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电气设备抗震设计的分析探讨

文档作者：穆建军杨莉娜李振华文档来源：湖南省水利水电勘测设计研究总院		点击数：	更新时间： 2025年05月30日
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收稿日期：2014-06-07
作者简介：穆建军（1960-），男，教授级高级工程师，从事电气设计
和研究工作。
电气设备抗震设计的分析探讨
穆建军，杨莉娜，李振华
（湖南省水利水电勘测设计研究总院，湖南长沙410007）
摘要：就目前电气设备抗震设计方面的问题进行了总结和阐述，指出了在抗震设计方面存在的不足，提出了今后
在电气设备抗震设计方面需要加强和注意的问题，以保证在地震设防烈度范围内发生地震时，电气设备不致发生破
坏性损坏，从而有效地保障人民生产生活的正常用电和抗震救灾的需求。
关键词：电气设备；抗震设计；分析探讨
中图分类号：TM50 文献标识码：A 文章编号：1672-5387（2014）06-0019-04
0 引言
地震是一种自然灾害现象，人类无法避免和抗
拒，强震一旦发生，会对人民的生命财产安全造成相
当大的危害，只有提高抗震、防震意识，提高设施设
备的抗震能力，才能有效地减少地震灾害的影响。在
当代的社会生活中，电力供应关系到人类社会的各
个方面，一旦失去，不仅会给人们的日常生活造成各
种不便，给社会造成很大的影响，同时也会造成严重
的经济损失，甚至还会造成社会动荡，影响整个社会
和国民经济的发展。因此，在电力系统的设计、施工
和运行管理中，必须对电气设备抗震设计有足够的
重视。但在当前的电气设备设计和购置中，虽然对电
气设备提出了抗震的要求，电力设备生产厂家也往
往承诺能满足提出的抗震要求，这给设计人员和用
户一个印象，即电气设备理所当然地具有很高的抗
震能力。然而，在历次大地震中已经发现，电气设备
的实际抗震性能远没有人们想象的那么好，四川汶
川大地震对电力设施造成的严重破坏已经引起了人
们的重视。在电气设备的抗震设计方面，人们还远没
有如大坝等重要设施对抗震要求那么重视，对电气
设备的抗震研究不足、要求不明确、设计不规范。抗
震设计仅依赖设备生产厂家，而很少根据工程实际
情况对其进行复核，同时，规范的不明确也造成设计
人员和施工人员对其重视不够。有些设计不合理，致
使在发生抗震设防烈度范围之内的地震时，造成设
备位移、倾倒、元器件掉落、瓷套管破裂等现象，使发
电站和变电所停运，影响正常或应急供电。因此，人
们应当对电气设备的抗震设计予以足够的重视，从
源头上解决减少地震对电力设施和电气设备造成重
大损害。
1 电力变压器抗震设计
电力变压器是电力系统最重要的设备之一，它
由变压器本体、散热器、油枕、瓷套管等组成。地震力
对变压器每个部件所造成的损害，都将使其不能正
常运行。因此，应当对变压器本体和每个部件提出抗
震要求和抗震计算分析，这一点在GB50556-2010
《工业企业电气设备抗震设计规范》中有明确的要求
和计算方法。
由于变压器的自振频率为1.4~6.8 Hz 之间，与
地震波的卓越频率0.5~10 Hz 非常接近，在地震时
极易引起共振，使变压器产生位移、掉台甚至倾倒，
致使变压器的高、低压瓷套管拉断、错位、漏油、散热
器砸坏、油箱震裂，甚至造成线圈短路而烧毁。因此
除要求制造厂满足当地地震烈度要求外，在工程设
计时，还应采取措施破坏变压器的自振频率接近地
震波卓越频率，防止在地震时变压器发生共振和在
水平地震波的作用下发生位移。但在目前的设计中，
为了运输及检修的方便，多数变压器带有滚轮，并连
同滚轮一起直接放在变压器基础的轨道上，只使用
阻块防止变压器滑动，这样的阻块在发生基本地震
加速度为0.05 及以上地区时，可能会造成变压器
第37 卷第6 期水电站机电技术Vol.37 No.6
