中國(guó)大陸變電站地震災(zāi)害損失評(píng)估研究

吳萌 劉如山 劉金龍 洪一翔

摘要：根據(jù)2014—2021年《中國(guó)電力年鑒》和各級(jí)政府電力部門官方網(wǎng)站資料，建立了全國(guó)變電站基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)。在損失評(píng)估研究模型中考慮了六氟化硫氣體絕緣變電站以及敞開(kāi)式空氣絕緣變電站房屋建筑結(jié)構(gòu)變化的影響。根據(jù)中國(guó)大陸5個(gè)地區(qū)的六氟化硫氣體絕緣變電站數(shù)量占比，建立其比例模型?；诹驓怏w絕緣變電站高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備原型結(jié)構(gòu)的模擬地震振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)以及汶川地震案例給出其經(jīng)驗(yàn)易損性模型。根據(jù)中國(guó)大陸4個(gè)地區(qū)的房屋建筑結(jié)構(gòu)比例更新了敞開(kāi)式空氣絕緣變電站房屋建筑易損性模型，從而建立了新的地震損失研究模型。最后給出了中國(guó)大陸地區(qū)以縣（區(qū)）為單位的變電站在遭受Ⅶ～Ⅹ度地震破壞時(shí)的災(zāi)害損失、損失密度及損失比圖。

關(guān)鍵詞：變電站；地震易損性；損失評(píng)估；電氣設(shè)備；房屋建筑；中國(guó)大陸

中圖分類號(hào)：P315.941文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1000-0666（2024）03-0441-11

doi：10.20015/j.cnki.ISSN1000-0666.2024.0032

0引言

變電站是電力系統(tǒng)中非常重要的組成部分，一旦發(fā)生破壞，將直接影響社會(huì)生產(chǎn)和生活的方方面面。我國(guó)是地震災(zāi)害多發(fā)的國(guó)家，地震的發(fā)生不僅會(huì)造成變電站的直接損壞，還會(huì)影響災(zāi)區(qū)的生產(chǎn)生活以及災(zāi)后應(yīng)急救援工作。2008年汶川地震中，大量電力設(shè)施遭到破壞，電網(wǎng)設(shè)施直接經(jīng)濟(jì)損失約71億元，405萬(wàn)用戶供電受到影響（中國(guó)地震局汶川地震應(yīng)急指揮部，2008）。做好變電站的災(zāi)害損失評(píng)估工作，不僅有助于宏觀把握電力系統(tǒng)自身抗震性能及其影響，還可有力支撐地震后的應(yīng)急救援決策部署。

國(guó)外許多地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)較高的國(guó)家在防震減災(zāi)工作中都使用地震損失評(píng)估系統(tǒng)作為輔助工具。比如美國(guó)Federal Emergency Management Agency（2003）研發(fā)了HAZUS97、HAZUS99、HAZUS-MH等系列評(píng)估軟件系統(tǒng)，成為美國(guó)政府應(yīng)用最廣泛的地震應(yīng)急基礎(chǔ)平臺(tái)。其使用的地震易損性數(shù)據(jù)依賴于ATC委員會(huì)的技術(shù)報(bào)告，早期易損性多由專家經(jīng)驗(yàn)或問(wèn)卷調(diào)查綜合得出，后來(lái)隨著相關(guān)研究的不斷深入逐漸補(bǔ)充完善。其他國(guó)家或地區(qū)也相繼研發(fā)了地震災(zāi)害評(píng)估系統(tǒng)，如日本的ESS以及DIS評(píng)估系統(tǒng)，俄羅斯的EXTREMUM，挪威的SELENA、歐盟的NERIES（Yeh et al，2006）等。日本的評(píng)估軟件系統(tǒng)中關(guān)于電力系統(tǒng)的評(píng)估模型是日本電力集團(tuán)公司研發(fā)的，有精準(zhǔn)可靠的數(shù)據(jù)支撐。我國(guó)早期建有評(píng)估系統(tǒng)EDEP（李樹(shù)楨等，1995）和LEEDLSFES1.0（郭恩棟等，2000），近年來(lái)研發(fā)了HAZ-China（陳洪富，2013），在地震應(yīng)急工作中發(fā)揮了重要作用。

