变电站震害分析与抗震措施的研究综述

刘建秋，王亚超，韩文庆

(山东电力工程咨询院有限公司，济南市250013)

0 引言

在各种自然灾害中，地震是对电力系统威胁最大的灾害之一。强烈的地震不仅会造成各种电力设施的严重损坏，甚至会使整个系统瘫痪，严重影响正常的生产、生活和抗震救灾工作，而且有可能引发火灾等次生灾害，对人民群众的生命财产安全构成巨大威胁。在这些破坏性强烈地震中，电力系统中变电站的损坏情况最严重［1］。

自20世纪70年代中期以来，变电站的震害报道几乎贯穿于国内外每一次强烈的地震。大量的震害事例说明，变电站的抗震可靠性亟待加强。如何确保变电站在强震作用下的可靠运行是当前抗震领域研究的热点问题［2］。

1 变电站震害统计及原因分析

1．1 建(构)筑物

1．1．1 建筑物

国内外大地震造成的变电站换坏情况如表1所示。

表1 国内外大地震造成的变电站的损坏情况统计Tab.1 eview on malfunction and damage of transformer substations under severe earthquakes at home and abroad

变电站内的建筑物主要包括主控通信楼、生产综合楼、配电室、电容器室等，这类建筑在强烈地震中往往表现出较弱的抗震性能，很容易损毁，表2列出国内外几次大地震中变电站建筑物的损毁情况。

变电站中这些建筑物多为框架结构，冗余度较小，且楼层放置占地较大的电气设备，造成建筑物空旷，抗侧移刚度小，加之设备的荷载很大，并随着地震效应放大了的楼板一起运动，导致此类建筑在地震中表现出较低的可靠性。文献［3］对某一地区变电站建筑物的失效概率分析表明;在基本烈度6度、计算烈度8度时的失效概率达0.134;在基本烈度8度、计算烈度8度时的失效概率达0.370。

表2 变电站建筑物的损毁情况统计Tab.2 Review on malfunction and damage of buildings in transformer substation

1．1．2 支架和构架

变电站中的电气设备安装在一定高度的支架上，形成一种“头重脚轻”的支架－设备体系。该体系的自振频率比设备本体的自振频率低，而且支架越高，体系的自振频率下降越多。由于头部设备对脚部支架显著的动力放大作用，造成设备支架的抗震可靠性低。目前没有支架设计评估标准或规范出台，只有支架动力放大系数取值的建议:我国《电力设施抗震设计规范》建议取1.0～1.2［4］;《高压电气设备减震技术规定》建议取1.40［5］;IEC 1463:1996《Bushing-Seismic Qualification》建议采用有限单元法，同时考虑结构－土壤相互作用，通过分析得到此放大系数，否则建议取1.5［6］。IEEE Std 693—1997建议支架的动力放大作用应该在设备安装在支架上以后进行分析［7］。

变电构架多采用钢结构，抗震性能良好，遭遇设防地震甚至罕遇地震时基本不会损坏，但当遭遇超过设防烈度的强烈地震时，仍会倒塌破坏。位于汶川地震震中(地震烈度11度)的映秀镇220 kV开关站，实际遭遇地震动加速度1.6 g，远远超出设计地震动加速度0.30 g，构架全部倒塌。

表3列出了变电站构架和支架的损坏情况。

1．2 电瓷型电气设备

电瓷型电气设备包括断路器、隔离开关、电流互感器、电压互感器、避雷器等，其震害特点多是绝缘部位的瓷套管根部断裂［8］，如表4所示。由于陶瓷是脆性材料，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断裂和破坏。另外，这类设备的固有频率在1～10 Hz范围内，与地震波的卓越频率接近，同时其主体材料瓷柱的阻尼小，耗能能力弱，因此在地震中极易损坏。

表3 变电站构架和支架的损坏情况统计Tab.3 Review on malfunction and damage of constructions in transformer substation

表4 变电站电瓷型电气设备的损坏情况统计Tab.4 Review on malfunction and damage of porcelain electrical equipments in transformer substation

1．3 变压器

变压器是变电站中重要的设备之一，是由铁心、绕组、绝缘、引线、油箱、相应组件装配完成以后，再注入变压器油而构成，变压器在地震中的损毁形式主要有本体位移和套管损坏，如表5所示。

