尤红兵，赵凤新

(中国地震灾害防御中心，北京市 100029)

0 引言

电力系统是生命线工程的重要组成部分，在地震中一旦失效或遭到破坏，严重影响抗震救灾，并会造成巨大的经济损失［1-8］。

四川省芦山“4.20”7.0级强烈地震发生后，作者第一时间赶赴灾区，开展了房屋建筑、生命线工程的灾害调查评估工作，收集了相关资料。

根据芦山地震的特点和对电力设施震害的调查，结合对电气设备抗震设计反应谱和芦山地震记录加速度反应谱的对比，分析了电力设施的破坏原因，进一步提出了改进建议。希望尽快提高我国电气设备的抗震能力，确保电网的地震安全。

1 芦山7.0级地震

1.1 芦山地震简介

2013年4月20日08时02分，在四川省雅安市芦山县发生了7.0级强烈地震，震源深度约13 km。震中距离雅安市约35 km，距成都市约110 km。芦山县、宝兴县、天全县灾情最重。截至4月25日12时，地震共造成196人死亡，失踪21人，11470人受伤，损失巨大。

图1为芦山地震的发震构造背景，震中位于龙门山构造带南西段，附近有全新世活动的逆冲断裂(双石–大川断裂)分布。沿断裂带历史上多次发生6级以上地震，震中龙门乡距汶川8.0级地震的震中仅85 km。目前该地震余震主要分布于双石–大川断裂上盘，反映了地震能量及其次生灾害的集中分布趋势。

1.2 芦山地震的特点

(1)震级较高。这次地震的震级为里氏7.0级，震中烈度达Ⅸ度，属于强烈地震。图2为芦山地震烈度分布图，Ⅸ度区东北自芦山县太平镇、宝盛乡以北，西南至芦阳镇向阳村，长半轴为11.5 km，短半轴为5.5 km，面积208 km2。Ⅸ度区的交通、电力、供水、通信设施破坏严重。

(2)影响范围较大。地震造成雅安、成都、眉山、自贡等13个市(州)受灾。图2中Ⅷ度区面积为1418 km2，Ⅶ 度 区 为 4 029 km2，Ⅵ 度 区 达到13027 km2。

(3)余震多。截至5月12日16时，四川省芦山7.0级地震共记录到余震8791次，其中3.0级以上余震130次，包括 5.0～5.9级 4次，4.0～4.9级22次，3.0～3.9级104次，最大余震为5.4级。震后余震频繁且震级相对较高，造成灾害叠加。

(4)救援难。震中区域的芦山、宝兴、天全等县处于山区，震后主要道路中断，多次发生滑坡，救灾工作的难度较大。

(5)地震灾害隐患形势非常严峻。通过调查，地质灾害隐患多达7263处。地震灾区本来就是地质灾害多发地区，加之地震造成了山体破裂，目前又将进入汛期，地质灾害防治任务非常繁重。

2 电力设施破坏情况

根据国家电网的统计，地震导致芦山、天全、宝兴三县电网全部垮网，34座35 kV及以上变电站停运，265条10 kV及以上输配电线路停运，共计626台变电设备损坏。其中，2座220 kV变电站、7座110 kV变电站、15座35 kV变电站严重损毁;224条35 kV及以上线路严重受损。受地震影响，雅安地区有5座水电厂解列。地震累计造成18.66万客户停电，电网直接经济损失超过7亿元人民币。

位于天全县始阳镇的500kV雅安变电站，是九龙—石棉—雅安—成都水电大通道中关键的变电站，地震中部分设备受损。该站1号、2号主变套管漏油，避雷器出现断裂，220 kV 3、4母线PT避雷器受损，导致7条220 kV母线停运，雅安电网的稳定运行受到影响。

位于宝兴县的220 kV黄岗变电站受损严重，11支避雷器断裂，主变、母线等设备都发生不同程度损毁。黄岗站是芦山地震重灾区的一座220 kV枢纽变电站，承担着芦山、宝兴、天全3个县的电力供应。黄岗站不恢复运行，整个雅安北部电网将无法并入主网。

110 kV沙坪变电站，位于天全县小河乡青石村，是该县的2座110 kV变电站之一，承担着向该县西北片区2500余户居民及该县大多数高载能负荷供电的重任。“4.20”地震造成该站全站失压，1、2号主变高压导管漏油，3号主变基础移位;因损坏更换了2台110 kV断路器、7组隔离开关、1台电流互感器和1台电压互感器。图3(a)为沙坪110 kV变电站2号主变压器套管漏油，停产检修;图3(b)为沙坪110 kV变电站已破坏的高压六氟化硫断路器瓷套。

