變電站震害分析與抗震措施的研究綜述

劉建秋，王亞超，韓文慶

(山東電力工程咨詢院有限公司，濟南市250013)

0 引言

在各種自然災害中，地震是對電力系統威脅最大的災害之一。強烈的地震不僅會造成各種電力設施的嚴重損壞，甚至會使整個系統癱瘓，嚴重影響正常的生產、生活和抗震救災工作，而且有可能引發火災等次生災害，對人民群眾的生命財產安全構成巨大威脅。在這些破壞性強烈地震中，電力系統中變電站的損壞情況最嚴重［1］。

自20世紀70年代中期以來，變電站的震害報道幾乎貫穿于國內外每一次強烈的地震。大量的震害事例說明，變電站的抗震可靠性亟待加強。如何確保變電站在強震作用下的可靠運行是當前抗震領域研究的熱點問題［2］。

1 變電站震害統計及原因分析

1．1 建(構)筑物

1．1．1 建筑物

國內外大地震造成的變電站換壞情況如表1所示。

表1 國內外大地震造成的變電站的損壞情況統計Tab.1 eview on malfunction and damage of transformer substations under severe earthquakes at home and abroad

變電站內的建筑物主要包括主控通信樓、生產綜合樓、配電室、電容器室等，這類建筑在強烈地震中往往表現出較弱的抗震性能，很容易損毀，表2列出國內外幾次大地震中變電站建筑物的損毀情況。

變電站中這些建筑物多為框架結構，冗余度較小，且樓層放置占地較大的電氣設備，造成建筑物空曠，抗側移剛度小，加之設備的荷載很大，并隨著地震效應放大了的樓板一起運動，導致此類建筑在地震中表現出較低的可靠性。文獻［3］對某一地區變電站建筑物的失效概率分析表明;在基本烈度6度、計算烈度8度時的失效概率達0.134;在基本烈度8度、計算烈度8度時的失效概率達0.370。

表2 變電站建筑物的損毀情況統計Tab.2 Review on malfunction and damage of buildings in transformer substation

1．1．2 支架和構架

變電站中的電氣設備安裝在一定高度的支架上，形成一種“頭重腳輕”的支架－設備體系。該體系的自振頻率比設備本體的自振頻率低，而且支架越高，體系的自振頻率下降越多。由于頭部設備對腳部支架顯著的動力放大作用，造成設備支架的抗震可靠性低。目前沒有支架設計評估標準或規范出臺，只有支架動力放大系數取值的建議:我國《電力設施抗震設計規范》建議取1.0～1.2［4］;《高壓電氣設備減震技術規定》建議取1.40［5］;IEC 1463:1996《Bushing-Seismic Qualification》建議采用有限單元法，同時考慮結構－土壤相互作用，通過分析得到此放大系數，否則建議取1.5［6］。IEEE Std 693—1997建議支架的動力放大作用應該在設備安裝在支架上以后進行分析［7］。

變電構架多采用鋼結構，抗震性能良好，遭遇設防地震甚至罕遇地震時基本不會損壞，但當遭遇超過設防烈度的強烈地震時，仍會倒塌破壞。位于汶川地震震中(地震烈度11度)的映秀鎮220 kV開關站，實際遭遇地震動加速度1.6 g，遠遠超出設計地震動加速度0.30 g，構架全部倒塌。

表3列出了變電站構架和支架的損壞情況。

1．2 電瓷型電氣設備

電瓷型電氣設備包括斷路器、隔離開關、電流互感器、電壓互感器、避雷器等，其震害特點多是絕緣部位的瓷套管根部斷裂［8］，如表4所示。由于陶瓷是脆性材料，抗彎性能很差，加上設備的結構形狀特殊，不僅又細又長，而且上部質量較大，地震時瓷套管的根部承受很大的彎矩，使瓷套管強度不足而斷裂。尤其是在瓷套管與其他材料的連接處，變形不協調加大了瓷套管的斷裂和破壞。另外，這類設備的固有頻率在1～10 Hz范圍內，與地震波的卓越頻率接近，同時其主體材料瓷柱的阻尼小，耗能能力弱，因此在地震中極易損壞。

