蘆山7.0級地震及電力設(shè)施破壞原因分析

尤紅兵，趙鳳新

(中國地震災(zāi)害防御中心，北京市 100029)

0 引言

電力系統(tǒng)是生命線工程的重要組成部分，在地震中一旦失效或遭到破壞，嚴(yán)重影響抗震救災(zāi)，并會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失［1-8］。

四川省蘆山“4.20”7.0級強(qiáng)烈地震發(fā)生后，作者第一時間趕赴災(zāi)區(qū)，開展了房屋建筑、生命線工程的災(zāi)害調(diào)查評估工作，收集了相關(guān)資料。

根據(jù)蘆山地震的特點(diǎn)和對電力設(shè)施震害的調(diào)查，結(jié)合對電氣設(shè)備抗震設(shè)計(jì)反應(yīng)譜和蘆山地震記錄加速度反應(yīng)譜的對比，分析了電力設(shè)施的破壞原因，進(jìn)一步提出了改進(jìn)建議。希望盡快提高我國電氣設(shè)備的抗震能力，確保電網(wǎng)的地震安全。

1 蘆山7.0級地震

1.1 蘆山地震簡介

2013年4月20日08時02分，在四川省雅安市蘆山縣發(fā)生了7.0級強(qiáng)烈地震，震源深度約13 km。震中距離雅安市約35 km，距成都市約110 km。蘆山縣、寶興縣、天全縣災(zāi)情最重。截至4月25日12時，地震共造成196人死亡，失蹤21人，11470人受傷，損失巨大。

圖1為蘆山地震的發(fā)震構(gòu)造背景，震中位于龍門山構(gòu)造帶南西段，附近有全新世活動的逆沖斷裂(雙石–大川斷裂)分布。沿?cái)嗔褞v史上多次發(fā)生6級以上地震，震中龍門鄉(xiāng)距汶川8.0級地震的震中僅85 km。目前該地震余震主要分布于雙石–大川斷裂上盤，反映了地震能量及其次生災(zāi)害的集中分布趨勢。

1.2 蘆山地震的特點(diǎn)

(1)震級較高。這次地震的震級為里氏7.0級，震中烈度達(dá)Ⅸ度，屬于強(qiáng)烈地震。圖2為蘆山地震烈度分布圖，Ⅸ度區(qū)東北自蘆山縣太平鎮(zhèn)、寶盛鄉(xiāng)以北，西南至蘆陽鎮(zhèn)向陽村，長半軸為11.5 km，短半軸為5.5 km，面積208 km2。Ⅸ度區(qū)的交通、電力、供水、通信設(shè)施破壞嚴(yán)重。

(2)影響范圍較大。地震造成雅安、成都、眉山、自貢等13個市(州)受災(zāi)。圖2中Ⅷ度區(qū)面積為1418 km2，Ⅶ 度 區(qū) 為 4 029 km2，Ⅵ 度 區(qū) 達(dá)到13027 km2。

(3)余震多。截至5月12日16時，四川省蘆山7.0級地震共記錄到余震8791次，其中3.0級以上余震130次，包括 5.0～5.9級 4次，4.0～4.9級22次，3.0～3.9級104次，最大余震為5.4級。震后余震頻繁且震級相對較高，造成災(zāi)害疊加。

(4)救援難。震中區(qū)域的蘆山、寶興、天全等縣處于山區(qū)，震后主要道路中斷，多次發(fā)生滑坡，救災(zāi)工作的難度較大。

(5)地震災(zāi)害隱患形勢非常嚴(yán)峻。通過調(diào)查，地質(zhì)災(zāi)害隱患多達(dá)7263處。地震災(zāi)區(qū)本來就是地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)地區(qū)，加之地震造成了山體破裂，目前又將進(jìn)入汛期，地質(zhì)災(zāi)害防治任務(wù)非常繁重。

2 電力設(shè)施破壞情況

根據(jù)國家電網(wǎng)的統(tǒng)計(jì)，地震導(dǎo)致蘆山、天全、寶興三縣電網(wǎng)全部垮網(wǎng)，34座35 kV及以上變電站停運(yùn)，265條10 kV及以上輸配電線路停運(yùn)，共計(jì)626臺變電設(shè)備損壞。其中，2座220 kV變電站、7座110 kV變電站、15座35 kV變電站嚴(yán)重?fù)p毀;224條35 kV及以上線路嚴(yán)重受損。受地震影響，雅安地區(qū)有5座水電廠解列。地震累計(jì)造成18.66萬客戶停電，電網(wǎng)直接經(jīng)濟(jì)損失超過7億元人民幣。

