淺談變電站抗震措施

【摘 要】 本文通過電力設(shè)施受到地震災(zāi)害的破壞事件的類型和原因，講述了國(guó)內(nèi)外電力設(shè)施方面采取的兩種抗震措施：第一種通過提高建構(gòu)筑物和設(shè)備本身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的傳統(tǒng)的方法對(duì)地震進(jìn)行“抗硬”，雖然這種方法對(duì)過去抗地震災(zāi)害起到了重要的作用，但建筑物內(nèi)部設(shè)施、儀器卻遭到破壞；第二種隔震減震措施已經(jīng)得到國(guó)內(nèi)外建筑物采用和考驗(yàn)，它減少傳遞到隔震結(jié)構(gòu)上部的地震能量，明顯有效地減輕結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。隔震減震技術(shù)的成熟運(yùn)用對(duì)變電站抗震有重要意義。

【關(guān)鍵詞】 電力；變電站；電力設(shè)備；設(shè)施；隔震減震

前沿：

強(qiáng)烈地震是各類自然災(zāi)害中對(duì)生命線工程威脅最大的災(zāi)害之一，使各類結(jié)構(gòu)遭受破壞并對(duì)生命線工程系統(tǒng)的功能受到重大損壞或功能喪失，哪怕只是某些部分結(jié)構(gòu)遭到輕中度的損壞，也能造成整個(gè)生命線工程系統(tǒng)大幅度消弱。就電力系統(tǒng)來說，它一旦遭到損壞失效，就會(huì)使人類受到嚴(yán)重災(zāi)害及經(jīng)濟(jì)損失，電力一旦中斷，就會(huì)使人類不能正常生產(chǎn)生活，可能還會(huì)引起次生災(zāi)害，導(dǎo)致人類生命、財(cái)產(chǎn)收到威脅。

1 電力設(shè)施受到地震災(zāi)害的破壞事件的類型和原因

1976年發(fā)生在中國(guó)河北的唐山大地震中，斷路器、隔離開關(guān)、避雷器都達(dá)到了很高損壞率，這些設(shè)備都是由地震引起的瓷套管根部斷裂，而瓷套管大多是組成這類設(shè)備的絕緣部分。

其受到震害的原因：

（1）設(shè)備的結(jié)構(gòu)形狀細(xì)而長(zhǎng)，上部質(zhì)量又較大，地震時(shí)由于瓷套管是脆性材料，當(dāng)根部受到強(qiáng)大彎曲時(shí)，瓷套管自然斷裂，特別是瓷套管同其他材料的相接處的斷裂損壞。

（2）地震波的卓越頻率與這些設(shè)備的固有頻率相近，而且這些設(shè)備材料大多由脆性材料組成，其儲(chǔ)能能力和設(shè)備阻尼值較小，使設(shè)備受到類共振影響遭到損壞。

以上是地震中電力設(shè)施受到震害的類型之一的電瓷型高壓電氣設(shè)備；而因砂土液化或者地基不均勻沉陷造成的塔體破壞等屬于高壓輸電鐵塔震害類型；地震過程中，主體移除軌道、傾倒等，頂層瓷套管損壞，散油器等附件的損壞屬于電力變壓器震害類型；震害過程中高壓變電站的變電設(shè)備很多由支撐結(jié)構(gòu)損壞而受到破壞是屬于支撐結(jié)構(gòu)震害；變電站內(nèi)的軟硬母線破壞形式分別為：軟母線通常是懸掛母線的絕緣子被拉斷，硬母線是棒式支柱絕緣子被折斷，這種是屬于變電站內(nèi)母線震害；計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)等二次設(shè)備在變電站中有很大的重要性，需完好無缺才能保障變電站的正常運(yùn)行。在地震中二次設(shè)備通常是遭到倒塌等、滑落等破壞而使其喪失一些使用功能是屬于其他電力設(shè)備的破壞震害類型。

2 目前中國(guó)在電力設(shè)施方面的抗震措施

通過以上電力設(shè)施震害類型和原因，中國(guó)在電力設(shè)施方面的抗震措施首頁(yè)要從提高建構(gòu)筑物和設(shè)備本身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度來著手相關(guān)研究工作。研究變電站內(nèi)電力設(shè)施在地震過程中的失效概率。通過研究對(duì)震害資料進(jìn)行分析，還有通過實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算相關(guān)分析，使這些抗震措施的研究工作在災(zāi)害預(yù)測(cè)、減輕地震作用措施等方面取得了有效成果；這種“抗硬”途徑的研究方法，利用增粗構(gòu)件斷面、增強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛度來抵擋抗震能力；通過“設(shè)防烈度”限定結(jié)構(gòu)抗震能力的，使實(shí)際地震不超過預(yù)定的“設(shè)防烈度”，即結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)；這種抗震措施不適用于對(duì)某些抗震過程中出現(xiàn)彈塑性變形的結(jié)構(gòu)。