芦山110 kV金花变电站是芦山县主供电源点。地震中金花变电站2台变压器都有不同程度的受损，断路器、隔离开关等电气设备均有破坏。图3(c)为芦山金花110 kV变电站的抢修情况;图3(d)为芦山金花110 kV变电站墙体的破坏情况。金花变电站短时难以恢复供电，国家电网“指挥中心”提出了采用金花变电站站外搭接的方式，供芦山110 kV苗溪变电站，由苗溪站反供芦山县城的方案。在震后的第一夜，重灾区芦山县城就恢复了供电，保证了抗震救灾的顺利进行。

由于芦山地震中地质灾害较多，造成了电线杆被滚石砸坏，如图3(e)、(f)所示。

图3 电力设施破坏情况Fig.3 Damage of power facilities

芦山地震中国家电网四川主网运行正常，华中区域电网、西北区域电网和重庆、青海、甘肃、西藏、湖南等公司所属电网运行正常，未受影响。

3 破坏原因

(1)芦山地震震级较高，极震区烈度达到Ⅸ度，超出了电力设施的设防烈度，这是造成电气设备破坏的首要原因。

地震中受灾较重的部分变电站以及强震动台站的分布如图2所示。根据国家标准GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》［9］及 GB 18306—2001《中国地震动参数区划图》［10］，500kV 雅安变电站、220 kV 黄岗变电站、110 kV沙坪及金花变电站均位于区划图中0.15 g区，设防烈度一般为Ⅶ度。

图2中的▲表示强震动台站，与变电站距离较近的8个台站得到的强震水平向记录最大峰值加速度为台站2的1.005 g，最小为台站5的0.154 g，详见表1。表中EW、NS分别表示东西向、南北向水平地震记录。其中，6个台站的8条水平记录的峰值加速度超过了0.3 g，高于这些变电站电气设备根据《电力设施抗震设计规范》［11］确定的GB 50260—1996设防标准。

表1 芦山地震加速度记录Tab.1 Acceleration records in the Lushan Earthquake

根据GB 50260—1996《电力设施抗震设计规范》，330，500kV变电站为重要电力设施，电气设施可按设防烈度提高1度进行抗震设计，但并没有规定必须提高1度。而110，220 kV变电站不属于重要电力设施，设防烈度不需提高。因此，上述变电站的设计基本加速度为0.15 g或提高1度为0.3 g。

图4给出了台站1、3、7水平向记录5%阻尼比的加速度反应谱与GB 50260—1996《电力设施抗震设计规范》设计谱的对比，图中规范设计谱的峰值加速度分别为0.15 g、0.3 g，特征周期为0.4 s。

从图4可以看出，芦山地震记录的反应谱在0.1～0.4 s范围内明显高于规范的设计谱。对于按0.15 g进行设计的电气设备，地震记录反应谱的谱值分别为设计谱的3.5～5.96倍，远大于电气设备的安全系数1.67。即使按0.3 g进行设计的设备，地震记录反应谱的谱值也达到设计谱的1.75～2.98倍，也高于1.67的安全系数。由于电气设备多含瓷套，应力一旦超过其破坏应力，将导致设备的破坏，这是这些变电站破坏严重的原因之一。

(2)我国电气设备抗震设防标准较低，新修订的相关规范未正式实施。

我国现行的《电力设施抗震设计规范》从1996年一直沿用至今，电气设备的设防标准低于美国［12］、日本［13］等国家的标准。汶川地震加速了此规范的修订，新修订的《电力设施抗震设计规范》将于2013年9月1日起施行。随着我国特高压电网的迅速发展，特高压电气设备抗震设计的相关规范及标准［14］也将发布。

为比较我国不同规范电气设备抗震设计反应谱，图5给出了5%阻尼比的 GB 50260—1996及GB 50260—2013《电力设施抗震设计规范》的设计谱、特高压电气设备抗震设计谱，并与芦山地震部分台站水平记录加速度反应谱进行了对比。

对于220 kV黄岗变电站，根据GB 50260—1996《电力设施抗震设计规范》，电气设备抗震设计基本加速度为0.15 g;根据新修订的 GB 50260—2013，220 kV变电站为重要电力设施，电气设备抗震设计基本加速度为0.3 g。与芦山地震水平记录加速度反应谱的对比如图5(a)、(b)所示，图5中还给出了设计谱乘于安全系数1.67的反应谱。当地震记录加速度反应谱的值超过设计谱的1.67倍时，电气设备可能出现破坏。从图中可以看出，采用 GB 50260—2013进行抗震设计的电气设备，其抗震能力将大幅提高。只有台站7的NS方向记录的谱值在0.14～0.2 s较窄范围内超过了设计谱的1.67倍，能保证大多数设备的地震安全。

