尤紅兵 趙鳳新

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特高壓電氣設備抗震設計反應譜特征周期取值研究

尤紅兵 趙鳳新

（中國地震災害防御中心，北京100029）

特征周期是抗震設計反應譜的重要參數(shù)，開展特高壓電氣設備抗震設計反應譜特征周期的研究，具有重要的理論意義和工程應用價值。對美國、日本等世界范圍內(nèi)的1448條Ⅲ類場地水平向強震記錄進行了統(tǒng)計分析，結果表明震級、震中距對特征周期有較大影響；強震記錄特征周期的80%分位數(shù)結果約為0.9s。對全國近年來已通過評審的312個Ⅲ類場地的地震安全性評價結果進行了統(tǒng)計分析，70%分位數(shù)的特征周期為0.9s。結合相關規(guī)范的對比分析，建議特高壓電氣設備抗震設計反應譜的特征周期取0.9s，可有效保證特高壓電氣設備的地震安全。

特高壓電氣設備 抗震設計反應譜 特征周期 統(tǒng)計分析

引言

特高壓電網(wǎng)在我國發(fā)展迅速，許多變電站將建于7度或8度區(qū)，這些特高壓電氣設備的抗震性能對電網(wǎng)的安全至關重要（程永鋒等，2008；楊德昌等，2009）。特征周期是反應譜曲線下降段起點對應的周期值，是特高壓電氣設備抗震設計反應譜的重要參數(shù)，但我國還沒有確定此特征周期的統(tǒng)一標準?，F(xiàn)行的《電力設施抗震設計規(guī)范（GB 50260-96）》（中華人民共和國國家標準，1996）和《高壓開關設備和控制設備的抗震要求（GB/T 13540-2009）》（中華人民共和國國家標準，2009）給出的設計反應譜均不適合于特高壓電氣設備的抗震設計。為保證特高壓電氣設備的地震安全，開展特高壓電氣設備抗震設計反應譜特征周期的研究，具有重要的理論意義和工程應用價值。

特征周期的確定主要是根據(jù)大量地震記錄的統(tǒng)計分析，考慮場地條件和地震綜合效應，結合經(jīng)驗判斷得到（中華人民共和國國家標準，2001；中華人民共和國國家標準，2010a）。由于電氣設備安裝地點的不確定性和設備標準化生產(chǎn)的要求，設計反應譜一般采用Ⅰ—Ⅲ類場地的包絡譜，特征周期主要取決于Ⅲ類場地的特征周期。如美國《變電站抗震設計推薦規(guī)程（IEEE Std 693-2005）》（IEEE，2005）給出的設計反應譜是不同場地的包絡譜，特征周期為0.91s（1.1Hz）；對于軟土場地（相當于我國Ⅳ類場地）該規(guī)程建議進行專門研究。

劉文鋒等（2009）和夏蕊芳等（2012）分別對反應譜的特征周期進行了統(tǒng)計分析，但Ⅲ類場地的地震記錄數(shù)量較少，分別為203條和149條；彭立國等（2007）根據(jù)北京市不同工程場地的地震安評結果，對特征周期進行了統(tǒng)計分析，涉及到的Ⅲ類場地只有59個；吳健等（2004）根據(jù)130個場點的安評結果，分析了Ⅱ類場地的特征周期，但沒有涉及Ⅲ類場地?！峨娏υO施抗震設計規(guī)范（GB 50260-96）》（中華人民共和國國家標準，1996）在確定設計反應譜時，共分析了國內(nèi)外>5級的強震記錄515條，但確定的特征周期與其他規(guī)范相比偏小。強震記錄的增加、地震動特性研究的進展和震害經(jīng)驗的積累，將積極推動相關規(guī)范對抗震設計反應譜的修訂工作。

本文收集了美國、日本等世界范圍內(nèi)的1448條Ⅲ類場地水平向強震記錄，以及全國近年來已通過評審的312個Ⅲ類場地的地震安全性評價報告，通過對特征周期的統(tǒng)計并結合相關規(guī)范的對比分析，綜合確定了特高壓電氣設備抗震設計標準反應譜特征周期的建議值。

1 Ⅲ類場地強震記錄的統(tǒng)計分析

1.1 強震記錄的選取

我國的強震觀測數(shù)據(jù)庫沒有提供臺站的場地分類或等效剪切波速，無法選擇Ⅲ類場地的強震記錄。而美國太平洋地震工程研究中心新一代區(qū)劃圖（NGA）項目數(shù)據(jù)庫、日本K-NET及KiK-NET數(shù)據(jù)庫提供了大量的強震記錄，為確定Ⅲ類場地的特征周期提供了數(shù)據(jù)條件。選擇震級大于4.0級、震中距不大于300km、峰值加速度（Peak Ground Acceleration，簡稱PGA）在0.04—1.0g之間的水平向強震記錄，總共選取了Ⅲ類場地1448條記錄。

