出了改進(jìn)我國電氣設(shè)備抗震設(shè)防的建議，希望盡快提高我國電氣設(shè)備的抗震能力。

1 電氣設(shè)備抗震設(shè)防相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范

1.1 國外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范

（1）美國《變電站抗震設(shè)計(jì)推薦規(guī)程》IEEE Std 693-2005

美國電氣與電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）于1984年制訂了《變電站抗震設(shè)計(jì)推薦規(guī)程》IEEE Std 693-1984，作為美國變電站電氣設(shè)備抗震設(shè)計(jì)與性能測試的主要參考文件?，F(xiàn)行IEEE Std 693-2005主要內(nèi)容包括：總論、依據(jù)、定義、基本說明、安裝考慮、評(píng)定方法、設(shè)計(jì)考慮、電氣設(shè)備抗震性能標(biāo)準(zhǔn)等。給出了變電站抗震設(shè)計(jì)的最低要求，適用于變電站電氣設(shè)備及其支撐結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)與性能測試。

（2）日本《電氣設(shè)備抗震設(shè)計(jì)指南》JEAG 5003-2010

日本電氣協(xié)會(huì)2010年制定了《電氣設(shè)備抗震設(shè)計(jì)指南》JEAG5003-2010，作為電氣設(shè)備抗震設(shè)計(jì)與性能測試的主要文件?！峨姎庠O(shè)備抗震設(shè)計(jì)指南》第一章為總則，內(nèi)容包括目的、適用范圍、相關(guān)法規(guī)等。第二章為抗震設(shè)計(jì)，討論對(duì)象包括室外、室內(nèi)電氣設(shè)備與變壓器、其它設(shè)備等?！皡⒖假Y料 I”提供了正文部分所規(guī)定的設(shè)計(jì)條件和進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的方法，并提供了設(shè)計(jì)實(shí)例。“參考資料II”整理了地基和基礎(chǔ)的抗震設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)方法。最后有10項(xiàng)附錄，其中附錄五為日本近年來16個(gè)主要地震與所致電力系統(tǒng)震害的詳細(xì)數(shù)據(jù)，參考價(jià)值巨大。

（3）IEC系列標(biāo)準(zhǔn)

IEC（International Electrotechnical Commission）成立于1906年，是世界上最早的國際性電工標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)有關(guān)電工、電子領(lǐng)域的國際標(biāo)準(zhǔn)化工作。IEC的工作領(lǐng)域包括了電力、電子、電信和原子能方面的電工技術(shù)?，F(xiàn)已制訂國際電工標(biāo)準(zhǔn)3000多個(gè)，IEC系列標(biāo)準(zhǔn)主要應(yīng)用于歐洲各國。

與電氣設(shè)備抗震試驗(yàn)有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)主要有：電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)—第3部分—試驗(yàn)方法（IEC，1991）、第2部分—振動(dòng)-時(shí)間歷程法（IEC，1999）、振動(dòng)（正弦）（IEC，2007a）等。

與高壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備抗震要求有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)主要有：高壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備—第2部分—額定電壓72.5 kV及以上的抗震要求（IEC，2003）、高壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備—第207部分—額定電壓52 kV以上的氣體絕緣成套開關(guān)設(shè)備的抗震要求（lEC，2007b）、高壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備—第300部分—交流斷路器的抗震要求（IEC，2006）等。

1.2 國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范

（1）國家標(biāo)準(zhǔn)《電力設(shè)施抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50260

1996年我國頒布實(shí)施了強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)《電力設(shè)施抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50260-96）》（中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，1996），主要適用于電力系統(tǒng)的電力設(shè)施，是變電站電氣設(shè)備抗震設(shè)計(jì)的主要依據(jù)，對(duì)減輕電氣設(shè)備的地震破壞和損失起到了積極作用。為及時(shí)吸收震害經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)及先進(jìn)科研成果，《電力設(shè)施抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50260-201X）（報(bào)批稿）已修訂完成。