正在规划设计中的雅安1000kV特高压变电站(图2)是雅安—武汉特高压交流输变电工程的重要工程，规划场址距震中约10 km。特高压电气设备抗震设计谱与芦山地震水平记录加速度反应谱的对比如图5(c)所示。特高压电气设备采用了较高的设防标准，设计谱的1.67倍基本包络了所选4个台站记录的加速度反应谱。在这种情况下，多数特高压设备将是安全的，说明特高压电气设备的抗震设防标准是基本合理的。但雅安1000kV特高压变电站距震中仅10 km，且地震中有超过1.0 g的加速度记录(台站2)，因此特高压变电站的选址及抗震设计应慎重。

(3)变电站电气设备多为瓷柱式设备，地震时瓷套管易断裂。电瓷型电气设备的固有频率一般为1 ～10 Hz［5-7，14-15］，与地震波的主要频率相近，设备容易发生共振。由于这类电气设备的阻尼比较小，一旦接近共振频率，动力放大系数就很大，加剧了设备的破坏。

(4)我国还没有变电站电气设备抗震性能检测的国家标准。地震中许多电气设备破坏严重，原因之一是设备没有进行统一的检测，抗震性能参差不齐。

我国通信行业制订了电信设备抗地震性能检测的行业标准［16］，工业企业电气设备的抗震性能检测的国家标准也在制订中，希望变电站电气设备抗震性能检测的国家标准能尽快制订并实施。

(5)汶川地震后，许多学者对电力设施进行了大量的调查和研究［1-8，14］，总结了相关经验，提出了改进的建议，有效减轻了芦山地震中电力设施的破坏和损失。

汶川地震后新建的变电站采用了较高的标准，并能严格施工，此次地震中变电站建筑物的破坏较轻。另外，新建变电站的选址较合理，没有断层穿过变电站;因滑坡、滚石等地质灾害导致的破坏也较少。

4 结论与建议

电力设施中电气设备对于地震灾害具有较高的敏感性和易损性，芦山地震再次表明加强我国电气设备防震减灾工作的重要性和紧迫性。

(1)新修订的GB 50260—2013《电力设施抗震设计规范》提高了电气设备的抗震设防标准，将有效降低电气设备的地震损失。

(2)在高烈度区，特高压变电站的选址及抗震设计应慎重，确保特高压电气设备的地震安全。

(3)制定分期分批开展全国地震区，特别是高烈度区，电气设备抗震能力的普查工作，及早更换达不到抗震要求的设备。

(4)借鉴IEEE Std 693的成功经验，吸取汶川地震的教训，尽快实现变电站电气设备抗震性能检测标准化和制度化，编制相关标准，制订授权单位资证要求，制定检测合格证统一形式及发布程序。

(5)提倡与推广新材料、新技术的应用，如用合成材料替代瓷性材料;高烈度区的重要电气设备，尤其是特高压电气设备，必须采取减隔震技术，确保变电站的地震安全。

［1］中国电机工程学会.地震对电力设施影响及应对调研报告［R］.北京:中国电机工程学会，2009.

［2］谢强.电力系统的地震灾害研究现状与应急响应［J］.电力建设，2008，29(8):1-6.

［3］张小民.隔震技术在变电所设计中的应用［J］.电力建设，2005，26(11):31-34.

［4］曹枚根，朱全军，默增禄，等.高压输电线路防震减灾研究现状及震害防御对策［J］.电力建设，2007，28(5):23-27.

［5］谢强，王健生，杨雯，等.220 kV断路器抗震性能地震模拟振动台试验［J］.电力建设，2011，32(10):10-14.

［6］程永锋，朱全军，卢智成.变电站电力设施抗震措施研究现状与发展趋势［J］.电网技术，2008，32(22):84-89.

［7］尤红兵，赵凤新，刘锡荟.美国《变电站抗震设计推荐规程》评价［J］.电力建设，2009，30(6):43-47.

［8］杨少勇，赵建国.电力系统地震灾害预防技术综述［J］.电网技术，2010，34(8):57-63.

［9］GB 50011—2010建筑抗震设计规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2010.

［10］GB 18306—2001中国地震动参数区划图［S］.北京:地震出版社，2001.

［11］GB 50260—1996电力设施抗震设计规范［S］.北京:中国计划出版社，1996.

［12］IEEE Standard 693—2005 Recommended practiceforseismic design of substations［S］.New York:IEEE，2005.

［13］JEAG5003—2010变電所等におけゐ電気設備の耐震設計指針［S］.东京:音羽印刷株式会社，2010.

［14］中国电力科学研究院.特高压电气设备抗震评估与减震设计研究［R］.北京:中国电力科学研究院，2013.

［15］李亚琦，李小军，刘锡荟，电力系统抗震研究概况［J］.世界地震工程，2002，18(4):79-84.

［16］YD 5083—2005电信设备抗地震性能检测规范［S］.北京:北京邮电大学出版社，2006.