淺談電網企業系統性防御地震方法及措施

陳宇民，羅康順，顏冰，彭晶，李昊，彭慶軍， 青言，李佑明，王韌，孫再超

（1. 云南電網有限責任公司，昆明 650217；2. 云南電網有限責任公司玉溪供電局，云南 玉溪 653100； 3. 云南電網有限責任公司電力科學研究院，昆明 650217；4. 云南電網有限責任公司紅河供電局，云南 蒙自 661100； 5. 云南電網有限責任公司楚雄供電局，云南 楚雄 675000；6. 云南電網有限責任公司臨滄供電局，云南 臨滄 677000）

0 前言

近年來，地震、泥石流、臺風、內澇及海嘯等小概率的自然災害時有發生，對電網企業變電站的可靠運維帶來極大的危害，嚴重時會造成變電站及其變電一次設備的永久性損壞。就地震來說，2003年8月8日西藏波密南5.7級地震造成墨脫縣水電站被毀；2008年全國發生最嚴重是5.12汶川地震（8級），造成四川、甘肅、陜西、重慶4個省級電網多座變電站及變電設備的嚴重破壞，受損變電站達上百座；2017年8月9日新疆精河6.6級地震造成精河縣110 kV戈洲變電站圍墻坍塌、110 kV塔斯爾海變電站變壓器燒毀、110 kV阿卡爾變電站變壓器、35 kV高壓柜燒毀。云南省內近年來發生的2011年3月10日云南盈江5.8級地震造成盈江縣輸電線路、變壓器、高壓分支器、開關柜、中控設備等電力設施設備出現一定損壞，2012年9.7彝良縣5.9級，2014年8.3魯甸縣6.5級及2018年9.8墨江縣5.9級地震造成了220 kV發界變部分GIS間隔漏氣、35 kV龍頭山變全站設備不同程度受損及500 kV墨江變、500 kV惠歷墨江甲線和乙線高抗的部分高壓套管根部開裂等不同程度的損傷。

變電站作為電力系統的重要組成部分，在地震中一旦遭到破壞，將會導致供電中斷且短時間內無法恢復供電，電力中斷時不僅嚴重影響正常的生產、生活，更會直接影響到抗震救災工作的有序開展，而且地震發生后很有可能引發火災等次生災害，嚴重威脅人們的生命和財產安全[1]。為了進一步推動變電站及其變電設備固有風險排查及治理工作，提升電網設備抗震運維水平，本文以云南電網為例，淺談電力企業系統性防御地震自然災害專項工作方法及處置措施。

1 云南省總體地震區劃圖分布

根據國家地震局發布的《GB 18306-2015中國地震動參數區劃圖》梳理出云南地區分十大地震帶，分別為：

1）安寧河－則木河地震帶；

2）小江地震帶；

3）馬邊－大關地震帶；

4）通海－石屏地震帶；

5）南華－楚雄地震帶；

6）木里－鹽源地震帶；

7）中甸－大理地震帶；

8）騰沖－龍陵地震帶；

9）瀾滄－耿馬地震帶；

10）思茅－普洱地震帶。

十大地震帶烈度都在6度以上，90%以上大于7度，云南電網大部分變電站均分布在這十大地震范圍內，因此開展變電站抗震性能提升措施分析需求迫切。

2 云南35 kV及以上電壓等級變電站抗震風險評估概況

國家地震局根據近年來全國各地區發生地震的情況進行統計和分析后，在原有標準《GB 18306-2001 中國地震動參數區劃圖》的基礎上修編了2015版新標準，對部分區域的防震烈度等級進行了調整，云南地區整體調整范圍較大。因云南電網2015年前投運的35 kV及以上變電站占了在運變電站的大多數，致使大部分變電站及設備均存在抗震不足風險，變電站設施抗震薄弱環節較多，通過梳理將變電站設施抗震薄弱環節分為9大類：