表3 變電站構架和支架的損壞情況統計Tab.3 Review on malfunction and damage of constructions in transformer substation

表4 變電站電瓷型電氣設備的損壞情況統計Tab.4 Review on malfunction and damage of porcelain electrical equipments in transformer substation

1．3 變壓器

變壓器是變電站中重要的設備之一，是由鐵心、繞組、絕緣、引線、油箱、相應組件裝配完成以后，再注入變壓器油而構成，變壓器在地震中的損毀形式主要有本體位移和套管損壞，如表5所示。

變壓器浮放在軌道和基礎上，未采取固定措施或雖采取了固定措施但方式不當或強度不足，地震時很容易將固定螺栓剪斷、拉脫或將焊縫拉開，使固定裝置失效，導致變壓器掉臺、傾倒和移位并拉壞頂部的瓷套管，撞壞散熱器和潛油泵等附件［9］。

變壓器在地震中容易引起套管的損壞，套管損壞主要有2 種類型［10］:

(1)套管法蘭出現裂紋或直接被撕裂。強烈地震作用下，變壓器整體移位而套管被高壓引線拉住，導致套管與油箱升高座之間的法蘭出現較長裂紋或根部直接被撕裂，油箱本體絕緣油漏出。

(2)變壓器套管與法蘭間產生移位。套管與自身法蘭密封用的橡膠墊由于外力作用移位，失去密封的效果，導致套管內絕緣油外漏。

大多數變壓器的漏油都是由于套管的損壞引起的，因此，提高套管的抗震能力是非常有必要的。

1．4 母線

變電站內的母線分硬母線和軟母線兩種，硬母線由鋁管和鋁線制成，軟母線由鋁線制成。硬母線的破壞主要是支撐母線的棒式支柱絕緣子在地震作用下折斷造成的;軟母線自身的強度很高，不易損壞，損壞一般是懸掛母線的絕緣子被拉斷。德陽新市220 kV變電站在汶川地震中，支撐母線的棒式支柱絕緣子從上部或根部剪斷，母線震落［8］。

2 變電站抗震措施的研究進展

迄今為止，國內外學者在變電站的抗震措施上做了大量研究工作，主要分為理論分析和試驗研究兩個方面。

2．1 理論分析方面

2．1．1 變電站級

1996 年，J．A．Pires等建立San Francisco變電站的仿真模型進行地震可靠性分析，并與1989年Loma Prieta地震發生時該變電站的實際受損情況對比［11］。1996年，中國頒布《電力設施抗震設計規范》，該規范從抗震計算、設備安裝等方面規范了變電站的抗震設計［4］。1997年，美國聯邦緊急救援署改進了評估變電站抗震性能的方法［12］，將變電站的破壞分為5類:完好、輕微破壞、中等破壞、嚴重破壞和完全破壞，認為變電站的破壞與變壓器、隔離開關、斷路器和電流互感器這四類設備的損壞率有關。1997年，H．Hwang提出利用“故障樹/事件樹”評估變電站的抗震性能［13］，該方法在“故障樹/事件樹”及其“子樹”的生成過程中，考慮了變電站內部各個部件之間的連接關系和線路的冗余度。2004年，Cagnan等［14］建立了一種模擬變電站震后重建的仿真模型，給出不同的震后災害分析曲線，并根據這些曲線快速得出震后重建方法。2008年，程永峰等研究了隔震減震措施在變電站中的應用前景［15］。2009 年，E．Bazán-Zurita等針對美國土木工程學會制定的《變電站設計導則(2008版)》，從概念設計以及地震響應分析和易損性評估等方面研究變電站的抗震設計［16］。2009年，Brian T．Knight等提出了一種改善變電站抗震薄弱部位的“SVRP設計法”，并給出變電站抗震設計的若干建議［17］。

