淺談變電站抗震措施

【摘 要】 本文通過電力設施受到地震災害的破壞事件的類型和原因，講述了國內外電力設施方面采取的兩種抗震措施：第一種通過提高建構筑物和設備本身的結構強度的傳統的方法對地震進行“抗硬”，雖然這種方法對過去抗地震災害起到了重要的作用，但建筑物內部設施、儀器卻遭到破壞；第二種隔震減震措施已經得到國內外建筑物采用和考驗，它減少傳遞到隔震結構上部的地震能量，明顯有效地減輕結構的地震反應。隔震減震技術的成熟運用對變電站抗震有重要意義。

【關鍵詞】 電力；變電站；電力設備；設施；隔震減震

前沿：

強烈地震是各類自然災害中對生命線工程威脅最大的災害之一，使各類結構遭受破壞并對生命線工程系統的功能受到重大損壞或功能喪失，哪怕只是某些部分結構遭到輕中度的損壞，也能造成整個生命線工程系統大幅度消弱。就電力系統來說，它一旦遭到損壞失效，就會使人類受到嚴重災害及經濟損失，電力一旦中斷，就會使人類不能正常生產生活，可能還會引起次生災害，導致人類生命、財產收到威脅。

1 電力設施受到地震災害的破壞事件的類型和原因

1976年發生在中國河北的唐山大地震中，斷路器、隔離開關、避雷器都達到了很高損壞率，這些設備都是由地震引起的瓷套管根部斷裂，而瓷套管大多是組成這類設備的絕緣部分。

其受到震害的原因：

（1）設備的結構形狀細而長，上部質量又較大，地震時由于瓷套管是脆性材料，當根部受到強大彎曲時，瓷套管自然斷裂，特別是瓷套管同其他材料的相接處的斷裂損壞。

（2）地震波的卓越頻率與這些設備的固有頻率相近，而且這些設備材料大多由脆性材料組成，其儲能能力和設備阻尼值較小，使設備受到類共振影響遭到損壞。

以上是地震中電力設施受到震害的類型之一的電瓷型高壓電氣設備；而因砂土液化或者地基不均勻沉陷造成的塔體破壞等屬于高壓輸電鐵塔震害類型；地震過程中，主體移除軌道、傾倒等，頂層瓷套管損壞，散油器等附件的損壞屬于電力變壓器震害類型；震害過程中高壓變電站的變電設備很多由支撐結構損壞而受到破壞是屬于支撐結構震害；變電站內的軟硬母線破壞形式分別為：軟母線通常是懸掛母線的絕緣子被拉斷，硬母線是棒式支柱絕緣子被折斷，這種是屬于變電站內母線震害；計算機控制系統、通訊系統等二次設備在變電站中有很大的重要性，需完好無缺才能保障變電站的正常運行。在地震中二次設備通常是遭到倒塌等、滑落等破壞而使其喪失一些使用功能是屬于其他電力設備的破壞震害類型。

2 目前中國在電力設施方面的抗震措施

通過以上電力設施震害類型和原因，中國在電力設施方面的抗震措施首頁要從提高建構筑物和設備本身的結構強度來著手相關研究工作。研究變電站內電力設施在地震過程中的失效概率。通過研究對震害資料進行分析，還有通過實驗和理論計算相關分析，使這些抗震措施的研究工作在災害預測、減輕地震作用措施等方面取得了有效成果；這種“抗硬”途徑的研究方法，利用增粗構件斷面、增強結構剛度來抵擋抗震能力；通過“設防烈度”限定結構抗震能力的，使實際地震不超過預定的“設防烈度”，即結構處于安全狀態；這種抗震措施不適用于對某些抗震過程中出現彈塑性變形的結構。

震害資料是地震時的真實反應結果，是變電站設備 抗震性能的重要分析手段。但并不是每個地方都有足夠的震害數據可分析。

其電力設備的抗震實驗，國內外在二十世紀七十年代采用了靜力、動力實驗等。二十世紀八十年代中期和末期我國采用了一系列的震動實驗，雖然初步取得了附件對設備動力反應影響等的結論，同時也發現了實驗分析中的局限性：①震動實驗資金耗費大，模型制作需要很高精密性，震動臺足夠大。②實驗結果的可靠性由于電氣設備的實驗條件與現場條件存在很大的不同而受到限制。

目前，我國與電力設施有關的抗震設計規范，基本只考慮到建筑結構本身的抗震，而對設備方面的抗震考慮較小。而大多數國家都采用彈塑性設計方法，這種傳統的抗震設計通過增大結構強度，使建筑結構在強地震作用下不至于倒塌，但結構的框架卻有可能發生重要破壞。最近這幾年按照《建筑抗震設計規范》建筑結構的抗震有顯著提高。而變電站的一些昂貴、復雜的電氣設備和設施，常常浮放在地基基礎。強烈震動使得一些易損部位遭到破壞，失去使用功能，而修復這些設備通常卻很有難度，比如進口設備。

