變電站地震災害分析與抗震設計

朱瑞民，李東亮，齊立忠，李科文

(國網北京經濟技術研究院，北京市 100052)

0 引言

變電站是電力系統中變換電壓、接受和分配電能、控制電力的流向和調整電壓的重要電力設施，通過變壓器將各級電壓的電網聯系起來，是電網中輸電和配電的集結點。世界范圍內，近幾十年來發生的災害性地震表明，電力系統的抗震能力較弱，其震害具有波及范圍廣、連鎖影響強、造成的直接和間接經濟損失大等特點［1］。2008年汶川大地震中，四川、重慶、陜西、甘肅電網中的35 kV及以上變電站停運247座，其中需重建17座(四川境內)，需要恢復運行230座［2］，給災區人民群眾生產生活、生命財產及抗震救災都帶來了嚴重影響。為提高變電站電力設施抗震能力，減少地震災害損失，本文對變電站建、構筑物及電氣設備地震破壞的原因進行分析，針對變電站抗震薄弱環節，提出變電站抗震設計建議。

1 變電站地震災害情況

我國是世界上地震災害最嚴重的國家之一，自20世紀60年代以來，我國發生了十幾次對電氣設備造成震害較大的地震，如1975年海城地震(7.3級，震中烈度9度)和1976年唐山地震(7.8級，震中烈度11度)，特別是2008年汶川地震(8.0級，震中烈度11度)，造成大量變電站內電力設施損毀［2］。

1.1 變電站建筑物震害統計

汶川地震造成國家電網公司系統110 kV及以上變電站停運89座，電力損失負荷6850MW。其中500kV和330 kV變電站各停運1座，220 kV變電站停運14座，110 kV變電站停運73座。四川省作為地震中心區域，受災最為嚴重。處于極震區汶川映秀鎮的二臺山220 kV變電站完全毀壞(見圖1)。距離震中最近的四川丹景、譚家灣和茂縣3座500kV變電站中，丹景變和譚家灣變的生產建筑物主體結構基本完好無損，圍墻等次要建筑出現微小裂縫，經修補后不影響使用。茂縣變地處震中區，其220 kV配電裝置樓墻體出現裂縫，其余主要生產建筑未見明顯破損。

圖1 汶川映秀鎮二臺山220 kV變電站毀壞Fig.1 Devastation of 220 kV substation on Ertaishan in Yingxiu Town，Wenchuan County

110、220 kV變電站建筑物震害情況:20世紀60、70年代的建筑物均為砌體結構，無抗震措施，結構受到嚴重破壞甚至坍塌，不可修復，需要重建;80年代的建筑物多為磚混結構，采用構造柱、圈梁及其他拉結等抗震措施，絕大部分結構受損，修復后可繼續使用，但也有使用20年以上的建筑物嚴重受損，結構構件承載力不足，需要重建;90年代之后建設的生產用房，多采用鋼筋混凝土框架結構，建筑物結構基本完好，僅在非承重墻、女兒墻等非結構構件出現裂縫，不影響建筑物的正常使用功能，經修補即可。

1.2 變電站構支架震害統計

變電站設備構、支架和基礎在汶川受損數量較少。發生損毀的主要原因是:滑坡等次生災害，如220 kV銀杏變電站110 kV場地構架由于山體塌方受到嚴重損壞;少量水泥桿構支架，使用年限較長，因地震作用產生損傷。

1.3 變電站主要電氣設備震害統計

變電站主要電氣設備有變壓器、斷路器、隔離開關、電流互感器、電壓互感器、避雷器、電容器、電抗器及室內各類設備(如控制屏)等。變壓器的震害表現為:變壓器底座同軌道的焊縫破裂或底座從軌道里脫離出來;變壓器的附屬設備和地腳螺栓剪斷;套管根部斷裂等［3-4］(見圖 2)。

圖2 安縣站1號主變壓器嚴重移位Fig.2 Severe displacement of No.1 main transformer in Anxian substation

斷路器、避雷器、隔離開關、電壓互感器、電流互感器等電瓷型高壓電氣設備的損壞率非常高，是變電站功能失效的主要因素。其震害主要特征是絕緣瓷瓶斷裂、設備傾斜或跌落［3-5］(見圖3)。