1）處于地震斷裂帶范圍內，并且屬于電網年度重要風險和重點管控的變電設施；

2）按照1978抗震設防標準設計建設的建筑物；

3）抗震設防標準建設低于所在地地震烈度的設備、設施；

4）抗震評估達不到設防標準的設備、設施；

5）變電站位于城中村的設施；

6）站內未進行加固處理的設備、設施；

7）主變各側套管和變電站站用變；

8）普通硅質瓷柱式互感器、避雷器、隔離開關、斷路器等設備；

9）變電站內通訊機房供電設施。

3 系統性防震措施分析

云南所屬地震帶多，地震烈度高，大多數變電站存在抗震能力不足的情況，云南電網抗震形勢整體較為嚴峻，為做好云南電網地震引發突發事件的防范工作，不斷提高系統性防震能力，將地震應急與預防工作相結合，降低地震災害對電力設備、設施的影響，以下將從設備選型與布置、安裝方式選擇、抗震加固、抗震物資儲備和地震應急管理工作等方面進行系統性防震措施分析。

3.1 合理選擇電氣設備選型與布置方式

1）在高地震烈度區域建設變電站，站內設備優先選用GIS、HGIS、罐式SF6斷路器，此類設備重心低、頂部重量輕，有利于抗震性能的提升，若選用瓷套管類電氣設備，這類設備的絕緣部分均為瓷套組成，瓷套是脆性材料，抗彎性能差[2]。為提高此類設備的抗震性能，應盡可能提高瓷套管的強度，如采用高強度的高硅瓷等；對于500 kV變電站在高抗震設防烈度（9度地區）條件下可采用GIS戶內單層布置，其余采用戶外敞開式布置或HGIS布置；110 kV、220 kV 變電站在高抗震設防烈度（9度地區）條件下，可采用GIS 戶內布置，其余情況下應采用戶外敞開式布置；抗震設防烈度為8 度及以上時，110 kV 及以上斷路器宜選用罐式斷路器。

2）變壓器套管，應優選垂直式布置，各側套管及中性點套管接線應采用帶緩沖的軟連接或軟導線，套管應優先選用抗震性能較好的硅橡膠材料。

3）互感器，不宜選用倒置式互感器，主要是考慮倒置式互感器上部質量較大，地震發生時容易發生折斷的情況，因此對于變電站使用的倒置式互感器，可結合大修技改考慮逐步更換或改造。

4）配電裝置，配電裝置選用戶外中型布置。

5）母線，變電站內的母線可分為硬母線和軟母線兩種[3]，硬母線一般是由鋁管、鋁板組成，軟母線由鋁線組成，母線本身的抗震強度較高，地震時一般不會造成母線斷裂等情況，地震時母線受損的原因主要是支撐母線的絕緣子被拉斷。因此在抗震設防烈度8度及以上地區，宜采用懸吊式管母線，對于220 kV及以上變電站使用支持管母的，可結合大修技改考慮逐步更換或改造。當采用硬母線進行連接時，應在硬母線中部設置母線伸縮節，在硬母線和設備的連接處采用軟導線連接。

6）連接導線，對于0.3 g以上的高地震烈度地區設備間應盡量采用軟導線，導線的長度在滿足帶電距離校核的情況下應留有一定的裕度，以保證導線安裝完成后一定的弧垂，當軟導線或引下線過長時，應增設固定支點或裝設減震裝置，以防止地震時造成的導線搖擺拉壞設備端子或設備本體。

3.2 合理選擇設備安裝方式

合理的安裝方式可以減少設備在地震時發生位移、傾倒的情況，對于高地震烈度地區的站內電氣設備，宜采用焊接或螺栓固定的方式。在采用焊接安裝時，應采用線焊接，焊縫應連續，焊接的強度應均勻，飽滿。在選用螺栓安裝方式時，應注意同一設備安裝螺栓強度應統一、螺栓固定位置應均勻布等問題，具體有以下幾類設備需重點關注。

1）電力變壓器和高壓并聯電抗器，地震烈度為7度及以上的地區，宜取消電力變壓器或高壓并聯電抗器的滾輪和鋼軌，將變壓器和電抗器直接安裝在水泥基礎平臺上，并采用螺栓連接或采用焊接方式將設備底座直接和基礎預埋件連接，場地允許時可增加基礎平臺寬度（一般不小于800 mm）；對于無法取消的，應對于輪軌式安裝的主變壓器（高壓電抗器），應加強固定，如在輪子兩側加止滑擋板，盡可能避免其滑動移位傾倒；對平放在預埋鋼板基礎上的變壓器或高壓并聯電抗器，應完善主變壓器底座與基礎的固定措施，原采用點焊的改為滿焊，一定程度上限制變壓器或高壓并聯電抗器的振幅頻率，提高抗震能力；當變壓器或高壓并聯電抗器35/10 kV側采用硬母線時，應采用軟導線過渡或有足夠伸縮接頭，防止拉壞瓷套管。對110 kV及以上變壓器或高壓并聯電抗器套管引線進行重新校核，在滿足安全距離的前提下，適當延長引線長度（如增加過渡板等）。對于必須用硬連接的，可以對硬母線采用打折方式，以增加抗拉性能；

