楊應(yīng)華熊 軍王勝利

1）西安建筑科技大學(xué)土木學(xué)院，西安 710055

2）陜西省電力設(shè)計(jì)院，西安 710054

漢中地區(qū)變電設(shè)施在汶川大地震中的表現(xiàn)及其分析

楊應(yīng)華1）熊 軍1）王勝利2）

1）西安建筑科技大學(xué)土木學(xué)院，西安 710055

2）陜西省電力設(shè)計(jì)院，西安 710054

“5.12”汶川大地震中，陜西省的電力系統(tǒng)受到了不同程度的震害，漢中地區(qū)的震害尤其嚴(yán)重。根據(jù)震后對(duì)漢中地區(qū)變電站系統(tǒng)的震害調(diào)查，本文描述了在這次地震中漢中地區(qū)變電設(shè)施的震害情況和地震表現(xiàn)，對(duì)震害情況進(jìn)行了破壞原因的分析，并對(duì)今后的變電站抗震設(shè)計(jì)提出了一些建議。

汶川大地震 變電站 震害

引言

“5.12”汶川8.0級(jí)特大地震波及甚廣，西北地區(qū)的陜西、甘肅等地有明顯震感。受地震影響，西北地區(qū)用電負(fù)荷瞬間下降，部分機(jī)組、線路跳閘，部分電力設(shè)施受損。震后，西北電網(wǎng)負(fù)荷由2323萬(wàn)千瓦瞬間下降到2102萬(wàn)千瓦，減少負(fù)荷221萬(wàn)千瓦左右，其中陜西187萬(wàn)千瓦，甘肅34萬(wàn)千瓦左右。陜西電網(wǎng)2臺(tái)30萬(wàn)千瓦、1臺(tái)33萬(wàn)千瓦機(jī)組解列，1臺(tái)30萬(wàn)千瓦機(jī)組滅火。地震造成陜西4座35千伏以上變電站停運(yùn)，109條10千伏以上線路停運(yùn)，7座電廠不同程度受損，多臺(tái)發(fā)電機(jī)組停運(yùn)（國(guó)家電力監(jiān)管委員會(huì)西北監(jiān)管局，2008）。其中，陜南漢中電力系統(tǒng)的損失和破壞尤為嚴(yán)重。

電力系統(tǒng)一般由3個(gè)子系統(tǒng)組成：發(fā)電系統(tǒng)、變電系統(tǒng)、輸電系統(tǒng)。每個(gè)子系統(tǒng)包括了不同的電力設(shè)備：如發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電設(shè)備、動(dòng)力系統(tǒng)等；變電系統(tǒng)的變壓器、電壓互感器、電流互感器、隔離開(kāi)關(guān)等；輸電系統(tǒng)中的電線桿塔等。電力系統(tǒng)在遭遇地震時(shí)，發(fā)電廠、輸電線路和變電系統(tǒng)會(huì)受到不同程度的影響。根據(jù)李亞琦等（2002）的分析，電力系統(tǒng)中的變電站尤其是高壓變電站，地震破壞常常較為嚴(yán)重，導(dǎo)致無(wú)法正常供電的狀況，阻礙了抗震救援工作。本文通過(guò)對(duì)陜南地區(qū)受災(zāi)比較嚴(yán)重的漢中市變電站系統(tǒng)的震害調(diào)查，給出了該地區(qū)相關(guān)電氣設(shè)施及建構(gòu)（筑）物在這次地震中的破壞現(xiàn)象及其地震表現(xiàn)，討論了破壞機(jī)理和原因，最后提出了變電站抗震設(shè)計(jì)的建議。

