变电站地震灾害分析与抗震设计

2013-08-09朱瑞民李东亮齐立忠李科文

电力建设 2013年4期

朱瑞民，李东亮，齐立忠，李科文

(国网北京经济技术研究院，北京市 100052)

0 引言

变电站是电力系统中变换电压、接受和分配电能、控制电力的流向和调整电压的重要电力设施，通过变压器将各级电压的电网联系起来，是电网中输电和配电的集结点。世界范围内，近几十年来发生的灾害性地震表明，电力系统的抗震能力较弱，其震害具有波及范围广、连锁影响强、造成的直接和间接经济损失大等特点［1］。2008年汶川大地震中，四川、重庆、陕西、甘肃电网中的35 kV及以上变电站停运247座，其中需重建17座(四川境内)，需要恢复运行230座［2］，给灾区人民群众生产生活、生命财产及抗震救灾都带来了严重影响。为提高变电站电力设施抗震能力，减少地震灾害损失，本文对变电站建、构筑物及电气设备地震破坏的原因进行分析，针对变电站抗震薄弱环节，提出变电站抗震设计建议。

1 变电站地震灾害情况

我国是世界上地震灾害最严重的国家之一，自20世纪60年代以来，我国发生了十几次对电气设备造成震害较大的地震，如1975年海城地震(7.3级，震中烈度9度)和1976年唐山地震(7.8级，震中烈度11度)，特别是2008年汶川地震(8.0级，震中烈度11度)，造成大量变电站内电力设施损毁［2］。

1.1 变电站建筑物震害统计

汶川地震造成国家电网公司系统110 kV及以上变电站停运89座，电力损失负荷6850MW。其中500kV和330 kV变电站各停运1座，220 kV变电站停运14座，110 kV变电站停运73座。四川省作为地震中心区域，受灾最为严重。处于极震区汶川映秀镇的二台山220 kV变电站完全毁坏(见图1)。距离震中最近的四川丹景、谭家湾和茂县3座500kV变电站中，丹景变和谭家湾变的生产建筑物主体结构基本完好无损，围墙等次要建筑出现微小裂缝，经修补后不影响使用。茂县变地处震中区，其220 kV配电装置楼墙体出现裂缝，其余主要生产建筑未见明显破损。

图1 汶川映秀镇二台山220 kV变电站毁坏Fig.1 Devastation of 220 kV substation on Ertaishan in Yingxiu Town，Wenchuan County

110、220 kV变电站建筑物震害情况:20世纪60、70年代的建筑物均为砌体结构，无抗震措施，结构受到严重破坏甚至坍塌，不可修复，需要重建;80年代的建筑物多为砖混结构，采用构造柱、圈梁及其他拉结等抗震措施，绝大部分结构受损，修复后可继续使用，但也有使用20年以上的建筑物严重受损，结构构件承载力不足，需要重建;90年代之后建设的生产用房，多采用钢筋混凝土框架结构，建筑物结构基本完好，仅在非承重墙、女儿墙等非结构构件出现裂缝，不影响建筑物的正常使用功能，经修补即可。

1.2 变电站构支架震害统计

变电站设备构、支架和基础在汶川受损数量较少。发生损毁的主要原因是:滑坡等次生灾害，如220 kV银杏变电站110 kV场地构架由于山体塌方受到严重损坏;少量水泥杆构支架，使用年限较长，因地震作用产生损伤。

1.3 变电站主要电气设备震害统计

变电站主要电气设备有变压器、断路器、隔离开关、电流互感器、电压互感器、避雷器、电容器、电抗器及室内各类设备(如控制屏)等。变压器的震害表现为:变压器底座同轨道的焊缝破裂或底座从轨道里脱离出来;变压器的附属设备和地脚螺栓剪断;套管根部断裂等［3-4］(见图 2)。

图2 安县站1号主变压器严重移位Fig.2 Severe displacement of No.1 main transformer in Anxian substation

断路器、避雷器、隔离开关、电压互感器、电流互感器等电瓷型高压电气设备的损坏率非常高，是变电站功能失效的主要因素。其震害主要特征是绝缘瓷瓶断裂、设备倾斜或跌落［3-5］(见图3)。

图3 隔离开关瓷套根部断裂Fig.3 Rupture at root of disconnecting switch porcelain

少油断路器和空气断路器的典型震害是支持瓷套折断，折断处多在根部，少数在总高度的1/3处折断，唐山地震中9度区的SW6－220型少油断路器的损坏率达到了58.5%。高压避雷器以普通阀型的震害最严重，其典型震害是安装在底部的元件折断，有拉线支撑的避雷器折断部位多在支撑处。隔离开关的典型震害是支柱绝缘子折断，折断处一般都在根部金属法兰与瓷件结合部位，对于水平开断式隔离开关，有的是因震开导电杆而断电，有的是导电杆与主轴、底架之间焊接部位折断破坏。电压互感器、电流互感器震害特点是从支架上跌落摔坏瓷件、拉断引线。此外，由于地震使电流互感器处于开路状态产生了高电压，短路后造成设备、线路被烧毁等次生灾害。