震害資料是地震時(shí)的真實(shí)反應(yīng)結(jié)果，是變電站設(shè)備 抗震性能的重要分析手段。但并不是每個(gè)地方都有足夠的震害數(shù)據(jù)可分析。

其電力設(shè)備的抗震實(shí)驗(yàn)，國(guó)內(nèi)外在二十世紀(jì)七十年代采用了靜力、動(dòng)力實(shí)驗(yàn)等。二十世紀(jì)八十年代中期和末期我國(guó)采用了一系列的震動(dòng)實(shí)驗(yàn)，雖然初步取得了附件對(duì)設(shè)備動(dòng)力反應(yīng)影響等的結(jié)論，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)分析中的局限性：①震動(dòng)實(shí)驗(yàn)資金耗費(fèi)大，模型制作需要很高精密性，震動(dòng)臺(tái)足夠大。②實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性由于電氣設(shè)備的實(shí)驗(yàn)條件與現(xiàn)場(chǎng)條件存在很大的不同而受到限制。

目前，我國(guó)與電力設(shè)施有關(guān)的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，基本只考慮到建筑結(jié)構(gòu)本身的抗震，而對(duì)設(shè)備方面的抗震考慮較小。而大多數(shù)國(guó)家都采用彈塑性設(shè)計(jì)方法，這種傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)通過增大結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，使建筑結(jié)構(gòu)在強(qiáng)地震作用下不至于倒塌，但結(jié)構(gòu)的框架卻有可能發(fā)生重要破壞。最近這幾年按照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》建筑結(jié)構(gòu)的抗震有顯著提高。而變電站的一些昂貴、復(fù)雜的電氣設(shè)備和設(shè)施，常常浮放在地基基礎(chǔ)。強(qiáng)烈震動(dòng)使得一些易損部位遭到破壞，失去使用功能，而修復(fù)這些設(shè)備通常卻很有難度，比如進(jìn)口設(shè)備。

隨著隔震減震技術(shù)的抗震方法出現(xiàn)，使得抗震方法在不斷發(fā)展和完善。這種抗震方法通過隔離措施，隔斷或減小地震傳播到電力設(shè)施上的能量，從而減小電力設(shè)施的地震反應(yīng)。

3 隔震減震措施具有的優(yōu)點(diǎn)和在電力設(shè)施方面的應(yīng)用前景

隔震減震是在工程結(jié)構(gòu)的某些特定位置，安裝隔振器等裝置來改變結(jié)構(gòu)動(dòng)力特征或者動(dòng)力作用，促使工程結(jié)構(gòu)在地震過程中產(chǎn)生的加速度、速度等動(dòng)力反應(yīng)有合理控制。從本質(zhì)上是通過分離結(jié)構(gòu)、部件和會(huì)引起地震地面、支座運(yùn)動(dòng)，隔斷地震能量的傳播途徑，盡量減少傳遞到隔震結(jié)構(gòu)上部的地震能量，從而減少上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)[1]。與傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)方法比有明顯的減震能力。其具體的表現(xiàn)：第一，為了有效地減輕結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，采取隔震體系的上部結(jié)構(gòu)加速度反應(yīng)只是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)加速度的1/12～1/4。第二，當(dāng)?shù)孛鎰×艺饎?dòng)時(shí)，上部結(jié)構(gòu)還是處于正常的彈性工作狀態(tài)，這樣就確保了一般民用建筑結(jié)構(gòu)在強(qiáng)地震中的安全性，也能保證在強(qiáng)地震中某些重要結(jié)構(gòu)物、生命線工程結(jié)構(gòu)物、內(nèi)部有重要設(shè)備的建筑物等正常使用。第三，由于隔震減震體系使得上部結(jié)構(gòu)承受的地震作用大幅度降低，使上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)的斷面、配筋減少，構(gòu)造及施工簡(jiǎn)單，大大降低造價(jià)。雖然隔震減震裝置需要提高造價(jià)（5%），但建筑總價(jià)仍可降低：7 度區(qū)節(jié)省1%～3%；8 度區(qū)節(jié)省5%～15%；9 度區(qū)節(jié)省10%～20%，并且安全度大大提高。

