我國電力系統的地震災害及應對機制

汪 洋，楊太華，曹加良

(1.上海電力學院經濟與管理學院，上海 200090;2.同濟大學結構工程與防災研究所，上海 200092)

在現代社會中，維系現代城市功能與區域經濟功能的基礎性工程設施系統，定義為生命線系統，電力系統作為生命線系統的重要內容，在國民經濟建設和人民日常生活中具有舉足輕重的作用.歷次大地震的震害表明，電力系統在地震中一旦遭受破壞，不僅會造成巨大的直接或間接經濟損失，影響人民群眾的正常生活和社會生產，還會給震后的抗震救災和應急救援帶來極大困難.因此，開展電力系統的抗震研究，提高電力系統在地震災害下的安全性，并建立相應的應急響應機制，保障災后電力供給是當前電力系統一個刻不容緩的任務.

本文以5·12汶川特大地震為例，分析地震對電力系統造成的破壞，提出了相應的應急響應機制.

1 電網震害

5·12汶川特大地震是新中國成立以來破壞性最強、波及范圍最廣、救災難度最大的一次地震，震級達里氏8級，最大烈度達11度［1］.通過震后的調查研究發現，這次地震中電力系統的主要震害表現在以下3個方面.

1.1 輸電線路的震害

輸電線路作為電網的重要組成部分，其倒塌、毀壞將直接導致電網癱瘓.從以往的震害調查發現，一般情況下輸電塔桿的抗震性能較好，單純的強地震致使輸電塔桿破壞的并不多見.

在汶川地震中，輸電線路的破壞主要是由于地震引起的泥石流等次生災害導致輸電桿塔倒塌引起的.泥石流造成山體滑坡，導致輸電桿塔基礎發生破壞或不均勻變形，從而使桿塔結構及輸電線路倒塌.

1.2 發電廠廠房的震害

地震中，由于發電廠廠房的倒塌或發電設備的破壞，會使發電廠遭受巨大的災害.部分發電廠的廠房遭受到強烈地震后發生建筑物倒塌，并引起發電設施的損壞，主要是由于發電廠廠房結構及設備的抗震性能不夠，或地震烈度超出了抗震設防等級而造成的.

1.3 變電站的震害

變電站的震害主要有兩種:變電站房屋發生倒塌;變電站進出線構架及高壓電氣設備發生倒塌和破壞.

這兩種地震破壞都會影響變電站的變電功能，使電網喪失供電能力，導致局部區域性斷電.變電站的震害主要是由于房屋及構架的抗震能力不夠，或地震烈度超出了抗震設防等級，以及高壓電氣設備重心高、脆性構件多等原因造成的.

上述震害特點表明，電力系統的震害主要集中在發電廠、變電站、開關站、換流站的電氣設備.因此，電力系統的抗震設防重點是廠房、各種設備及基礎設施等，對于處于高烈度區的輸電塔也要加強其抗震性能.

2 我國電力系統抗震研究現狀

20世紀80年代，我國開始對電力系統的抗震進行廣泛的實驗和分析研究.1978年，西北電力設計院、原一機部抗震研究室、國家地震局工程力學研究所提出了“高壓電器設備減震技術研究”課題，研究內容包括一些高壓電氣設備的動力特性分析、高壓電氣設備的模擬地震振動臺試驗［2，3］.20 世紀 90 年代中期，同濟大學土木工程防災國家重點實驗室進行了一系列的核電站高壓電氣設備的振動臺試驗研究［4］.進入21世紀，部分學者開始研究減、隔震新技術在電力設施中的應用.研究結果表明，采用減隔震裝置后，電氣系統整體周期延長，地震造成的災害大為減小［5］.

在對各類電氣設備詳細研究的基礎上，我國于1997年3月正式頒布了《電力設施抗震設計規范》(GB50260－96)，對抗震設防烈度在6度至9度區內新建和擴建的常規安裝的電力設施的抗震設計進行了規定，使新建和擴建電力設施的設計有章可循，為減輕電力設備的地震破壞、減少電力系統的經濟損失提供了依據.

但從文獻資料和實際應用情況來看，對于電力系統中的工程結構(各類房屋和輸電塔架等)的抗震設計基本還是以相關工業與民用建筑設計規范為依據，忽略了該類結構的特殊性和重要性，尤其是實際地震烈度超出抗震設防等級時缺乏相應的安全儲備.各類減、隔震裝置還處于理論研究或試驗階段，沒有得到大范圍的推廣應用.

