漢中地區變電設施在汶川大地震中的表現及其分析

楊應華熊 軍王勝利

1）西安建筑科技大學土木學院，西安 710055

2）陜西省電力設計院，西安 710054

漢中地區變電設施在汶川大地震中的表現及其分析

楊應華1）熊 軍1）王勝利2）

1）西安建筑科技大學土木學院，西安 710055

2）陜西省電力設計院，西安 710054

“5.12”汶川大地震中，陜西省的電力系統受到了不同程度的震害，漢中地區的震害尤其嚴重。根據震后對漢中地區變電站系統的震害調查，本文描述了在這次地震中漢中地區變電設施的震害情況和地震表現，對震害情況進行了破壞原因的分析，并對今后的變電站抗震設計提出了一些建議。

汶川大地震 變電站 震害

引言

“5.12”汶川8.0級特大地震波及甚廣，西北地區的陜西、甘肅等地有明顯震感。受地震影響，西北地區用電負荷瞬間下降，部分機組、線路跳閘，部分電力設施受損。震后，西北電網負荷由2323萬千瓦瞬間下降到2102萬千瓦，減少負荷221萬千瓦左右，其中陜西187萬千瓦，甘肅34萬千瓦左右。陜西電網2臺30萬千瓦、1臺33萬千瓦機組解列，1臺30萬千瓦機組滅火。地震造成陜西4座35千伏以上變電站停運，109條10千伏以上線路停運，7座電廠不同程度受損，多臺發電機組停運（國家電力監管委員會西北監管局，2008）。其中，陜南漢中電力系統的損失和破壞尤為嚴重。

電力系統一般由3個子系統組成：發電系統、變電系統、輸電系統。每個子系統包括了不同的電力設備：如發電系統的發電設備、動力系統等；變電系統的變壓器、電壓互感器、電流互感器、隔離開關等；輸電系統中的電線桿塔等。電力系統在遭遇地震時，發電廠、輸電線路和變電系統會受到不同程度的影響。根據李亞琦等（2002）的分析，電力系統中的變電站尤其是高壓變電站，地震破壞常常較為嚴重，導致無法正常供電的狀況，阻礙了抗震救援工作。本文通過對陜南地區受災比較嚴重的漢中市變電站系統的震害調查，給出了該地區相關電氣設施及建構（筑）物在這次地震中的破壞現象及其地震表現，討論了破壞機理和原因，最后提出了變電站抗震設計的建議。

汶川地震后不久，本文第3作者及其所在單位工程技術人員于2008年5月20日至5月25日，對陜南漢中地區的電力設施進行了震害調查，范圍涉及漢中市的10個縣和1個區（圖1）。漢中市距震中約為400km，部分縣距震中不足300km。按照中國地震局公布的汶川8.0級地震烈度分布圖（圖2），寧強縣的地震烈度為Ⅶ—Ⅷ度；靠近四川的邊界地區達Ⅸ度；略陽縣為Ⅶ—Ⅷ度；漢臺區、勉縣為Ⅶ度；南鄭縣、留壩縣為Ⅵ—Ⅶ度；其余城固縣、西鄉縣、洋縣、佛坪縣、鎮巴縣均為Ⅵ度。震前留壩縣、勉縣、略陽縣的設防烈度為Ⅶ度（0.1g）；洋縣、西鄉縣、漢臺區、南鄭縣、城固縣、寧強縣、佛坪縣、鎮巴縣的設防烈度均為Ⅵ度（0.05g）?？梢姡瑢帍娍h和略陽縣的部分地區以及漢臺區的地震烈度，都不同程度地超出了設防烈度。

1 變電設施在汶川大地震中的表現

1.1 建、構筑物的表現

（1）建筑物

目前，漢中地區變電系統的建筑物如變電主控制樓、配電樓等，多數為鋼筋混凝土框架結構，但仍然還有部分砌體結構建筑物存在。震害調查表明，砌體結構房屋的破壞率均比較高。建筑物的震害一般表現為墻體，如女兒墻的破壞（圖3），或墻體（圖4）、樓板開裂等。由于砌體結構的抗震能力較差，加之女兒墻呈懸臂狀態，因此在地震作用下很容易產生破壞。圖3所示女兒墻沿底部出現裂縫，整體向外傾斜。圖4所示為圍護墻出現水平裂縫，墻面外層脫落。

