尤紅兵，趙鳳新

(中國地震災害防御中心，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，嚴重影響抗震救災，并會造成巨大的經濟損失［1-8］。

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

根據蘆山地震的特點和對電力設施震害的調查，結合對電氣設備抗震設計反應譜和蘆山地震記錄加速度反應譜的對比，分析了電力設施的破壞原因，進一步提出了改進建議。希望盡快提高我國電氣設備的抗震能力，確保電網的地震安全。

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)震構造背景，震中位于龍門山構造帶南西段，附近有全新世活動的逆沖斷裂(雙石–大川斷裂)分布。沿斷裂帶歷史上多次發(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害的集中分布趨勢。

1.2 蘆山地震的特點

(1)震級較高。這次地震的震級為里氏7.0級，震中烈度達Ⅸ度，屬于強烈地震。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、通信設施破壞嚴重。

(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。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，救災工作的難度較大。

(5)地震災害隱患形勢非常嚴峻。通過調查，地質災害隱患多達7263處。地震災區(qū)本來就是地質災害多發(fā)地區(qū)，加之地震造成了山體破裂，目前又將進入汛期，地質災害防治任務非常繁重。

2 電力設施破壞情況

根據國家電網的統(tǒng)計，地震導致蘆山、天全、寶興三縣電網全部垮網，34座35 kV及以上變電站停運，265條10 kV及以上輸配電線路停運，共計626臺變電設備損壞。其中，2座220 kV變電站、7座110 kV變電站、15座35 kV變電站嚴重損毀;224條35 kV及以上線路嚴重受損。受地震影響，雅安地區(qū)有5座水電廠解列。地震累計造成18.66萬客戶停電，電網直接經濟損失超過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鍵的變電站，地震中部分設備受損。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，導致7條220 kV母線停運，雅安電網的穩(wěn)定運行受到影響。

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

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號主變高壓導管漏油，3號主變基礎移位;因損壞更換了2臺110 kV斷路器、7組隔離開關、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。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、隔離開關等電氣設備均有破壞。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供電，國家電網“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，重災區(qū)蘆山縣城就恢復了供電，保證了抗震救災的順利進行。

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

圖3 電力設施破壞情況Fig.3 Damage of power facilities

蘆山地震中國家電網四川主網運行正常，華中區(qū)域電網、西北區(qū)域電網和重慶、青海、甘肅、西藏、湖南等公司所屬電網運行正常，未受影響。

3 破壞原因

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

地震中受災較重的部分變電站以及強震動臺站的分布如圖2所示。根據國家標準GB 50011—2010《建筑抗震設計規(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)，設防烈度一般為Ⅶ度。

圖2中的▲表示強震動臺站，與變電站距離較近的8個臺站得到的強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備根據《電力設施抗震設計規(guī)范》［11］確定的GB 50260—1996設防標準。

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

根據GB 50260—1996《電力設施抗震設計規(guī)范》，330，500kV變電站為重要電力設施，電氣設施可按設防烈度提高1度進行抗震設計，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施，設防烈度不需提高。因此，上述變電站的設計基本加速度為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譜與GB 50260—1996《電力設施抗震設計規(guī)范》設計譜的對比，圖中規(guī)范設計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譜在0.1～0.4 s范圍內明顯高于規(guī)范的設計譜。對于按0.15 g進行設計的電氣設備，地震記錄反應譜的譜值分別為設計譜的3.5～5.96倍，遠大于電氣設備的安全系數(shù)1.67。即使按0.3 g進行設計的設備，地震記錄反應譜的譜值也達到設計譜的1.75～2.98倍，也高于1.67的安全系數(shù)。由于電氣設備多含瓷套，應力一旦超過其破壞應力，將導致設備的破壞，這是這些變電站破壞嚴重的原因之一。

(2)我國電氣設備抗震設防標準較低，新修訂的相關規(guī)范未正式實施。

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

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

對于220 kV黃崗變電站，根據GB 50260—1996《電力設施抗震設計規(guī)范》，電氣設備抗震設計基本加速度為0.15 g;根據新修訂的 GB 50260—2013，220 kV變電站為重要電力設施，電氣設備抗震設計基本加速度為0.3 g。與蘆山地震水平記錄加速度反應譜的對比如圖5(a)、(b)所示，圖5中還給出了設計譜乘于安全系數(shù)1.67的反應譜。當?shù)卣鹩涗浖铀俣确磻V的值超過設計譜的1.67倍時，電氣設備可能出現(xiàn)破壞。從圖中可以看出，采用 GB 50260—2013進行抗震設計的電氣設備，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較窄范圍內超過了設計譜的1.67倍，能保證大多數(shù)設備的地震安全。

正在規(guī)劃設計中的雅安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。特高壓電氣設備抗震設計譜與蘆山地震水平記錄加速度反應譜的對比如圖5(c)所示。特高壓電氣設備采用了較高的設防標準，設計譜的1.67倍基本包絡了所選4個臺站記錄的加速度反應譜。在這種情況下，多數(shù)特高壓設備將是安全的，說明特高壓電氣設備的抗震設防標準是基本合理的。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計應慎重。

(3)變電站電氣設備多為瓷柱式設備，地震時瓷套管易斷裂。電瓷型電氣設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，設備容易發(fā)生共振。由于這類電氣設備的阻尼比較小，一旦接近共振頻率，動力放大系數(shù)就很大，加劇了設備的破壞。

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

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

(5)汶川地震后，許多學者對電力設施進行了大量的調查和研究［1-8，14］，總結了相關經驗，提出了改進的建議，有效減輕了蘆山地震中電力設施的破壞和損失。

汶川地震后新建的變電站采用了較高的標準，并能嚴格施工，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、滾石等地質災害導致的破壞也較少。

4 結論與建議

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

(1)新修訂的GB 50260—2013《電力設施抗震設計規(guī)范》提高了電氣設備的抗震設防標準，將有效降低電氣設備的地震損失。

(2)在高烈度區(qū)，特高壓變電站的選址及抗震設計應慎重，確保特高壓電氣設備的地震安全。

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

(4)借鑒IEEE Std 693的成功經驗，吸取汶川地震的教訓，盡快實現(xiàn)變電站電氣設備抗震性能檢測標準化和制度化，編制相關標準，制訂授權單位資證要求，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、新技術的應用，如用合成材料替代瓷性材料;高烈度區(qū)的重要電氣設備，尤其是特高壓電氣設備，必須采取減隔震技術，確保變電站的地震安全。

［1］中國電機工程學會.地震對電力設施影響及應對調研報告［R］.北京:中國電機工程學會，2009.

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

［3］張小民.隔震技術在變電所設計中的應用［J］.電力建設，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研究現(xiàn)狀及震害防御對策［J］.電力建設，2007，28(5):23-27.

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

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

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

［8］楊少勇，趙建國.電力系統(tǒng)地震災害預防技術綜述［J］.電網技術，2010，34(8):57-63.

［9］GB 50011—2010建筑抗震設計規(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電力設施抗震設計規(guī)范［S］.北京:中國計劃出版社，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備の耐震設計指針［S］.東京:音羽印刷株式會社，2010.

［14］中國電力科學研究院.特高壓電氣設備抗震評估與減震設計研究［R］.北京:中國電力科學研究院，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電信設備抗地震性能檢測規(guī)范［S］.北京:北京郵電大學出版社，2006.