汶川地震后不久，本文第3作者及其所在單位工程技術(shù)人員于2008年5月20日至5月25日，對(duì)陜南漢中地區(qū)的電力設(shè)施進(jìn)行了震害調(diào)查，范圍涉及漢中市的10個(gè)縣和1個(gè)區(qū)（圖1）。漢中市距震中約為400km，部分縣距震中不足300km。按照中國(guó)地震局公布的汶川8.0級(jí)地震烈度分布圖（圖2），寧強(qiáng)縣的地震烈度為Ⅶ—Ⅷ度；靠近四川的邊界地區(qū)達(dá)Ⅸ度；略陽(yáng)縣為Ⅶ—Ⅷ度；漢臺(tái)區(qū)、勉縣為Ⅶ度；南鄭縣、留壩縣為Ⅵ—Ⅶ度；其余城固縣、西鄉(xiāng)縣、洋縣、佛坪縣、鎮(zhèn)巴縣均為Ⅵ度。震前留壩縣、勉縣、略陽(yáng)縣的設(shè)防烈度為Ⅶ度（0.1g）；洋縣、西鄉(xiāng)縣、漢臺(tái)區(qū)、南鄭縣、城固縣、寧強(qiáng)縣、佛坪縣、鎮(zhèn)巴縣的設(shè)防烈度均為Ⅵ度（0.05g）。可見(jiàn)，寧強(qiáng)縣和略陽(yáng)縣的部分地區(qū)以及漢臺(tái)區(qū)的地震烈度，都不同程度地超出了設(shè)防烈度。

1 變電設(shè)施在汶川大地震中的表現(xiàn)

1.1 建、構(gòu)筑物的表現(xiàn)

（1）建筑物

目前，漢中地區(qū)變電系統(tǒng)的建筑物如變電主控制樓、配電樓等，多數(shù)為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，但仍然還有部分砌體結(jié)構(gòu)建筑物存在。震害調(diào)查表明，砌體結(jié)構(gòu)房屋的破壞率均比較高。建筑物的震害一般表現(xiàn)為墻體，如女兒墻的破壞（圖3），或墻體（圖4）、樓板開(kāi)裂等。由于砌體結(jié)構(gòu)的抗震能力較差，加之女兒墻呈懸臂狀態(tài)，因此在地震作用下很容易產(chǎn)生破壞。圖3所示女兒墻沿底部出現(xiàn)裂縫，整體向外傾斜。圖4所示為圍護(hù)墻出現(xiàn)水平裂縫，墻面外層脫落。

此外，還有大量非結(jié)構(gòu)構(gòu)件如吊頂、燈具及樓梯扶手等在地震中脫落或破斷（圖 5、圖6、圖7）。這些非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞，經(jīng)修復(fù)即可使用。

圖3 女兒墻底部開(kāi)裂（漢中330kV 漢中變）Fig.3 Cracks at the bottom of parapets (Hanzhong 330kV substation)

圖4 墻體開(kāi)裂（略陽(yáng)電廠）Fig.4 Cracks in a wall (Lueyang power plant)

圖5 吊頂破壞（漢中110kV留壩變）Fig.5 Damaged ceiling (Hanzhong 110kV Liuba substation)

圖6 吊頂燈具破壞（漢中110kV峽口驛變，略陽(yáng)）Fig.6 damaged ceiling light (Hanzhong 110kV Xiakouyi substation)

在調(diào)查中也有部分結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件發(fā)生破壞。如圖8所示的支撐橫梁的牛腿在頂部發(fā)生破壞，混凝土脫落，產(chǎn)生豎向裂縫。這可能是由于豎向地震力作用引起的。

鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的變電建筑物基本沒(méi)有嚴(yán)重的破壞，特別是近幾年建造的變電站基本完好無(wú)損（圖9、圖10）。這表明合理設(shè)計(jì)的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)在設(shè)防烈度范圍內(nèi)，其抗震能力是令人滿意的。

圖7 樓梯扶手破斷（漢中110kV留壩變）Fig.7 A broken banisters (handrail) of a staircase (Hanzhong 110kV Liuba substation)

圖8 a 牛腿破壞（略陽(yáng)電廠）Fig.8 a A damaged RC corbel-bracket (Lueyang power plant)

圖8 b 牛腿破壞（略陽(yáng)電廠）Fig.8 b Another damaged RC corbel-bracket t (Lueyang power plant)

