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高壓陶瓷穿墻套管的抗地震設計:烈度8度地區如何選型?

2025-07-04

在電力傳輸系統中,是連接室內外電氣設備、使帶電導體穿過接地墻壁的關鍵部件。在地震烈度 8 度地區,強烈的地面振動可能導致套管斷裂、位移,進而引發短路、停電等嚴重事故。因此,科學合理的選型對提升其抗震性能、保障電力系統安全穩定運行至關重要。以下將從抗震設計要求、關鍵選型參數、典型選型方案等方面進行詳細分析。
一、烈度 8 度地區對高壓陶瓷穿墻套管的抗震要求
(一)地震動力學特性
烈度 8 度地區地震時,地面水平加速度峰值一般可達 0.2g - 0.3g(g 為重力加速度),垂直加速度峰值約為水平加速度的 1/2 - 2/3。同時,地震波含有豐富的低頻成分(主要集中在 0.5Hz - 5Hz),而高壓陶瓷穿墻套管自身具有一定的固有頻率,當地震波頻率與套管固有頻率接近時,易引發共振,導致套管承受數倍于正常工況的應力,增加破壞風險。
(二)電力行業抗震標準
根據《電力設施抗震設計規范》(GB 50260-2013)及《高壓交流穿墻套管》(GB/T 12944-2013)等標準,烈度 8 度地區的高壓陶瓷穿墻套管需滿足 “小震不壞、中震可修、大震不倒” 的抗震目標。具體要求包括:在多遇地震(重現期約 50 年)作用下,套管應保持正常工作狀態;在設防地震(重現期約 475 年)作用下,允許出現局部損傷,但經修復后可恢復使用;在罕遇地震(重現期約 2475 年)作用下,套管不應倒塌,避免引發嚴重次生災害。
二、高壓陶瓷穿墻套管抗地震選型的關鍵參數
(一)機械強度參數
  1. 抗彎強度:陶瓷材料本身脆性大,需重點關注其抗彎性能。選型時,應選擇抗彎強度≥120MPa 的高壓陶瓷穿墻套管,以抵御地震時的水平慣性力。例如,某型號采用高強度氧化鋁陶瓷(Al?O?含量≥95%)制造的套管,其抗彎強度達 150MPa,在模擬地震試驗中表現良好。

  1. 抗拉強度:地震時,套管可能因基礎位移、設備晃動等產生拉伸應力。抗拉強度≥80MPa 的套管,能更好地承受此類應力,降低斷裂風險。部分套管通過在陶瓷本體內部嵌入金屬增強筋,將抗拉強度提升至 100MPa 以上。

(二)結構設計參數
  1. 長徑比優化:長徑比過大的套管在地震中更易因彎曲變形而損壞。一般建議,在烈度 8 度地區,電壓等級為 110kV 及以下的穿墻套管,長徑比不宜超過 12;220kV - 500kV 的套管,長徑比控制在 8 - 10 之間。通過合理控制長徑比,可降低套管的地震響應。

  1. 法蘭連接設計:套管與設備、墻體的連接法蘭需具備足夠強度和剛度。采用加厚法蘭(厚度增加 20% - 30%)、高強度螺栓(8.8 級及以上),并增加螺栓數量,可增強連接部位的抗震能力。同時,在法蘭與陶瓷本體之間設置彈性緩沖墊片(如硅橡膠墊片),能有效吸收地震能量,減少應力集中。

(三)材料性能參數
  1. 陶瓷材質選擇:優先選用韌性較好的陶瓷材料,如增韌氧化鋯陶瓷(ZrO?),其斷裂韌性可達 8MPa?m1/2 - 12MPa?m1/2,較普通氧化鋁陶瓷提升 3 - 5 倍。此外,部分復合陶瓷材料通過添加碳纖維、金屬顆粒等增強相,進一步改善了材料的抗震性能。

