變電站地震災(zāi)害分析與抗震設(shè)計(jì)

朱瑞民，李東亮，齊立忠，李科文

(國(guó)網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京市 100052)

0 引言

變電站是電力系統(tǒng)中變換電壓、接受和分配電能、控制電力的流向和調(diào)整電壓的重要電力設(shè)施，通過(guò)變壓器將各級(jí)電壓的電網(wǎng)聯(lián)系起來(lái)，是電網(wǎng)中輸電和配電的集結(jié)點(diǎn)。世界范圍內(nèi)，近幾十年來(lái)發(fā)生的災(zāi)害性地震表明，電力系統(tǒng)的抗震能力較弱，其震害具有波及范圍廣、連鎖影響強(qiáng)、造成的直接和間接經(jīng)濟(jì)損失大等特點(diǎn)［1］。2008年汶川大地震中，四川、重慶、陜西、甘肅電網(wǎng)中的35 kV及以上變電站停運(yùn)247座，其中需重建17座(四川境內(nèi))，需要恢復(fù)運(yùn)行230座［2］，給災(zāi)區(qū)人民群眾生產(chǎn)生活、生命財(cái)產(chǎn)及抗震救災(zāi)都帶來(lái)了嚴(yán)重影響。為提高變電站電力設(shè)施抗震能力，減少地震災(zāi)害損失，本文對(duì)變電站建、構(gòu)筑物及電氣設(shè)備地震破壞的原因進(jìn)行分析，針對(duì)變電站抗震薄弱環(huán)節(jié)，提出變電站抗震設(shè)計(jì)建議。

1 變電站地震災(zāi)害情況

我國(guó)是世界上地震災(zāi)害最嚴(yán)重的國(guó)家之一，自20世紀(jì)60年代以來(lái)，我國(guó)發(fā)生了十幾次對(duì)電氣設(shè)備造成震害較大的地震，如1975年海城地震(7.3級(jí)，震中烈度9度)和1976年唐山地震(7.8級(jí)，震中烈度11度)，特別是2008年汶川地震(8.0級(jí)，震中烈度11度)，造成大量變電站內(nèi)電力設(shè)施損毀［2］。

1.1 變電站建筑物震害統(tǒng)計(jì)

汶川地震造成國(guó)家電網(wǎng)公司系統(tǒng)110 kV及以上變電站停運(yùn)89座，電力損失負(fù)荷6850MW。其中500kV和330 kV變電站各停運(yùn)1座，220 kV變電站停運(yùn)14座，110 kV變電站停運(yùn)73座。四川省作為地震中心區(qū)域，受災(zāi)最為嚴(yán)重。處于極震區(qū)汶川映秀鎮(zhèn)的二臺(tái)山220 kV變電站完全毀壞(見(jiàn)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(chǎn)建筑物主體結(jié)構(gòu)基本完好無(wú)損，圍墻等次要建筑出現(xiàn)微小裂縫，經(jīng)修補(bǔ)后不影響使用。茂縣變地處震中區(qū)，其220 kV配電裝置樓墻體出現(xiàn)裂縫，其余主要生產(chǎn)建筑未見(jiàn)明顯破損。

圖1 汶川映秀鎮(zhèn)二臺(tái)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(jì)60、70年代的建筑物均為砌體結(jié)構(gòu)，無(wú)抗震措施，結(jié)構(gòu)受到嚴(yán)重破壞甚至坍塌，不可修復(fù)，需要重建;80年代的建筑物多為磚混結(jié)構(gòu)，采用構(gòu)造柱、圈梁及其他拉結(jié)等抗震措施，絕大部分結(jié)構(gòu)受損，修復(fù)后可繼續(xù)使用，但也有使用20年以上的建筑物嚴(yán)重受損，結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力不足，需要重建;90年代之后建設(shè)的生產(chǎn)用房，多采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，建筑物結(jié)構(gòu)基本完好，僅在非承重墻、女兒墻等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件出現(xiàn)裂縫，不影響建筑物的正常使用功能，經(jīng)修補(bǔ)即可。