此外，從20世紀80年代后期至今，電氣設備抗震的研究基本是在110～220 kV的電壓范圍內進行的，這是由于在相當長一段時期內我國電力系統中大量采用的是110～220 kV高壓電氣設備.雖然對一些超高壓電氣設備進行了試驗研究和實測，但由于條件所限，對330 kV及其以上電壓等級的電氣設備抗震性能的研究工作開展較少.近年來，隨著電力工業的迅猛發展，超高壓500 kV電網已經成為我國大部分地區的主干電網，特高壓1 000 kV電網的示范線路也已經開工建設.因此，對超高壓和特高壓電氣設施的抗震研究也應盡早開展，以適應電網發展的需要.

3 國外電力系統抗震研究及災害應對措施

由于特殊的地理環境和經濟實力，美國和日本對電力系統抗震的研究一直處于國際領先地位.

根據抗震性能要求，日本將電力設備分為兩類:第一類包括大壩、LNG儲罐、儲油罐等，與這些結構相關的電力設備在一般地震下不能出現主要功能故障，在大地震的情況下不能對人民生命造成重要影響;第二類包括發電廠建(構)筑物、發電機組、鍋爐、變電設備、輸配電設備及電力安全通訊設施等，這些電力設備在一般地震下不能出現主要功能故障，在大地震情況下不發生大面積長期的供電中斷，應有可替代、多重化的綜合設施以確保電力系統的功能.

日本在世界上率先將最先進的防災技術應用到新建電力設施或已有電力設施的改造加固中.如東京電力公司的電力調度和防災指揮中心辦公大樓，采取了基礎隔震的結構形式，大大降低了地震對建筑結構的威脅，也保障了災害發生時的救援指揮和調度.中部電力公司新建的歧阜縣分部大樓，在各個樓層都采用了帶有半主動控制的粘滯性阻尼器來減震，還在屋頂進行加振器試驗，以檢測整體建筑的抗震性能.日本的工程技術人員還開發了一種新型的油阻尼器，在不影響生產的情況下對核電站煙囪進行抗震加固，這是該領域世界范圍內的首例.

1971年美國的San Fernando地震、1989年的Loma Prieta地震，以及1994年的Northridge地震，都對美國的電力系統造成了較嚴重的破壞.針對這些震害，美國的研究人員進行了很多的實驗和分析.對北美地區電力系統的規劃、電氣設備的抗震標準作出了更詳細的規定.地震以后，一些變電站重新進行了布置，為了改進電力系統的性能，開始用復合材料代替瓷件，部分剛性母線和導線用柔性的代替.

2003年，美國生命線工程聯合會(ALA)設立了“電力系統抗震安全和可靠性”專門委員會，委托加州大學伯克利分校的太平洋地震工程研究中心(PEER)對電氣設備的抗震進行系統的研究.該研究計劃投入了大量經費，對電力設備，特別是變電站的各個組成設備進行了大量詳細的建模分析及試驗研究.研究分析的成果寫入了IEEE693標準(變電站的抗震設計)，主要包括試驗用地震輸入波形、變壓器絕緣套管地震響應、230 kV開關器的性能，以及500 kV變壓器絕緣套管地震響應等.這些研究解決了變電站設計中的很多具體問題，如連接設備之間的相互作用，500 kV開關器的抗震性能，變壓器抗震設計分析的地震輸入等.研究分析表明:采用了相關措施以后，變電站設備的抗震安全性和可靠性得到了大幅度提高［6-8］.

4 我國電網震害的應對措施

4.1 提高電網的安全可靠性

從汶川地震震害調查發現，震中烈度達到11度，而重災區基本上是7度設防或不設防，過大的震動荷載造成了電網的嚴重破壞.因此，應該加強區域地震危險性分析，修正電力設施抗震設防標準，并嚴格執行，以提高我國電網的安全可靠性.

此外，在電網建設方面，發達國家的輸配電資產和發電資產比例一般為60∶40.由于歷史原因，我國的電網建設嚴重滯后于電站建設，威脅了電網的安全，因此有必要加大電網投資力度，提高和改善電網的安全可靠性.另外，隨著電網投資向高壓、超高壓和特高壓產品方向發展，對超高壓和特高壓的輸變電線路的安全可靠性也提出了新的要求.

4.2 增加電力系統薄弱環節的抗震能力

通過對汶川地震的震害分析發現，應該加強電力系統的抗震設計和抗震構造措施.

(1)發電廠、變電站和輸電桿塔的抗震設計應該嚴格參照《建筑抗震設計規范》［9］進行，根據實際情況構架結構的抗震設計并進行抗震設計理論的研究，以采取合理可靠的抗震設計措施.在地質條件惡劣的山地地區，輸電桿塔的埋設應充分考慮地質破壞的可能性，做好選址工作并對地基采取抗震措施.

