尤紅兵,趙鳳新
(中國地震災(zāi)害防御中心,北京市 100029)
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。
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)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。
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。
(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。
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。
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