圖3 隔離開關瓷套根部斷裂Fig.3 Rupture at root of disconnecting switch porcelain

少油斷路器和空氣斷路器的典型震害是支持瓷套折斷，折斷處多在根部，少數在總高度的1/3處折斷，唐山地震中9度區的SW6－220型少油斷路器的損壞率達到了58.5%。高壓避雷器以普通閥型的震害最嚴重，其典型震害是安裝在底部的元件折斷，有拉線支撐的避雷器折斷部位多在支撐處。隔離開關的典型震害是支柱絕緣子折斷，折斷處一般都在根部金屬法蘭與瓷件結合部位，對于水平開斷式隔離開關，有的是因震開導電桿而斷電，有的是導電桿與主軸、底架之間焊接部位折斷破壞。電壓互感器、電流互感器震害特點是從支架上跌落摔壞瓷件、拉斷引線。此外，由于地震使電流互感器處于開路狀態產生了高電壓，短路后造成設備、線路被燒毀等次生災害。

室內設備主要包括開關柜、配電屏、控制屏、繼電保護屏及通信系統的微波機、載波機、交換機等設備。這類設備震害的主要原因是未采取可靠的固定措施，使設備在地震中發生位移或傾倒。蓄電池大多因為其浮放在支撐木架或基礎平臺上，導致蓄電池移位、傾倒或跌落摔壞。海城地震時，7～9度地區，所有發電廠、變電所的蓄電池全部損壞。

2 變電站地震災害損毀機理分析

變電站地震災害損毀程度與建設年代、設防烈度、本區域的實際地震烈度、抗震設防標準及建筑物結構型式等有密切關系。

2.1 變電站建筑物震害損毀機理分析

(1)500kV變電站建筑物在汶川地震中無嚴重損壞，只有個別變電站圍墻等次要建筑物受損。主要是由于500kV變電站建設時間相對較短，采用GB 50260—1996《電力設施抗震設計規范》進行設計。按此規范規定，500kV變電站內主要建筑物為一類建筑物，抗震措施提高1度;另外500kV變電站內主要建筑物采用鋼筋混凝土框架結構，其承受水平荷載能力較強，且延性及變形能力較好。

(2)110、220 kV變電站建筑物在汶川地震中有不同程度的損壞。20世紀60、70年代的建筑物損壞嚴重，主要是由于建筑物均為砌體結構，承受水平荷載的能力及變形能力較差，基本無抗震措施。

(3)20世紀80年代的建筑物，絕大部分結構受損，少部分嚴重受損，主要是由于遵循TJ ll—74(試行)或TJ ll—78《建筑抗震設計規范》規范，雖為磚混結構，但采用構造柱、圈梁及其他拉結等抗震措施，絕大部分建筑物修復后可繼續使用。少部分受損嚴重的建筑物，受環境及施工質量影響，出現混凝土開裂、碳化現象，鋼筋失去表面鈍化膜的保護，部分鋼筋銹蝕，導致房屋構件(如梁柱)強度下降，節點構造措施弱化，結構構件承載力不足。

(4)20世紀90年代后建設的生產用房，建筑物結構基本完好，經修補即可使用。主要是由于抗震設計遵循GBJ 11—89或GB 50011—2001《建筑抗震設計規范》規范，多采用鋼筋混凝土框架結構及抗震設防等級的提高，局部受損原因為地震烈度高于抗震設防烈度。

2.2 變電站構支架震害損毀機理分析

變電站的構架、設備支架和基礎在汶川地震中有部分損壞，受損數量較少。一部分是位于山區的變電站，由于山體塌方等次生災害引起變電站構支架嚴重損壞。另一部分是投運時間較長的變電站，構支架采用水泥桿，年久失修，存在混凝土風化、碳化和開裂現象以及鋼筋銹蝕等，導致構支架存在結構缺陷，在地震作用下發生損毀。

2.3 變電站電氣設備震害損毀機理分析

在汶川地震中，變電站電氣設備損壞數量較多，尤其位于地震高烈度區受損情況嚴重。地震波頻率多為1～10 Hz，當變電站電氣設備及其支撐體系的自振頻率接近或等于地震波的頻率時，將發生共振，動力放大系數很大，產生的地震作用也很大，導致電氣設備損壞［3-6］。

變壓器的震害表現為變壓器底座同軌道的焊縫破裂或底座從軌道里脫離出來;變壓器的附屬設備和地腳螺栓剪斷;套管根部斷裂等。主要原因是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，地震時將固定螺栓剪斷、拉脫或將焊縫拉開，使固定裝置失效。

斷路器、避雷器、隔離開關、電壓互感器、電流互感器等電瓷型高壓電氣設備的損壞率非常高，是變電站功能失效的主要因素，其震害主要特征是絕緣瓷瓶斷裂、設備傾斜或跌落。震害的主要原因是:(1)絕緣材料采用瓷套管，陶瓷屬于脆性材料，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，加大了瓷套管的裂損。(2)這類電氣設備的固有頻率為1～10 Hz，與地震波的卓越頻率相近，設備容易發生擬共振;而且這類設備的阻尼比較小，一旦接近共振頻率，動力放大系數就很大，損壞更加嚴重。