室内设备主要包括开关柜、配电屏、控制屏、继电保护屏及通信系统的微波机、载波机、交换机等设备。这类设备震害的主要原因是未采取可靠的固定措施，使设备在地震中发生位移或倾倒。蓄电池大多因为其浮放在支撑木架或基础平台上，导致蓄电池移位、倾倒或跌落摔坏。海城地震时，7～9度地区，所有发电厂、变电所的蓄电池全部损坏。

2 变电站地震灾害损毁机理分析

变电站地震灾害损毁程度与建设年代、设防烈度、本区域的实际地震烈度、抗震设防标准及建筑物结构型式等有密切关系。

2.1 变电站建筑物震害损毁机理分析

(1)500kV变电站建筑物在汶川地震中无严重损坏，只有个别变电站围墙等次要建筑物受损。主要是由于500kV变电站建设时间相对较短，采用GB 50260—1996《电力设施抗震设计规范》进行设计。按此规范规定，500kV变电站内主要建筑物为一类建筑物，抗震措施提高1度;另外500kV变电站内主要建筑物采用钢筋混凝土框架结构，其承受水平荷载能力较强，且延性及变形能力较好。

(2)110、220 kV变电站建筑物在汶川地震中有不同程度的损坏。20世纪60、70年代的建筑物损坏严重，主要是由于建筑物均为砌体结构，承受水平荷载的能力及变形能力较差，基本无抗震措施。

(3)20世纪80年代的建筑物，绝大部分结构受损，少部分严重受损，主要是由于遵循TJ ll—74(试行)或TJ ll—78《建筑抗震设计规范》规范，虽为砖混结构，但采用构造柱、圈梁及其他拉结等抗震措施，绝大部分建筑物修复后可继续使用。少部分受损严重的建筑物，受环境及施工质量影响，出现混凝土开裂、碳化现象，钢筋失去表面钝化膜的保护，部分钢筋锈蚀，导致房屋构件(如梁柱)强度下降，节点构造措施弱化，结构构件承载力不足。

(4)20世纪90年代后建设的生产用房，建筑物结构基本完好，经修补即可使用。主要是由于抗震设计遵循GBJ 11—89或GB 50011—2001《建筑抗震设计规范》规范，多采用钢筋混凝土框架结构及抗震设防等级的提高，局部受损原因为地震烈度高于抗震设防烈度。

2.2 变电站构支架震害损毁机理分析

变电站的构架、设备支架和基础在汶川地震中有部分损坏，受损数量较少。一部分是位于山区的变电站，由于山体塌方等次生灾害引起变电站构支架严重损坏。另一部分是投运时间较长的变电站，构支架采用水泥杆，年久失修，存在混凝土风化、碳化和开裂现象以及钢筋锈蚀等，导致构支架存在结构缺陷，在地震作用下发生损毁。

2.3 变电站电气设备震害损毁机理分析

在汶川地震中，变电站电气设备损坏数量较多，尤其位于地震高烈度区受损情况严重。地震波频率多为1～10 Hz，当变电站电气设备及其支撑体系的自振频率接近或等于地震波的频率时，将发生共振，动力放大系数很大，产生的地震作用也很大，导致电气设备损坏［3-6］。

变压器的震害表现为变压器底座同轨道的焊缝破裂或底座从轨道里脱离出来;变压器的附属设备和地脚螺栓剪断;套管根部断裂等。主要原因是变压器浮放在轨道和基础上，未采取固定措施或虽采取了固定措施但方式不当或强度不足，地震时将固定螺栓剪断、拉脱或将焊缝拉开，使固定装置失效。

断路器、避雷器、隔离开关、电压互感器、电流互感器等电瓷型高压电气设备的损坏率非常高，是变电站功能失效的主要因素，其震害主要特征是绝缘瓷瓶断裂、设备倾斜或跌落。震害的主要原因是:(1)绝缘材料采用瓷套管，陶瓷属于脆性材料，抗弯性能很差，加上设备的结构形状特殊，不仅又细又长，而且上部质量较大，地震时瓷套管的根部承受很大的弯矩，使瓷套管强度不足而断裂。尤其是在瓷套管与其他材料的连接处变形不协调，加大了瓷套管的裂损。(2)这类电气设备的固有频率为1～10 Hz，与地震波的卓越频率相近，设备容易发生拟共振;而且这类设备的阻尼比较小，一旦接近共振频率，动力放大系数就很大，损坏更加严重。

3 变电站抗震设计及建议

从历次大地震来看，变电站震害相对较严重、损失较大，因此应加强变电站抗震设计，提高变电站电力设施的抗震能力，尽量减少地震灾害损失、缩短停电或恢复供电时间，为灾区人民生产生活和抗震救灾提供电力保证。

3.1 变电站抗震设计

变电站抗震设计总体思路:(1)根据变电站电压等级及重要性按GB 50223—2008《建筑工程抗震设防分类标准》确定抗震设防类别;(2)根据 GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》和 GB 50260—1996《电力设施抗震设计规范》，分别对变电站建构、筑物和电气设备进行抗震设计;(3)对变电站抗震薄弱环节或部位进行加强。