《電力設(shè)施抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50260-201X）在電氣設(shè)備抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)方面的修改主要為：在重要電力設(shè)施中增加了220kV樞紐變電站和750kV變電站；對(duì)于重要電氣設(shè)備，由“按設(shè)防烈度提高1度，但設(shè)防烈度為8度及以上不再提高”修改為“按設(shè)防烈度提高1度，但設(shè)防烈度為9度及以上不再提高”；設(shè)計(jì)反應(yīng)譜的動(dòng)力放大系數(shù)最大值由2.25增大為2.5；設(shè)計(jì)反應(yīng)譜的特征周期與現(xiàn)行《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》一致等。

（2）國家標(biāo)準(zhǔn)《工業(yè)企業(yè)電氣設(shè)備抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50556-2010

工業(yè)企業(yè)電氣設(shè)備在地震中一旦破壞，將導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失，并可能引發(fā)火災(zāi)、爆炸等嚴(yán)重次生災(zāi)害。為減輕工業(yè)企業(yè)電氣設(shè)備地震破壞和損失，避免人員傷亡，2010年制定了國家標(biāo)準(zhǔn)《工業(yè)企業(yè)電氣設(shè)備抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50556-2010）》（中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，2010a）。明確了工業(yè)企業(yè)電氣設(shè)備的抗震設(shè)防目標(biāo)、設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)方法、抗震措施等，是工業(yè)企業(yè)變配電設(shè)備抗震設(shè)計(jì)的依據(jù)。

（3）國家標(biāo)準(zhǔn)《高壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備的抗震要求》GB/T 13540-2009

我國先后引入了一些 IEC標(biāo)準(zhǔn)，作為國家標(biāo)準(zhǔn)。《高壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備的抗震要求（GB/T 13540-2009）》（中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，2009）替代了《高壓開關(guān)設(shè)備抗地震性能試驗(yàn)》（GB/T 13540-92），修改主要參考了 IEC 62271-2: 2003、lEC 62271-207: 2007、IEC 62271-300: 2006等IEC系列標(biāo)準(zhǔn)。本標(biāo)準(zhǔn)適用于標(biāo)稱電壓3kV及以上，頻率50 Hz及以下的電力系統(tǒng)中運(yùn)行的戶內(nèi)和戶外安裝的所有高壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備，包括其與地面剛性連接的支撐構(gòu)架。

2 抗震設(shè)防目標(biāo)和設(shè)防水準(zhǔn)

設(shè)防目標(biāo)是指根據(jù)設(shè)防原則對(duì)工程設(shè)防要求達(dá)到的具體目標(biāo)。設(shè)防水準(zhǔn)指在工程設(shè)計(jì)中如何根據(jù)客觀的設(shè)防環(huán)境和已定的設(shè)防目標(biāo)，并考慮社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件來確定采用多大的設(shè)防參數(shù)，即多大強(qiáng)度的地震作為防御的對(duì)象。如我國《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50011-2010）》（中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，2010b）采用“小震不壞、中震可修、大震不倒”三級(jí)設(shè)防目標(biāo)，相應(yīng)的設(shè)防水準(zhǔn)分別為50年超越概率63%、10%、2—3%。為方便比較，表1給出了不同規(guī)范電氣設(shè)備的設(shè)防目標(biāo)及設(shè)防水準(zhǔn)，表2給出了不同規(guī)范中重要電氣設(shè)備的設(shè)計(jì)基本加速度取值。

2.1 設(shè)防目標(biāo)

各國規(guī)范采用的設(shè)防目標(biāo)略有不同，詳見表1。美國IEEE693及我國《電力設(shè)施抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中電氣設(shè)備均采用兩級(jí)設(shè)防。對(duì)于我國一般電氣設(shè)備，設(shè)防目標(biāo)可簡稱為“中震不壞”、“大震可修”；對(duì)于變電站重要的電氣設(shè)備，按設(shè)防烈度提高1度進(jìn)行設(shè)防，即“大震不壞”。IEC系列標(biāo)準(zhǔn)和日本JEAG 5003采用了一級(jí)設(shè)防，要求設(shè)備的功能不降低，設(shè)防目標(biāo)對(duì)應(yīng)于“大震可修”?！豆I(yè)企業(yè)電氣設(shè)備抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》也采用了一級(jí)設(shè)防，設(shè)防目標(biāo)為“中震不壞”；重要電氣設(shè)備的設(shè)計(jì)基本加速度提高0.05g，0.2g及以上時(shí)不再提高。