NGA數(shù)據(jù)庫地震記錄的選?。焊鶕?jù)呂紅山等（2007）的研究，按美國規(guī)范得到的地表下30m內(nèi)的等效剪切波速在150m/s與260m/s之間的場地對應于中國《建筑抗震設計規(guī)范（GB 50011-2010）》（中華人民共和國國家標準，2010a）中的Ⅲ類場地。據(jù)此，選擇了NGA水平向記錄506條。

日本地震記錄的選取：日本K-NET及KiK-NET數(shù)據(jù)庫中提供了各臺站的鉆孔資料，根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范（GB 50011-2010）》（中華人民共和國國家標準，2010a）的場地分類標準，對各臺站的場地進行了分類。其中，選擇Ⅲ類場地75個臺站的水平向地震記錄942條。

不同震級與震中距對應的強震記錄數(shù)量分布如表1所示；圖1為震級與震中距的分布圖。從中可以看出，震級、震中距的分布比較合理。

表1 強震記錄的分布

1.2 特征周期的計算

對于特征周期，各規(guī)范給出了不同的計算方法?！吨袊卣饎訁?shù)區(qū)劃圖（GB 18306-2001）》（中華人民共和國國家標準，2001）、《建筑抗震設計規(guī)范（GB 50011-2010）》（中華人民共和國國家標準，2010a）是按場地與地震綜合效應確定場地的特征周期；《電力設施抗震設計規(guī)范（GB 50260-96）》（中華人民共和國國家標準，1996）是按場地指數(shù)效應確定特征周期；歐洲抗震規(guī)范EC8（EC8，2004）是根據(jù)土層的特征所確定的地面分類，確定特征周期；美國FEMA-450（2003）是根據(jù)0.2s和1.0s時，反應譜的特征參數(shù)直接確定特征周期。

根據(jù)相關規(guī)范，計算特征周期的主要方法如下：

（1）如果由場地地震反應分析得到的地面運動的主峰波可用正弦函數(shù)表示，則它的周期為：

式中，為與主峰波相應的地面最大速度；為與主峰波相應的地面最大加速度。

（2）用速度反應譜的最大值和加速度反應譜最大值來確定：

式中，為速度反應譜最大值；為加速度反應譜最大值。

（3）美國FEMA-450（2003）規(guī)范中對特征周期作了如下規(guī)定：

式中，分別為1s和0.2s時的加速度反應譜值。

（4）美國ATC3-06（1978）規(guī)范中對特征周期作了如下規(guī)定：

式中，為有效峰值速度，取=［0.1，0.5］區(qū)間擬速度反應譜均值除以2.5；為有效峰值加速度，取=［0.5，2.0］區(qū)間絕對加速度反應譜均值除以2.5。

（5）《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖（GB 18306-2001）》（中華人民共和國國家標準，2001）對和的定義作了修改，即計算時不將頻段固定，具體分析每條反應譜以確定相應的平臺頻段。在對數(shù)坐標系中同時作出絕對加速度反應譜和擬速度反應譜，找出絕對加速度反應譜平臺段的起始周期和結束周期，再在擬速度反應譜上選定平臺段，其起始周期為，結束周期為，則有：

式中，為有效峰值速度，取=［，］間擬速度反應譜均值除以2.5；為有效峰值加速度，取=［，］間絕對加速度反應譜均值除以2.5。

表2 震級對特征周期的影響

續(xù)表

表3 震中距對特征周期的影響

陳鵬等（2009）利用144條地震記錄對上述方法進行了研究，認為采用式（4）、式（5）計算的特征周期相對地震動真實特征周期的偏差較小，能夠較好地確定特征周期值。本文根據(jù)式（4）、式（5），綜合確定了不同強震記錄的特征周期。其中，采用式（4）確定特征周期的記錄約占25.7%，其余記錄的特征周期主要根據(jù)式（5）確定。