1.2 變電站構(gòu)支架震害統(tǒng)計(jì)

變電站設(shè)備構(gòu)、支架和基礎(chǔ)在汶川受損數(shù)量較少。發(fā)生損毀的主要原因是:滑坡等次生災(zāi)害，如220 kV銀杏變電站110 kV場(chǎng)地構(gòu)架由于山體塌方受到嚴(yán)重?fù)p壞;少量水泥桿構(gòu)支架，使用年限較長(zhǎng)，因地震作用產(chǎn)生損傷。

1.3 變電站主要電氣設(shè)備震害統(tǒng)計(jì)

變電站主要電氣設(shè)備有變壓器、斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、電流互感器、電壓互感器、避雷器、電容器、電抗器及室內(nèi)各類設(shè)備(如控制屏)等。變壓器的震害表現(xiàn)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(lái);變壓器的附屬設(shè)備和地腳螺栓剪斷;套管根部斷裂等［3-4］(見(jiàn)圖 2)。

圖2 安縣站1號(hào)主變壓器嚴(yán)重移位Fig.2 Severe displacement of No.1 main transformer in Anxian substation

斷路器、避雷器、隔離開(kāi)關(guān)、電壓互感器、電流互感器等電瓷型高壓電氣設(shè)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(shè)備傾斜或跌落［3-5］(見(jiàn)圖3)。

圖3 隔離開(kāi)關(guān)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(shù)在總高度的1/3處折斷，唐山地震中9度區(qū)的SW6－220型少油斷路器的損壞率達(dá)到了58.5%。高壓避雷器以普通閥型的震害最嚴(yán)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(kāi)關(guān)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(jié)合部位，對(duì)于水平開(kāi)斷式隔離開(kāi)關(guān)，有的是因震開(kāi)導(dǎo)電桿而斷電，有的是導(dǎo)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(diǎn)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(kāi)路狀態(tài)產(chǎn)生了高電壓，短路后造成設(shè)備、線路被燒毀等次生災(zāi)害。

室內(nèi)設(shè)備主要包括開(kāi)關(guān)柜、配電屏、控制屏、繼電保護(hù)屏及通信系統(tǒng)的微波機(jī)、載波機(jī)、交換機(jī)等設(shè)備。這類設(shè)備震害的主要原因是未采取可靠的固定措施，使設(shè)備在地震中發(fā)生位移或傾倒。蓄電池大多因?yàn)槠涓》旁谥文炯芑蚧A(chǔ)平臺(tái)上，導(dǎo)致蓄電池移位、傾倒或跌落摔壞。海城地震時(shí)，7～9度地區(qū)，所有發(fā)電廠、變電所的蓄電池全部損壞。

2 變電站地震災(zāi)害損毀機(jī)理分析

變電站地震災(zāi)害損毀程度與建設(shè)年代、設(shè)防烈度、本區(qū)域的實(shí)際地震烈度、抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)及建筑物結(jié)構(gòu)型式等有密切關(guān)系。

2.1 變電站建筑物震害損毀機(jī)理分析

(1)500kV變電站建筑物在汶川地震中無(wú)嚴(yán)重?fù)p壞，只有個(gè)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(shè)時(shí)間相對(duì)較短，采用GB 50260—1996《電力設(shè)施抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行設(shè)計(jì)。按此規(guī)范規(guī)定，500kV變電站內(nèi)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(nèi)主要建筑物采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，其承受水平荷載能力較強(qiáng)，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(jì)60、70年代的建筑物損壞嚴(yán)重，主要是由于建筑物均為砌體結(jié)構(gòu)，承受水平荷載的能力及變形能力較差，基本無(wú)抗震措施。

(3)20世紀(jì)80年代的建筑物，絕大部分結(jié)構(gòu)受損，少部分嚴(yán)重受損，主要是由于遵循TJ ll—74(試行)或TJ ll—78《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)范，雖為磚混結(jié)構(gòu)，但采用構(gòu)造柱、圈梁及其他拉結(jié)等抗震措施，絕大部分建筑物修復(fù)后可繼續(xù)使用。少部分受損嚴(yán)重的建筑物，受環(huán)境及施工質(zhì)量影響，出現(xiàn)混凝土開(kāi)裂、碳化現(xiàn)象，鋼筋失去表面鈍化膜的保護(hù)，部分鋼筋銹蝕，導(dǎo)致房屋構(gòu)件(如梁柱)強(qiáng)度下降，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造措施弱化，結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力不足。