此外，還有大量非結構構件如吊頂、燈具及樓梯扶手等在地震中脫落或破斷（圖 5、圖6、圖7）。這些非結構構件的破壞，經修復即可使用。

圖3 女兒墻底部開裂（漢中330kV 漢中變）Fig.3 Cracks at the bottom of parapets (Hanzhong 330kV substation)

圖4 墻體開裂（略陽電廠）Fig.4 Cracks in a wall (Lueyang power plant)

圖5 吊頂破壞（漢中110kV留壩變）Fig.5 Damaged ceiling (Hanzhong 110kV Liuba substation)

圖6 吊頂燈具破壞（漢中110kV峽口驛變，略陽）Fig.6 damaged ceiling light (Hanzhong 110kV Xiakouyi substation)

在調查中也有部分結構的結構構件發生破壞。如圖8所示的支撐橫梁的牛腿在頂部發生破壞，混凝土脫落，產生豎向裂縫。這可能是由于豎向地震力作用引起的。

鋼筋混凝土框架結構的變電建筑物基本沒有嚴重的破壞，特別是近幾年建造的變電站基本完好無損（圖9、圖10）。這表明合理設計的鋼筋混凝土框架結構在設防烈度范圍內，其抗震能力是令人滿意的。

圖7 樓梯扶手破斷（漢中110kV留壩變）Fig.7 A broken banisters (handrail) of a staircase (Hanzhong 110kV Liuba substation)

圖8 a 牛腿破壞（略陽電廠）Fig.8 a A damaged RC corbel-bracket (Lueyang power plant)

圖8 b 牛腿破壞（略陽電廠）Fig.8 b Another damaged RC corbel-bracket t (Lueyang power plant)

圖9 完好的變電站（漢中110kV葛石變，西鄉）Fig.9 An intact substation complex (Hanzhong 110kV Geshi substation)

（2）構筑物

變電站構架絕大部分完好無損，僅少數構架受損壞。如圖11所示的變電構架立柱出現傾斜。如圖12所示的個別輸電塔架由于滑坡等次生災害而受損。而設備基礎未見明顯破壞情況。

以往的強震震害表明，變電構架、輸電塔、設備基礎受損較小，可以認為構筑物及設備基礎具有良好的抗震性能。輸電塔屬于高柔鋼結構，具有較好的變形能力和延性，一般來說抗震能力較強（張大長等，2009）。在震害中，輸電塔受損的主要原因是由斷層、滑坡等地表破裂造成的輸電塔底部破壞。

除上述兩類構筑物破壞外，其余的變電構架均表現出良好的抗震性能（圖13、圖14），即使較早建造的鋼筋混凝土構架也未有破壞。圖13的變電站磚砌圍墻都被震壞，但圍墻里邊的鋼筋混凝土構架仍然完好。圖14顯示鋼結構變電構架完好無損。

圖10 完好的變電站（漢中110kV海紅變）Fig.10 An intact substation complex (Haizhong 110kV Haihong substation)

圖11 變電構架立柱出現傾斜（漢中330kV 武侯變，勉縣）Fig.11 Inclined column of a substation frame（Hanzhong 330kV Wuhou substation）

圖12 輸電塔由于山體滑坡底部受損（漢中110kV略—勉線）Fig.12 Damaged tower by landslide (110kV Lueyang-Mianxian)

圖13 鋼筋混凝土變電構架（漢中110kV海紅變）Fig.13 RC frames of a substation with inclined enclosing walls (Haizhong 110kV Haihong substation)

1.2 電氣設施

目前，國內與電力設施有關的抗震設計規范主要有《建筑抗震設計規范（GB50011-2001）》（中華人民共和國國家標準，2001）和《電力設施抗震設計規范（GB50260-96）》（中華人民共和國國家標準，1996），前者主要是對建筑結構本身的抗震規定，但亦包括設備安裝措施等；后者對設備、儀器的抗震有詳細的規定。在汶川地震中，漢中地區變電電氣設備的震害主要有：絕緣子瓷件（支柱瓷瓶）損壞，如圖15、圖18所示。其典型震害是絕緣子支柱折斷，折斷處一般都在根部金屬法蘭與瓷件結合部位。圖16中的高壓開關柜在地震中產生了高電壓而短路后造成設備、線路被燒毀等次生災害。圖17所示的震害為隔離開關的破壞，設備的尖針在正常狀態下應與剛性母線一致對齊（圖15a的左側），而震壞后出現偏離，相差10cm左右（圖15a右側及圖 15b），這是由于設備絕緣子串振幅過大造成移位。圖 18 所示為一220kV少油開關絕緣子瓷立柱（支柱瓷瓶）的損壞。另外，地震后 330kV的武侯變電站 2號主變重瓦斯動作跳閘；330kV的漢中變220kV漢勉開關跳閘；220kV的勉縣變＃1、2B重瓦斯保護動作跳閘；220kV的勉碧開關A相斷裂，220kV旁母斷裂，220kV旁母壓垮倒至勉漢線旁刀閘等（國家電力監管委員會西北監管局，2008）。在地震中，多數變電站的的電線電纜由于過大的擺幅而被拉斷，造成變壓器、開關等工作失常。