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，地震时很容易将固定螺栓剪断、拉脱或将焊缝拉开，使固定装置失效，导致变压器掉台、倾倒和移位并拉坏顶部的瓷套管，撞坏散热器和潜油泵等附件［9］。

变压器在地震中容易引起套管的损坏，套管损坏主要有2 种类型［10］:

(1)套管法兰出现裂纹或直接被撕裂。强烈地震作用下，变压器整体移位而套管被高压引线拉住，导致套管与油箱升高座之间的法兰出现较长裂纹或根部直接被撕裂，油箱本体绝缘油漏出。

(2)变压器套管与法兰间产生移位。套管与自身法兰密封用的橡胶垫由于外力作用移位，失去密封的效果，导致套管内绝缘油外漏。

大多数变压器的漏油都是由于套管的损坏引起的，因此，提高套管的抗震能力是非常有必要的。

1．4 母线

变电站内的母线分硬母线和软母线两种，硬母线由铝管和铝线制成，软母线由铝线制成。硬母线的破坏主要是支撑母线的棒式支柱绝缘子在地震作用下折断造成的;软母线自身的强度很高，不易损坏，损坏一般是悬挂母线的绝缘子被拉断。德阳新市220 kV变电站在汶川地震中，支撑母线的棒式支柱绝缘子从上部或根部剪断，母线震落［8］。

2 变电站抗震措施的研究进展

迄今为止，国内外学者在变电站的抗震措施上做了大量研究工作，主要分为理论分析和试验研究两个方面。

2．1 理论分析方面

2．1．1 变电站级

1996 年，J．A．Pires等建立San Francisco变电站的仿真模型进行地震可靠性分析，并与1989年Loma Prieta地震发生时该变电站的实际受损情况对比［11］。1996年，中国颁布《电力设施抗震设计规范》，该规范从抗震计算、设备安装等方面规范了变电站的抗震设计［4］。1997年，美国联邦紧急救援署改进了评估变电站抗震性能的方法［12］，将变电站的破坏分为5类:完好、轻微破坏、中等破坏、严重破坏和完全破坏，认为变电站的破坏与变压器、隔离开关、断路器和电流互感器这四类设备的损坏率有关。1997年，H．Hwang提出利用“故障树/事件树”评估变电站的抗震性能［13］，该方法在“故障树/事件树”及其“子树”的生成过程中，考虑了变电站内部各个部件之间的连接关系和线路的冗余度。2004年，Cagnan等［14］建立了一种模拟变电站震后重建的仿真模型，给出不同的震后灾害分析曲线，并根据这些曲线快速得出震后重建方法。2008年，程永峰等研究了隔震减震措施在变电站中的应用前景［15］。2009 年，E．Bazán-Zurita等针对美国土木工程学会制定的《变电站设计导则(2008版)》，从概念设计以及地震响应分析和易损性评估等方面研究变电站的抗震设计［16］。2009年，Brian T．Knight等提出了一种改善变电站抗震薄弱部位的“SVRP设计法”，并给出变电站抗震设计的若干建议［17］。

2．1．2 建(构)筑物

2000年，李天等针对变电站建筑物抗震可靠性低的问题，建议尽可能采用轻型楼屋盖，并要加强设备与楼层的连接，同时在设计时考虑设备对结构抗震性能的影响［3］。2006年，文波等结合某采用隔震技术的110 kV配电楼工程，研究隔震结构在多向地震作用下的非线性动力反应［18］。2007年，朱爱珠等建立柱头为新型螺栓连接和传统焊接连接的构架柱模型，分析2种构架柱在特定地震反应谱下的位移响应，研究2者动力特性的区别［19］。2009年，王磊等运用有限元方法对螺栓连接和焊接构架柱进行地震反应时程分析，建议采取措施提高螺栓连接构架柱抗震性能［20］。

表5 变电站变压器的损坏情况统计Tab.5 Review on malfunction and damage of transformers in transformer substation