1.3 震級對特征周期的影響

表2給出了震級分別為［4，5）、［5，6）、［6，7）、［7，9］時，相應記錄特征周期的統(tǒng)計結果，包括特征周期的平均值、平均值+（為標準差）、50%分位數(shù)及85%分位數(shù)值；圖2分別給出了不同震級地震記錄特征周期的分布情況以及特征周期的平均值、平均值+在圖中的對應位置。從表2和圖2中可以看出，隨著震級的增大，特征周期也逐漸增大，如平均值由0.23s增大到1.06s；平均值加一倍標準差由0.34s增大到1.63s。另外，特征周期的平均值與50%分位數(shù)值、平均值加一倍標準差與85%分位數(shù)值基本一致。

圖3分別給出了震級為［6，7）、［7，9］時，對應的每條記錄的加速度放大系數(shù)反應譜以及這些反應譜的平均值和平均值+。根據(jù)圖3中加速度放大系數(shù)的平均反應譜標定的特征周期分別為0.55s（［6，7））、1.0s（［7，9］）；根據(jù)平均值+反應譜標定的特征周期分別為0.85s、1.5s；與根據(jù)每條記錄特征周期的統(tǒng)計結果（表2）基本一致，說明本研究綜合確定的特征周期是合理的。

我國每年發(fā)生破壞性地震的次數(shù)較多。據(jù)統(tǒng)計20世紀我國大陸地區(qū)平均每年發(fā)生5級以上地震20次；6級以上地震4次；7級以上地震每3年發(fā)生2次?！督ㄖ拐鹪O計規(guī)范（GB 50011-2010）（中華人民共和國國家標準，2010a）中Ⅲ類場的特征周期為0.45s、0.55s、0.65s，與震級為［6，7）時的平均值0.58s接近，但遠小于震級為［7，9］時的平均值1.06s。當發(fā)生的地震不超過7級時，特征周期大于0.6s的概率接近50%；當?shù)卣鸪^7級時，0.65s對應的分位數(shù)只有25%，遠小于平均值1.06s，特高壓電氣設備特征周期選取0.65s進行抗震設計是不安全的。

（a）震級［4，5）（c）震級［6，7） （b）震級［5，6）（d）震級［7，9）

（a）震級［6，7） （b）震級［7，10）

鑒于特高壓電氣設備的重要性，應著重考慮6級以上地震的影響。根據(jù)表2的結果，特高壓電氣設備抗震設計譜的特征周期應在0.58s—1.06s之間。

若特高壓電氣設備抗震設計譜的特征周期取0.9s，7級以下地震記錄特征周期小于0.9s的概率超過85%；對于7級以上的地震，特征周期小于0.9s的概率也接近50%，可有效提高特高壓電氣設備的抗震能力，保證設備的安全。

1.4 震中距對特征周期的影響

表3給出了震中距分別為［0，50）、［50，100）、［100，200）、［200，300］km時，相應記錄特征周期的統(tǒng)計結果。圖4分別給出了不同震中距對應的地震記錄特征周期的分布情況以及特征周期的平均值、平均值+在圖中的對應位置。從表3及圖4中可以看出，隨著震中距的增大，特征周期也有增大的趨勢，如平均值由0.51s增大到0.91s。當震中距為［50，100）km時，由于方差較小，特征周期的平均值+、85%分位數(shù)值小于震中距為［0，50）的結果。

圖5分別給出了震中距為［100，200）、［200，300］km時，對應的每條記錄的加速度放大系數(shù)反應譜，以及這些反應譜的平均值和平均值+。根據(jù)圖5中加速度放大系數(shù)的平均反應譜標定的特征周期分別為0.80s（［100，200））、0.85s（［200，300］）；根據(jù)平均值+反應譜標定的特征周期分別為1.30s、1.35s；通過反應譜標定的特征周期接近表3根據(jù)每條記錄特征周期的統(tǒng)計結果。

對于不同的震中距，特征周期平均值最大為0.91s，若特高壓電氣設備抗震設計譜的特征周期取0.9s，其安全概率將不低于50%。當震中距小于100km時，地震波的中、高頻率成分豐富，對電氣設備的影響較大，若設計譜的特征周期取0.9s，將超過85%分位數(shù)的結果。

（a）震中距［0，50）（c）震中距［100，200） （b）震中距［50，100）（d）震中距［200，30.0）

（a）震中距［100，200） （b）震中距［200，300）

1.5 峰值加速度對特征周期的影響

表4給出了峰值加速度（PGA）分別為［0.04，0.1）、［0.1，0.2）、［0.2，0.3）、［0.3，1.0］g時，相應記錄特征周期的統(tǒng)計結果。從表4中可以看出，PGA對特征周期的影響不大，平均值在0.60s—0.71s之間，特征周期的平均值+在1.03s—1.09s之間。根據(jù)統(tǒng)計結果，0.9s對應的分位數(shù)在75%—80%之間，若特高壓電氣設備抗震設計譜的特征周期取0.9s，其安全概率將不低于75%。