我國(guó)的生命線系統(tǒng)評(píng)估工作早期基本上依賴專家的經(jīng)驗(yàn)判斷，近年來(lái)，有學(xué)者研究了不同烈度下城市生命線系統(tǒng)震害損失與建筑物損失之間的比例關(guān)系，建立了生命線系統(tǒng)總體經(jīng)濟(jì)損失快速評(píng)估方法（胡少卿等，2012）。劉金龍等（2012）根據(jù)1990—2006發(fā)生在中國(guó)的地震，統(tǒng)計(jì)了生命線系統(tǒng)損失占地震總體經(jīng)濟(jì)損失比例，并用于宏觀判斷地震后所有生命線系統(tǒng)損失。這些方法都是從宏觀方面計(jì)算生命線系統(tǒng)的損失，對(duì)于電力系統(tǒng)并沒(méi)有專門的損失評(píng)估模型（劉金龍等，2012）。

張中近（2017）給出了我國(guó)骨干電網(wǎng)設(shè)施地震經(jīng)濟(jì)損失評(píng)估模型。該模型基于2014年電力數(shù)據(jù)建立了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，并將所有變電站視為敞開(kāi)式空氣絕緣變電站（Air Insulated Switchgear，AIS）。近年來(lái)，隨著我國(guó)電力建設(shè)的跨越式發(fā)展和對(duì)電力設(shè)施安全可靠性要求的不斷提高，國(guó)家電網(wǎng)中變電站數(shù)量不斷增加，變電站中鋼混結(jié)構(gòu)的房屋比例不斷提高，特別是新建或改建了許多封閉式六氟化硫氣體絕緣（Gas Insulated Substation，GIS）變電站，抗震能力大大提高，導(dǎo)致原有的地震損失評(píng)估模型已不再適用，需要更新變電站數(shù)據(jù)庫(kù)和修正易損性模型。

本文將變電站分為AIS和GIS兩大類，首先使用最新的電力行業(yè)年鑒資料分別確定了這兩類變電站的各部分資產(chǎn)占比和造價(jià)，以及以縣（區(qū)）為單元的變電站總數(shù)量，并根據(jù)搜集到的我國(guó)五個(gè)典型地區(qū)的兩類變電站占比，建立了全國(guó)縣（區(qū)）的兩類變電站數(shù)量占比模型；根據(jù)變電站數(shù)量、造價(jià)以及縣（區(qū)）面積計(jì)算了全國(guó)各區(qū)縣的變電站資產(chǎn)以及資產(chǎn)密度分布，然后建立了不同類型變電站易損性模型。在建立AIS變電站房屋結(jié)構(gòu)易損性模型時(shí)使用最新的比例模型；結(jié)合試驗(yàn)以及地震案例建立了GIS變電站易損性模型。最后結(jié)合評(píng)估單元資產(chǎn)以及變電站易損性模型，通過(guò)計(jì)算給出了烈度為Ⅶ～Ⅹ度時(shí)，我國(guó)大陸各地區(qū)的變電站損失和損失密度分布以及損失比分布預(yù)測(cè)結(jié)果。

1評(píng)估步驟

本文的中國(guó)大陸變電站地震損失評(píng)估研究方法總體分為三步。第一步，根據(jù)變電站造價(jià)、各部分資產(chǎn)比、數(shù)量以及GIS比例模型建立變電站基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、各縣（區(qū)）資產(chǎn)及資產(chǎn)密度。第二步，建立變電站易損性模型。第三步，將變電站易損性模型結(jié)合變電站基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、各縣（區(qū)）資產(chǎn)及資產(chǎn)密度，計(jì)算出各縣（區(qū)）在不同烈度下的損失、損失密度及損失比。具體評(píng)估步驟如圖1所示。

2變電站基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、資產(chǎn)及資產(chǎn)密度

2.1變電站基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

2.1.1AIS變電站各部分資產(chǎn)占比及造價(jià)

AIS變電站的資產(chǎn)分為三類：一次設(shè)備、二次設(shè)備和房屋建筑。其中一次設(shè)備是指直接生產(chǎn)、輸送、分配和使用電能的高壓設(shè)備，主要包括變壓器、斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、互感器（電流互感器、電壓互感器）、母線、避雷器、電容器、電抗器等，置于室外；二次設(shè)備是指對(duì)一次設(shè)備和系統(tǒng)的運(yùn)行狀況進(jìn)行測(cè)量、監(jiān)視、控制和保護(hù)的設(shè)備，它主要包括繼電保護(hù)裝置、自動(dòng)裝置、測(cè)控裝置、計(jì)量裝置、自動(dòng)化系統(tǒng)以及為二次設(shè)備提供電源的直流設(shè)備等，放置于房屋建筑內(nèi)。