3.2 变电站抗震设计建议

3.2.1 建、构筑物抗震设计建议

设计单位须按照现行国家标准认真做好场地岩土工程勘察工作，根据实际需要划分对建筑有利、不利和危险地段，提供建筑的场地类别和岩土地震稳定性评价。在处于地震烈度9度及以上地区新建变电站时，应综合考虑建筑物内的设备和建构筑物本身的抗震能力，建议对主控楼等重要建筑物采取整体隔震的方案，保护建构筑物和设备;在地震烈度8度及以上地区建站，建议采用罐式断路器或气体隔离开关(gas isolated switchgare，GIS)型式的设备，降低设备高度，提高抗震能力，必要时在基础上采用减震、隔震措施。

变电站中的多层建筑物应加强楼梯间抗震设计，便于地震时人员安全逃生;在满足使用要求的前提下，尽量避免大开间布局;建筑立面尽量避免悬挂或悬吊装饰构件;简化房间内吊顶、管道设计，避免震落伤及人员［6］。

设备支架尽量采用钢结构，以提高地震阻尼作用;在满足安全距离的前提下，尽量降低支架高度以降低设备安装高度，或采用落地式布置。根据真型试验及有限元分析数据显示，支架等对上部结构的动力放大系数波动范围很大，且往往远大于GB 50260—1996《电力设施抗震设计规范》规定的1.2。建议支架与设备本体合在一起计算，结构计算模型更符合实际［7］。

3.2.2 电气设备抗震设计建议

针对不同类型的电气设备，应合理选型，以确保其抗震能力。具有瓷套管类的电气设备，应尽可能提高瓷套管的强度，如采用高强度的高硅瓷等;具有支柱的细长类型高压电气设备，动力放大系数很大，在地震下容易发生共振，可采用减震器或阻尼器，改变设备体系的频率和阻尼比，从而降低设备的地震反应;对于变压器、开关柜、蓄电池等浮放设备，应加强设备本体与基础的连接，或设置必要的拉绳，以防止这些设备在地震中发生滑移、倾倒等震害;应提高电气设备与支承柱连接的可靠性，保证电气设备整体抗震性能。

4 变压器与基础连接计算

变压器是变电站最重要的电气设备，要保证变压器在大震中不移位、不掉台，必须将变压器与基础连接牢固，其中变压器与基础焊接连接就是一种连接方式，其焊缝应通过计算确定。

4.1 设计资料

某750 kV变电站位于8度抗震设防烈度区，地震峰值加速度为0.20 g。变压器质量为450000 kg，变压器的重心高度约为3 m，考虑到变压器的套管和油箱以及一些特殊性能对其的影响，重心高度可取为4 m，如图4所示。其中，变压器基础顶部设有20块预埋件，前、后共8块与变压器下部三面围焊。本次计算主要研究在地震作用下变压器底部与预埋件之间焊缝是否能够满足要求。

图4 变压器底座焊接连接Fig.4 Welding connection of transformer bed frame

GB 50260—1996《电力设施抗震设计规范》5.2.1条规定，变压器可采用静力设计法进行抗震设计。对电气设备进行抗震设计时，按5.2.2条计算的弯矩和剪力均应乘以支承结构动力放大系数，对于变压器的本体和基础的动力放大系数取2.0。

4.2 地震作用分析与计算

4.2.1 水平地震作用计算

水平地震作用下，变压器器身底部产生的弯矩和水平剪力(动力放大系数为2.0)分别为7200 kN·m、1800 kN。

4.2.2 竖向地震作用计算

GB 50260—1996《电力设施抗震设计规范》指出竖向地震作用可取水平加速度的65%。

4.2.3 变压器抗倾覆计算

水平地震作用分项系数为1.3，竖向地震作用分项系数为0.5。变压器重力荷载对抗倾覆有利，故取重力荷载分项系数为1.0。对于焊缝的承载力抗震调整系数为0.9。

(1)当地震水平加速度方向与变压器长轴方向一致时(即沿图4中x轴方向)，以短边为转动轴变压器自身产生瞬时的抗倾覆力矩 MH1、MH2为12861、13174 kN·m。当地震水平加速度方向与变压器长轴方向一致时(即沿图4中x轴方向)，由地震作用产生的倾覆力矩为9360 kN·m，小于MH1和MH2，表明地震水平加速度方向与变压器长轴方向一致时，变压器抗倾覆满足要求。

(2)当地震水平加速度方向与变压器短轴方向一致时(即沿图4中y轴方向)，以长边为转动轴，变压器自身产生瞬时的抗倾覆力矩 MH1、MH2都为5873 kN·m。当地震水平加速度方向与变压器短轴方向一致时(即沿图4中y轴方向)，由地震作用产生的倾覆力矩为9360 kN·m，大于MH1和MH2，变压器抗倾覆不满足要求，需要变压器与基础埋件的焊缝承担。