2．1．2 建(構)筑物

2000年，李天等針對變電站建筑物抗震可靠性低的問題，建議盡可能采用輕型樓屋蓋，并要加強設備與樓層的連接，同時在設計時考慮設備對結構抗震性能的影響［3］。2006年，文波等結合某采用隔震技術的110 kV配電樓工程，研究隔震結構在多向地震作用下的非線性動力反應［18］。2007年，朱愛珠等建立柱頭為新型螺栓連接和傳統焊接連接的構架柱模型，分析2種構架柱在特定地震反應譜下的位移響應，研究2者動力特性的區別［19］。2009年，王磊等運用有限元方法對螺栓連接和焊接構架柱進行地震反應時程分析，建議采取措施提高螺栓連接構架柱抗震性能［20］。

表5 變電站變壓器的損壞情況統計Tab.5 Review on malfunction and damage of transformers in transformer substation

2．1．3 電瓷型電氣設備

1980年，日本電氣協會編寫了《電氣設備抗震設計指南》，對電氣設備抗震設計的條件、標準和方法等做了詳細的規定［21］。1989年，張其浩等提出具有柔性結點的多質點體系的動力計算模型，將電氣設備的法蘭連接作為彈性連接處理，計入法蘭的彎曲剛度，計算結果與實測結果吻合較好［22］。1999年，張伯艷等以沈陽高壓開關廠500 kV高壓開關為研究對象，給出該設備在靜力和地震作用下瓷柱根部處的應力，并分析該產品的抗震安全性［23］。1999年，太平洋電氣公司和太平洋地震工程中心聯合資助建立加利福尼亞州變電站設備地震數據庫，該數據庫包括了12次地震中加州的60個230～550 kV變電站電氣設備的破壞和未破壞數據以及地震發生地點、地面運動、變電站的場址和場地條件、設備的特點、設備的破壞模式以及修復時間等［24］。2001年，劉曉明等利用振型分解反應譜法計算分析220 kV高壓SF6電流互感器抗震性能，建議對設備頭部進行優化設計，并提高瓷套管的抗彎強度和底座的剛度［25］。2004年，李亞琦等分析導線對電氣設備抗震性能的影響，結果表明導線會明顯加大設備的地震反應［26］。2003年，Song Junho等對導線連接電氣設備與單獨放置電氣設備的動力特性作比較，結果表明有導線連接的電氣設備的動力反應要比單獨放置的大得多，實際設計中不能忽略連接導線的動力放大作用［27］。

2．1．4 變壓器

國內外學者多采用有限元模型分析變壓器的抗震性能。1998年，S．Bellorini等建立變壓器的有限元模型，鋼制箱體用殼元、瓷套管用梁單元、儲油罐為集中質量，變壓器的整體結構認為是線彈性，模型沒有考慮箱體內油液的阻尼效應以及油液對箱體的作用力［28］。2004年，Ersoy等通過有限元模擬分析高壓變壓器與瓷套管在地震時的共同作用，并采用彈性時程分析得到高壓變壓器及瓷套管的各部分地震響應時程［29］。2005年，郭振巖對SFSZ8－31500/110型變壓器進行動力響應分析，研究結果表明:結構的自振頻率超過10 Hz，B相套管應力較A、C相套管應力大，設計時應適當加強B相套管的強度，有油工況下應力高出無油工況20%左右，應按有油工況設計［30］。2006年，Filiatrault等對多種類型的高壓變壓器進行有限元分析，得到與箱體共同作用下瓷套管的加速度譜［31］。2009年，梅柳對汶川地震中受損嚴重的500 kV變壓器建立了三維有限元模型，進行動力性能和地震響應分析，得到了該變壓器在地震中的薄弱環節和主要破壞模式［32］。