位于天全縣始陽鎮(zhèn)的500kV雅安變電站，是九龍—石棉—雅安—成都水電大通道中關(guān)鍵的變電站，地震中部分設(shè)備受損。該站1號、2號主變套管漏油，避雷器出現(xiàn)斷裂，220 kV 3、4母線PT避雷器受損，導(dǎo)致7條220 kV母線停運(yùn)，雅安電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行受到影響。

位于寶興縣的220 kV黃崗變電站受損嚴(yán)重，11支避雷器斷裂，主變、母線等設(shè)備都發(fā)生不同程度損毀。黃崗站是蘆山地震重災(zāi)區(qū)的一座220 kV樞紐變電站，承擔(dān)著蘆山、寶興、天全3個縣的電力供應(yīng)。黃崗站不恢復(fù)運(yùn)行，整個雅安北部電網(wǎng)將無法并入主網(wǎng)。

110 kV沙坪變電站，位于天全縣小河鄉(xiāng)青石村，是該縣的2座110 kV變電站之一，承擔(dān)著向該縣西北片區(qū)2500余戶居民及該縣大多數(shù)高載能負(fù)荷供電的重任?！?.20”地震造成該站全站失壓，1、2號主變高壓導(dǎo)管漏油，3號主變基礎(chǔ)移位;因損壞更換了2臺110 kV斷路器、7組隔離開關(guān)、1臺電流互感器和1臺電壓互感器。圖3(a)為沙坪110 kV變電站2號主變壓器套管漏油，停產(chǎn)檢修;圖3(b)為沙坪110 kV變電站已破壞的高壓六氟化硫斷路器瓷套。

蘆山110 kV金花變電站是蘆山縣主供電源點(diǎn)。地震中金花變電站2臺變壓器都有不同程度的受損，斷路器、隔離開關(guān)等電氣設(shè)備均有破壞。圖3(c)為蘆山金花110 kV變電站的搶修情況;圖3(d)為蘆山金花110 kV變電站墻體的破壞情況。金花變電站短時難以恢復(fù)供電，國家電網(wǎng)“指揮中心”提出了采用金花變電站站外搭接的方式，供蘆山110 kV苗溪變電站，由苗溪站反供蘆山縣城的方案。在震后的第一夜，重災(zāi)區(qū)蘆山縣城就恢復(fù)了供電，保證了抗震救災(zāi)的順利進(jìn)行。

由于蘆山地震中地質(zhì)災(zāi)害較多，造成了電線桿被滾石砸壞，如圖3(e)、(f)所示。

圖3 電力設(shè)施破壞情況Fig.3 Damage of power facilities

蘆山地震中國家電網(wǎng)四川主網(wǎng)運(yùn)行正常，華中區(qū)域電網(wǎng)、西北區(qū)域電網(wǎng)和重慶、青海、甘肅、西藏、湖南等公司所屬電網(wǎng)運(yùn)行正常，未受影響。

3 破壞原因

(1)蘆山地震震級較高，極震區(qū)烈度達(dá)到Ⅸ度，超出了電力設(shè)施的設(shè)防烈度，這是造成電氣設(shè)備破壞的首要原因。

地震中受災(zāi)較重的部分變電站以及強(qiáng)震動臺站的分布如圖2所示。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》［9］及 GB 18306—2001《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》［10］，500kV 雅安變電站、220 kV 黃崗變電站、110 kV沙坪及金花變電站均位于區(qū)劃圖中0.15 g區(qū)，設(shè)防烈度一般為Ⅶ度。

圖2中的▲表示強(qiáng)震動臺站，與變電站距離較近的8個臺站得到的強(qiáng)震水平向記錄最大峰值加速度為臺站2的1.005 g，最小為臺站5的0.154 g，詳見表1。表中EW、NS分別表示東西向、南北向水平地震記錄。其中，6個臺站的8條水平記錄的峰值加速度超過了0.3 g，高于這些變電站電氣設(shè)備根據(jù)《電力設(shè)施抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》［11］確定的GB 50260—1996設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)。

表1 蘆山地震加速度記錄Tab.1 Acceleration records in the Lushan Earthquake

根據(jù)GB 50260—1996《電力設(shè)施抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，330，500kV變電站為重要電力設(shè)施，電氣設(shè)施可按設(shè)防烈度提高1度進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，但并沒有規(guī)定必須提高1度。而110，220 kV變電站不屬于重要電力設(shè)施，設(shè)防烈度不需提高。因此，上述變電站的設(shè)計(jì)基本加速度為0.15 g或提高1度為0.3 g。

圖4給出了臺站1、3、7水平向記錄5%阻尼比的加速度反應(yīng)譜與GB 50260—1996《電力設(shè)施抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》設(shè)計(jì)譜的對比，圖中規(guī)范設(shè)計(jì)譜的峰值加速度分別為0.15 g、0.3 g，特征周期為0.4 s。