2）GIS，設備現場安裝時采用化學螺栓（8.8級鋼材制造），將設備固定在土建預先澆注好的基礎平臺上；

3）電力電容器，尤其是交直流電容濾波塔采用戶外框架式布置，當電容器數量多、總體高度高，電容器宜采用臥式布置，在設計電容器構架時必需按其所在地區的地震等級水平驗算構架耐受地震能力；

4）開關柜及保護屏，采用焊接或螺栓連接的固定方式，將其牢固地固定在基礎上。對于地震烈度高于8度的地震區域，應將幾塊屏柜的重心以上位置連成整體（建議用直徑＞10 mm螺栓在柜內上、中、下部位進行連接），屏柜上的表計要固定牢固，以防止地震發生時表計從屏柜中摔出；二次設備屏頂應安裝防落物、防雨絕緣罩；采用前插式裝置的屏柜，正常運行時應鎖緊柜門，防止插件因劇烈震動脫落，柜內滑軌式安裝的裝置應采取止滑動措施；

5）蓄電池組，對組架安裝的蓄電池組應檢查電池架是否用螺栓與地面可靠連接，放在電池架上的蓄電池組，宜在其中部進行圍擋式固定，以防止其跌落損壞；

6）其他，控制臺上的監控用顯示器、五防主機等采取必要的防止其滑落損壞措施；主控室、保護小室的空調設備采取必要的防止其傾倒損壞措施，應與運行二次設備保持足夠距離，避免砸壞鄰近設備。

3.3 對不滿足抗震性能的電力設施進行加固

電力設施加固技術根據不同設備類型可分為減震技術和隔震技術，對于隔離開關、瓷柱式斷路器、避雷器等單支柱類設備，由于設備整體重心較高，上部質量較大，瓷套管均為脆性材料，阻尼比小，抗彎和抗剪切能力差，一旦在外力作用下超過設備運行值很容易發生瓷柱斷裂的情況，特別是在瓷柱根部和法蘭盤結合的部位，對于此類設備加固技術主要采用減震技術，見圖1，即在高壓電氣設備連接板的上下兩面或一面安裝彈性阻尼減震裝置，當地震來臨時，一方面高壓電氣設備可以繞著中心點進行轉動，從而減小最下部瓷套的彎矩和應力，另一方面通過增加設備結構阻尼來降低設備動力響應[4]，起到保護高壓電氣設備的目的。

圖1 隔離開關等單支柱類設備減震措施示意圖

對于變壓器、電抗器等一類設備，地震來臨時套管等附件容易發生斷裂、漏油等情況，這主要是因為套管等附件所處位置較高，相較變壓器、電抗器本體，地震作用力對套管等附件的動力放大效應更大，此外這類設備質量大，地震發生時因地震力作用產生的慣性也較大，變壓器或電抗器在地震作用力的作用下有可能發生位移或掉臺等情況，對于此類設備應采取隔震措施，詳見圖2，即在基礎底部安裝橡膠隔震裝置，通過改變變壓器、電抗器本身的固有頻率，防止設備固有頻率與地震發生時的頻率發生共振，減少地震作用力對本體、高重心附件的作用效果，從而達到保護設備的目的。

圖2 變壓器、電抗器等設備采取隔震措施示意圖

3.4 對建筑物進行抗震加固

發生較大及以上地震建構筑物發生坍塌時，不僅容易造成人員的傷亡，也會使建構筑物內部的設施遭到重大的損壞，對于變電站來說建構筑物主要包括主控室、保護室、配電室、高壓室等，當地震來臨發生房屋坍塌時，往往導致一、二次設備發生損壞，影響電力系統正常供電，因此對不符合抗震烈度的建構筑物是十分必要的。

對變電站建構筑物加固是一項綜合性的工作，在對現有這些建構筑物進行抗震加固前，應依據其所在區域設防烈度、抗震設防類別、后續使用年限和結構類型按現行國家標準《GB50023 建筑抗震鑒定標準》的相應規定先進行抗震鑒定，對現有建構筑物的抗震鑒定步驟包括：