圖14 鋼結構變電構架（漢中220kV勉縣變）Fig.14 Steel frames of a substation (Hanzhong 220kV Mianxian substation)

圖15 a 絕緣子折斷（漢中110kV紅河變）Fig.15 a Broken ceramic insulators (Hanzhong 110kV Honghe substation)

圖15 b 絕緣子折斷（漢中110kV紅河變）Fig.15 b Broken ceramic insulators (Hanzhong 110kV Honghe substation)

圖16 高壓開關柜由于短路被燒毀（漢中110kV留壩變）Fig.16 A burnt high-voltage switch box due to short circuit (Hanzhong 110kV Liuba substation)

圖17 a 隔離開關破壞（漢中330kV武侯變，勉縣）Fig.17 a A damaged disconnector switch (Hanzhong 330kV Wuhou substation)

圖17 b 隔離開關破壞（漢中330kV武侯變，勉縣）Fig.17 b A damaged disconnector switch (Hanzhong 330kV Wuhou substation)

圖18 220kV少油開關絕緣子瓷立柱損壞（漢中220kV勉縣變）（照片來源：西北電監局）Fig.18 Damaged minimum oil breaker (Hanzhong 220kV Mianxian substation)

電氣設備震害原因大致可以歸結為以下3點：①高壓電氣設備體形又高又細，其固有頻率低，大部分都在1—10Hz以內，與地震卓越頻率相近，且阻尼比小（小變形時測試，一般為3%左右），因此，地震時的動力反應較大。②瓷質材料屬于脆性材料，其抗拉、剪破壞的強度很低，一般約為 12—20MPa（水利電力部西北電力設計院，1989），同時瓷套絕緣子斷面小，強度不足，地震時極易受彎折斷。③位于Ⅶ度及其以上地震區內變電站的電氣設備均有高大支架支撐，或安置在一定高度的臺座上，設備支架對地面輸入的加速度值有放大作用，使作用在設備上的地震力加大，高壓電氣設備的各個連接環節破壞嚴重。

2 總結與建議

2.1 總結

汶川地震陜南重災區主要分布于陜西西南部川陜交界部位，以漢中的寧強縣、略陽縣、勉縣和南鄭縣最為嚴重。根據中國地震局統計結果，陜南重災區地震烈度達到Ⅶ—Ⅷ度，盡管房倒屋塌現象遠不如四川災區，但震害還是很嚴重，大量建筑物成為危房（趙治海等，2009）。作為生命線工程的重要組成部分，電力系統一旦失效或遭到破壞，就會嚴重影響救災工作的進展并造成難以估量的經濟損失。國內外歷次大地震的統計表明，電力系統的地震易損性是較高的。盡管其修復費用只占全部震后重建費用的一小部分，但電力系統失效造成的間接損失卻是巨大的。它不僅嚴重影響正常的生產生活和抗震救災工作，隨之而來的次生災害還可能給社會帶來難以預料的后果。例如，1989年Oakland地震后發生的大面積火災，正是由于停電導致供水系統癱瘓無法及時救火造成的，因此，電力系統的抗震也是非常重要的。汶川地震調查結果顯示，陜南漢中變電設施嚴重的震害主要是電氣設備（設施）的損壞。陜西省全省的變電電氣設施在地震中的損壞為：35kV及以上變電站設備累計受損 24座，其中，330kV4座，220kV1座，110kV16座，35kV3座；10kV及以上變壓器受損53臺（國家電力監管委員會西北監管局，2008）。與此相比，在全陜西省所調查的256座變電站中，建構筑物破壞等級為中等只有36座，占總數的14%，其余（86%）為輕微和基本完好（陜西省電力設計院，2008）。這足以說明電氣設施震害的嚴重性。