(4)20世紀(jì)90年代后建設(shè)的生產(chǎn)用房，建筑物結(jié)構(gòu)基本完好，經(jīng)修補(bǔ)即可使用。主要是由于抗震設(shè)計(jì)遵循GBJ 11—89或GB 50011—2001《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)范，多采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)及抗震設(shè)防等級(jí)的提高，局部受損原因?yàn)榈卣鹆叶雀哂诳拐鹪O(shè)防烈度。

2.2 變電站構(gòu)支架震害損毀機(jī)理分析

變電站的構(gòu)架、設(shè)備支架和基礎(chǔ)在汶川地震中有部分損壞，受損數(shù)量較少。一部分是位于山區(qū)的變電站，由于山體塌方等次生災(zāi)害引起變電站構(gòu)支架嚴(yán)重?fù)p壞。另一部分是投運(yùn)時(shí)間較長(zhǎng)的變電站，構(gòu)支架采用水泥桿，年久失修，存在混凝土風(fēng)化、碳化和開(kāi)裂現(xiàn)象以及鋼筋銹蝕等，導(dǎo)致構(gòu)支架存在結(jié)構(gòu)缺陷，在地震作用下發(fā)生損毀。

2.3 變電站電氣設(shè)備震害損毀機(jī)理分析

在汶川地震中，變電站電氣設(shè)備損壞數(shù)量較多，尤其位于地震高烈度區(qū)受損情況嚴(yán)重。地震波頻率多為1～10 Hz，當(dāng)變電站電氣設(shè)備及其支撐體系的自振頻率接近或等于地震波的頻率時(shí)，將發(fā)生共振，動(dòng)力放大系數(shù)很大，產(chǎn)生的地震作用也很大，導(dǎo)致電氣設(shè)備損壞［3-6］。

變壓器的震害表現(xiàn)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(lái);變壓器的附屬設(shè)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(chǔ)上，未采取固定措施或雖采取了固定措施但方式不當(dāng)或強(qiáng)度不足，地震時(shí)將固定螺栓剪斷、拉脫或?qū)⒑缚p拉開(kāi)，使固定裝置失效。

斷路器、避雷器、隔離開(kāi)關(guān)、電壓互感器、電流互感器等電瓷型高壓電氣設(shè)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(shè)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(shè)備的結(jié)構(gòu)形狀特殊，不僅又細(xì)又長(zhǎng)，而且上部質(zhì)量較大，地震時(shí)瓷套管的根部承受很大的彎矩，使瓷套管強(qiáng)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(xié)調(diào)，加大了瓷套管的裂損。(2)這類電氣設(shè)備的固有頻率為1～10 Hz，與地震波的卓越頻率相近，設(shè)備容易發(fā)生擬共振;而且這類設(shè)備的阻尼比較小，一旦接近共振頻率，動(dòng)力放大系數(shù)就很大，損壞更加嚴(yán)重。

3 變電站抗震設(shè)計(jì)及建議

從歷次大地震來(lái)看，變電站震害相對(duì)較嚴(yán)重、損失較大，因此應(yīng)加強(qiáng)變電站抗震設(shè)計(jì)，提高變電站電力設(shè)施的抗震能力，盡量減少地震災(zāi)害損失、縮短停電或恢復(fù)供電時(shí)間，為災(zāi)區(qū)人民生產(chǎn)生活和抗震救災(zāi)提供電力保證。

3.1 變電站抗震設(shè)計(jì)

變電站抗震設(shè)計(jì)總體思路:(1)根據(jù)變電站電壓等級(jí)及重要性按GB 50223—2008《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》確定抗震設(shè)防類別;(2)根據(jù) GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》和 GB 50260—1996《電力設(shè)施抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，分別對(duì)變電站建構(gòu)、筑物和電氣設(shè)備進(jìn)行抗震設(shè)計(jì);(3)對(duì)變電站抗震薄弱環(huán)節(jié)或部位進(jìn)行加強(qiáng)。

