汉中地区变电设施在汶川大地震中的表现及其分析

杨应华熊 军王胜利

1）西安建筑科技大学土木学院，西安 710055

2）陕西省电力设计院，西安 710054

汉中地区变电设施在汶川大地震中的表现及其分析

杨应华1）熊 军1）王胜利2）

1）西安建筑科技大学土木学院，西安 710055

2）陕西省电力设计院，西安 710054

“5.12”汶川大地震中，陕西省的电力系统受到了不同程度的震害，汉中地区的震害尤其严重。根据震后对汉中地区变电站系统的震害调查，本文描述了在这次地震中汉中地区变电设施的震害情况和地震表现，对震害情况进行了破坏原因的分析，并对今后的变电站抗震设计提出了一些建议。

汶川大地震 变电站 震害

引言

“5.12”汶川8.0级特大地震波及甚广，西北地区的陕西、甘肃等地有明显震感。受地震影响，西北地区用电负荷瞬间下降，部分机组、线路跳闸，部分电力设施受损。震后，西北电网负荷由2323万千瓦瞬间下降到2102万千瓦，减少负荷221万千瓦左右，其中陕西187万千瓦，甘肃34万千瓦左右。陕西电网2台30万千瓦、1台33万千瓦机组解列，1台30万千瓦机组灭火。地震造成陕西4座35千伏以上变电站停运，109条10千伏以上线路停运，7座电厂不同程度受损，多台发电机组停运（国家电力监管委员会西北监管局，2008）。其中，陕南汉中电力系统的损失和破坏尤为严重。

电力系统一般由3个子系统组成：发电系统、变电系统、输电系统。每个子系统包括了不同的电力设备：如发电系统的发电设备、动力系统等；变电系统的变压器、电压互感器、电流互感器、隔离开关等；输电系统中的电线杆塔等。电力系统在遭遇地震时，发电厂、输电线路和变电系统会受到不同程度的影响。根据李亚琦等（2002）的分析，电力系统中的变电站尤其是高压变电站，地震破坏常常较为严重，导致无法正常供电的状况，阻碍了抗震救援工作。本文通过对陕南地区受灾比较严重的汉中市变电站系统的震害调查，给出了该地区相关电气设施及建构（筑）物在这次地震中的破坏现象及其地震表现，讨论了破坏机理和原因，最后提出了变电站抗震设计的建议。

汶川地震后不久，本文第3作者及其所在单位工程技术人员于2008年5月20日至5月25日，对陕南汉中地区的电力设施进行了震害调查，范围涉及汉中市的10个县和1个区（图1）。汉中市距震中约为400km，部分县距震中不足300km。按照中国地震局公布的汶川8.0级地震烈度分布图（图2），宁强县的地震烈度为Ⅶ—Ⅷ度；靠近四川的边界地区达Ⅸ度；略阳县为Ⅶ—Ⅷ度；汉台区、勉县为Ⅶ度；南郑县、留坝县为Ⅵ—Ⅶ度；其余城固县、西乡县、洋县、佛坪县、镇巴县均为Ⅵ度。震前留坝县、勉县、略阳县的设防烈度为Ⅶ度（0.1g）；洋县、西乡县、汉台区、南郑县、城固县、宁强县、佛坪县、镇巴县的设防烈度均为Ⅵ度（0.05g）。可见，宁强县和略阳县的部分地区以及汉台区的地震烈度，都不同程度地超出了设防烈度。

1 变电设施在汶川大地震中的表现

1.1 建、构筑物的表现

（1）建筑物

目前，汉中地区变电系统的建筑物如变电主控制楼、配电楼等，多数为钢筋混凝土框架结构，但仍然还有部分砌体结构建筑物存在。震害调查表明，砌体结构房屋的破坏率均比较高。建筑物的震害一般表现为墙体，如女儿墙的破坏（图3），或墙体（图4）、楼板开裂等。由于砌体结构的抗震能力较差，加之女儿墙呈悬臂状态，因此在地震作用下很容易产生破坏。图3所示女儿墙沿底部出现裂缝，整体向外倾斜。图4所示为围护墙出现水平裂缝，墙面外层脱落。

此外，还有大量非结构构件如吊顶、灯具及楼梯扶手等在地震中脱落或破断（图 5、图6、图7）。这些非结构构件的破坏，经修复即可使用。

图3 女儿墙底部开裂（汉中330kV 汉中变）Fig.3 Cracks at the bottom of parapets (Hanzhong 330kV substation)