從圖4可以看出，蘆山地震記錄的反應(yīng)譜在0.1～0.4 s范圍內(nèi)明顯高于規(guī)范的設(shè)計(jì)譜。對于按0.15 g進(jìn)行設(shè)計(jì)的電氣設(shè)備，地震記錄反應(yīng)譜的譜值分別為設(shè)計(jì)譜的3.5～5.96倍，遠(yuǎn)大于電氣設(shè)備的安全系數(shù)1.67。即使按0.3 g進(jìn)行設(shè)計(jì)的設(shè)備，地震記錄反應(yīng)譜的譜值也達(dá)到設(shè)計(jì)譜的1.75～2.98倍，也高于1.67的安全系數(shù)。由于電氣設(shè)備多含瓷套，應(yīng)力一旦超過其破壞應(yīng)力，將導(dǎo)致設(shè)備的破壞，這是這些變電站破壞嚴(yán)重的原因之一。

(2)我國電氣設(shè)備抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)較低，新修訂的相關(guān)規(guī)范未正式實(shí)施。

我國現(xiàn)行的《電力設(shè)施抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》從1996年一直沿用至今，電氣設(shè)備的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)低于美國［12］、日本［13］等國家的標(biāo)準(zhǔn)。汶川地震加速了此規(guī)范的修訂，新修訂的《電力設(shè)施抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》將于2013年9月1日起施行。隨著我國特高壓電網(wǎng)的迅速發(fā)展，特高壓電氣設(shè)備抗震設(shè)計(jì)的相關(guān)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)［14］也將發(fā)布。

為比較我國不同規(guī)范電氣設(shè)備抗震設(shè)計(jì)反應(yīng)譜，圖5給出了5%阻尼比的 GB 50260—1996及GB 50260—2013《電力設(shè)施抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的設(shè)計(jì)譜、特高壓電氣設(shè)備抗震設(shè)計(jì)譜，并與蘆山地震部分臺站水平記錄加速度反應(yīng)譜進(jìn)行了對比。

對于220 kV黃崗變電站，根據(jù)GB 50260—1996《電力設(shè)施抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，電氣設(shè)備抗震設(shè)計(jì)基本加速度為0.15 g;根據(jù)新修訂的 GB 50260—2013，220 kV變電站為重要電力設(shè)施，電氣設(shè)備抗震設(shè)計(jì)基本加速度為0.3 g。與蘆山地震水平記錄加速度反應(yīng)譜的對比如圖5(a)、(b)所示，圖5中還給出了設(shè)計(jì)譜乘于安全系數(shù)1.67的反應(yīng)譜。當(dāng)?shù)卣鹩涗浖铀俣确磻?yīng)譜的值超過設(shè)計(jì)譜的1.67倍時，電氣設(shè)備可能出現(xiàn)破壞。從圖中可以看出，采用 GB 50260—2013進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)的電氣設(shè)備，其抗震能力將大幅提高。只有臺站7的NS方向記錄的譜值在0.14～0.2 s較窄范圍內(nèi)超過了設(shè)計(jì)譜的1.67倍，能保證大多數(shù)設(shè)備的地震安全。

正在規(guī)劃設(shè)計(jì)中的雅安1000kV特高壓變電站(圖2)是雅安—武漢特高壓交流輸變電工程的重要工程，規(guī)劃場址距震中約10 km。特高壓電氣設(shè)備抗震設(shè)計(jì)譜與蘆山地震水平記錄加速度反應(yīng)譜的對比如圖5(c)所示。特高壓電氣設(shè)備采用了較高的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)譜的1.67倍基本包絡(luò)了所選4個臺站記錄的加速度反應(yīng)譜。在這種情況下，多數(shù)特高壓設(shè)備將是安全的，說明特高壓電氣設(shè)備的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)是基本合理的。但雅安1000kV特高壓變電站距震中僅10 km，且地震中有超過1.0 g的加速度記錄(臺站2)，因此特高壓變電站的選址及抗震設(shè)計(jì)應(yīng)慎重。

(3)變電站電氣設(shè)備多為瓷柱式設(shè)備，地震時瓷套管易斷裂。電瓷型電氣設(shè)備的固有頻率一般為1 ～10 Hz［5-7，14-15］，與地震波的主要頻率相近，設(shè)備容易發(fā)生共振。由于這類電氣設(shè)備的阻尼比較小，一旦接近共振頻率，動力放大系數(shù)就很大，加劇了設(shè)備的破壞。

(4)我國還沒有變電站電氣設(shè)備抗震性能檢測的國家標(biāo)準(zhǔn)。地震中許多電氣設(shè)備破壞嚴(yán)重，原因之一是設(shè)備沒有進(jìn)行統(tǒng)一的檢測，抗震性能參差不齊。