圖9 完好的變電站（漢中110kV葛石變，西鄉(xiāng)）Fig.9 An intact substation complex (Hanzhong 110kV Geshi substation)

（2）構(gòu)筑物

變電站構(gòu)架絕大部分完好無(wú)損，僅少數(shù)構(gòu)架受損壞。如圖11所示的變電構(gòu)架立柱出現(xiàn)傾斜。如圖12所示的個(gè)別輸電塔架由于滑坡等次生災(zāi)害而受損。而設(shè)備基礎(chǔ)未見(jiàn)明顯破壞情況。

以往的強(qiáng)震震害表明，變電構(gòu)架、輸電塔、設(shè)備基礎(chǔ)受損較小，可以認(rèn)為構(gòu)筑物及設(shè)備基礎(chǔ)具有良好的抗震性能。輸電塔屬于高柔鋼結(jié)構(gòu)，具有較好的變形能力和延性，一般來(lái)說(shuō)抗震能力較強(qiáng)（張大長(zhǎng)等，2009）。在震害中，輸電塔受損的主要原因是由斷層、滑坡等地表破裂造成的輸電塔底部破壞。

除上述兩類(lèi)構(gòu)筑物破壞外，其余的變電構(gòu)架均表現(xiàn)出良好的抗震性能（圖13、圖14），即使較早建造的鋼筋混凝土構(gòu)架也未有破壞。圖13的變電站磚砌圍墻都被震壞，但圍墻里邊的鋼筋混凝土構(gòu)架仍然完好。圖14顯示鋼結(jié)構(gòu)變電構(gòu)架完好無(wú)損。

圖10 完好的變電站（漢中110kV海紅變）Fig.10 An intact substation complex (Haizhong 110kV Haihong substation)

圖11 變電構(gòu)架立柱出現(xiàn)傾斜（漢中330kV 武侯變，勉縣）Fig.11 Inclined column of a substation frame（Hanzhong 330kV Wuhou substation）

圖12 輸電塔由于山體滑坡底部受損（漢中110kV略—勉線）Fig.12 Damaged tower by landslide (110kV Lueyang-Mianxian)

圖13 鋼筋混凝土變電構(gòu)架（漢中110kV海紅變）Fig.13 RC frames of a substation with inclined enclosing walls (Haizhong 110kV Haihong substation)

1.2 電氣設(shè)施

目前，國(guó)內(nèi)與電力設(shè)施有關(guān)的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范主要有《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50011-2001）》（中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，2001）和《電力設(shè)施抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50260-96）》（中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，1996），前者主要是對(duì)建筑結(jié)構(gòu)本身的抗震規(guī)定，但亦包括設(shè)備安裝措施等；后者對(duì)設(shè)備、儀器的抗震有詳細(xì)的規(guī)定。在汶川地震中，漢中地區(qū)變電電氣設(shè)備的震害主要有：絕緣子瓷件（支柱瓷瓶）損壞，如圖15、圖18所示。其典型震害是絕緣子支柱折斷，折斷處一般都在根部金屬法蘭與瓷件結(jié)合部位。圖16中的高壓開(kāi)關(guān)柜在地震中產(chǎn)生了高電壓而短路后造成設(shè)備、線路被燒毀等次生災(zāi)害。圖17所示的震害為隔離開(kāi)關(guān)的破壞，設(shè)備的尖針在正常狀態(tài)下應(yīng)與剛性母線一致對(duì)齊（圖15a的左側(cè)），而震壞后出現(xiàn)偏離，相差10cm左右（圖15a右側(cè)及圖 15b），這是由于設(shè)備絕緣子串振幅過(guò)大造成移位。圖 18 所示為一220kV少油開(kāi)關(guān)絕緣子瓷立柱（支柱瓷瓶）的損壞。另外，地震后 330kV的武侯變電站 2號(hào)主變重瓦斯動(dòng)作跳閘；330kV的漢中變220kV漢勉開(kāi)關(guān)跳閘；220kV的勉縣變＃1、2B重瓦斯保護(hù)動(dòng)作跳閘；220kV的勉碧開(kāi)關(guān)A相斷裂，220kV旁母斷裂，220kV旁母壓垮倒至勉漢線旁刀閘等（國(guó)家電力監(jiān)管委員會(huì)西北監(jiān)管局，2008）。在地震中，多數(shù)變電站的的電線電纜由于過(guò)大的擺幅而被拉斷，造成變壓器、開(kāi)關(guān)等工作失常。