2014 年12 月Mechanical &amp;amp; Electrical Technique of Hydropower Station Dec.2014 19
的位移和损坏。
为破坏共振和防止变压器产生位移，在变压器
安装时一定要把滚轮拆除，并在变压器基础板上设
置地脚螺栓对变压器进行固定，固定的螺栓和混凝
土基础应满足抗震设防烈度的要求，这一点国外规
范比国内规范要求要严格得多。此外，为了防止地震
时，与变压器连接的拉线受力而造成变压器套管的
损坏，尽可能使用软导线或电缆进行连接，同时连线
不宜拉得太紧，但也不宜放得过长，过长会造成在地
震时导线摆动而引起短路形成新的事故。同时在选
择变压器套管时，尽可能选择直立式套管，减少在地
震时变压器套管发生根部断裂的可能。
2 屋外高压电气设备抗震设计
屋外高压电气设备主要指屋外蔽开式布置的高
压电气设备，它们通常由基础、支架、绝缘瓷套管、母
线连接处和其他元件组成，均属于细高形电瓷式设
备，存在“头重脚轻”的问题。而由于瓷属于脆性材
料，抗弯性能差，设备的结构又细又长，且上部质量
相对较大，地震时瓷套管根部会承受很大的弯矩，瓷
套管因强度不足而发生断裂。国产设备所标注的抗
震水平往往只是设备本身的抗震能力，没有考虑设
备安装在支架上时，因增加了设备本身的高度而附
加了地震力及支架和基础对地震作用力的放大作
用，从而降低了设备的抗弯强度。在采用角钢支架
时，由于其具有一定的阻尼作用，抗震效果比钢筋混
凝土管和钢管支架的要好。对于支柱式电气设备的
抗震要求、试验和计算，我国标准虽有要求但不具
体，对厂家的抗震要求也未严格进行控制。由于规范
中的计算公式相对复杂，不太适合于工程设计中应
用和复核，所以，很少有设计人员对此进行关注和复
核，而生产厂家不管你提出什么样的抗震要求，在投
标书中均予以满足，在产品生产和交付时仍是原有
的产品，无人检查和复核。在这一点上，特别是对7
度以上的地震区域应加强重视、提高意识。从汶川地
震对电力设备的破坏来看，国产屋外高压瓷套设备
损坏率明显高于国外产的损坏率，说明国产设备在
抗震性能方面有待进一步提高。
造成屋外电气设备损坏的另一个原因，是由设
备之间的连接线所造成。当地震发生时，如果两个设
备不同时向同一方向摆动（也很难做到），如果导线
拉得过紧，由于导线的拉力作用而将设备拉倒损坏，
如果导线拉得过松也会导致大幅摆度增大拉力或造
成相间短路。对于在地震力作用下，设备之间的连线
需要多长，目前规范没有规定。设计人员凭自己的认
识设计，随手画弧线，安装人员凭经验安装。在
GB50260-2013 《电力设施抗震设计规范》6.7.2 中
“设备引线和设备间连线宜采用软导线，其长度应留
有余量。”也没有给十分明确的规定。但在IEEE693
中就有明确的规定。因此，在没有国家规定之前，对
于7 度及以上地震烈度地区，可参考IEEE693 的做
法确定设备之间连线的长度。
由此可见，地震时造成屋外高压设备损坏的原
因是多方面的。一是设备本身的抗震水平；二是连同
支架、基础等附件一起时设备抗震水平的复核计算；
三是设计时的布置、安装方式及拉线松紧等。因此除
对设备本身的抗震水平有要求外，在国家规定的设
防烈度范围内，屋外电气设备的选型和布置宜符合
下列要求：
（1）对重要的变电站和电站的屋外配电装置不宜
采用半高型、高型或双层布置，尽量选用重心较低的
罐式设备、GIS 设备等。
（2）在采用管形母线布置时，对重要变电站式电
厂，电压为220 kV 及以上时，尽量不采用支柱式结
构，宜采用悬挂式结构。
（3）对设备制造厂应提出严格的要求，不仅是设
备本身的抗震水平，同时也应满足在支架上安装时
的抗震要求，对支架的结构形式也应予以说明，连接
螺栓选择应根据设防地震烈度进行复核。
（4）设备引下线及连接线不可太紧，也不能太松，
以减少地震时引线及连接线摆动对设备端子的拉
力，同时，也要防止大幅摆动时造成的相间短路事故
发生。建议在无国家规定时，参考IEEE693 中的规