3.2 變電站抗震設(shè)計(jì)建議

3.2.1 建、構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)建議

設(shè)計(jì)單位須按照現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)真做好場(chǎng)地巖土工程勘察工作，根據(jù)實(shí)際需要?jiǎng)澐謱?duì)建筑有利、不利和危險(xiǎn)地段，提供建筑的場(chǎng)地類別和巖土地震穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。在處于地震烈度9度及以上地區(qū)新建變電站時(shí)，應(yīng)綜合考慮建筑物內(nèi)的設(shè)備和建構(gòu)筑物本身的抗震能力，建議對(duì)主控樓等重要建筑物采取整體隔震的方案，保護(hù)建構(gòu)筑物和設(shè)備;在地震烈度8度及以上地區(qū)建站，建議采用罐式斷路器或氣體隔離開(kāi)關(guān)(gas isolated switchgare，GIS)型式的設(shè)備，降低設(shè)備高度，提高抗震能力，必要時(shí)在基礎(chǔ)上采用減震、隔震措施。

變電站中的多層建筑物應(yīng)加強(qiáng)樓梯間抗震設(shè)計(jì)，便于地震時(shí)人員安全逃生;在滿足使用要求的前提下，盡量避免大開(kāi)間布局;建筑立面盡量避免懸掛或懸吊裝飾構(gòu)件;簡(jiǎn)化房間內(nèi)吊頂、管道設(shè)計(jì)，避免震落傷及人員［6］。

設(shè)備支架盡量采用鋼結(jié)構(gòu)，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(shè)備安裝高度，或采用落地式布置。根據(jù)真型試驗(yàn)及有限元分析數(shù)據(jù)顯示，支架等對(duì)上部結(jié)構(gòu)的動(dòng)力放大系數(shù)波動(dòng)范圍很大，且往往遠(yuǎn)大于GB 50260—1996《電力設(shè)施抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的1.2。建議支架與設(shè)備本體合在一起計(jì)算，結(jié)構(gòu)計(jì)算模型更符合實(shí)際［7］。

3.2.2 電氣設(shè)備抗震設(shè)計(jì)建議

針對(duì)不同類型的電氣設(shè)備，應(yīng)合理選型，以確保其抗震能力。具有瓷套管類的電氣設(shè)備，應(yīng)盡可能提高瓷套管的強(qiáng)度，如采用高強(qiáng)度的高硅瓷等;具有支柱的細(xì)長(zhǎng)類型高壓電氣設(shè)備，動(dòng)力放大系數(shù)很大，在地震下容易發(fā)生共振，可采用減震器或阻尼器，改變?cè)O(shè)備體系的頻率和阻尼比，從而降低設(shè)備的地震反應(yīng);對(duì)于變壓器、開(kāi)關(guān)柜、蓄電池等浮放設(shè)備，應(yīng)加強(qiáng)設(shè)備本體與基礎(chǔ)的連接，或設(shè)置必要的拉繩，以防止這些設(shè)備在地震中發(fā)生滑移、傾倒等震害;應(yīng)提高電氣設(shè)備與支承柱連接的可靠性，保證電氣設(shè)備整體抗震性能。

4 變壓器與基礎(chǔ)連接計(jì)算

變壓器是變電站最重要的電氣設(shè)備，要保證變壓器在大震中不移位、不掉臺(tái)，必須將變壓器與基礎(chǔ)連接牢固，其中變壓器與基礎(chǔ)焊接連接就是一種連接方式，其焊縫應(yīng)通過(guò)計(jì)算確定。