不同電壓等級(jí)的AIS變電站中三類資產(chǎn)的占比及造價(jià)見(jiàn)表1。110 kV（66）電壓等級(jí)的資產(chǎn)類別占比可近似用110 kV代替。AIS變電站的造價(jià)采用2021年版《國(guó)家電網(wǎng)有限公司輸變電工程多維立體參考價(jià)》（國(guó)家電網(wǎng)有限公司基建部，2021）數(shù)據(jù)，因缺少35 kV資料，所以本文利用2014—2021年110 kV AIS變電站造價(jià)（劉振亞，2014a；國(guó)家電網(wǎng)有限公司基建部，2021）求得110 kV AIS變電站的增長(zhǎng)系數(shù)，將其作為35 kV AIS變電站的增長(zhǎng)系數(shù)，并根據(jù)2014年35 kV AIS變電站造價(jià)（劉振亞，2014b）求得2021年變電站的造價(jià)。

2.1.2GIS變電站各部分資產(chǎn)占比及造價(jià)

GIS變電站由電氣設(shè)備和房屋建筑組成。AIS變電站的一次設(shè)備安裝于空氣中，而GIS變電站的一次設(shè)備則安裝在充滿絕緣氣體的密閉容器內(nèi)，我國(guó)GIS變電站基本采用室內(nèi)布置。此外，還有一種介于AIS和GIS變電站之間的變電站，其一次設(shè)備中只有斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、接地開(kāi)關(guān)、互感器等整體封閉于密閉容器，而其它諸如母線、避雷器等設(shè)備則敞開(kāi)在空氣中。本文將這種類型的變電站歸為GIS變電站，其造價(jià)和易損性與GIS變電站一致。用GIS變電站的造價(jià)減去同等級(jí)電壓下AIS變電站中二次設(shè)備和房屋建筑的造價(jià)即為GIS變電站一次設(shè)備的造價(jià)，從而得到GIS變電站各部分資產(chǎn)占比。GIS變電站的造價(jià)依舊采用2021年版《國(guó)家電網(wǎng)有限公司輸變電工程多維立體參考價(jià)》（國(guó)家電網(wǎng)有限公司基建部，2021）?？捎?10 kV和220 kV的GIS變電站與AIS變電站造價(jià)的平均比值作為35 kV GIS與AIS變電站的比值系數(shù)。不同電壓等級(jí)GIS變電站各部分資產(chǎn)占比以及造價(jià)見(jiàn)表2。

2.1.3GIS變電站數(shù)量占比

全國(guó)典型地區(qū)包括華南A、B地區(qū)、西南A、B地區(qū)以及西北某地區(qū)。根據(jù)這5個(gè)典型地區(qū)的變電站情況，設(shè)定GIS變電站數(shù)量占比系數(shù)。這些地區(qū)兩類變電站數(shù)量與占GIS變電站占比見(jiàn)表3。不同經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平以及人口規(guī)模的地區(qū)GIS變電站占比差別很大，大體可以分為高比例、中比例以及低比例三類?？紤]不同城市的經(jīng)濟(jì)水平以及人口規(guī)模等因素，將北京、上海、深圳、重慶、廣州、成都、天津、青島、杭州、東莞、武漢設(shè)為GIS變電站數(shù)量高比例地區(qū)；黑龍江、吉林、遼寧、內(nèi)蒙古、新疆、西藏、青海以及甘肅設(shè)為GIS變電站數(shù)量低比例地區(qū)；其余為中比例地區(qū)。高、中、低比例地區(qū)的GIS變電站占比分別為60%、30% 和15%。以此建立了全國(guó)各縣（區(qū)）的GIS變電站占比模型，其分布如圖2所示。