(2)輸變電線路的高壓電氣設備，如斷路器、隔離開關、避雷器、變壓器套管、支柱絕緣子等，由于重心較高，瓷質脆性構件多，在地震中易被大量破壞.此外，變壓器安裝方式不當也會造成該設備的移位、傾斜和轉動.因此，應對變電站里易損性的高壓電氣設備的抗震性能進行研究，如電瓷型的支柱、套管等，換用強度較高的瓷質絕緣材料，將硬連接的設備改為軟連接，并增加連接長度.

(3)提高高電壓電氣設備的抗震性能要求，考慮采用減隔震新技術，并落實到相關制作廠家，使之得到推廣應用.

4.3 建立電網的災害應急響應機制

電網應對地震災害的對策主要分為3個階段:災前預防;災時應急;災后快速恢復.

災前預防措施主要是指選用抗災性能好的設備，這些設備要通過抗災設計、抗災補強，以及日常良好的維護來保持其較好的抗災性能.

災時應急主要是盡量減輕災害發生時的影響范圍.采取的措施主要包括設備構成的多重化，以及有相應的備件提供災時支撐等.

災后快速恢復的措施很多，包括快速恢復物資的應急供應、保持恢復工作的暢通、各相關單位之間的相互支援等.

建立應急響應機制主要應該考慮的問題及對策如下.

(1)發電廠、輸電線路、變電站的重要設備在受損或破壞后，會發生大面積、長時間的停電，同時會對環境造成影響，因此應實施相應的抗震對策，盡量使重要設備的運行不受影響.

(2)在大地震或火災等次生災害造成的變電站設備破壞、發生大范圍停電時，應有多重的備用設施和設備，電力供給可以不經過受損傷設備而直接啟動備用設備，盡量在短時間內恢復停電區域的電力供應.

(3)在強震區域，由于附近建筑物受損倒塌而導致的電桿折斷、倒塌，輸電桿塔的損壞會引起停電事故，因此應研制并儲備簡易搶修設備，以及時取代受損的桿件和線路，實現震后初期的恢復供電.

(4)大地震時，由于大量的電氣設備被破壞，備用系統可能無法使用.另外，道路不通、恢復電力的器材物資不能及時投入使用.考慮到大地震發生后的長時間持續停電，因此，要與整個社會救災機制相配合，制定以快速恢復為目的的相關搶修應急預案.

5 結語

基于對電力系統在地震中的災害和應對政策的研究分析，筆者建議應該積極開展4個方面的工作:一是加強電氣設備，特別是變電站、開關站、換流站電氣設備的抗震性能評估，采用先進的隔震、減震等控制措施，提高電氣設備的抗震性能;二是全面系統地研究500 kV超高壓和1 000 kV特高壓各種電氣設備的抗震性能，彌補電氣設備抗震研究工作的缺失;三是從網絡可靠性分析和潮流分析等方面，對地震時電網功能失效進行廣泛深入的研究，充分把握其薄弱環節及其破壞機理，為提高電力設施的抗震性能提出有效的措施;四是借鑒國外的先進經驗，建立和健全各大電網公司的地震應急響應機制和震后供電快速恢復機制，力爭將特大地震災害對電網的沖擊減至最小.

［1］于永清，李光泛，李鵬，等.四川電網汶川地震電力設施受災調研分析［J］.電網技術，2008(11):1-6.

［2］吳惠中，周紀卿.KW4-500空氣斷路器地震響應分析［J］.高壓電器，1986(6):4-12.

［3］楊亞弟，張其浩.多柱式電器設備抗震分析［J］.地震學刊，1988(8):21-27.

［4］李天.電力系統抗震可靠性分析研究［D］.上海:同濟大學，2001.

［5］文波，牛荻濤，張俊發，等.隔震技術在高壓電力設施中的應用［J］.工業建筑，2009(1):36-41.

［6］SONG Junho，Der KIUREGHIAN Armen，JEROME L，et al.Seismic response and reliability ofelectricalsubstation equipment and systems［R］.PEER Report，University of California，Berkeley，CA，2004:335-362.

［7］SONG Junho，Der KIUREGHIAN Armen，JEROME L，et al.Seismic interaction in electrical substation equipment connected by non-linear rigid bus conductors［J］.Earthquake Engineering and Structural Dynamics，2007，36(2):167-190.

［8］SHAKHZOD M R Takhirov，GREGORY L.Seismic qualification and fragility testing of line break 550 kV disconnect dwitches［R］.PEER Report， University ofCalifornia，Berkeley，CA，2004:221-237.

［9］中華人民共和國建設部.建筑抗震設計規范(GB 50011—2001)［S］.北京:中國建筑工業出版社，2001:89-91.