電氣設(shè)備多為含瓷套的細(xì)長型設(shè)備，在地震中常因瓷套斷裂而破壞。瓷套為脆性材料，一旦破壞，將不能繼續(xù)使用，沒有“可修”狀態(tài)。“可修”是指電氣設(shè)備中的次要部件或塑性材料產(chǎn)生損壞或變形，經(jīng)修理后即可恢復(fù)使用。因此，對(duì)于第二級(jí)設(shè)防中的“可修”，也需保證瓷套所受應(yīng)力小于破壞應(yīng)力，保證其不壞。上述各規(guī)范的設(shè)防目標(biāo)在保證瓷套“不壞”方面是一致的。

美國IEEE Std 693-2005規(guī)定了基本抗震考核水平，給出了相應(yīng)的需求響應(yīng)譜（Required Response Spectra，簡稱RRS），也稱為RRS考核水平。要求在RRS考核下瓷套的應(yīng)力小于破壞應(yīng)力的50%，當(dāng)?shù)卣鹱饔迷龃笠槐叮纯拐鹦阅芩剑≒erformance Levels，簡稱PL）時(shí)，瓷套的應(yīng)力小于破壞應(yīng)力。在RRS水平下取2.0的安全系數(shù)，可預(yù)期保證在PL時(shí)瓷套不壞，結(jié)合其他措施，達(dá)到“可修”的設(shè)防目標(biāo)。

《電力設(shè)施抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50260-96）》及報(bào)批稿（GB 50260-201X）在地震作用、強(qiáng)度驗(yàn)算等方面給出了具體要求，可保證第一級(jí)設(shè)防目標(biāo)“不壞”的實(shí)現(xiàn)。但規(guī)范沒有給出實(shí)現(xiàn)“可修”的具體措施，導(dǎo)致第二級(jí)設(shè)防目標(biāo)不易實(shí)現(xiàn)，這是該規(guī)范在抗震設(shè)防方面的不足之處。如有些瓷套在中震時(shí)，可確保設(shè)備“不壞”；但在大震時(shí)，不能保證瓷套不破壞，“可修”的目標(biāo)則不能實(shí)現(xiàn)。在中震時(shí)規(guī)范給出的安全系數(shù)為1.67，只是考慮電瓷產(chǎn)品破壞應(yīng)力的離散性及脆性破壞，并沒有考慮“大震可修”的設(shè)防目標(biāo)?？蓞⒖济绹鳬EEE Std 693的相關(guān)規(guī)定，通過增大安全系數(shù)，明確瓷套破壞應(yīng)力的計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)“可修”的設(shè)防目標(biāo)。

2.2 設(shè)防水準(zhǔn)

日本規(guī)范采用了正弦三波 0.3g（電瓷型設(shè)備）、0.5g（變壓器），其放大系數(shù)約為相同峰值加速度時(shí)程的1.3倍，轉(zhuǎn)換為地震動(dòng)時(shí)程分別為0.39g（電瓷型設(shè)備）、0.65g（變壓器）。

美國IEEE 693-2005定義了高、中、低三個(gè)基本抗震考核水平（RRS），加速度峰值分別為0.5g、0.25g、0.1g；以及高、中二個(gè)抗震性能水平（PL），加速度峰值分別為1.0g、0.5g，是相應(yīng)RRS的2倍。對(duì)于RRS水平，可根據(jù)工程場地50年超越概率2%的PGA值而進(jìn)行選擇：當(dāng)PGA小于0.1g時(shí)取低等級(jí)，介于0.1g—0.5 g時(shí)取中等級(jí)，大于0.5 g時(shí)取高等級(jí)；對(duì)于PL，當(dāng)PGA介于0.1g—0.5 g時(shí)取中等級(jí)，大于0.5 g時(shí)取高等級(jí)?？梢钥闯?， IEEE 693在一個(gè)較大的范圍內(nèi)考核水平是就高不就低，抗震設(shè)防水平較高。根據(jù)我國的地震危險(xiǎn)性分析，8度0.2g區(qū)50年超越概率2%的PGA一般小于0.5g，表2中按0.25g選?。?度0.3g區(qū)50年超越概率2%的PGA一般大于0.5g，按0.5g選取。

表2 不同規(guī)范設(shè)計(jì)加速度取值比較Table 2 Comparison of the design basic acceleration values for different standards