3 變電站抗震設計及建議

從歷次大地震來看，變電站震害相對較嚴重、損失較大，因此應加強變電站抗震設計，提高變電站電力設施的抗震能力，盡量減少地震災害損失、縮短停電或恢復供電時間，為災區人民生產生活和抗震救災提供電力保證。

3.1 變電站抗震設計

變電站抗震設計總體思路:(1)根據變電站電壓等級及重要性按GB 50223—2008《建筑工程抗震設防分類標準》確定抗震設防類別;(2)根據 GB 50011—2010《建筑抗震設計規范》和 GB 50260—1996《電力設施抗震設計規范》，分別對變電站建構、筑物和電氣設備進行抗震設計;(3)對變電站抗震薄弱環節或部位進行加強。

3.2 變電站抗震設計建議

3.2.1 建、構筑物抗震設計建議

設計單位須按照現行國家標準認真做好場地巖土工程勘察工作，根據實際需要劃分對建筑有利、不利和危險地段，提供建筑的場地類別和巖土地震穩定性評價。在處于地震烈度9度及以上地區新建變電站時，應綜合考慮建筑物內的設備和建構筑物本身的抗震能力，建議對主控樓等重要建筑物采取整體隔震的方案，保護建構筑物和設備;在地震烈度8度及以上地區建站，建議采用罐式斷路器或氣體隔離開關(gas isolated switchgare，GIS)型式的設備，降低設備高度，提高抗震能力，必要時在基礎上采用減震、隔震措施。

變電站中的多層建筑物應加強樓梯間抗震設計，便于地震時人員安全逃生;在滿足使用要求的前提下，盡量避免大開間布局;建筑立面盡量避免懸掛或懸吊裝飾構件;簡化房間內吊頂、管道設計，避免震落傷及人員［6］。

設備支架盡量采用鋼結構，以提高地震阻尼作用;在滿足安全距離的前提下，盡量降低支架高度以降低設備安裝高度，或采用落地式布置。根據真型試驗及有限元分析數據顯示，支架等對上部結構的動力放大系數波動范圍很大，且往往遠大于GB 50260—1996《電力設施抗震設計規范》規定的1.2。建議支架與設備本體合在一起計算，結構計算模型更符合實際［7］。

3.2.2 電氣設備抗震設計建議

針對不同類型的電氣設備，應合理選型，以確保其抗震能力。具有瓷套管類的電氣設備，應盡可能提高瓷套管的強度，如采用高強度的高硅瓷等;具有支柱的細長類型高壓電氣設備，動力放大系數很大，在地震下容易發生共振，可采用減震器或阻尼器，改變設備體系的頻率和阻尼比，從而降低設備的地震反應;對于變壓器、開關柜、蓄電池等浮放設備，應加強設備本體與基礎的連接，或設置必要的拉繩，以防止這些設備在地震中發生滑移、傾倒等震害;應提高電氣設備與支承柱連接的可靠性，保證電氣設備整體抗震性能。

4 變壓器與基礎連接計算

變壓器是變電站最重要的電氣設備，要保證變壓器在大震中不移位、不掉臺，必須將變壓器與基礎連接牢固，其中變壓器與基礎焊接連接就是一種連接方式，其焊縫應通過計算確定。

4.1 設計資料

某750 kV變電站位于8度抗震設防烈度區，地震峰值加速度為0.20 g。變壓器質量為450000 kg，變壓器的重心高度約為3 m，考慮到變壓器的套管和油箱以及一些特殊性能對其的影響，重心高度可取為4 m，如圖4所示。其中，變壓器基礎頂部設有20塊預埋件，前、后共8塊與變壓器下部三面圍焊。本次計算主要研究在地震作用下變壓器底部與預埋件之間焊縫是否能夠滿足要求。

圖4 變壓器底座焊接連接Fig.4 Welding connection of transformer bed frame

GB 50260—1996《電力設施抗震設計規范》5.2.1條規定，變壓器可采用靜力設計法進行抗震設計。對電氣設備進行抗震設計時，按5.2.2條計算的彎矩和剪力均應乘以支承結構動力放大系數，對于變壓器的本體和基礎的動力放大系數取2.0。