表4　PGA對特征周期的影響

1.6 綜合分析

表5和圖6分別給出了4—9級所有記錄特征周期的統(tǒng)計結果，表5還給出了震級在5—9時的1274條記錄的特征周期值。

《建筑抗震設計規(guī)范（GB 50011-2010）》（中華人民共和國國家標準，2010a）給出的Ⅲ類場地特征周期分別為0.45s、0.55s、0.65s，相當于平均值或50%—60%分位數(shù)的結果，鑒于特高壓電氣設備的重要性，建議特征周期在平均值至平均值加一倍標準差，即0.7s—1.1s間選擇。若取0.9s，相當于80%分位數(shù)的結果，可有效保證特高壓電氣設備的地震安全。

表5 特征周期的綜合統(tǒng)計結果

（a）（b）（c）

（a）震級；（b）震中距；（c）PGA

圖6 所有記錄的統(tǒng)計結果

Fig. 6 Statistical results of all records

2 地震安評結果的統(tǒng)計分析

根據(jù)全國近年來已通過評審的不同工程的場地地震安全性評價報告，收集了浙江、天津、廣東、山東、北京、江蘇、廣西、重慶等24個省市自治區(qū)的Ⅲ類場地結果，共計312個。涉及的工程包括變電站、電廠、高層建筑、大壩、特大橋、鐵路、石油化工等重要工程。對于重要電氣設備，按提高1度進行設防，對應的超越概率大體相當于50年2%。因此，本文只統(tǒng)計了Ⅲ類場地50年超越概率2%的特征周期，不同烈度分區(qū)的樣本數(shù)量及特征周期的統(tǒng)計如表6所示。

從表6可以看出，不同烈度分區(qū)特征周期的平均值為0.77s，6度區(qū)最小為0.65s，7度0.15g區(qū)最大為0.84s。由于這些工程均為重要工程，50年超越概率2%的特征周期取值大多高于《建筑抗震設計規(guī)范（GB 50011-2010）》（中華人民共和國國家標準，2010a）中Ⅲ類場地的特征周期。

由于建筑結構采取了較多的構造措施，且建筑材料具有很好的塑性變形能力；而特高壓電氣設備的瓷套為脆性材料，相比建筑結構更容易在地震中破壞。因此，特高壓電氣設備抗震設計譜的特征周期應接近或高于7度0.15g區(qū)的平均值0.84s。鑒于特高壓電氣設備的重要性，建議特征周期在平均值至平均值加一倍標準差即0.7s—1.0s間選擇。如果特高壓電氣設備抗震設計譜的特征周期取0.9s，相當于70%分位數(shù)的結果，地震中設備不破壞的概率較高。

表6 不同烈度分區(qū)的特征周期（s）

表7 不同規(guī)范特征周期取值的比較（單位：s）

3 相關規(guī)范的對比分析

對于電氣設備的抗震設計，我國規(guī)范與美、日等國外規(guī)范對特征周期的規(guī)定明顯不同，具體比較見表7。

GB/T 13540-2009為國家標準《高壓開關設備和控制設備的抗震要求》，代表了IEC系列標準（IEC 62271-207，2007；IEC 62271-300，2006），特征周期只有0.42s，適用于我國Ⅰ類及Ⅱ類場地。特征周期取0.42s明顯偏小。

GB 50556-2010、GB 50260-2013分別為國家標準《工業(yè)電氣設備抗震設計規(guī)范》、《電力設施抗震設計規(guī)范》，采用了《建筑抗震設計規(guī)范（GB 50011-2010）》給出不同場地的特征周期。

IEEE Std 693-2005為美國《變電站抗震設計推薦規(guī)程》，給出的設計反應譜是場地的包絡譜，特征周期為0.91s（1.1Hz）。對于軟土場地，建議進行專門研究。

JEAG 5003-2010（2010）為日本《電氣設備抗震設計指南》，規(guī)定正弦三波的頻率范圍為0.5—10Hz，對應反應譜平臺段的拐點周期分別為0.1s、2.0s。

ETG A.0.21（2005）為恩德薩電力公司關于變電站結構抗震設計的最新標準，主要應用于西班牙、智利等。對于5%阻尼比的設計反應譜，平臺段的頻率范圍為2.0—8.0Hz，對應的特征周期為0.5s。