2．1．3 电瓷型电气设备

1980年，日本电气协会编写了《电气设备抗震设计指南》，对电气设备抗震设计的条件、标准和方法等做了详细的规定［21］。1989年，张其浩等提出具有柔性结点的多质点体系的动力计算模型，将电气设备的法兰连接作为弹性连接处理，计入法兰的弯曲刚度，计算结果与实测结果吻合较好［22］。1999年，张伯艳等以沈阳高压开关厂500 kV高压开关为研究对象，给出该设备在静力和地震作用下瓷柱根部处的应力，并分析该产品的抗震安全性［23］。1999年，太平洋电气公司和太平洋地震工程中心联合资助建立加利福尼亚州变电站设备地震数据库，该数据库包括了12次地震中加州的60个230～550 kV变电站电气设备的破坏和未破坏数据以及地震发生地点、地面运动、变电站的场址和场地条件、设备的特点、设备的破坏模式以及修复时间等［24］。2001年，刘晓明等利用振型分解反应谱法计算分析220 kV高压SF6电流互感器抗震性能，建议对设备头部进行优化设计，并提高瓷套管的抗弯强度和底座的刚度［25］。2004年，李亚琦等分析导线对电气设备抗震性能的影响，结果表明导线会明显加大设备的地震反应［26］。2003年，Song Junho等对导线连接电气设备与单独放置电气设备的动力特性作比较，结果表明有导线连接的电气设备的动力反应要比单独放置的大得多，实际设计中不能忽略连接导线的动力放大作用［27］。

2．1．4 变压器

国内外学者多采用有限元模型分析变压器的抗震性能。1998年，S．Bellorini等建立变压器的有限元模型，钢制箱体用壳元、瓷套管用梁单元、储油罐为集中质量，变压器的整体结构认为是线弹性，模型没有考虑箱体内油液的阻尼效应以及油液对箱体的作用力［28］。2004年，Ersoy等通过有限元模拟分析高压变压器与瓷套管在地震时的共同作用，并采用弹性时程分析得到高压变压器及瓷套管的各部分地震响应时程［29］。2005年，郭振岩对SFSZ8－31500/110型变压器进行动力响应分析，研究结果表明:结构的自振频率超过10 Hz，B相套管应力较A、C相套管应力大，设计时应适当加强B相套管的强度，有油工况下应力高出无油工况20%左右，应按有油工况设计［30］。2006年，Filiatrault等对多种类型的高压变压器进行有限元分析，得到与箱体共同作用下瓷套管的加速度谱［31］。2009年，梅柳对汶川地震中受损严重的500 kV变压器建立了三维有限元模型，进行动力性能和地震响应分析，得到了该变压器在地震中的薄弱环节和主要破坏模式［32］。

部分学者研究了变压器的地震易损性。1999年，Anagnos等通过对加利福尼亚地区历次12次地震中变电站设备破坏的数据，整理统计得到高压变压器的易损性曲线［24］。2007年，孟敏婕等对SFPL－120000/220型大型高压变压器进行地震易损性分析，并得到该设备的地震易损性曲线［33］。

2．1．5 母线

2004年，Gouri S．Bhuyan等对 BC Hydro变电站6组设备－软母线耦联系统，进行地震作用下的动力时程分析和试验研究，并将自振频率的计算值与实测值比较分析［34］。2009 年，谢强、胡彧婧等［35－36］根据汶川地震变电站典型开关类设备的地震破坏情况，建立设备－母线耦联系统的有限元模型，分析该系统的地震响应，并与单体设备的地震响应结果进行了对比，研究结果表明:单体设备与设备－母线耦联系统的地震响应不同，应综合考虑设备与母线的耦联作用来进行抗震性能分析。

2．2 试验研究方面

2．2．1 电瓷型电气设备

1978年，西北电力设计院、原一机部抗震研究室、国家地震局工程力学研究所联合提出“高压电器设备减震技术研究”的课题，研究内容主要包括一些高压电气设备的动力特性分析和模拟地震振动台试验［9］。1995年，华北电力设计院有限公司进行了高压电气设备的减震试验，例如 LW11A－126SF6断路器减震试验、静压棒形支柱绝缘子减震试验等，并根据这些试验的结果编制了《高压电气设备减震技术规定》(报批稿)［5］。1996年，美国的一些高校和电力公司进行了许多电气设备抗震试验，部分试验结果为美国现行的规范和标准采用［37］。2007年，刘彦辉等通过对高架电气及支架动力特性分析，开发适用于高架电气设备的隔震装置，并通过试验定性验证了该隔震装置能有效减小结构地震响应［38］。