2.2全國(guó)變電站資產(chǎn)及資產(chǎn)密度分布

根據(jù)《2021年中國(guó)電力年鑒》數(shù)據(jù)（中國(guó)電力年鑒編輯委員會(huì)，2022）以及國(guó)家電網(wǎng)、南方電網(wǎng)、全國(guó)各縣（區(qū)）電力部門的官方數(shù)據(jù)，再結(jié)合本文1.1節(jié)、1.2節(jié)關(guān)于造價(jià)的數(shù)據(jù)，以及1.3節(jié)關(guān)于GIS變電站占比模型，整理得到以全國(guó)縣（區(qū)）為單元的數(shù)據(jù)庫(kù)。對(duì)于部分缺少直接的變電站數(shù)據(jù)的縣（區(qū)），則根據(jù)地區(qū)總量和地區(qū)內(nèi)其他縣（區(qū)）總量，利用兩級(jí)分配法（張中近，2017）計(jì)算得出。各個(gè)省份中不同變電站電壓等級(jí)比例則根據(jù)2014—2019年的電力年鑒（中國(guó)電力年鑒編委會(huì)，2014—2020）給出的數(shù)據(jù)計(jì)算。

通過(guò)計(jì)算，全國(guó)以縣（區(qū)）為單位的變電站資產(chǎn)以及資產(chǎn)密度分布如圖3所示?？h（區(qū)）的資產(chǎn)密度為縣（區(qū)）資產(chǎn)總量與面積之比，各縣（區(qū)）的面積均不考慮海域面積。由圖2可以看出，變電站資產(chǎn)最高達(dá)到30億元以上，東部縣（區(qū)）的變電站資產(chǎn)大部分都在2億元以上，高于西部縣（區(qū)）。西部縣（區(qū)）的資產(chǎn)多為5 000～10 000萬(wàn)元，少數(shù)在5 000萬(wàn)元以下。東部縣（區(qū)）的資產(chǎn)密度高于西部縣（區(qū)），其中大部分沿海城市的資產(chǎn)密度較高，大部分為50～100萬(wàn)元/km2，西部資產(chǎn)密度多為0～20萬(wàn)元/km2。

3變電站的易損性模型

3.1AIS變電站易損性模型及房屋結(jié)構(gòu)類型比例

由上文可知，AIS變電站由一次設(shè)備、二次設(shè)備和房屋建筑三類設(shè)施組成，所以本文將AIS變電站易損性模型分成三類設(shè)施分別研究。劉如山等（2018）統(tǒng)計(jì)了汶川地震中121 個(gè)110 kV 及以上變電站的變壓器、電壓互感器、電流互感器、斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、避雷器6類高壓電器設(shè)備在不同地震烈度下的破壞比，采用正態(tài)分布函數(shù)及其累積函數(shù)擬合了各類高壓電氣設(shè)備基于烈度的破壞概率密度曲線和破壞概率曲線，從而形成各類高壓電氣設(shè)備的易損性曲線。本文采用其成果作為一次設(shè)備的易損性模型。

一次設(shè)備在地震災(zāi)害中的破壞形式大體可分為兩種：一種是變壓器設(shè)備的瓷套管破壞且遭受高烈度時(shí)還伴有油枕、散熱器、輪軌固定裝置破壞等，但是變壓器主體部分不易破壞；另一種是其它設(shè)備的瓷構(gòu)件產(chǎn)生裂紋或者直接折斷。其中變壓器的易損性大于其它一次設(shè)備，并且其它一次設(shè)備的易損性較為接近，所以一次設(shè)備的易損性模型又可分為變壓器易損性模型以及其它一次設(shè)備易損性模型。其它一次設(shè)備易損性取其它一次設(shè)備破壞概率的平均值。根據(jù)朱瑞民等（2013）的研究可知變壓器和其它一次設(shè)備的資產(chǎn)占比平均值分別約為46%和54%，本文采用此統(tǒng)計(jì)值。其它一次設(shè)備一旦破壞就意味著需要更換新的瓷構(gòu)件，所以設(shè)定破壞時(shí)的損失比為100%。而變壓器在遭受低烈度破壞時(shí)，瓷套管資產(chǎn)占整個(gè)變壓器資產(chǎn)的比例很低。遭遇高烈度破壞時(shí)，其余裝置也會(huì)發(fā)生破壞。所以本文設(shè)定設(shè)備在遭受Ⅶ度及以下的低烈度破壞時(shí)變壓器的損失比為15%，在遭受Ⅷ度及以上的高烈度破壞時(shí)損失比為20%。其它所有一次電氣設(shè)備的破壞概率統(tǒng)一采用式（1）的計(jì)算方法：