GBT 13540-2009給出的設(shè)防目標(biāo)（表1），從文字描述上看其大體相當(dāng)于IEEE 693中PL的設(shè)防目標(biāo)；對(duì)應(yīng)的設(shè)防水準(zhǔn)為S2級(jí)地震，相當(dāng)于核電站中的安全停堆地震，這一水平要高于IEEE 693中PL地震。但GBT 13540-2009給出的加速度值（表2）明顯達(dá)不到S2級(jí)地震，有些分區(qū)甚至低于PL地震。如設(shè)防烈度為7度時(shí)取0.2g，大體相當(dāng)于我國50年2%的超越概率，與S2地震（50年超越概率0.5%）相差較大，也低于IEEE 693給出的0.25g。對(duì)于8度0.3g區(qū)，GBT 13540-2009標(biāo)準(zhǔn)取0.3g，在我國相當(dāng)于50年10%的超越概率，與S2地震的差異更大；而 IEEE 693-2005取 0.5g，也明顯高于 IEC標(biāo)準(zhǔn)。可以看出，GBT 13540-2009標(biāo)準(zhǔn)沒有很好地結(jié)合我國的地震情況，給出的設(shè)防水準(zhǔn)和加速度取值不一致，加速度取值偏低。

《電力設(shè)施抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》報(bào)批稿（GB 50260-201X）6度區(qū)設(shè)計(jì)基本加速度為0.1g，明顯低于美國、日本規(guī)范的取值。8度0.2g區(qū)提高到0.4g，高于美國、日本規(guī)范的取值，抗震設(shè)防水準(zhǔn)大約相對(duì)于50年超越概率2%，基本符合我國國情。我國6度區(qū)的面積較大，電氣設(shè)備抗震設(shè)防水準(zhǔn)應(yīng)再適當(dāng)提高。

《工業(yè)企業(yè)電氣設(shè)備抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50556-2010）》中重要電氣設(shè)備的設(shè)計(jì)基本加速度提高0.05g，0.2g及以上時(shí)不再提高，設(shè)防水準(zhǔn)低于其他規(guī)范，尤其是高烈度區(qū)。由于工業(yè)企業(yè)電氣設(shè)備在地震中一旦破壞，可引起火災(zāi)、爆炸等嚴(yán)重次生災(zāi)害。與其他規(guī)范相比，應(yīng)適當(dāng)提高工業(yè)企業(yè)電氣設(shè)備的抗震設(shè)防水準(zhǔn)。

3 抗震設(shè)計(jì)反應(yīng)譜

抗震設(shè)計(jì)反應(yīng)譜是電氣設(shè)備抗震設(shè)計(jì)的主要依據(jù)，對(duì)設(shè)計(jì)地震動(dòng)輸入影響最大的參數(shù)是動(dòng)力放大系數(shù)最大值βmax和特征周期Tg。

3.1 動(dòng)力放大系數(shù)最大值βmax

我國規(guī)范的設(shè)計(jì)譜一般采用動(dòng)力放大系數(shù)的形式，并采用統(tǒng)一的阻尼比 5%。動(dòng)力放大系數(shù)最大值應(yīng)根據(jù)強(qiáng)震記錄的統(tǒng)計(jì)分析及經(jīng)濟(jì)條件綜合確定?！吨袊卣饎?dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》宣貫教材指出反應(yīng)譜平臺(tái)段放大系數(shù)的優(yōu)勢分布為2.5，周錫元等（1984）、張皎（2008）、毛天爾等（2012）對(duì)強(qiáng)震記錄進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，也認(rèn)為 βmax應(yīng)取 2.5。目前，美國、歐洲、臺(tái)灣等較發(fā)達(dá)國家或地區(qū)相關(guān)規(guī)范的動(dòng)力放大系數(shù)最大值均為2.5。

在編制 1974年的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范時(shí)，動(dòng)力放大系數(shù)最大值取為 2.25，綜合反映了我國當(dāng)時(shí)的國情，因經(jīng)濟(jì)原因?qū)?.5降低了10%?，F(xiàn)行《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50011-2010）》、《電力設(shè)施抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50260-96）》及其他規(guī)范的動(dòng)力放大系數(shù)βmax均沿用了這一結(jié)果，近40年來一直未變。但隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國規(guī)范中動(dòng)力放大系數(shù)最大值理應(yīng)調(diào)整為2.5。