图4 墙体开裂（略阳电厂）Fig.4 Cracks in a wall (Lueyang power plant)

图5 吊顶破坏（汉中110kV留坝变）Fig.5 Damaged ceiling (Hanzhong 110kV Liuba substation)

图6 吊顶灯具破坏（汉中110kV峡口驿变，略阳）Fig.6 damaged ceiling light (Hanzhong 110kV Xiakouyi substation)

在调查中也有部分结构的结构构件发生破坏。如图8所示的支撑横梁的牛腿在顶部发生破坏，混凝土脱落，产生竖向裂缝。这可能是由于竖向地震力作用引起的。

钢筋混凝土框架结构的变电建筑物基本没有严重的破坏，特别是近几年建造的变电站基本完好无损（图9、图10）。这表明合理设计的钢筋混凝土框架结构在设防烈度范围内，其抗震能力是令人满意的。

图7 楼梯扶手破断（汉中110kV留坝变）Fig.7 A broken banisters (handrail) of a staircase (Hanzhong 110kV Liuba substation)

图8 a 牛腿破坏（略阳电厂）Fig.8 a A damaged RC corbel-bracket (Lueyang power plant)

图8 b 牛腿破坏（略阳电厂）Fig.8 b Another damaged RC corbel-bracket t (Lueyang power plant)

图9 完好的变电站（汉中110kV葛石变，西乡）Fig.9 An intact substation complex (Hanzhong 110kV Geshi substation)

（2）构筑物

变电站构架绝大部分完好无损，仅少数构架受损坏。如图11所示的变电构架立柱出现倾斜。如图12所示的个别输电塔架由于滑坡等次生灾害而受损。而设备基础未见明显破坏情况。

以往的强震震害表明，变电构架、输电塔、设备基础受损较小，可以认为构筑物及设备基础具有良好的抗震性能。输电塔属于高柔钢结构，具有较好的变形能力和延性，一般来说抗震能力较强（张大长等，2009）。在震害中，输电塔受损的主要原因是由断层、滑坡等地表破裂造成的输电塔底部破坏。

除上述两类构筑物破坏外，其余的变电构架均表现出良好的抗震性能（图13、图14），即使较早建造的钢筋混凝土构架也未有破坏。图13的变电站砖砌围墙都被震坏，但围墙里边的钢筋混凝土构架仍然完好。图14显示钢结构变电构架完好无损。

图10 完好的变电站（汉中110kV海红变）Fig.10 An intact substation complex (Haizhong 110kV Haihong substation)

图11 变电构架立柱出现倾斜（汉中330kV 武侯变，勉县）Fig.11 Inclined column of a substation frame（Hanzhong 330kV Wuhou substation）

图12 输电塔由于山体滑坡底部受损（汉中110kV略—勉线）Fig.12 Damaged tower by landslide (110kV Lueyang-Mianxian)

图13 钢筋混凝土变电构架（汉中110kV海红变）Fig.13 RC frames of a substation with inclined enclosing walls (Haizhong 110kV Haihong substation)

1.2 电气设施

目前，国内与电力设施有关的抗震设计规范主要有《建筑抗震设计规范（GB50011-2001）》（中华人民共和国国家标准，2001）和《电力设施抗震设计规范（GB50260-96）》（中华人民共和国国家标准，1996），前者主要是对建筑结构本身的抗震规定，但亦包括设备安装措施等；后者对设备、仪器的抗震有详细的规定。在汶川地震中，汉中地区变电电气设备的震害主要有：绝缘子瓷件（支柱瓷瓶）损坏，如图15、图18所示。其典型震害是绝缘子支柱折断，折断处一般都在根部金属法兰与瓷件结合部位。图16中的高压开关柜在地震中产生了高电压而短路后造成设备、线路被烧毁等次生灾害。图17所示的震害为隔离开关的破坏，设备的尖针在正常状态下应与刚性母线一致对齐（图15a的左侧），而震坏后出现偏离，相差10cm左右（图15a右侧及图 15b），这是由于设备绝缘子串振幅过大造成移位。图 18 所示为一220kV少油开关绝缘子瓷立柱（支柱瓷瓶）的损坏。另外，地震后 330kV的武侯变电站 2号主变重瓦斯动作跳闸；330kV的汉中变220kV汉勉开关跳闸；220kV的勉县变＃1、2B重瓦斯保护动作跳闸；220kV的勉碧开关A相断裂，220kV旁母断裂，220kV旁母压垮倒至勉汉线旁刀闸等（国家电力监管委员会西北监管局，2008）。在地震中，多数变电站的的电线电缆由于过大的摆幅而被拉断，造成变压器、开关等工作失常。