PA（i）=15［Pb（i）+Pd（i）+Pa（i）+Pc（i）+Pp（i）］（1）

式中：Pb（i）、 Pd（i）、 Pa（i）、 Pc（i）以及Pp（i）分別為i烈度下斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、避雷器、CT以及PT的破壞概率。

變電站的二次設(shè)備種類較多，資產(chǎn)占比相對(duì)較小，受地震破壞的影響因素較為復(fù)雜，對(duì)每個(gè)設(shè)備的易損性研究較為困難。劉如山等（2017）根據(jù)汶川地震中114個(gè)變電站樣本擬合出了室內(nèi)設(shè)備的經(jīng)濟(jì)損失比-烈度曲線作為室內(nèi)設(shè)備整體的易損性曲線。本文使用該研究成果來(lái)評(píng)估中國(guó)大陸的二次設(shè)備易損性。i烈度下二次設(shè)備的損失比為：

RS（i）=0.038i2-0.4674i+1.4416（2）

汶川震害統(tǒng)計(jì)資料顯示，變電站的房屋結(jié)構(gòu)與電壓等級(jí)有很大的相當(dāng)性，35 kV以及110 kV變電站的房屋大多數(shù)為磚混結(jié)構(gòu)，而220 kV及以上變電站的房屋則以鋼混結(jié)構(gòu)為主。隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，汶川地震時(shí)變電站的房屋建筑結(jié)構(gòu)比例與當(dāng)前全國(guó)各地的實(shí)際情況不相同。筆者搜集了我國(guó)4個(gè)地區(qū)的部分35 kV以及110 kV共計(jì)233座變電站房屋結(jié)構(gòu)信息，其中39%為磚混結(jié)構(gòu)、53%為鋼混結(jié)構(gòu)、8%為鋼結(jié)構(gòu)，鋼混結(jié)構(gòu)的房屋比例大大提高。由于鋼結(jié)構(gòu)的占比較少，所以本文設(shè)定35 kV以及110 kV變電站的房屋40%為磚混結(jié)構(gòu)、60%為鋼混結(jié)構(gòu)。

孫柏濤等（2014）以四川省為例給出了高烈度設(shè)防（Ⅷ度及以上）以及低烈度設(shè)防（Ⅶ度及以下）的磚混結(jié)構(gòu)和鋼混結(jié)構(gòu)在不同烈度下的易損性矩陣（表4、5）。本文采取這兩個(gè)易損性矩陣作為本次中國(guó)大陸地區(qū)變電站房屋建筑的易損性矩陣。

根據(jù)康然等（2022）對(duì)高烈度區(qū)變電站抗震設(shè)防目標(biāo)與設(shè)計(jì)方法的研究，普通變電站房屋建筑是否為高烈度設(shè)防可直接按照目標(biāo)區(qū)設(shè)防烈度確定，220 kV樞紐變電站房屋建筑則提高一度設(shè)防。一般情況下會(huì)把處在環(huán)網(wǎng)上的220 kV變電站判定為樞紐變電站。但由于每個(gè)地區(qū)220 kV變電站是否處在環(huán)網(wǎng)的信息未知，為安全起見(jiàn)，本文將其視為普通變電站，房屋設(shè)防烈度的選取依然按照目標(biāo)地區(qū)設(shè)防烈度選取。房屋建筑的損失比則根據(jù)地震現(xiàn)場(chǎng)工作標(biāo)準(zhǔn)《地震現(xiàn)場(chǎng)工作第4部分：災(zāi)害直接損失評(píng)估》（GB/T 18208.4—20）來(lái)取值，取值結(jié)果見(jiàn)表6。