我國通信行業(yè)制訂了電信設(shè)備抗地震性能檢測的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［16］，工業(yè)企業(yè)電氣設(shè)備的抗震性能檢測的國家標(biāo)準(zhǔn)也在制訂中，希望變電站電氣設(shè)備抗震性能檢測的國家標(biāo)準(zhǔn)能盡快制訂并實(shí)施。

(5)汶川地震后，許多學(xué)者對電力設(shè)施進(jìn)行了大量的調(diào)查和研究［1-8，14］，總結(jié)了相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，提出了改進(jìn)的建議，有效減輕了蘆山地震中電力設(shè)施的破壞和損失。

汶川地震后新建的變電站采用了較高的標(biāo)準(zhǔn)，并能嚴(yán)格施工，此次地震中變電站建筑物的破壞較輕。另外，新建變電站的選址較合理，沒有斷層穿過變電站;因滑坡、滾石等地質(zhì)災(zāi)害導(dǎo)致的破壞也較少。

4 結(jié)論與建議

電力設(shè)施中電氣設(shè)備對于地震災(zāi)害具有較高的敏感性和易損性，蘆山地震再次表明加強(qiáng)我國電氣設(shè)備防震減災(zāi)工作的重要性和緊迫性。

(1)新修訂的GB 50260—2013《電力設(shè)施抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》提高了電氣設(shè)備的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，將有效降低電氣設(shè)備的地震損失。

(2)在高烈度區(qū)，特高壓變電站的選址及抗震設(shè)計(jì)應(yīng)慎重，確保特高壓電氣設(shè)備的地震安全。

(3)制定分期分批開展全國地震區(qū)，特別是高烈度區(qū)，電氣設(shè)備抗震能力的普查工作，及早更換達(dá)不到抗震要求的設(shè)備。

(4)借鑒IEEE Std 693的成功經(jīng)驗(yàn)，吸取汶川地震的教訓(xùn)，盡快實(shí)現(xiàn)變電站電氣設(shè)備抗震性能檢測標(biāo)準(zhǔn)化和制度化，編制相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，制訂授權(quán)單位資證要求，制定檢測合格證統(tǒng)一形式及發(fā)布程序。

(5)提倡與推廣新材料、新技術(shù)的應(yīng)用，如用合成材料替代瓷性材料;高烈度區(qū)的重要電氣設(shè)備，尤其是特高壓電氣設(shè)備，必須采取減隔震技術(shù)，確保變電站的地震安全。

［1］中國電機(jī)工程學(xué)會.地震對電力設(shè)施影響及應(yīng)對調(diào)研報告［R］.北京:中國電機(jī)工程學(xué)會，2009.

［2］謝強(qiáng).電力系統(tǒng)的地震災(zāi)害研究現(xiàn)狀與應(yīng)急響應(yīng)［J］.電力建設(shè)，2008，29(8):1-6.

［3］張小民.隔震技術(shù)在變電所設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.電力建設(shè)，2005，26(11):31-34.

［4］曹枚根，朱全軍，默增祿，等.高壓輸電線路防震減災(zāi)研究現(xiàn)狀及震害防御對策［J］.電力建設(shè)，2007，28(5):23-27.

［5］謝強(qiáng)，王健生，楊雯，等.220 kV斷路器抗震性能地震模擬振動臺試驗(yàn)［J］.電力建設(shè)，2011，32(10):10-14.

［6］程永鋒，朱全軍，盧智成.變電站電力設(shè)施抗震措施研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2008，32(22):84-89.

［7］尤紅兵，趙鳳新，劉錫薈.美國《變電站抗震設(shè)計(jì)推薦規(guī)程》評價［J］.電力建設(shè)，2009，30(6):43-47.

［8］楊少勇，趙建國.電力系統(tǒng)地震災(zāi)害預(yù)防技術(shù)綜述［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2010，34(8):57-63.

［9］GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2010.

［10］GB 18306—2001中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖［S］.北京:地震出版社，2001.

［11］GB 50260—1996電力設(shè)施抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國計(jì)劃出版社，1996.

［12］IEEE Standard 693—2005 Recommended practiceforseismic design of substations［S］.New York:IEEE，2005.

［13］JEAG5003—2010變電所等におけゐ電気設(shè)備の耐震設(shè)計(jì)指針［S］.東京:音羽印刷株式會社，2010.

［14］中國電力科學(xué)研究院.特高壓電氣設(shè)備抗震評估與減震設(shè)計(jì)研究［R］.北京:中國電力科學(xué)研究院，2013.

［15］李亞琦，李小軍，劉錫薈，電力系統(tǒng)抗震研究概況［J］.世界地震工程，2002，18(4):79-84.

［16］YD 5083—2005電信設(shè)備抗地震性能檢測規(guī)范［S］.北京:北京郵電大學(xué)出版社，2006.