與此同時，云南電網(wǎng)公司積極配合云南省能源局開展省級充電聯(lián)盟的籌建，并與省能源局簽訂了“加快充電基礎設施及平臺建設推動云南新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略合作框架協(xié)議”;積極參與地方政府“十三五”電動汽車充電基礎設施發(fā)展規(guī)劃編制，促進電網(wǎng)規(guī)劃、充電基礎設施規(guī)劃、城市規(guī)劃同步協(xié)調(diào)，并與玉溪、曲靖、普洱等地方政府簽訂了框架合作協(xié)議，合力推進新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展;印發(fā)了《關于進一步推動電動汽車充電基礎設施建設和服務工作的通知》，優(yōu)化審批流程，開通充電基礎設施用電報裝“綠色通道”，全力做好配套電網(wǎng)投資及業(yè)擴報裝用電服務。

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

由于電氣設備未來安放地點的不確定及設備標準化生產(chǎn)的要求，建議我國相關規(guī)范借鑒美國IEEE693，采用Ⅰ—Ⅲ類場地的包絡譜。特征周期根據(jù)強震記錄的統(tǒng)計及參考相關規(guī)范，建議在0.7s—1.1s間選擇，推薦取0.9s。接近美國IEEE693-2005的0.91s；高于《工業(yè)企業(yè)電氣設備抗震設計規(guī)范（GB 50556-2010）》（中華人民共和國國家標準，2010b）、《電力設施抗震設計規(guī)范（GB 50260-2013）》（中華人民共和國國家標準，2013）中Ⅲ類場地的特征周期0.45s—0.65s；也高于《高壓開關設備和控制設備的抗震要求（GB/T 13540-2009）》（中華人民共和國國家標準，2009）和ETG A.0.21-2005給出的0.42s和0.5s；但低于日本JEAG 5003-2010的2.0s?？傊?，通過上述分析，結合我國的實際，給出的特征周期建議值0.9s是合理的。

4 結論

特征周期是特高壓電氣設備抗震設計反應譜的重要參數(shù)，為保證特高壓電氣設備的地震安全，開展特高壓電氣設備抗震設計反應譜特征周期的研究，具有重要的理論意義和工程應用價值。

對美國、日本等世界范圍內(nèi)的1448條Ⅲ類場地水平向強震記錄進行了統(tǒng)計分析，震級、震中距對特征周期有較大影響；建議特高壓電氣設備抗震設計反應譜特征周期在平均值至平均值加一倍標準差即0.7s—1.1s間選擇，推薦取0.9s，相當于80%分位數(shù)的結果。

對全國近年來已通過評審的312個Ⅲ類場地的地震安全性評價結果進行了統(tǒng)計分析，建議特征周期在0.7s—1.0s間選擇，0.9s相當于特征周期70%分位數(shù)的結果。

結合相關規(guī)范的對比分析，建議特高壓電氣設備抗震設計反應譜特征周期取0.9s，可有效保證特高壓電氣設備的地震安全。

致謝：論文中收集的不同地震安全性評價報告較多，參考文獻中無法一一列舉，向提供報告的中國地震災害防御中心、北京市地震局、廣東省地震局等所有單位表示衷心感謝。

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You Hongbing and Zhao Fengxin

(China Earthquake Disaster Prevention Center, Beijing 100029, China)

Characteristic period is an important parameter of seismic design response spectrum. It has important theoretical significance and engineering application value to study the characteristic period of seismic design response spectrum of ultra high voltage (UHV) electrical equipment. In this paper, we analyzed 1448 horizontal earthquake records within the world scope including the United States and Japan for Site Class Ⅲ. Our results show that both magnitude and epicentral distance have great influence on the characteristic period. About 80% percentile of characteristic periods of strong earthquake records is about 0.9s. We also conducted statistical analysis on the seismic hazard assessment results of 312 projects of China in recent years, and we found that about 70% percentile of characteristic periods is about 0.9s. Combined with the related code comparison and analysis, we suggested that the characteristic period of seismic design response spectrum of UHV electrical equipment should select 0.9s in order to effectively guarantee the seismic safety of UHV electrical equipment.

UHV electrical equipments; Seismic design response spectrum; Characteristic period; Statistical analysis

1基金項目 地震科技星火計劃專項（編號：XH12063）資助

2013-7-8

尤紅兵，男，生于1970年。正研級高工。主要研究領域：地震工程。E-mail: hbyou@126.com

尤紅兵，趙鳳新，2014. 特高壓電氣設備抗震設計反應譜特征周期取值研究. 震災防御技術，9（2）：171—181.