3.2GIS變電站易損性模型

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于GIS變電站的研究大多集中在GIS變電站設(shè)備的安裝、故障檢修以及運(yùn)行維護(hù)與管理方面，而對(duì)GIS變電站的地震易損性研究較少，由于缺乏實(shí)際震害資料，GIS變電站的地震易損性研究難以開(kāi)展。楊濤等（2016）進(jìn)行了GIS變電站高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備原型結(jié)構(gòu)的模擬地震振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在0.4 g 地震動(dòng)激勵(lì)下，該設(shè)備的抗震性能滿足規(guī)范要求。GIS變電站的房屋建筑大多采用鋼混結(jié)構(gòu)，不僅提高了房屋的抗震性能，還大大提高了二次設(shè)備的抗震性能，從而使電氣設(shè)備的易損性大幅度降低。所以本文將GIS變電站的易損性分為兩部分進(jìn)行研究，一部分為電氣設(shè)備，另一部分為房屋建筑。本文考慮楊濤等（2016）的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)際汶川震害資料，根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)給出了電氣設(shè)備的烈度與損失比之間的關(guān)系（表7）。對(duì)于房屋建筑，則使用AIS變電站中關(guān)于鋼混結(jié)構(gòu)房屋的易損性矩陣來(lái)做研究。

4變電站的損失計(jì)算

4.1縣（區(qū)）AIS變電站損失評(píng)估

i烈度下AIS變電站一次設(shè)備的損失為：

LAP（i）=∑[DD（]3j=1[DD）]NA（j）CA（j）Ep（j）［0.46PT（i）RT（i）+0.54PA（i）］（3）

式中：i為烈度等級(jí)，i=7、8、9、10代表Ⅶ度、Ⅷ度、Ⅸ度、Ⅹ度；j為電壓等級(jí)，1、2、3分別表示35 kV、110（66）kV和220 kV的電壓等級(jí)；NA（j）為j電壓等級(jí)下AIS變電站的數(shù)量；CA（j）為j電壓等級(jí)下AIS變電站的造價(jià)；Ep（j）為j電壓等級(jí)下一次設(shè)備的資產(chǎn)占比，按照表1取值；PT（i）為變壓器的破壞概率； RT（i）為變壓器的損失比。

i烈度下二次設(shè)備的損失為：

LAS（i）=∑[DD（]3j=1[DD）]NA（j）CA（j）Sp（j）RS（i）（4）

式中：SP（j）為j電壓等級(jí)下二次設(shè)備的資產(chǎn)占比，按照表1選取。

i烈度下房屋建筑的損失為：

LAB（i）=[KG-*4]∑[DD（]3j=1[DD）]NA（j）CA（j）BA（j）∑[DD（]5m=1[DD）]PB（i，m）RB（m）（5）

式中：BA（j）為房屋建筑在j等級(jí)變電站的資產(chǎn)占比； PB（i，m）為房屋結(jié)構(gòu)易損性矩陣，根據(jù)房屋結(jié)構(gòu)類型及設(shè)防烈度在表4、5中取對(duì)應(yīng)值；RB（m）為破壞等級(jí)為m時(shí)房屋結(jié)構(gòu)財(cái)產(chǎn)損失比。

4.2縣（區(qū)）GIS變電站損失評(píng)估

i烈度下GIS變電站電氣設(shè)備的損失為：

LGE（i）=∑[DD（]3j=1[DD）]NG（j）CG（j）EE（j）RE（i）（6）

式中：NG（j）為j電壓等級(jí)下GIS變電站的數(shù)量；CG（j）為j電壓等級(jí)下GIS變電站的造價(jià)，按照表2選??；EE（j）為j電壓等級(jí)下GIS變電站電氣設(shè)備資產(chǎn)占比，按照表2選??；RE（i）為i烈度下電氣設(shè)備的損失比。