對(duì)于電氣設(shè)備的抗震設(shè)計(jì)，不同規(guī)范的動(dòng)力放大系數(shù)最大值比較見表3。當(dāng)阻尼比為5%時(shí)，美國《變電站抗震設(shè)計(jì)推薦規(guī)程》（IEEE Std 693-2005）中動(dòng)力系數(shù)最大值βmax采用2.5。新修訂的《電力設(shè)施抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50260-201X）為與新一代區(qū)劃圖銜接，βmax也采用2.5，并且其他阻尼比的βmax與美國IEEE Std 693-2005也基本一致。

表3 不同規(guī)范動(dòng)力放大系數(shù)最大值比較Table 3 Comparison of the maximum dynamic amplification coefficient for different standards

現(xiàn)行的《工業(yè)企業(yè)電氣設(shè)備抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50556-2010）》及《電力設(shè)施抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50260-96）》采用2.25，主要是考慮與我國現(xiàn)行其他規(guī)范的銜接。

代表IEC標(biāo)準(zhǔn)的《高壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備的抗震要求（GB/T 13540-2009）》，不同阻尼比的動(dòng)力放大系數(shù)最大值在各規(guī)范中最小。與IEEE Std 693相比，GB/T 13540-2009的βmax分別降低了13.6%（阻尼比2%）、30.4%（阻尼比5%）、34.0%（阻尼比10%）。

通過對(duì)比分析，建議《工業(yè)企業(yè)電氣設(shè)備抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》在以后的修訂中將βmax調(diào)整為2.5，《高壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備的抗震要求》應(yīng)大幅調(diào)整5%阻尼比的動(dòng)力放大系數(shù)最大值。

3.2 特征周期Tg

特征周期是設(shè)計(jì)反應(yīng)譜曲線下降段起點(diǎn)對(duì)應(yīng)的周期值，我國規(guī)范一般是根據(jù)場地類別與地震綜合效應(yīng)確定特征周期。對(duì)于電氣設(shè)備的抗震設(shè)計(jì)，我國規(guī)范與美、日等國外規(guī)范對(duì)特征周期的規(guī)定明顯不同，具體比較見表4。

為滿足電氣設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)要求，美國IEEE Std 693-2005給出的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜是場地的包絡(luò)譜，特征周期為0.91s（1.1Hz）。對(duì)于軟土場地，規(guī)范建議進(jìn)行專門研究。

《高壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備的抗震要求（GB/T 13540-2009）》及其他IEC標(biāo)準(zhǔn)給出的特征周期為0.42s，只適用于我國Ⅰ類及Ⅱ類場地。對(duì)于較軟的Ⅲ、Ⅳ類場地，特征周期取0.42s明顯偏小。

表4 不同規(guī)范特征周期比較（單位：s）Table 4 Comparison of the design characteristic period for different standards（unit: s）

《工業(yè)企業(yè)電氣設(shè)備抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50556-2010）》及《電力設(shè)施抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》報(bào)批稿（GB 50260-201X）均采用了《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50011-2010）》給出特征周期。但與國外規(guī)范相比較，在場地類似情況下，我國的特征周期值偏小約30%（周錫元等，1999）。這兩個(gè)規(guī)范沒有采用不同類型場地的包絡(luò)譜，主要是考慮與現(xiàn)行建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的銜接及電氣設(shè)備支架的設(shè)計(jì)。由于規(guī)范給出的特征周期偏小，對(duì)于自振周期較大的電氣設(shè)備明顯不安全，同時(shí)也不利于電氣設(shè)備及支架的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)。

《電力設(shè)施抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50260-96）》根據(jù)場地指數(shù)計(jì)算特征周期，可避免因很小的差異就帶來場地類別的差異。但沒有考慮震級(jí)、距離等對(duì)特征周期的影響，給出的結(jié)果偏小。

許多電氣設(shè)備的自振周期在0.5s—2.0s之間，與地震波的卓越頻率接近，而且設(shè)備的阻尼比較小，動(dòng)力放大效應(yīng)很大。如果設(shè)計(jì)特征周期選擇太小，將無法保證設(shè)備的地震安全，這也是汶川地震中電氣設(shè)備破壞嚴(yán)重的原因之一（中國電機(jī)工程學(xué)會(huì)，2009；尤紅兵等，2012）。