4.1 設(shè)計(jì)資料

某750 kV變電站位于8度抗震設(shè)防烈度區(qū)，地震峰值加速度為0.20 g。變壓器質(zhì)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(duì)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(chǔ)頂部設(shè)有20塊預(yù)埋件，前、后共8塊與變壓器下部三面圍焊。本次計(jì)算主要研究在地震作用下變壓器底部與預(yù)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(shè)施抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》5.2.1條規(guī)定，變壓器可采用靜力設(shè)計(jì)法進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)，按5.2.2條計(jì)算的彎矩和剪力均應(yīng)乘以支承結(jié)構(gòu)動(dòng)力放大系數(shù)，對(duì)于變壓器的本體和基礎(chǔ)的動(dòng)力放大系數(shù)取2.0。

4.2 地震作用分析與計(jì)算

4.2.1 水平地震作用計(jì)算

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

4.2.2 豎向地震作用計(jì)算

GB 50260—1996《電力設(shè)施抗震設(shè)計(jì)規(guī)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(jì)算

水平地震作用分項(xiàng)系數(shù)為1.3，豎向地震作用分項(xiàng)系數(shù)為0.5。變壓器重力荷載對(duì)抗傾覆有利，故取重力荷載分項(xiàng)系數(shù)為1.0。對(duì)于焊縫的承載力抗震調(diào)整系數(shù)為0.9。

(1)當(dāng)?shù)卣鹚郊铀俣确较蚺c變壓器長(zhǎng)軸方向一致時(shí)(即沿圖4中x軸方向)，以短邊為轉(zhuǎn)動(dòng)軸變壓器自身產(chǎn)生瞬時(shí)的抗傾覆力矩 MH1、MH2為12861、13174 kN·m。當(dāng)?shù)卣鹚郊铀俣确较蚺c變壓器長(zhǎng)軸方向一致時(shí)(即沿圖4中x軸方向)，由地震作用產(chǎn)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(zhǎng)軸方向一致時(shí)，變壓器抗傾覆滿足要求。

(2)當(dāng)?shù)卣鹚郊铀俣确较蚺c變壓器短軸方向一致時(shí)(即沿圖4中y軸方向)，以長(zhǎng)邊為轉(zhuǎn)動(dòng)軸，變壓器自身產(chǎn)生瞬時(shí)的抗傾覆力矩 MH1、MH2都為5873 kN·m。當(dāng)?shù)卣鹚郊铀俣确较蚺c變壓器短軸方向一致時(shí)(即沿圖4中y軸方向)，由地震作用產(chǎn)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(chǔ)埋件的焊縫承擔(dān)。

4.3 焊縫計(jì)算

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

按照GB 50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》8.2.7中有關(guān)角焊縫構(gòu)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(yù)埋件厚14 mm，得到7.5 mm≤hf≤16.8 mm，可取 hf=12 mm。

從以上計(jì)算可以看出，沿變壓器短邊方向，在地震作用下可能發(fā)生傾覆現(xiàn)象，應(yīng)通過(guò)抗震計(jì)算保證主變壓器與基礎(chǔ)的可靠連接，避免震害發(fā)生。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)從汶川地震變電站震害分析，20世紀(jì)90年代后建設(shè)的變電站生產(chǎn)及輔助用房，抗震設(shè)計(jì)遵循GBJ 11—89《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)范，建筑物未受損壞或損壞較小;90年代之前建設(shè)的變電站生產(chǎn)及輔助用房大部分受損嚴(yán)重，建議在有條件的情況下，對(duì)地震頻發(fā)區(qū)的這類房屋進(jìn)行抗震加固，提高變電站抗震水平。

(2)對(duì)變電站重要電氣設(shè)備和地震易損電氣設(shè)備，在設(shè)計(jì)中要合理選型，位于地震高烈度區(qū)時(shí)，盡量選擇抗震性能較好的組合電器;對(duì)瓷套管類的電氣設(shè)備，應(yīng)盡可能選擇高強(qiáng)度瓷套管等。

(3)在進(jìn)行設(shè)備支架抗震設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)將支架與設(shè)備本體合在一起計(jì)算，結(jié)構(gòu)計(jì)算模型更符合實(shí)際，計(jì)算結(jié)果更可靠。另外，進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)戶外細(xì)長(zhǎng)型設(shè)備支架的抗震性能研究，提出更切合實(shí)際的抗震措施，提高其抗震能力。

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