  1. 金屬附件性能:套管的金屬法蘭、導電桿等附件需具備良好的延展性和抗疲勞性能。選用低合金高強度鋼(如 Q345E)制造金屬附件,其屈服強度≥345MPa,在地震反復荷載作用下,能有效避免因疲勞斷裂導致的套管失效。

三、烈度 8 度地區高壓陶瓷穿墻套管的選型方案
(一)按電壓等級選型
  1. 10kV - 35kV 套管:可選擇戶內膠裝式高壓陶瓷穿墻套管,如 CWC-10/4000 型。該類型套管采用整體瓷件結構,瓷件與法蘭通過高強度水泥膠合劑膠裝,瓷件抗彎強度≥130MPa,能滿足烈度 8 度地區的抗震要求。同時,在安裝時,可在套管底部增設減震支座(如橡膠減震墊),進一步提升抗震性能。

  1. 110kV - 500kV 套管:對于戶外高壓陶瓷穿墻套管,推薦選用油浸式或氣體絕緣式套管,如 CWLB-220/1600 - 3 型。此類套管在設計上采用分段式瓷套結構,通過金屬波紋膨脹節連接各段瓷套,可有效緩解地震時的位移變形。其法蘭連接部位采用高強度螺栓和彈性墊圈,經抗震試驗驗證,在烈度 8 度地震作用下,位移量<5mm,滿足運行要求。

(二)考慮安裝環境選型
  1. 軟土地基環境:在軟土地基區域,地震時地面沉降和不均勻變形明顯。選型時,除關注套管自身抗震性能外,還需加強基礎設計。可選用帶有加長法蘭(長度增加 30% - 50%)的套管,并采用樁基礎或筏板基礎,提高基礎的整體剛度和穩定性。例如,某變電站在軟土地基上安裝的高壓陶瓷穿墻套管,通過將基礎深度增加至 5m,并采用鋼筋混凝土筏板基礎,有效降低了地震對套管的影響。

  1. 高海拔環境:高海拔地區大氣壓力低、空氣稀薄,套管的外絕緣性能會下降。在烈度 8 度的高海拔地區(如海拔 2000m 以上),需選擇外絕緣爬電比距更大的套管(較平原地區增加 20% - 30%),同時套管的機械強度滿足抗震要求。如 CWLB-110/1250 - 4 高原型穿墻套管,其外絕緣爬電比距達 31mm/kV,且采用高強度陶瓷材料和加強型法蘭結構,可同時適應高海拔和地震環境。

四、抗震性能驗證與檢測
(一)模擬地震試驗
通過振動臺試驗對選型后的高壓陶瓷穿墻套管進行抗震性能驗證。將套管安裝在模擬實際工況的試驗臺上,按照烈度 8 度地區的地震動參數(如加速度時程曲線)輸入振動信號,觀察套管在不同地震波(如 EL - Centro 波、Taft 波)作用下的響應情況,包括位移、應力、應變等參數。若套管在試驗后無明顯裂紋、位移量<允許值(如套管高度的 1/1000),則認為其抗震性能合格。
(二)數值仿真分析
利用有限元分析軟件(如 ANSYS、ABAQUS)對套管進行抗震性能仿真。建立套管的三維模型,考慮材料非線性、接觸非線性等因素,模擬地震作用下套管的力學行為。通過仿真分析,可優化套管的結構設計,如調整瓷件厚度、法蘭尺寸等,提高其抗震性能。例如,某廠家通過仿真分析,將套管法蘭的過渡圓角半徑從 5mm 增大至 8mm,使法蘭部位的應力集中系數降低 15%,有效提升了抗震能力。
在地震烈度 8 度地區,高壓陶瓷穿墻套管的選型需綜合考慮機械強度、結構設計、材料性能等多方面因素。通過科學合理的選型,并結合抗震性能驗證,可套管在地震災害中保持穩定運行,為電力系統的安全可靠供電提供堅實保障。


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