隨著隔震減震技術的抗震方法出現，使得抗震方法在不斷發展和完善。這種抗震方法通過隔離措施，隔斷或減小地震傳播到電力設施上的能量，從而減小電力設施的地震反應。

3 隔震減震措施具有的優點和在電力設施方面的應用前景

隔震減震是在工程結構的某些特定位置，安裝隔振器等裝置來改變結構動力特征或者動力作用，促使工程結構在地震過程中產生的加速度、速度等動力反應有合理控制。從本質上是通過分離結構、部件和會引起地震地面、支座運動，隔斷地震能量的傳播途徑，盡量減少傳遞到隔震結構上部的地震能量，從而減少上部結構的地震反應[1]。與傳統的抗震設計方法比有明顯的減震能力。其具體的表現：第一，為了有效地減輕結構的地震反應，采取隔震體系的上部結構加速度反應只是傳統結構加速度的1/12～1/4。第二，當地面劇烈震動時，上部結構還是處于正常的彈性工作狀態，這樣就確保了一般民用建筑結構在強地震中的安全性，也能保證在強地震中某些重要結構物、生命線工程結構物、內部有重要設備的建筑物等正常使用。第三，由于隔震減震體系使得上部結構承受的地震作用大幅度降低，使上部結構構件和節點的斷面、配筋減少，構造及施工簡單，大大降低造價。雖然隔震減震裝置需要提高造價（5%），但建筑總價仍可降低：7 度區節省1%～3%；8 度區節省5%～15%；9 度區節省10%～20%，并且安全度大大提高。

結構隔震技術出現在二十世紀六十年代，在建筑結構領域有廣泛應用。世界各國電力工程界對結構隔震技術不斷開展深入研究，四十多年來取得了不錯的結果，也成為了電力工程界領域的一個新的學科分支。二十世紀六十和七十年代，隔震技術的理論和實驗也運用到了土木工程領域，也取得了好的成就。二十世紀八十年代，美國、日本等幾個國家將這項技術運用到了橋梁、多層建筑物等防震保護措施上面。近些年來，中國和其他國家也開始對結構隔震技術進行重視和應用。結構隔震技術不僅通過了實驗室的驗證，而且近來的也通過了地震中的實地驗證。在1994 年1 月7 日美國加利福尼亞州的諾斯里奇/圣費爾南多盆地發生的M=6.4 級地震中，有一座7 層鋼筋混凝土結構采用了隔震措施，距震中僅36 km。建筑物在場地的最大地面加速度為0.49g，但該建筑物在地震中達到的最大加速度反應只及地面最大加速度的1/2 左右[2]。

隔震技術在中國建成隔震結構工程的應用大約有400棟左右。主要包括：①一些長年住人或人群密集的建筑物，保障地震時人類的生命安全。如：住宅、劇院、教學樓、辦公樓、民用建筑、大商場等。②地震過程中防止建筑結構物受到嚴重次生災害。如：變電站、指揮中心、通訊中心、交通樞紐、醫院、急救中心、糧食加工廠、電廠等。③地震區重點保護的建筑結構物。如：博物館、文物館、重要歷史性建筑、重要紀念性建筑物、重要圖書資料館、法院、檔案館等。④地震過程中，確保內部有重要儀器設備的建筑結構物不受破壞。如：實驗中心、精密儀器中心、計算機中心等。⑤重要結構的建筑物。⑥保強已有的建筑物、結構物在地震中的安全和隔震加固改良[3]。

隔震減震技術目前已經相對成熟，國外很多建筑物都用了隔振技術，我國也在大部分建筑物中采用了這種技術，其中有好些建筑是經歷了地震的考驗，這就說明了，隔震減震技術減震機理明確，減震效果明顯。而且在重要工業設備防震中也有明顯成果。如核電站主要設備的隔震技術、變電站基底隔震抗震加固。

4 結語

變電站電力設施在地震中的安全運行是電力工程界必須面對和解決的重點難題。并且電力系統作為生命線工程的重要組成部分，它在地震中遭到的破壞是非常值得重視和解決。同時，電力設施能在地震過程中安全運行，不僅要在原來的傳統抗震措施中不斷加強研究，而且，電力設施隔震減震措施也要重視研發和應用，雖然目前隔震減震技術運用成熟，但對它的應用和研究是具有現實意義。

參考文獻

[1] 文佳. 隔震技術原理及存在問題分析[J]. 重慶科技學院學報：自然科學版. 2007（2）

[2] 王燕. 隔震技術及其在核電站中的應用[J]. 河北建筑工程學院學報. 2004（1）

[3] 鄧又民. 多層框架基礎隔震結構的扭轉反應研究[J]. 華中科技大學. 2002（2）