由于電氣設(shè)備未來安放地點(diǎn)的不確定及設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)的要求，建議我國相關(guān)規(guī)范借鑒美國IEEE693，采用Ⅰ—Ⅲ類場地的包絡(luò)譜，特征周期可根據(jù)強(qiáng)震記錄的統(tǒng)計(jì)及參考相關(guān)規(guī)范綜合確定。

3.3 不同規(guī)范設(shè)計(jì)反應(yīng)譜比較

為便于比較動(dòng)力放大系數(shù)最大值及特征周期的不同對(duì)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜的影響，選取峰值加速度均為0.2g，不同規(guī)范不同阻尼比（2%、5%）設(shè)計(jì)反應(yīng)譜比較見圖1所示。Ⅱ類場地在我國分布較廣，最具代表性，圖中GB 50260-201X、GB 50556-2010等規(guī)范的特征周期取表4中Ⅱ類場地對(duì)應(yīng)的最大值。由于電氣設(shè)備的自振周期一般在0.2s—1.0s，因此，重點(diǎn)對(duì)0.2s、0.4s、0.6s、0.8s、1.0s等不同周期點(diǎn)的各規(guī)范譜值進(jìn)行了比較。

《電力設(shè)施抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》報(bào)批稿（GB 50260-201X）與《電力設(shè)施抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50260-96）》相比，反應(yīng)譜譜值明顯提高。當(dāng)阻尼比分別為2%、5%時(shí)，0.2s—1.0s間5個(gè)周期點(diǎn)譜值平均提高了30.8%、41.7%，主要原因是βmax從2.25提高到2.5，Ⅱ類場地的特征周期由0.35s增大到0.45s，修改后的《電力設(shè)施抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)明顯提高，可有效增強(qiáng)電氣設(shè)備的抗震能力。但當(dāng)設(shè)備自振周期大于0.45s時(shí)，GB 50260-201X設(shè)計(jì)譜的譜值明顯低于美國IEEE693的相應(yīng)譜值。以2%阻尼比為例，0.6s時(shí)的譜值分別為0.52g、0.65g，相差25%；0.8s時(shí)的譜值分別為0.4g、0.65g，相差62.5%。因此，建議《電力設(shè)施抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》在以后的修訂中，根據(jù)電氣設(shè)備的特點(diǎn)及標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)的要求，給出不同場地的包絡(luò)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜，不能簡單照搬《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》給出的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜。

在各標(biāo)準(zhǔn)中，當(dāng)峰值加速度相同時(shí)，《高壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備的抗震要求（GB/T 13540-2009）》的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜平臺(tái)段的譜值最低。當(dāng)阻尼比為2%時(shí)，平臺(tái)段譜值比其他標(biāo)準(zhǔn)低3.6%—16.1%；當(dāng)阻尼比為5%時(shí)，平臺(tái)段譜值則比其他標(biāo)準(zhǔn)低29.4%或47.1%。如果采用此標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)或抗震性能考核，電氣設(shè)備的抗震能力可能被高估。

圖1 不同規(guī)范設(shè)計(jì)反應(yīng)譜比較Fig. 1 Comparison of the design response spectra for different codes

4 電氣設(shè)備抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)綜合比較

電氣設(shè)備的抗震設(shè)計(jì)大多采用容許應(yīng)力法，安全系數(shù)是評(píng)定抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)高低的重要因素之一。電氣設(shè)備的破壞主要是因?yàn)榇刹牧系钠茐?，《電力設(shè)施抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50260-201X中對(duì)于瓷套管和瓷絕緣子，地震作用和其它荷載產(chǎn)生的總應(yīng)力不超過其破壞應(yīng)力與1.67的比值，即安全系數(shù)為1.67。而其他規(guī)范的安全系數(shù)均為為2.0，是《電力設(shè)施抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的1.2倍。根據(jù)《電力設(shè)施抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50260-96）》，1.67最初來源于1980年制定的《導(dǎo)體和電器選擇設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》（DLGJ 14-80）（試行）。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和電網(wǎng)重要性的提高，應(yīng)將安全系數(shù)提高至2.0，與其他相關(guān)規(guī)范協(xié)調(diào)一致。