i烈度下房屋設(shè)建筑的損失為：

LGB（i）=[KG-*4]∑[DD（]3j=1[DD）]NG（j）CG（j）BG（j）∑[DD（]5m=1[DD）]PB（i，m）RB（m）（7）

式中：BG（j）為j電壓等級(jí)下GIS變電站房屋建筑的資產(chǎn)占比，按照表2選取。

4.3縣（區(qū)）內(nèi)變電站總體損失計(jì)算

變電站的總體損失為AIS變電站和GIS變電站損失的和，損失比則為總損失與變電站總資產(chǎn)值之比。

i烈度下變電站總體損失為：

L（i）=LA（i）+LG（i）=LAP（i）+LAS（i）+LAB（i）+LGE（i）+LGB（i）（8）

式中：LA（i）為AIS變電站的損失；LG（i）為GIS變電站的損失。

縣（區(qū)）內(nèi)變電站總資產(chǎn)為：

P=PA+PG=∑[DD（]3j=1[DD）]［NA（j）CA（j）+NG（j）CG（j）］（9）

式中：P為縣（區(qū)）內(nèi)所有變電站總資產(chǎn)；PA為所有AIS變電站總資產(chǎn)；PG為所有GIS變電站總資產(chǎn)。

i烈度下縣（區(qū)）的變電站損失比為：

R（i）=L（i）P（10）

5不同烈度下各縣（區(qū)）變電站損失、損失密度、損失比分布

基于中國(guó)大陸變電站基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、資產(chǎn)及資產(chǎn)密度，給出了各縣（區(qū)）變電站在Ⅶ～Ⅹ度下的損失、損失密度及損失比結(jié)果，分別如圖4～6所示。圖4反映的是不同烈度下各縣（區(qū)）變電站的總體損失，而我國(guó)縣（區(qū)）的面積大小不一，特別是西部一些縣（區(qū)）面積遠(yuǎn)大于東部，所以需要評(píng)估不同烈度下各縣（區(qū)）變電站的損失密度。損失比則不考慮各縣（區(qū)）變電站的資產(chǎn)，僅考慮各縣（區(qū)）在不同烈度下變電站損失重置造價(jià)占原變電站資產(chǎn)的比值來(lái)評(píng)估。

由圖4可以看出，隨著烈度的增大，各個(gè)縣（區(qū)）的變電站損失在逐步增大。東部地區(qū)的損失高于西部地區(qū)，西部地區(qū)中有少量縣（區(qū)）的損失較高。烈度為Ⅶ度時(shí)，東部地區(qū)的損失為2 500～5 000萬(wàn)元，西部地區(qū)為0～500萬(wàn)元。烈度為Ⅷ度時(shí)，東部地區(qū)的損失為5 000～8 000萬(wàn)元，西部地區(qū)為1 000～2 500萬(wàn)元。烈度為Ⅸ度時(shí)，東部地區(qū)的損失為0.8～2億元，西部地區(qū)為2 500～5 000萬(wàn)元。烈度為Ⅹ度時(shí)，東部地區(qū)的損失為2～5億元，并且有較多縣區(qū)損失高達(dá)5～12億元，西部地區(qū)為5 000～8 000萬(wàn)元。

由圖5可以看出，隨著烈度的增加，各縣（區(qū)）損失密度也在增加。烈度為Ⅶ度時(shí)，全國(guó)的損失密度均在0～20萬(wàn)元/km2，個(gè)別縣（區(qū)）為20～50萬(wàn)元/km2。烈度為Ⅷ度時(shí)，東部地區(qū)有少部分縣（區(qū)）損失密度為20～50萬(wàn)元/km2。烈度為Ⅸ度時(shí)，東部地區(qū)有較多部分縣（區(qū)）損失密度為20～50萬(wàn)元/km2。烈度為Ⅹ度時(shí)，東部地區(qū)大部分縣（區(qū)）損失密度為20～50萬(wàn)元/km2，最高達(dá)1500～2000萬(wàn)元/km2，只有少部分縣（區(qū)）損失密度為50～100萬(wàn)元/km2。由圖6可以看出，隨著烈度的增大，各縣（區(qū)）損失比也在增大。烈度為Ⅶ度時(shí)，全國(guó)的損失比均在0～0.05。烈度為Ⅷ度時(shí)，我國(guó)北部縣（區(qū)）損失比為0.10～0.15，南部縣（區(qū)）損失比為0.05～0.10。烈度為Ⅸ度時(shí)我國(guó)北部縣（區(qū)）損失比為0.25～0.30，南部縣（區(qū)）損失比為0.20～0.25，中部有些縣（區(qū)）為0.12～0.20。Ⅹ度時(shí)，我國(guó)北部縣（區(qū)）損失比為0.45～0.50，南部縣（區(qū)）損失比為0.40～0.45，中部有些縣（區(qū)）的損失比為0.30～0.35。

6結(jié)論

本文更新了全國(guó)各縣（區(qū)）變電站基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、資產(chǎn)及資產(chǎn)密度，并在變電站易損性模型中考慮GIS變電站以及AIS變電站房屋建筑結(jié)構(gòu)變化的影響，從而建立新的地震損失評(píng)估模型，并且從損失、損失密度及損失比3個(gè)方面給出了中國(guó)大陸各個(gè)縣（區(qū)）的研究成果，基于綜合評(píng)估結(jié)果給出以下結(jié)論：