定，来确定连接线的长度。
3 电气屏柜及元件抗震设计
电气屏柜包括高低压开关柜、控制柜、直流屏、
配电屏等，点多面广，承担着直接参与供电、控制等
功能。终端供电一处发生破坏或故障时影响面比较
小，但如果发生在重要变电站、发电厂就有重要的意
义。这些设备在地震中遭受的破坏主要是倾覆、倒
塌、滑落、变形卡阻等，从而丧失主要的使用功能，影
响正常工作，而修复这些设备往往比较困难，耗费时
间长，特别是一些进口的、已经淘汰而没有配件的设
20 水 电 站 机 电 技 术 第37卷
备和元器件，更是如此。对于高压开关设备和控制设
备本身的抗震要求，IEC 标准和国标均有比较详细
的抗震技术要求，并且考虑了所有的辅助和控制设
备元器件，不论是其一体安装还是独立安装，关键问
题是厂家是否按照标准要求进行了相应地震烈度的
全部抗震试验。在GB/T11022《高压开关设备和控制
设备标准的共用技术要求》中，对于振动，只要求“在
可能出现地震的地区，用户应按GB/T13540 来规定
设备的抗震等级。”抗震试验并非为必试和强制性试
验项目。因此，在需要地震设防的地区，在编写技术
要求时，要将对开关柜（屏）和主要元器件的抗震要
求写清楚，并提交合格的抗震试验报告或计算报告。
在地震烈度较高地区（8 度以上）尽量少选或不选带
手车的柜型（如中置柜、手车柜、抽屉柜），选用固定
柜较好，防止在地震时出现滑落、卡阻现象。
除对设备本体和柜内元器件的抗震水平提出要
求外，安装方式也是提高抗震水平的一个重要方面。
在GB50260-2013《电力设施抗震设计规范》6.7.8 条
规定“开关柜（屏）、控制保护屏、通信设备等，应采用
螺栓或焊接的固定方式。当设防烈度为8 度或9 度
时，可将几个柜（屏）在重心位置以上连成整体。”屏
柜焊接安装方式是目前国内比较常用的一种方式，
但对于如何焊接，焊接面积多少，没有统一规定，能
抗多大烈度的地震不得而知，安装单位大多采用点
焊方式固定。但在国外的工程中大多要求采用能抗
震的地脚螺柱或带有隔震减震装置的螺栓连接固
定，点焊几乎不被接受，除非有说明或计算。对于强
震地区，在屏柜单个本体不能满足抗震要求时，在屏
柜底部用框架将屏柜整体连接，然后再用螺栓固定
在槽钢基础上以提高抗震能力。GB50260-2013 规
范中要求在重心位置以上连成整体是较难实现，一
是柜体的重心不好确定，二是只能用螺栓进行连接，
但螺栓如何选择，强度多大均没有规定，同时有些柜
体结构连接起来是比较困难的。
4 其他电气设备和附件抗震设计
在电力系统中，蓄电池和UPS 是提供控制、保
护及应急疏散照明的主要电源，电缆是传输电力、控
制和保护、通信信号的中间环节，电缆桥架或支架是
用于支撑电缆的设备。这些设备和设施在地震中一
旦遭到破坏，同样将影响整个变电站或电站的正常
工作，在抗震设防的地区同样应引起足够的重视。
蓄电池的震害与蓄电池的类型和安装方式有很
大的关系，如果立放，则由于高度增加，底部接触面
积小，地震时容易倾覆。如果平放，抗震性能较好，但
其散热和布置面积增大，因此应根据设防烈度和电
池型式确定安装方式。设置抗震支架是保证蓄电池
在地震时不被破坏的较好方法之一，它投资小，且易
于实现，将蓄电池牢固地固定在抗震支架上，可有效
地防止在地震时蓄电池的滑落和倾倒。同时，为了防
止蓄电池在地震时受力拉坏，应采用软导线和电缆
的连接方案，且引接线和连接线不能过紧，应留有适
当的裕度。
在GB50260-2013 中取消了1996 版中“电缆、
空气压缩机、管道、接地线等，应采取防止地震时被
切断的措施”一条。但在一些国外工程中，特别是强
震国家，仍要求进行电缆桥架、管道固定件的抗震计
算分析。对于采用电缆支架的敷设方式，由于各支架
是单独固定和支撑，在地震时不会造成连续断裂和
挤压现象，同时电缆具有一定的下垂和裕量，地震时
电缆不易断裂，可以不进行抗震校验。但对于采用电
缆桥架的敷设方式，由于是连续固定在一起，在地震