根據(jù)表2中不同規(guī)范設(shè)計(jì)基本加速度的取值，圖2分別給出了6度0.05g、7度0.1g、8度0.2g區(qū)的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜，阻尼比分別為2%、5%。圖中GB 50260-201X、GB 50556-2010等規(guī)范的特征周期取表4中Ⅱ類場地對(duì)應(yīng)的最大值。

圖2 不同規(guī)范設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)綜合比較Fig. 2 Comparison of the seismic precautionary criteria of different codes

《電力設(shè)施抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50260-201X與GB 50260-96相比，8度區(qū)的設(shè)計(jì)基本加速度從0.2g提高到0.4g，增大了一倍。同時(shí)，βmax與特征周期也均有所提高，有效提高了電氣設(shè)備的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)減輕地震損失具有重要意義。

根據(jù)《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖（GB 18360-2001）》（中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，2001），我國0.05g區(qū)的城鎮(zhèn)為904個(gè)，為全國的37.8%。對(duì)于6度0.05g區(qū)，《電力設(shè)施抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50260-201X設(shè)計(jì)譜平臺(tái)值為0.317g，雖然高于《工業(yè)企業(yè)電氣設(shè)備抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50556-2010）》平臺(tái)值0.29g，但安全系數(shù)相差1.2倍。GB 50260-201X 設(shè)計(jì)譜平臺(tái)值將折減為0.264g，其設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)要比《工業(yè)企業(yè)電氣設(shè)備抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》低，對(duì)我國分布較多的0.05g區(qū)電氣設(shè)備的抗震明顯不利。

當(dāng)阻尼比為2%時(shí)，對(duì)于6度0.05g區(qū)，IEEE693譜的平臺(tái)值為0.809g，是《電力設(shè)施抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50260-201X設(shè)計(jì)譜平臺(tái)值0.317g的2.55倍；對(duì)于7度0.1g區(qū)，GB 50260-201X 設(shè)計(jì)譜平臺(tái)值為0.634g，約為IEEE693相應(yīng)譜值的78.4%；對(duì)于8度0.2g區(qū)，GB 50260-201X 設(shè)計(jì)譜平臺(tái)值為1.268g，明顯高于IEEE693的相應(yīng)譜值，但周期大于0.8s的譜值與 IEEE693相當(dāng)?？紤]到安全系數(shù)，我國《電力設(shè)施抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中電氣設(shè)備的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)總體上低于美國IEEE693。

代表IEC標(biāo)準(zhǔn)的《高壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備的抗震要求（GB/T 13540-2009）》給出的5%阻尼比反應(yīng)譜平臺(tái)高度明顯偏低，不建議采用此標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)或考核。

5 結(jié)論

簡要介紹了目前美國、日本、IEC系列標(biāo)準(zhǔn)及我國相關(guān)規(guī)范的基本情況，從抗震設(shè)防目標(biāo)、設(shè)防水準(zhǔn)、抗震設(shè)計(jì)反應(yīng)譜等方面對(duì)比分析了電氣設(shè)備抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的差異，指出了我國規(guī)范的不足，提出了改進(jìn)我國電氣設(shè)備抗震設(shè)防的建議，希望盡快提高我國電氣設(shè)備的抗震能力。

（1）新修訂的《電力設(shè)施抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50260-201X有效提高了電氣設(shè)備的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，但總體上低于美國、日本的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

（2）建議《電力設(shè)施抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》在以后的修訂中，根據(jù)電氣設(shè)備的特點(diǎn)及標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)的要求，給出不同場地的包絡(luò)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜，并增大安全系數(shù)的取值。

（3）建議提高《電力設(shè)施抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中6度0.05g區(qū)電氣設(shè)備的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)。

（4）《工業(yè)企業(yè)電氣設(shè)備抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50556-2010）》的抗震設(shè)防水準(zhǔn)與其他規(guī)范相比略低，建議以后逐步提高。

（5）《高壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備的抗震要求（GB/T 13540-2009）》給出的設(shè)防水準(zhǔn)與加速度取值不一致，加速度取值偏低；并建議提高5%阻尼比反應(yīng)譜的動(dòng)力放大系數(shù)最大值。

毛天爾，曾雙雙，欒極等，2012. 抗震設(shè)計(jì)反應(yīng)譜的動(dòng)力放大系數(shù). 土木工程與管理學(xué)報(bào)，29（1）：89—92.