图14 钢结构变电构架（汉中220kV勉县变）Fig.14 Steel frames of a substation (Hanzhong 220kV Mianxian substation)

图15 a 绝缘子折断（汉中110kV红河变）Fig.15 a Broken ceramic insulators (Hanzhong 110kV Honghe substation)

图15 b 绝缘子折断（汉中110kV红河变）Fig.15 b Broken ceramic insulators (Hanzhong 110kV Honghe substation)

图16 高压开关柜由于短路被烧毁（汉中110kV留坝变）Fig.16 A burnt high-voltage switch box due to short circuit (Hanzhong 110kV Liuba substation)

图17 a 隔离开关破坏（汉中330kV武侯变，勉县）Fig.17 a A damaged disconnector switch (Hanzhong 330kV Wuhou substation)

图17 b 隔离开关破坏（汉中330kV武侯变，勉县）Fig.17 b A damaged disconnector switch (Hanzhong 330kV Wuhou substation)

图18 220kV少油开关绝缘子瓷立柱损坏（汉中220kV勉县变）（照片来源：西北电监局）Fig.18 Damaged minimum oil breaker (Hanzhong 220kV Mianxian substation)

电气设备震害原因大致可以归结为以下3点：①高压电气设备体形又高又细，其固有频率低，大部分都在1—10Hz以内，与地震卓越频率相近，且阻尼比小（小变形时测试，一般为3%左右），因此，地震时的动力反应较大。②瓷质材料属于脆性材料，其抗拉、剪破坏的强度很低，一般约为 12—20MPa（水利电力部西北电力设计院，1989），同时瓷套绝缘子断面小，强度不足，地震时极易受弯折断。③位于Ⅶ度及其以上地震区内变电站的电气设备均有高大支架支撑，或安置在一定高度的台座上，设备支架对地面输入的加速度值有放大作用，使作用在设备上的地震力加大，高压电气设备的各个连接环节破坏严重。

2 总结与建议

2.1 总结

汶川地震陕南重灾区主要分布于陕西西南部川陕交界部位，以汉中的宁强县、略阳县、勉县和南郑县最为严重。根据中国地震局统计结果，陕南重灾区地震烈度达到Ⅶ—Ⅷ度，尽管房倒屋塌现象远不如四川灾区，但震害还是很严重，大量建筑物成为危房（赵治海等，2009）。作为生命线工程的重要组成部分，电力系统一旦失效或遭到破坏，就会严重影响救灾工作的进展并造成难以估量的经济损失。国内外历次大地震的统计表明，电力系统的地震易损性是较高的。尽管其修复费用只占全部震后重建费用的一小部分，但电力系统失效造成的间接损失却是巨大的。它不仅严重影响正常的生产生活和抗震救灾工作，随之而来的次生灾害还可能给社会带来难以预料的后果。例如，1989年Oakland地震后发生的大面积火灾，正是由于停电导致供水系统瘫痪无法及时救火造成的，因此，电力系统的抗震也是非常重要的。汶川地震调查结果显示，陕南汉中变电设施严重的震害主要是电气设备（设施）的损坏。陕西省全省的变电电气设施在地震中的损坏为：35kV及以上变电站设备累计受损 24座，其中，330kV4座，220kV1座，110kV16座，35kV3座；10kV及以上变压器受损53台（国家电力监管委员会西北监管局，2008）。与此相比，在全陕西省所调查的256座变电站中，建构筑物破坏等级为中等只有36座，占总数的14%，其余（86%）为轻微和基本完好（陕西省电力设计院，2008）。这足以说明电气设施震害的严重性。

2.2 建议

为提高电力系统的抗震能力，确保地震作用下电力设施的安全运行，结合汶川地震汉中

地区变电站系统震害情况及地震表现，本文就变电设施的抗震提出以下几点建议：

（1）选择合理的结构形式

通过汶川地震震害调查，表明钢筋混凝土框架结构房屋和钢结构构架具有良好的抗震性能，而且地震中基本没有严重的破坏。因此，变电站建筑应尽量采用钢筋混凝土结构或钢结构，变电构架也应尽量采用钢结构构架。砌体结构抗震性能较差，在地震区应尽量避免采用，防止由于房屋倒塌而引起设备损坏。