結(jié)構(gòu)隔震技術(shù)出現(xiàn)在二十世紀(jì)六十年代，在建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。世界各國(guó)電力工程界對(duì)結(jié)構(gòu)隔震技術(shù)不斷開展深入研究，四十多年來取得了不錯(cuò)的結(jié)果，也成為了電力工程界領(lǐng)域的一個(gè)新的學(xué)科分支。二十世紀(jì)六十和七十年代，隔震技術(shù)的理論和實(shí)驗(yàn)也運(yùn)用到了土木工程領(lǐng)域，也取得了好的成就。二十世紀(jì)八十年代，美國(guó)、日本等幾個(gè)國(guó)家將這項(xiàng)技術(shù)運(yùn)用到了橋梁、多層建筑物等防震保護(hù)措施上面。近些年來，中國(guó)和其他國(guó)家也開始對(duì)結(jié)構(gòu)隔震技術(shù)進(jìn)行重視和應(yīng)用。結(jié)構(gòu)隔震技術(shù)不僅通過了實(shí)驗(yàn)室的驗(yàn)證，而且近來的也通過了地震中的實(shí)地驗(yàn)證。在1994 年1 月7 日美國(guó)加利福尼亞州的諾斯里奇/圣費(fèi)爾南多盆地發(fā)生的M=6.4 級(jí)地震中，有一座7 層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)采用了隔震措施，距震中僅36 km。建筑物在場(chǎng)地的最大地面加速度為0.49g，但該建筑物在地震中達(dá)到的最大加速度反應(yīng)只及地面最大加速度的1/2 左右[2]。

隔震技術(shù)在中國(guó)建成隔震結(jié)構(gòu)工程的應(yīng)用大約有400棟左右。主要包括：①一些長(zhǎng)年住人或人群密集的建筑物，保障地震時(shí)人類的生命安全。如：住宅、劇院、教學(xué)樓、辦公樓、民用建筑、大商場(chǎng)等。②地震過程中防止建筑結(jié)構(gòu)物受到嚴(yán)重次生災(zāi)害。如：變電站、指揮中心、通訊中心、交通樞紐、醫(yī)院、急救中心、糧食加工廠、電廠等。③地震區(qū)重點(diǎn)保護(hù)的建筑結(jié)構(gòu)物。如：博物館、文物館、重要?dú)v史性建筑、重要紀(jì)念性建筑物、重要圖書資料館、法院、檔案館等。④地震過程中，確保內(nèi)部有重要儀器設(shè)備的建筑結(jié)構(gòu)物不受破壞。如：實(shí)驗(yàn)中心、精密儀器中心、計(jì)算機(jī)中心等。⑤重要結(jié)構(gòu)的建筑物。⑥保強(qiáng)已有的建筑物、結(jié)構(gòu)物在地震中的安全和隔震加固改良[3]。

隔震減震技術(shù)目前已經(jīng)相對(duì)成熟，國(guó)外很多建筑物都用了隔振技術(shù)，我國(guó)也在大部分建筑物中采用了這種技術(shù)，其中有好些建筑是經(jīng)歷了地震的考驗(yàn)，這就說明了，隔震減震技術(shù)減震機(jī)理明確，減震效果明顯。而且在重要工業(yè)設(shè)備防震中也有明顯成果。如核電站主要設(shè)備的隔震技術(shù)、變電站基底隔震抗震加固。

4 結(jié)語

變電站電力設(shè)施在地震中的安全運(yùn)行是電力工程界必須面對(duì)和解決的重點(diǎn)難題。并且電力系統(tǒng)作為生命線工程的重要組成部分，它在地震中遭到的破壞是非常值得重視和解決。同時(shí)，電力設(shè)施能在地震過程中安全運(yùn)行，不僅要在原來的傳統(tǒng)抗震措施中不斷加強(qiáng)研究，而且，電力設(shè)施隔震減震措施也要重視研發(fā)和應(yīng)用，雖然目前隔震減震技術(shù)運(yùn)用成熟，但對(duì)它的應(yīng)用和研究是具有現(xiàn)實(shí)意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 文佳. 隔震技術(shù)原理及存在問題分析[J]. 重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版. 2007（2）

[2] 王燕. 隔震技術(shù)及其在核電站中的應(yīng)用[J]. 河北建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào). 2004（1）

[3] 鄧又民. 多層框架基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)反應(yīng)研究[J]. 華中科技大學(xué). 2002（2）