日本電気技術(shù)規(guī)格委員會(huì)，2010，《電氣設(shè)備抗震設(shè)計(jì)指南》（JEAG 5003-2010）. 日本.

解琦，郝際平，張文強(qiáng)，2009. 日中美抗震規(guī)范中電氣設(shè)備抗震設(shè)計(jì)研究. 世界地震工程，25（4）：188—193.

尤紅兵，趙鳳新，劉錫薈，2009. 美國《變電站抗震設(shè)計(jì)推薦規(guī)程》評(píng)介. 電力建設(shè)，30（6）：43—47.

尤紅兵，張郁山，趙鳳新，2012. 電氣設(shè)備振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)輸入的合理確定. 電網(wǎng)技術(shù)，36（5）：118–124.

于永清，李光范，李鵬等，2008. 四川電網(wǎng)汶川地震電力設(shè)施受災(zāi)調(diào)研分析. 電網(wǎng)技術(shù)，32（11）：1—6.

張皎，2008. 場地條件對(duì)地震動(dòng)峰值及衰減關(guān)系的影響研究. 北京：北京工業(yè)大學(xué).

周錫元，王廣軍，蘇經(jīng)宇，1984. 場地分類和平均反應(yīng)譜. 巖土工程學(xué)報(bào)，6（5）：59—68．

周錫元，樊水榮，1999. 場地分類和設(shè)計(jì)反應(yīng)譜的特征周期：《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》修訂簡介（八）. 工程抗震，（4）：3—8．

中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，1996. 電力設(shè)施抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50260-96）. 北京：中國計(jì)劃出版社.

中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，2001. 中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖（GB 18306-2001）. 北京：地震出版社.

中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，2009. 高壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備的抗震要求（GB/T 13540-2009）. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社.

中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，2010a. 工業(yè)企業(yè)電氣設(shè)備抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50556-2010）. 北京：中國計(jì)劃出版社.

中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，2010b. 建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50011-2010）. 北京：中國建筑工業(yè)出版社.

中國電機(jī)工程學(xué)會(huì)，2009. 地震對(duì)電力設(shè)施影響及應(yīng)對(duì)調(diào)研報(bào)告．北京：中國電機(jī)工程學(xué)會(huì).

Eric Fujisaki, 2009. Seismic Design Standards for Electric Substation Equipment, TCLEE 2009: Lifeline Earthquake Engineering in a Multihazard Environment，296—307.

IEC, 1991. Environmental testing. Part 3 Guidance Seismic test methods for equipments (IEC 68-3-3 1991).

IEC, 1999. Environmental testing –Part 2-57: Tests–Test Ff: Vibration–Time-history method（IEC 60068.2.57）.

IEC, 2003. High-voltage switchgear and controlgear–Part 2: Seismic qualification for rated voltages of 72.5 kV and above (IEC 62271-2).

IEC, 2006. High-voltage switchgear and controlgear–Part 300: Seismic qualification of alternating current circuit-breakers (IEC 62271-300).

IEC, 2007a. Environmental testing–Part 2-6: Tests–Test Fc: Vibration (sinusoidal)（IEC 60068-2-6）.

IEC, 2007b. High-voltage switchgear and controlgear–Part 207: Seismic qualification for gas-insulated switchgear assemblies for rated voltages above 52 kV (IEC 62271-207).

IEEE, 2005. Recommended Practice for Seismic Design of Substations. Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE Std 693-2005). USA.

Ji Ye, Zhu Zhubing, Lu Zhicheng，2010. Research on dynamic amplification factor of 1000kV transformation device supporting structures. 2010 International Conference on Power System Technology, 2129—2133.

Lu Zhicheng, Dai Zebing, Zhu Zhubing, 2010. Parameter study of load combinations in seismic design for UHV transformation devices. 2010 International Conference on Power System Technology, 2144—2149.

Takhirov S.M., Gilani A.S.J., 2009. Earthquake Performance of High Voltage Electric Components and New Standards for Seismic Qualification, TCLEE 2009: Lifeline Earthquake Engineering in a Multihazard Environment，274—284.