圖14 鋼結(jié)構(gòu)變電構(gòu)架（漢中220kV勉縣變）Fig.14 Steel frames of a substation (Hanzhong 220kV Mianxian substation)

圖15 a 絕緣子折斷（漢中110kV紅河變）Fig.15 a Broken ceramic insulators (Hanzhong 110kV Honghe substation)

圖15 b 絕緣子折斷（漢中110kV紅河變）Fig.15 b Broken ceramic insulators (Hanzhong 110kV Honghe substation)

圖16 高壓開(kāi)關(guān)柜由于短路被燒毀（漢中110kV留壩變）Fig.16 A burnt high-voltage switch box due to short circuit (Hanzhong 110kV Liuba substation)

圖17 a 隔離開(kāi)關(guān)破壞（漢中330kV武侯變，勉縣）Fig.17 a A damaged disconnector switch (Hanzhong 330kV Wuhou substation)

圖17 b 隔離開(kāi)關(guān)破壞（漢中330kV武侯變，勉縣）Fig.17 b A damaged disconnector switch (Hanzhong 330kV Wuhou substation)

圖18 220kV少油開(kāi)關(guān)絕緣子瓷立柱損壞（漢中220kV勉縣變）（照片來(lái)源：西北電監(jiān)局）Fig.18 Damaged minimum oil breaker (Hanzhong 220kV Mianxian substation)

電氣設(shè)備震害原因大致可以歸結(jié)為以下3點(diǎn)：①高壓電氣設(shè)備體形又高又細(xì)，其固有頻率低，大部分都在1—10Hz以內(nèi)，與地震卓越頻率相近，且阻尼比?。ㄐ∽冃螘r(shí)測(cè)試，一般為3%左右），因此，地震時(shí)的動(dòng)力反應(yīng)較大。②瓷質(zhì)材料屬于脆性材料，其抗拉、剪破壞的強(qiáng)度很低，一般約為 12—20MPa（水利電力部西北電力設(shè)計(jì)院，1989），同時(shí)瓷套絕緣子斷面小，強(qiáng)度不足，地震時(shí)極易受彎折斷。③位于Ⅶ度及其以上地震區(qū)內(nèi)變電站的電氣設(shè)備均有高大支架支撐，或安置在一定高度的臺(tái)座上，設(shè)備支架對(duì)地面輸入的加速度值有放大作用，使作用在設(shè)備上的地震力加大，高壓電氣設(shè)備的各個(gè)連接環(huán)節(jié)破壞嚴(yán)重。

2 總結(jié)與建議

2.1 總結(jié)