（2）合理选择建设场地

汶川地震灾害的调查表明，电力设施场地应选择对抗震有利的地段，避开对抗震不利和危险的地段，如地震时可能发生崩塌、大面积滑坡、泥石流、地裂和错位的危险地段。同时还要认真考虑山区地形对建筑物的约束条件，设计和施工时应采取必要的措施，减少场地条件对地震灾害的放大效应。

（3）加强结构薄弱部位的抗震能力

要防止牛腿和柱肩的斜向裂缝和竖向裂缝，需要提高牛腿和柱肩顶面预埋件抵抗水平剪力的能力，同时沿牛腿全高加密箍筋。由于女儿墙是悬臂状态，地震时很容易倒塌，因此，今后设计地震区的厂房，应避免采用女儿墙。必须砌筑女儿墙时，应由屋面高度处的圈梁内伸出钢筋，砌入女儿墙内，并锚入压顶。

（4）加强电气设施的抗震能力

可以考虑的措施主要有两大类（张仲孝，1994）：一类是由生产电气设备的厂家，设计、制造出能满足电力工程所需要的抗震型设备产品，例如，将高压电气设备的瓷柱外形由等径柱体改成下粗上细的锥形柱体，以降低其重心高度，增强根部的刚度，提高瓷件的承载能力；另一类是在电气设备支架上采取减震措施，而不改变电气设备本体的结构，例如，将支架改为悬吊式结构，加设减震器或阻尼器。另外，也可以因地制宜对电气设备进行合理的立体布局，当抗震设防烈度较高时，或者场地条件很差时，变电站的电气设备应采用低位式或落地式布置，以降低设备的重心，减小地震反应。

致谢：文中照片除注明外，均由本文第三作者提供。在资料收集过程中，陕西省电力设计院给予了大力支持，在此表达谢意。

国家电力监管委员会西北监管局，2008.“5.12”地震后西北电力系统抗震救灾专题通报.

陕西省电力设计院，2008. 陕西省电力公司建构筑物震害受损情况调查初步结论及费用估算汇报.

水利电力部西北电力设计院，1989. 电力工程电气设计手册（电气部分）. 北京：水利电力出版社.

李小军，2008. 汶川8.0级地震北川县城区灾害调查与分析. 震灾防御技术，3（4）：352—362.

李亚琦，李晓军，刘锡荟， 2002. 电力系统抗震研究概况. 世界地震工程，18（4）：79—83.

张大长， 赵文伯，刘明源， 2009. 5·12汶川地震中电力设施震害情况及其成因分析. 南京工业大学学报，31（1）：45—48.

赵治海，徐张建，2009. 汶川大地震后陕南建筑物破坏特征调查与分析. 陕西建筑，163（1）：15—20.

张仲孝，1994. 关于提高电气设备抗震能力问题的探讨. 工程抗震，6（2）：43—44.

中华人民共和国国家标准，2001. 建筑抗震设计规范（GB50011-2001）. 北京：中国建筑工业出版社.

中华人民共和国国家标准，1996. 电力设施抗震设计规范（GB50260-96）. 北京：中国计划出版社.

Damage of Electric Substation Systems in Hanzhong during Wenchuan MS8.0 Earthquake

Yang Yinghua1), Xiong Jun1)and Wang Shengli2)

1) School of Civil Engineering, Xi'an University of Architecture & Technology, Xi'an 710055, China
2) Shaanxi Electric Power Design Institute, Xian 710054, China

The electric system in Hanzhong region, Shaanxi province suffered varying degrees of damage in Wenchuan earthquake. Based on the field investigation of damage of the electric substation systems conducted in Hanzhong area after the earthquake, the damage and behavior of electric substation systems in Hanzhong are illustrated and the causes are analyzed. Then suggestions regarding structural design of substation systems were put forward.

Wenchuan earthquake; Electrical substation; Earthquake damage

杨应华，熊军，王胜利，2010. 汉中地区变电设施在汶川大地震中的表现及其分析. 震灾防御技术，5（2）：167—175.

2009-11-23

杨应华，男，生于1965年。博士，教授。主要从事结构工程的教学和科研。E-mail: yhyang@xauat.edu.cn