时会形成连锁反映，造成断裂甚至挤断电缆，整体破
坏电缆桥架，因此，要求在相应的地震设防烈度下，
对电缆桥架及支撑件进行抗震计算以满足相应地震
烈度的要求是比较合理的。
5 结语
电气设备（如电力变压器、断路器、开关设备、蓄
电池等）是电力系统的重要设备，在国家规定的地震
设防烈度内，采取一定的抗震措施，使其在发生地震
时，不致造成故障、设备损坏和停电，对于抗震救灾、
坚持生产、保证生活有着重要意义。在强震地区和要
求设防的地区进行电站或变电站设计时应注意以下
问题。
（1）对电气设备应提出明确的抗震要求，并提供
相关资料。
（2）在地震设防烈度比较高的地区（8 度及以上）
应尽可能选择重心较低的设备，如GIS、罐式断路
器、Pass 等。
（3）对设备的固定螺栓、基础应进行地震复核，
考虑地震附加力的作用。
（4）对设备之间的连接尽可能采用软连接，并适
渊下转第30 页冤
第6 期 穆建军，等：电气设备抗震设计的分析探讨 21
当留有裕度，以适应地震时设备不同摆动引起的拉
力作用。
（5）在高地震区域的电站或变电所尽可能选用
固定柜，以防止地震时出现卡阻现象。
参考文献：
[1]GB50260-2013.电力设施抗震设计规范[S].北京：中国计划
出版社，2013.
[2]GB50556-2010.工业企业电气设备抗震设计规范[S].北京：
中国计划出版社，2010.
[3]解琦，郝际平，张文强，等.日中美抗震规范中电气设备
设计研究[J].世界地震工程，2009，25（4）.
[3]程永锋，朱全军，卢智成.变电站电力设施抗震措施研究现
状与发展趋势[J].电网技术，2008，32（22）.
渊上接第21 页冤
可见，当发电机输出不同容量时，无阻尼固有振荡
频率也是不同的。
4 其他表达式
4.1 用机械（或惯性）时间常数来表达
机械（或惯性）时间常数表示在发电机额定转
矩作用下，把转子从静止状态加速到额定转速所需要
的时间。
这可以由发电机转子转速运动方程求得。
将转子转速运动方程：dω
dt
=
改写为：Jdω= dt
两边求积分：
ω2
ω1 乙dω=
t2
t1 乙dt
当ω1=0，ω2= 1，t1=0，t2= mec 时，
有mec=
而=
故有
=
=
27.4 2
100 蓸蔀（s） （11）
式中： 2———转动部分飞轮力矩， 2=4 ，kg·2 m；
p＇N———发电机功率，kW；当cos =1时，p＇N=pN；
———发电机额定转速，r/min。
这就是我们常用的机械（或惯性）时间常数计
算式。
所以，当cos =1 时，p＇N=pN，此时有：
= 1
2π
p2 姨= 1
2π
2
姨 1 = 1
2π
14
2
姨 1 = 1
2π
2π 姨（12）
4.2 用储能常数来表达
储能常数（单位：s）指的是发电机转动部分的
动能和发电机额定容量的比值，即：
=12
1
2
（s） （13）
由于，
=12
1
2
=12
1
2 2π6
0
=12
J
1
2π
（14）
所以，
= 1
2π 姨= 1
2π 姨 1 = 1
2π
π 姨（15）
5 结语
在计算式推导过程中，发现本文引言中提到的
文献[2]中所示发电机固有振荡频率计算式存在错误
的问题，实际上是由于未对各物理量的量纲进行仔
细核对所致。
通过仔细推导，我们得出了凸极同步发电机多
种情况下无阻尼振荡固有频率正确计算表达式。
必须注意的是，电机设计计算中所采用的实际
值、标幺值参数不能相互混淆。
参考文献：
[1]王金山,龚守志. 狮子滩水电站水轮发电机功率摆动的分析
和处理[J].水力发电,1982，(09).
[2]马震岳,董毓新.水轮发电机组动力学[M].大连:大连理工大
学出版社,2003：68-69.
[3]许实章.电机学[M].北京:机械工业出版社,1981：291.
30 水 电 站 机 电 技 术 第37卷

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