汶川地震陜南重災(zāi)區(qū)主要分布于陜西西南部川陜交界部位，以漢中的寧強(qiáng)縣、略陽(yáng)縣、勉縣和南鄭縣最為嚴(yán)重。根據(jù)中國(guó)地震局統(tǒng)計(jì)結(jié)果，陜南重災(zāi)區(qū)地震烈度達(dá)到Ⅶ—Ⅷ度，盡管房倒屋塌現(xiàn)象遠(yuǎn)不如四川災(zāi)區(qū)，但震害還是很?chē)?yán)重，大量建筑物成為危房（趙治海等，2009）。作為生命線工程的重要組成部分，電力系統(tǒng)一旦失效或遭到破壞，就會(huì)嚴(yán)重影響救災(zāi)工作的進(jìn)展并造成難以估量的經(jīng)濟(jì)損失。國(guó)內(nèi)外歷次大地震的統(tǒng)計(jì)表明，電力系統(tǒng)的地震易損性是較高的。盡管其修復(fù)費(fèi)用只占全部震后重建費(fèi)用的一小部分，但電力系統(tǒng)失效造成的間接損失卻是巨大的。它不僅嚴(yán)重影響正常的生產(chǎn)生活和抗震救災(zāi)工作，隨之而來(lái)的次生災(zāi)害還可能給社會(huì)帶來(lái)難以預(yù)料的后果。例如，1989年Oakland地震后發(fā)生的大面積火災(zāi)，正是由于停電導(dǎo)致供水系統(tǒng)癱瘓無(wú)法及時(shí)救火造成的，因此，電力系統(tǒng)的抗震也是非常重要的。汶川地震調(diào)查結(jié)果顯示，陜南漢中變電設(shè)施嚴(yán)重的震害主要是電氣設(shè)備（設(shè)施）的損壞。陜西省全省的變電電氣設(shè)施在地震中的損壞為：35kV及以上變電站設(shè)備累計(jì)受損 24座，其中，330kV4座，220kV1座，110kV16座，35kV3座；10kV及以上變壓器受損53臺(tái)（國(guó)家電力監(jiān)管委員會(huì)西北監(jiān)管局，2008）。與此相比，在全陜西省所調(diào)查的256座變電站中，建構(gòu)筑物破壞等級(jí)為中等只有36座，占總數(shù)的14%，其余（86%）為輕微和基本完好（陜西省電力設(shè)計(jì)院，2008）。這足以說(shuō)明電氣設(shè)施震害的嚴(yán)重性。

2.2 建議

為提高電力系統(tǒng)的抗震能力，確保地震作用下電力設(shè)施的安全運(yùn)行，結(jié)合汶川地震漢中

地區(qū)變電站系統(tǒng)震害情況及地震表現(xiàn)，本文就變電設(shè)施的抗震提出以下幾點(diǎn)建議：

（1）選擇合理的結(jié)構(gòu)形式

通過(guò)汶川地震震害調(diào)查，表明鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)房屋和鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)架具有良好的抗震性能，而且地震中基本沒(méi)有嚴(yán)重的破壞。因此，變電站建筑應(yīng)盡量采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)或鋼結(jié)構(gòu)，變電構(gòu)架也應(yīng)盡量采用鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)架。砌體結(jié)構(gòu)抗震性能較差，在地震區(qū)應(yīng)盡量避免采用，防止由于房屋倒塌而引起設(shè)備損壞。

（2）合理選擇建設(shè)場(chǎng)地

汶川地震災(zāi)害的調(diào)查表明，電力設(shè)施場(chǎng)地應(yīng)選擇對(duì)抗震有利的地段，避開(kāi)對(duì)抗震不利和危險(xiǎn)的地段，如地震時(shí)可能發(fā)生崩塌、大面積滑坡、泥石流、地裂和錯(cuò)位的危險(xiǎn)地段。同時(shí)還要認(rèn)真考慮山區(qū)地形對(duì)建筑物的約束條件，設(shè)計(jì)和施工時(shí)應(yīng)采取必要的措施，減少場(chǎng)地條件對(duì)地震災(zāi)害的放大效應(yīng)。

（3）加強(qiáng)結(jié)構(gòu)薄弱部位的抗震能力

要防止牛腿和柱肩的斜向裂縫和豎向裂縫，需要提高牛腿和柱肩頂面預(yù)埋件抵抗水平剪力的能力，同時(shí)沿牛腿全高加密箍筋。由于女兒墻是懸臂狀態(tài)，地震時(shí)很容易倒塌，因此，今后設(shè)計(jì)地震區(qū)的廠房，應(yīng)避免采用女兒墻。必須砌筑女兒墻時(shí)，應(yīng)由屋面高度處的圈梁內(nèi)伸出鋼筋，砌入女兒墻內(nèi)，并錨入壓頂。