部分學者研究了變壓器的地震易損性。1999年，Anagnos等通過對加利福尼亞地區歷次12次地震中變電站設備破壞的數據，整理統計得到高壓變壓器的易損性曲線［24］。2007年，孟敏婕等對SFPL－120000/220型大型高壓變壓器進行地震易損性分析，并得到該設備的地震易損性曲線［33］。

2．1．5 母線

2004年，Gouri S．Bhuyan等對 BC Hydro變電站6組設備－軟母線耦聯系統，進行地震作用下的動力時程分析和試驗研究，并將自振頻率的計算值與實測值比較分析［34］。2009 年，謝強、胡彧婧等［35－36］根據汶川地震變電站典型開關類設備的地震破壞情況，建立設備－母線耦聯系統的有限元模型，分析該系統的地震響應，并與單體設備的地震響應結果進行了對比，研究結果表明:單體設備與設備－母線耦聯系統的地震響應不同，應綜合考慮設備與母線的耦聯作用來進行抗震性能分析。

2．2 試驗研究方面

2．2．1 電瓷型電氣設備

1978年，西北電力設計院、原一機部抗震研究室、國家地震局工程力學研究所聯合提出“高壓電器設備減震技術研究”的課題，研究內容主要包括一些高壓電氣設備的動力特性分析和模擬地震振動臺試驗［9］。1995年，華北電力設計院有限公司進行了高壓電氣設備的減震試驗，例如 LW11A－126SF6斷路器減震試驗、靜壓棒形支柱絕緣子減震試驗等，并根據這些試驗的結果編制了《高壓電氣設備減震技術規定》(報批稿)［5］。1996年，美國的一些高校和電力公司進行了許多電氣設備抗震試驗，部分試驗結果為美國現行的規范和標準采用［37］。2007年，劉彥輝等通過對高架電氣及支架動力特性分析，開發適用于高架電氣設備的隔震裝置，并通過試驗定性驗證了該隔震裝置能有效減小結構地震響應［38］。

2．2．2 變壓器

1997年李子國［39］等在國內首次對S7－200/10型配電用變壓器進行了原型試驗，成功模擬在水平地震作用下變壓器的動力響應。2005年，郭振巖在國內首次進行變壓器的振動臺試驗，取得了重要的試驗數據和分析成果［30］。1999 年，Amir S．Gilani等對幾種不同規格的高壓變壓器套管進行了振動臺試驗，試驗結果表明:在連接剛度較大的情況下，套管的抗震性能比實際情況好得多，在套管底部設置墊圈可以有效地防止變壓器油由于套管移位而發生的泄漏［40］。2003年，美國的 Andre Filiatrault等對1臺525 kV變壓器進行了振動臺試驗，試驗成功獲取了變壓器油箱和套管以及其他重要部件的動力特性，為大型變壓器的抗震研究提供了寶貴的數據［41］。2004年，Selahattin Ersoy等對 3種高壓變壓器進行了動力試驗，用Ansys軟件研究分析其動力性能，并與試驗結果進行了比較［42］。

2．2．3 母線

Dastous J B等對軟母線進行的試驗并得到了下列結論:地震中軟母線是一個非線性體系，母線的頻率隨著母線的形狀和地震作用的變化而變化，很小的激勵就可能使母線發生共振［37］。Filiatrauh A等對硬母線進行的試驗研究證實了硬母線對其連接設備的動力放大效應［43］。2004 年，Houman Ghalibafian等對設備－軟母線耦聯系統進行了振動臺試驗，研究結果表明:母線會加大設備的地震響應，地震響應不僅與地面加速度有關，還與地震動的持續時間有關［44］。