（1）GIS 高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備原型結(jié)構(gòu)的模擬地震振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)以及實(shí)際汶川地震資料表明AIS變電站和GIS變電站的易損性差異較大，并且根據(jù)收集到的近期五個(gè)地區(qū)的GIS變電站占比數(shù)據(jù)，GIS變電站在變電站損失評(píng)估研究中不可忽視。

（2）變電站的房屋建筑結(jié)構(gòu)隨著時(shí)代的發(fā)展已經(jīng)發(fā)生了很大的改變，AIS變電站的房屋結(jié)構(gòu)模型也要隨之更新。

（3）中國(guó)大陸各縣（區(qū)）變電站損失分布特征、損失密度分布特征與損失比分布特征各不相同。從損失來(lái)看，東部縣（區(qū)）大于西部縣（區(qū)）。從損失密度來(lái)看，東部沿?？h（區(qū)）大于其他縣（區(qū)）。從損失比來(lái)看，北部縣（區(qū)）大于南部縣（區(qū)）。這三個(gè)方面研究成果不僅可以為地震風(fēng)險(xiǎn)分析與地震保險(xiǎn)工作提供參考，也可以為電力行業(yè)的相關(guān)部門進(jìn)行地震應(yīng)急預(yù)案的編制和震后應(yīng)急救援決策的制定提供參考。

本文中有些縣（區(qū)）沒(méi)有直接變電站數(shù)據(jù)，是通過(guò)二級(jí)分配法計(jì)算得來(lái)，今后需進(jìn)一步收集直接的數(shù)據(jù)補(bǔ)充到數(shù)據(jù)庫(kù)中。GIS占比的分配方法也同樣需要隨著相關(guān)數(shù)據(jù)的豐富進(jìn)一步完善。并且本文只評(píng)估了35 kV、110（66）kV以及220 kV變電站的損失成果，220 kV以上的變電站雖在各個(gè)縣（區(qū)）的數(shù)量較少，但屬于重要電力設(shè)施且抗震措施較高，因此也需要開(kāi)展專門的研究。

本文中涉及到國(guó)界的插圖均已送相關(guān)部門審查并獲通過(guò)。受理號(hào)：國(guó)審受字（2023）第05211號(hào)；審圖號(hào)：GS（2024）0054號(hào)。

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Assessment of the Earthquake-caused Damage to the ?Transformer Substations in Chinese Mainland

WU Meng，LIU Rushan，LIU Jinlong，HONG Yixiang

（Key Laboratory of Earthquake Engineering and Engineering Vibration，Institute of Engineering Mechanics，?China Earthquake Administration，Harbin 150080，Heilongjiang，China）

Abstract

According to the China Electric Power Statistical Yearbook（2014-2021）and the data from the official websites of the electricity departments at all levels，a nationwide fundamental database of the transformer substations in Chinese mainland is established.The influence of the gas insulated substations and the variation of the substations structure was involved in the damage assessment model.According to the proportion of the gas insulated substations in 5 regions in Chinese mainland，a model of the proportion of the nationwide gas insulated substations is established.Based on the simulated shaking table test of the high-voltage switchgear prototype structure of the gas insulated substation，and the results from the case study of the Wenchuan MS8.0 earthquake in 2008，an empirical vulnerability model of the gas insulated substation is given.Based on the proportions of the structure of the air insulated switchgear substations in 4 regions in Chinese mainland，the vulnerability model of the air insulated switchgear substations was updated，resulting in making a new assessment model of earthquake-caused losses.Finally，the earthquake-caused loss，the loss density and the loss ratio of the transformer substations subjected to the Intensity Ⅶ-Ⅹ earthquakes in the counties and districts in Chinese mainland are given.

Keywords：?transformer substation；vulnerability；damage assessment；electrical equipment；buildings；Chinese mainland

*收稿日期：2023-06-29.

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目課題（2022YFC3003603）；中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)（2021EEEVL0315）.

第一作者簡(jiǎn)介：吳萌（1998-），碩士研究生在讀，主要從事電力系統(tǒng)易損性研究.E-mail：2950757280 @qq.com.

通信作者簡(jiǎn)介：劉如山（1964-），研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事生命線工程抗震研究.E-mail：liurushan@sina.com.

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