2.2 建議

為提高電力系統的抗震能力，確保地震作用下電力設施的安全運行，結合汶川地震漢中

地區變電站系統震害情況及地震表現，本文就變電設施的抗震提出以下幾點建議：

（1）選擇合理的結構形式

通過汶川地震震害調查，表明鋼筋混凝土框架結構房屋和鋼結構構架具有良好的抗震性能，而且地震中基本沒有嚴重的破壞。因此，變電站建筑應盡量采用鋼筋混凝土結構或鋼結構，變電構架也應盡量采用鋼結構構架。砌體結構抗震性能較差，在地震區應盡量避免采用，防止由于房屋倒塌而引起設備損壞。

（2）合理選擇建設場地

汶川地震災害的調查表明，電力設施場地應選擇對抗震有利的地段，避開對抗震不利和危險的地段，如地震時可能發生崩塌、大面積滑坡、泥石流、地裂和錯位的危險地段。同時還要認真考慮山區地形對建筑物的約束條件，設計和施工時應采取必要的措施，減少場地條件對地震災害的放大效應。

（3）加強結構薄弱部位的抗震能力

要防止牛腿和柱肩的斜向裂縫和豎向裂縫，需要提高牛腿和柱肩頂面預埋件抵抗水平剪力的能力，同時沿牛腿全高加密箍筋。由于女兒墻是懸臂狀態，地震時很容易倒塌，因此，今后設計地震區的廠房，應避免采用女兒墻。必須砌筑女兒墻時，應由屋面高度處的圈梁內伸出鋼筋，砌入女兒墻內，并錨入壓頂。

（4）加強電氣設施的抗震能力

可以考慮的措施主要有兩大類（張仲孝，1994）：一類是由生產電氣設備的廠家，設計、制造出能滿足電力工程所需要的抗震型設備產品，例如，將高壓電氣設備的瓷柱外形由等徑柱體改成下粗上細的錐形柱體，以降低其重心高度，增強根部的剛度，提高瓷件的承載能力；另一類是在電氣設備支架上采取減震措施，而不改變電氣設備本體的結構，例如，將支架改為懸吊式結構，加設減震器或阻尼器。另外，也可以因地制宜對電氣設備進行合理的立體布局，當抗震設防烈度較高時，或者場地條件很差時，變電站的電氣設備應采用低位式或落地式布置，以降低設備的重心，減小地震反應。

致謝：文中照片除注明外，均由本文第三作者提供。在資料收集過程中，陜西省電力設計院給予了大力支持，在此表達謝意。

國家電力監管委員會西北監管局，2008.“5.12”地震后西北電力系統抗震救災專題通報.

陜西省電力設計院，2008. 陜西省電力公司建構筑物震害受損情況調查初步結論及費用估算匯報.

水利電力部西北電力設計院，1989. 電力工程電氣設計手冊（電氣部分）. 北京：水利電力出版社.

李小軍，2008. 汶川8.0級地震北川縣城區災害調查與分析. 震災防御技術，3（4）：352—362.

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趙治海，徐張建，2009. 汶川大地震后陜南建筑物破壞特征調查與分析. 陜西建筑，163（1）：15—20.

張仲孝，1994. 關于提高電氣設備抗震能力問題的探討. 工程抗震，6（2）：43—44.

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Damage of Electric Substation Systems in Hanzhong during Wenchuan MS8.0 Earthquake

Yang Yinghua1), Xiong Jun1)and Wang Shengli2)

1) School of Civil Engineering, Xi'an University of Architecture & Technology, Xi'an 710055, China
2) Shaanxi Electric Power Design Institute, Xian 710054, China

The electric system in Hanzhong region, Shaanxi province suffered varying degrees of damage in Wenchuan earthquake. Based on the field investigation of damage of the electric substation systems conducted in Hanzhong area after the earthquake, the damage and behavior of electric substation systems in Hanzhong are illustrated and the causes are analyzed. Then suggestions regarding structural design of substation systems were put forward.

Wenchuan earthquake; Electrical substation; Earthquake damage

楊應華，熊軍，王勝利，2010. 漢中地區變電設施在汶川大地震中的表現及其分析. 震災防御技術，5（2）：167—175.

2009-11-23

楊應華，男，生于1965年。博士，教授。主要從事結構工程的教學和科研。E-mail: yhyang@xauat.edu.cn