1）搜集建構筑物的現場勘察報告、施工和竣工驗收的相關原始資料；當資料不全時，應根據鑒定的需要進行補充實測；

2）調查建構筑現狀與原始資料相符合的程度、施工質量和維護狀況，發現相關的非抗震缺陷；

3）根據各類建構筑結構的特點、結構布置、構造和抗震承載力等因素，采用相應的逐級鑒定方法，進行綜合抗震能力分析。

對現有建構筑進行綜合抗震能力分析后，給出整體抗震性能評價，對符合抗震鑒定要求的建構筑物說明其后續使用年限，對于不符合抗震鑒定要求的建構筑提出相應的抗震加固方法，一般主要是對結構構件進行抗震與整體性加固，加強其強度、延性[5]。建構筑物具體抗震加固方法可分為：面層加固法、板墻加固法、外加柱加固法、壁柱加固法、混凝土套加固法、鋼構套加固法、鋼絞線網聚合物砂漿面層加固法、碳纖維布加固法，實際加固過程中選用哪種方法需按現行標準《JGJ 116 建筑抗震加固技術規程》的相應規定進行選擇加固。

3.5 建立變電設施震前物資儲備計劃

震前物資儲備情況與地震風險的高低存在正相關關系[6]，即地震發生概率越高、危險性越大、設備及建構筑物易損性越高、設備及建構筑物出現損壞后對電力系統的影響越大，則所需地震應急物資也應當越充分。

震前物資儲備計劃秉承“充分準備，科學應對”的原則，根據云南電網范圍內抗震不足的變電站所涉及的電網風險、重要用戶供電、處于0.3 g及以上高地震烈度區域作為判據進行統計，具備物資儲備條件且重復出現的物資僅儲備一次為原則。

根據重要性將變電設備儲備物資劃分為一級設備儲備物資和二級設備儲備物資，其中一級設備儲備物資為震后應急復電的必要物資，包括電流互感器、斷路器、隔離開關、母線、絕緣子、蓄電池和UPS共七類，配置原則按220 kV、110 kV、35 kV和10 kV四個電壓等級進行分類，這些物資對復電起到關鍵性的作用，通過整合不同類型物資的技術參數后，按同一廠家同一型號不同電壓等級的方式儲備應急物資（優先考慮本身廠家，其次考慮設備占比量大的廠家）；二級設備儲備物資為震后需快速修復的設備，包括主變套管、電壓互感器、GIS、避雷器、電容器，配置原則按220 kV、110 kV、35 kV和10 kV四個電壓等級進行分類，采用簽訂應急抗震聯動協議的方式，確保震后廠家的及時供貨，協助公司開展搶修工作。

3.6 做好地震應急管理工作

建立科學的地震應急機制，扎實做好地震應急管理工作[7]，按照統一協調、分級負責的原則，切實加強防震抗震工作的管理能力，確保在震前做好人員和物資的各項準備工作，臨震時能迅速進入應急狀態，震后能有效投入救災工作，加強人員應急意識和自救、互救技能的培訓，不斷提高地震應急能力。

配備應急保電類裝備，如發電車、柴油發電機等，確保震后重要場所、區域電力供應；配備應急搶修類物資，主要儲備地震中容易受損的設備，便于震后設備功能的快速恢復；配備個人裝備類物資，如個人應急照明、帳篷、應急食品、藥品等，建立搶修人員的后勤保障體系、配備應急通信類物資，如衛星電話、對講機等，確保地震發生正常通信中斷后，行政指揮和調度指揮能保持通信通暢。

對以上地震應急物資應做好日常維護工作，確保“拿得出，用得上”，對于需要一定操作技能才能操作的應急發電機和照明裝置，應進一步加強應急發電機和照明裝置等應急裝備物資的應用培訓及演練，確保現場員工能熟練正確操作各類應急裝備，提高地震災害的應急和協調能力，做到快速反應、協同應對。

3.7 建立地震預警系統

與中國地震臺網中心合作，建立地震預警系統，對各類地震監測數據進行查看、分析、處理，實現地震信息的共享，根據各類監測數據及時評估某一地區發生地震的概率和風險，對發生地震概率較高地區的電網發出預警，該地區電網在接收到預警后，結合該地區變電設備、設施等抗震水平，制定科學合理的電網地震應急方案并對方案中的內容進行演練，確保在地震發生時減少地震對電網的影響。