（4）加強(qiáng)電氣設(shè)施的抗震能力

可以考慮的措施主要有兩大類(lèi)（張仲孝，1994）：一類(lèi)是由生產(chǎn)電氣設(shè)備的廠家，設(shè)計(jì)、制造出能滿足電力工程所需要的抗震型設(shè)備產(chǎn)品，例如，將高壓電氣設(shè)備的瓷柱外形由等徑柱體改成下粗上細(xì)的錐形柱體，以降低其重心高度，增強(qiáng)根部的剛度，提高瓷件的承載能力；另一類(lèi)是在電氣設(shè)備支架上采取減震措施，而不改變電氣設(shè)備本體的結(jié)構(gòu)，例如，將支架改為懸吊式結(jié)構(gòu)，加設(shè)減震器或阻尼器。另外，也可以因地制宜對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行合理的立體布局，當(dāng)抗震設(shè)防烈度較高時(shí)，或者場(chǎng)地條件很差時(shí)，變電站的電氣設(shè)備應(yīng)采用低位式或落地式布置，以降低設(shè)備的重心，減小地震反應(yīng)。

致謝：文中照片除注明外，均由本文第三作者提供。在資料收集過(guò)程中，陜西省電力設(shè)計(jì)院給予了大力支持，在此表達(dá)謝意。

國(guó)家電力監(jiān)管委員會(huì)西北監(jiān)管局，2008.“5.12”地震后西北電力系統(tǒng)抗震救災(zāi)專(zhuān)題通報(bào).

陜西省電力設(shè)計(jì)院，2008. 陜西省電力公司建構(gòu)筑物震害受損情況調(diào)查初步結(jié)論及費(fèi)用估算匯報(bào).

水利電力部西北電力設(shè)計(jì)院，1989. 電力工程電氣設(shè)計(jì)手冊(cè)（電氣部分）. 北京：水利電力出版社.

李小軍，2008. 汶川8.0級(jí)地震北川縣城區(qū)災(zāi)害調(diào)查與分析. 震災(zāi)防御技術(shù)，3（4）：352—362.

李亞琦，李曉軍，劉錫薈， 2002. 電力系統(tǒng)抗震研究概況. 世界地震工程，18（4）：79—83.

張大長(zhǎng)， 趙文伯，劉明源， 2009. 5·12汶川地震中電力設(shè)施震害情況及其成因分析. 南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，31（1）：45—48.

趙治海，徐張建，2009. 汶川大地震后陜南建筑物破壞特征調(diào)查與分析. 陜西建筑，163（1）：15—20.

張仲孝，1994. 關(guān)于提高電氣設(shè)備抗震能力問(wèn)題的探討. 工程抗震，6（2）：43—44.

中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，2001. 建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50011-2001）. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社.

中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，1996. 電力設(shè)施抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50260-96）. 北京：中國(guó)計(jì)劃出版社.

Damage of Electric Substation Systems in Hanzhong during Wenchuan MS8.0 Earthquake

Yang Yinghua1), Xiong Jun1)and Wang Shengli2)

1) School of Civil Engineering, Xi'an University of Architecture & Technology, Xi'an 710055, China
2) Shaanxi Electric Power Design Institute, Xian 710054, China

The electric system in Hanzhong region, Shaanxi province suffered varying degrees of damage in Wenchuan earthquake. Based on the field investigation of damage of the electric substation systems conducted in Hanzhong area after the earthquake, the damage and behavior of electric substation systems in Hanzhong are illustrated and the causes are analyzed. Then suggestions regarding structural design of substation systems were put forward.

Wenchuan earthquake; Electrical substation; Earthquake damage

楊應(yīng)華，熊軍，王勝利，2010. 漢中地區(qū)變電設(shè)施在汶川大地震中的表現(xiàn)及其分析. 震災(zāi)防御技術(shù)，5（2）：167—175.

2009-11-23

楊應(yīng)華，男，生于1965年。博士，教授。主要從事結(jié)構(gòu)工程的教學(xué)和科研。E-mail: yhyang@xauat.edu.cn