3 變電站抗震措施的研究展望

3．1 基于震害的變電站抗震設計優化

地震區變電站的破壞狀況是探索地震破壞作用和結構震害機理最直接、最有效和最全面的大型結構震動試驗。因此，有必要在總結歷次變電站震害經驗和教訓的基礎上，在基本理論、計算方法、特別是構造措施等諸多方面進行變電站抗震設計優化，并建立起和完善好地震區變電站內建(構)筑物、電氣設備、變壓器、母線等震害狀況的數據庫。

3．2 變電站的抗震安全性能評估

統計國內外的地震資料發現，地震斷裂帶上往往會發生遠高于設防烈度的強烈地震，造成變電站嚴重損毀，對我國地震斷裂帶上的變電站進行地震危險性分析和抗震可靠性鑒定十分必要，應該從以下幾個方面深入研究。

3．2．1 改善抗震能力評估的方法

對變電站進行抗震能力評估的目的是保證“大震不倒”目標的實現，目前工程界公認的簡單有效的方法是靜力彈塑性分析方法，如Pushover法和能力譜法。但在實際工程分析中，由于計算模型簡化、恢復力模型確定、地震波選用以及破壞準則選取等因素存在人為假定的影響，致使評估結果的準確性受到限制，因此，如何解決上述因素與實際不相符合的問題是以后研究的重點。

3．2．2 開發定量評估變電站抗震性能的軟件

現有的有限元程序只能定性分析變電站的抗震性能，缺乏定量數據的支持，難以合理有效的確定結構的抗震加固方案。因此，依據我國最新的建筑抗震設計規范，并與現有有限元軟件密切結合，開發定量評估變電站抗震性能的軟件，是新的研究思路。

3．2．3 如何考慮既有變電站的損傷狀況

已建變電站大多服役多年，均有不同程度的損傷，甚至有些還存在著明顯的抗震薄弱環節。忽略結構損傷情況的抗震性能評估是不準確的，如何考慮變電站的損傷狀況并引入分析模型，是下一步研究的難點。

3．3 隔震減震在變電站中的應用研究

采用隔震減震技術可以有效的減輕結構的地震反應，即使在地面劇烈地震動時，上部結構仍能處于正常的彈性工作狀態。因此，為確保地震作用下變電站的安全運行，除了加強傳統的抗震設計之外，有必要加強變電站基礎隔震和消能減震技術的研發和應用。

3．3．1 基礎隔震的研究重點

基礎隔震技術可在2個方向進行研究。簡化基礎隔震措施，提高結構基礎隔震的可靠度，降低隔震層和上部結構的造價，在中低烈度區一般變電站中推廣使用;不考慮或較少考慮隔震成本，最大程度完善和優化基礎隔震技術，確保高烈度區或有特殊要求的重要變電站在強震作用下的安全性和可靠性。

3．3．2 消能減震的研究重點

消能減震技術有以下幾個問題急待解決。一是有效性。如何準確地輸入減震系統的能量，并確保在強震中系統地有效運轉是研究的難點。二是穩定性。控制算法的控制效果、時滯影響、阻尼器的可靠性等均影響減震系統的穩定，需要深入研究。三是經濟性。只有高效、穩定、簡單、低能耗且價格便宜的減震系統才有推廣的市場，目前減震系統的費用較高，如何降低成本是研究的熱點。

3．4 基于性能的變電站抗震設計

基于性能的抗震思想給結構分析帶來了革命性的改變，是結構抗震設計的發展方向。變電站是多學科多領域相互融合的載體，需要基于性能分析各個環節的破壞對變電站系統的影響，在此基礎上提出不同的性能化設計目標，進行不同性能目標下的變電站抗震設計。這項工作對變電站的總體布局、設備設置和抗震防災意義重大。

3．5 新材料和新技術的研發和應用

針對電瓷型電氣設備的地震易損性，研究采用新型的高強高硅瓷或其他可塑性絕緣材料來代替現有的瓷件。同時，應積極開展計算機仿真技術、先進傳感技術以及損失評估、應急反應和決策系統、人工智能系統等先進防震減災技術的研發和應用。

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