4 震后“黑箱期”應急響應措施分析

破壞地震發生之后，前期的數小時內，外界得不到災區任何信息，我們稱之為黑箱期[8]，“黑箱期”期間通信、交通等中斷，我們無法及時準確地獲取電網受損和人員傷亡情況[9]，因此無法迅速開展地震災后搶修工作，為此需建立信息系統快速報送、多系統聯動協同、人員和物資合理調配的工作機制。

1）迅速成立地震應急指揮中心，按照統一協調、分級負責、局部利益服從全局利益的原則。對人員、物資、信息等進行統籌部署、統一規劃，根據收集到的地震信息，合理進行人員、物資的調配，爭取盡早恢復電力供應。

2）建立與政府機構的應急聯動機制，確保信息互聯互通。充分依托政府的組織優勢、信息優勢、社會公眾力量以及公司的資源優勢，及時獲取地震監測預報信息。與中國地震臺網中心合作，實現秒級的地震速報信息的接入，實現各類地震監測數據的查看、處理，及時掌握第一手地震信息情況；與中國航天空間技術研究院總體設計部合作，在大地震發生后，緊急調用衛星資源，以最快速度完成地震可能受災區域的衛星拍攝和結果分析，以全面了解災害范圍及程度，為電網應急救災指導提供支撐。

3）利用電網內部資源收集震中第一手信息。加快生產監控指揮中心地震應急模塊的建設及應用。實現地震后迅速向省級公司及各供電局提供“黑箱期”應急信息，完成地震監測告警短信的自動發送：在接收到地震數據后的5分鐘內，自動發送地震監測告警短信到相關聯系人手機；實現地震應急報告的自動生成，在接收到地震數據后的5分鐘內，自動生成地震應急報告，地震應急報告應包含地震三要素（發震時刻、震源位置及震級）、距離震中10 km、20 km及50 km范圍內受影響變電站及輸電線路、在線監測數據、震中氣象實況及預報數據、視頻監控清單等；開展地震監測數據、GIS數據及輸變電設備臺賬數據、變電站監控視頻等的關聯分析，篩選受地震影響的變電站及變電設備、輸電線路及桿塔臺賬初步判斷電網設備受損情況；利用變電站視頻監控系統、開展直升機、無人機的航拍作業或智能機器人巡檢作業，將得到的圖像信息第一時間發回至應急指揮中心，由應急指揮中心派專人對獲得的信息進行解讀，以評估設備受損情況，為后續的物資調配、搶修人員安排提供信息支持。

5 震后快速供電恢復措施分析

地震發生后，立即啟動搶修應急預案，在應急指揮中心的統一指揮下，利用地震“黑箱期”獲得的相關信息，快速反應，盡快掌握災情，根據風險評估的結果，應急人員、應急援物資迅速趕往搶修現場，在風險管控措施到位的前提下組織開展應急搶險、恢復電力供應等各項應急處置工作，在發生局部電網瓦解或大面積停電時，首先考慮電網及電力供應恢復，依據與政府應急機構共同確定的重要保障場所和區域，在一定時間內，按照輕重緩急，統籌資源調配，兼顧救援和搶修，優先恢復重要保障場所和區域的供電。

啟動應急發電設備確保應急救援需求，有序開展應急處置，重要保障場所一般包括電力調度大樓、政府辦公樓、地震局、軍區、公安廳、公安消防總隊、武警總隊、武警森林總隊、公安邊防總隊、各大醫院、電信大樓、移動大樓、聯通大樓、交通廳、機場、電氣化鐵路、加油站、輸油管道共18處；重要保供電區域一般包括政府現場應急指揮部、災民集中安置點、主要醫院、涉及應急救災工作的重要用戶（如：水、電、油、氣供應、航空、交通運輸生產場所）、敏感用戶、政府明確的其他保供電區域共6處。

6 結束語

地震作為最常見的自然災害之一，對電力系統的影響較大，特別是發生較大及以上地震時易造成變電站建構筑物被毀、變電設備損壞，并引發水火、爆炸等次生災害，經濟損失十分巨大[10]。因此在日常工作中，需加強對系統性防震措施的研究與應用，根據不同地區的地震特點，加強地震應急方案的修編、日常地震應急物資的維護和應急隊伍的演練等工作，建立起一整套防震工作流程和機制，不斷提高抵御地震風險的能力，減少地震對電力系統的影響。