4.2 地震作用分析與計算

4.2.1 水平地震作用計算

水平地震作用下，變壓器器身底部產生的彎矩和水平剪力(動力放大系數為2.0)分別為7200 kN·m、1800 kN。

4.2.2 豎向地震作用計算

GB 50260—1996《電力設施抗震設計規范》指出豎向地震作用可取水平加速度的65%。

4.2.3 變壓器抗傾覆計算

水平地震作用分項系數為1.3，豎向地震作用分項系數為0.5。變壓器重力荷載對抗傾覆有利，故取重力荷載分項系數為1.0。對于焊縫的承載力抗震調整系數為0.9。

(1)當地震水平加速度方向與變壓器長軸方向一致時(即沿圖4中x軸方向)，以短邊為轉動軸變壓器自身產生瞬時的抗傾覆力矩 MH1、MH2為12861、13174 kN·m。當地震水平加速度方向與變壓器長軸方向一致時(即沿圖4中x軸方向)，由地震作用產生的傾覆力矩為9360 kN·m，小于MH1和MH2，表明地震水平加速度方向與變壓器長軸方向一致時，變壓器抗傾覆滿足要求。

(2)當地震水平加速度方向與變壓器短軸方向一致時(即沿圖4中y軸方向)，以長邊為轉動軸，變壓器自身產生瞬時的抗傾覆力矩 MH1、MH2都為5873 kN·m。當地震水平加速度方向與變壓器短軸方向一致時(即沿圖4中y軸方向)，由地震作用產生的傾覆力矩為9360 kN·m，大于MH1和MH2，變壓器抗傾覆不滿足要求，需要變壓器與基礎埋件的焊縫承擔。

4.3 焊縫計算

根據地震作用的分析計算可知，地震水平加速度與變壓器短軸方向一致時(即沿圖4中y軸方向)，變壓器抗傾覆不滿足要求。因此，對此種情況下變壓器與基礎埋件之間所需角焊縫的焊角尺寸進行計算，得到滿焊所需的焊縫高度hf≥2.7 mm。

按照GB 50017—2003《鋼結構設計規范》8.2.7中有關角焊縫構造的要求，即

式中:t1為較厚焊件厚度;t2為較薄焊件厚度。變壓器底部板厚為25 mm，預埋件厚14 mm，得到7.5 mm≤hf≤16.8 mm，可取 hf=12 mm。

從以上計算可以看出，沿變壓器短邊方向，在地震作用下可能發生傾覆現象，應通過抗震計算保證主變壓器與基礎的可靠連接，避免震害發生。

5 結語

(1)從汶川地震變電站震害分析，20世紀90年代后建設的變電站生產及輔助用房，抗震設計遵循GBJ 11—89《建筑抗震設計規范》規范，建筑物未受損壞或損壞較小;90年代之前建設的變電站生產及輔助用房大部分受損嚴重，建議在有條件的情況下，對地震頻發區的這類房屋進行抗震加固，提高變電站抗震水平。

(2)對變電站重要電氣設備和地震易損電氣設備，在設計中要合理選型，位于地震高烈度區時，盡量選擇抗震性能較好的組合電器;對瓷套管類的電氣設備，應盡可能選擇高強度瓷套管等。

(3)在進行設備支架抗震設計時，應將支架與設備本體合在一起計算，結構計算模型更符合實際，計算結果更可靠。另外，進一步加強對戶外細長型設備支架的抗震性能研究，提出更切合實際的抗震措施，提高其抗震能力。

［1］四川電力試驗研究院.汶川大地震四川電網電氣設備受損情況報告［R］.成都:四川電力試驗研究院，2008.

［2］國網北京經濟技術研究院、西北電力設計院、西安建筑科技大學.輸變電工程抗震設計研究報告［R］.北京:國網北京經濟技術研究院，2009.

［3］文波，牛荻濤，趙鵬.電力系統抗震可靠性研究與分析綜述［J］.災害學，2007，22(4):86-90.

［4］文波，牛荻濤，趙鵬.變電站抗震性能研究綜述［J］.工程抗震與加固改造，2007，29(6):73-77.

［5］謝強.電力系統的地震災害研究現狀與應急響應［J］.電力建設，2008，29(8):1-6.

［6］張子引，趙彪，曹偉煒.汶川8.0級地震電網受災情況調研與初步分析［J］.電力技術經濟，2008，20(4):1-4.

［7］張軍，陳大斌，張子引，等.220 kV絕緣子及避雷器振動試驗研究［J］.電力技術經濟，2009，21(4):47-50.

［8］GB 50011—2010建筑抗震設計規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2010.

［9］GB 50223—2008建筑工程抗震設防分類標準［S］.北京:中國建筑工業出版社，2008.

［10］GB 50260—1996電力設施抗震設計規范［S］.北京:中國計劃出版社，1996.