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高压陶瓷穿墙套管的抗地震设计:烈度8度地区如何选型?

在电力传输系统中,是连接室内外电气设备、使带电导体穿过接地墙壁的关键部件。在地震烈度 8 度地区,强烈的地面振动可能导致套管断裂、位移,进而引发短路、停电等严重事故。因此,科学合理的选型对提升其抗震性能、保障电力系统安全稳定运行至关重要。以下将从抗震设计要求、关键选型参数、典型选型方案等方面进行详细分析。
一、烈度 8 度地区对高压陶瓷穿墙套管的抗震要求
(一)地震动力学特性
烈度 8 度地区地震时,地面水平加速度峰值一般可达 0.2g - 0.3g(g 为重力加速度),垂直加速度峰值约为水平加速度的 1/2 - 2/3。同时,地震波含有丰富的低频成分(主要集中在 0.5Hz - 5Hz),而高压陶瓷穿墙套管自身具有一定的固有频率,当地震波频率与套管固有频率接近时,易引发共振,导致套管承受数倍于正常工况的应力,增加破坏风险。
(二)电力行业抗震标准
根据《电力设施抗震设计规范》(GB 50260-2013)及《高压交流穿墙套管》(GB/T 12944-2013)等标准,烈度 8 度地区的高压陶瓷穿墙套管需满足 “小震不坏、中震可修、大震不倒” 的抗震目标。具体要求包括:在多遇地震(重现期约 50 年)作用下,套管应保持正常工作状态;在设防地震(重现期约 475 年)作用下,允许出现局部损伤,但经修复后可恢复使用;在罕遇地震(重现期约 2475 年)作用下,套管不应倒塌,避免引发严重次生灾害。
二、高压陶瓷穿墙套管抗地震选型的关键参数
(一)机械强度参数
  1. 抗弯强度:陶瓷材料本身脆性大,需重点关注其抗弯性能。选型时,应选择抗弯强度≥120MPa 的高压陶瓷穿墙套管,以抵御地震时的水平惯性力。例如,某型号采用高强度氧化铝陶瓷(Al₂O₃含量≥95%)制造的套管,其抗弯强度达 150MPa,在模拟地震试验中表现良好。

  1. 抗拉强度:地震时,套管可能因基础位移、设备晃动等产生拉伸应力。抗拉强度≥80MPa 的套管,能更好地承受此类应力,降低断裂风险。部分套管通过在陶瓷本体内部嵌入金属增强筋,将抗拉强度提升至 100MPa 以上。

(二)结构设计参数
  1. 长径比优化:长径比过大的套管在地震中更易因弯曲变形而损坏。一般建议,在烈度 8 度地区,电压等级为 110kV 及以下的穿墙套管,长径比不宜超过 12;220kV - 500kV 的套管,长径比控制在 8 - 10 之间。通过合理控制长径比,可降低套管的地震响应。

  1. 法兰连接设计:套管与设备、墙体的连接法兰需具备足够强度和刚度。采用加厚法兰(厚度增加 20% - 30%)、高强度螺栓(8.8 级及以上),并增加螺栓数量,可增强连接部位的抗震能力。同时,在法兰与陶瓷本体之间设置弹性缓冲垫片(如硅橡胶垫片),能有效吸收地震能量,减少应力集中。

(三)材料性能参数
  1. 陶瓷材质选择:优先选用韧性较好的陶瓷材料,如增韧氧化锆陶瓷(ZrO₂),其断裂韧性可达 8MPa・m¹/² - 12MPa・m¹/²,较普通氧化铝陶瓷提升 3 - 5 倍。此外,部分复合陶瓷材料通过添加碳纤维、金属颗粒等增强相,进一步改善了材料的抗震性能。

  1. 金属附件性能:套管的金属法兰、导电杆等附件需具备良好的延展性和抗疲劳性能。选用低合金高强度钢(如 Q345E)制造金属附件,其屈服强度≥345MPa,在地震反复荷载作用下,能有效避免因疲劳断裂导致的套管失效。

三、烈度 8 度地区高压陶瓷穿墙套管的选型方案
(一)按电压等级选型
  1. 10kV - 35kV 套管:可选择户内胶装式高压陶瓷穿墙套管,如 CWC-10/4000 型。该类型套管采用整体瓷件结构,瓷件与法兰通过高强度水泥胶合剂胶装,瓷件抗弯强度≥130MPa,能满足烈度 8 度地区的抗震要求。同时,在安装时,可在套管底部增设减震支座(如橡胶减震垫),进一步提升抗震性能。

  1. 110kV - 500kV 套管:对于户外高压陶瓷穿墙套管,推荐选用油浸式或气体绝缘式套管,如 CWLB-220/1600 - 3 型。此类套管在设计上采用分段式瓷套结构,通过金属波纹膨胀节连接各段瓷套,可有效缓解地震时的位移变形。其法兰连接部位采用高强度螺栓和弹性垫圈,经抗震试验验证,在烈度 8 度地震作用下,位移量<5mm,满足运行要求。

(二)考虑安装环境选型
  1. 软土地基环境:在软土地基区域,地震时地面沉降和不均匀变形明显。选型时,除关注套管自身抗震性能外,还需加强基础设计。可选用带有加长法兰(长度增加 30% - 50%)的套管,并采用桩基础或筏板基础,提高基础的整体刚度和稳定性。例如,某变电站在软土地基上安装的高压陶瓷穿墙套管,通过将基础深度增加至 5m,并采用钢筋混凝土筏板基础,有效降低了地震对套管的影响。

  1. 高海拔环境:高海拔地区大气压力低、空气稀薄,套管的外绝缘性能会下降。在烈度 8 度的高海拔地区(如海拔 2000m 以上),需选择外绝缘爬电比距更大的套管(较平原地区增加 20% - 30%),同时套管的机械强度满足抗震要求。如 CWLB-110/1250 - 4 高原型穿墙套管,其外绝缘爬电比距达 31mm/kV,且采用高强度陶瓷材料和加强型法兰结构,可同时适应高海拔和地震环境。

四、抗震性能验证与检测
(一)模拟地震试验
通过振动台试验对选型后的高压陶瓷穿墙套管进行抗震性能验证。将套管安装在模拟实际工况的试验台上,按照烈度 8 度地区的地震动参数(如加速度时程曲线)输入振动信号,观察套管在不同地震波(如 EL - Centro 波、Taft 波)作用下的响应情况,包括位移、应力、应变等参数。若套管在试验后无明显裂纹、位移量<允许值(如套管高度的 1/1000),则认为其抗震性能合格。
(二)数值仿真分析
利用有限元分析软件(如 ANSYS、ABAQUS)对套管进行抗震性能仿真。建立套管的三维模型,考虑材料非线性、接触非线性等因素,模拟地震作用下套管的力学行为。通过仿真分析,可优化套管的结构设计,如调整瓷件厚度、法兰尺寸等,提高其抗震性能。例如,某厂家通过仿真分析,将套管法兰的过渡圆角半径从 5mm 增大至 8mm,使法兰部位的应力集中系数降低 15%,有效提升了抗震能力。
在地震烈度 8 度地区,高压陶瓷穿墙套管的选型需综合考虑机械强度、结构设计、材料性能等多方面因素。通过科学合理的选型,并结合抗震性能验证,可套管在地震灾害中保持稳定运行,为电力系统的安全可靠供电提供坚实保障。