2．2．2 变压器

1997年李子国［39］等在国内首次对S7－200/10型配电用变压器进行了原型试验，成功模拟在水平地震作用下变压器的动力响应。2005年，郭振岩在国内首次进行变压器的振动台试验，取得了重要的试验数据和分析成果［30］。1999 年，Amir S．Gilani等对几种不同规格的高压变压器套管进行了振动台试验，试验结果表明:在连接刚度较大的情况下，套管的抗震性能比实际情况好得多，在套管底部设置垫圈可以有效地防止变压器油由于套管移位而发生的泄漏［40］。2003年，美国的 Andre Filiatrault等对1台525 kV变压器进行了振动台试验，试验成功获取了变压器油箱和套管以及其他重要部件的动力特性，为大型变压器的抗震研究提供了宝贵的数据［41］。2004年，Selahattin Ersoy等对 3种高压变压器进行了动力试验，用Ansys软件研究分析其动力性能，并与试验结果进行了比较［42］。

2．2．3 母线

Dastous J B等对软母线进行的试验并得到了下列结论:地震中软母线是一个非线性体系，母线的频率随着母线的形状和地震作用的变化而变化，很小的激励就可能使母线发生共振［37］。Filiatrauh A等对硬母线进行的试验研究证实了硬母线对其连接设备的动力放大效应［43］。2004 年，Houman Ghalibafian等对设备－软母线耦联系统进行了振动台试验，研究结果表明:母线会加大设备的地震响应，地震响应不仅与地面加速度有关，还与地震动的持续时间有关［44］。

3 变电站抗震措施的研究展望

3．1 基于震害的变电站抗震设计优化

地震区变电站的破坏状况是探索地震破坏作用和结构震害机理最直接、最有效和最全面的大型结构震动试验。因此，有必要在总结历次变电站震害经验和教训的基础上，在基本理论、计算方法、特别是构造措施等诸多方面进行变电站抗震设计优化，并建立起和完善好地震区变电站内建(构)筑物、电气设备、变压器、母线等震害状况的数据库。

3．2 变电站的抗震安全性能评估

统计国内外的地震资料发现，地震断裂带上往往会发生远高于设防烈度的强烈地震，造成变电站严重损毁，对我国地震断裂带上的变电站进行地震危险性分析和抗震可靠性鉴定十分必要，应该从以下几个方面深入研究。

3．2．1 改善抗震能力评估的方法

对变电站进行抗震能力评估的目的是保证“大震不倒”目标的实现，目前工程界公认的简单有效的方法是静力弹塑性分析方法，如Pushover法和能力谱法。但在实际工程分析中，由于计算模型简化、恢复力模型确定、地震波选用以及破坏准则选取等因素存在人为假定的影响，致使评估结果的准确性受到限制，因此，如何解决上述因素与实际不相符合的问题是以后研究的重点。

3．2．2 开发定量评估变电站抗震性能的软件

现有的有限元程序只能定性分析变电站的抗震性能，缺乏定量数据的支持，难以合理有效的确定结构的抗震加固方案。因此，依据我国最新的建筑抗震设计规范，并与现有有限元软件密切结合，开发定量评估变电站抗震性能的软件，是新的研究思路。

3．2．3 如何考虑既有变电站的损伤状况

已建变电站大多服役多年，均有不同程度的损伤，甚至有些还存在着明显的抗震薄弱环节。忽略结构损伤情况的抗震性能评估是不准确的，如何考虑变电站的损伤状况并引入分析模型，是下一步研究的难点。

3．3 隔震减震在变电站中的应用研究

采用隔震减震技术可以有效的减轻结构的地震反应，即使在地面剧烈地震动时，上部结构仍能处于正常的弹性工作状态。因此，为确保地震作用下变电站的安全运行，除了加强传统的抗震设计之外，有必要加强变电站基础隔震和消能减震技术的研发和应用。

3．3．1 基础隔震的研究重点

基础隔震技术可在2个方向进行研究。简化基础隔震措施，提高结构基础隔震的可靠度，降低隔震层和上部结构的造价，在中低烈度区一般变电站中推广使用;不考虑或较少考虑隔震成本，最大程度完善和优化基础隔震技术，确保高烈度区或有特殊要求的重要变电站在强震作用下的安全性和可靠性。

3．3．2 消能减震的研究重点

消能减震技术有以下几个问题急待解决。一是有效性。如何准确地输入减震系统的能量，并确保在强震中系统地有效运转是研究的难点。二是稳定性。控制算法的控制效果、时滞影响、阻尼器的可靠性等均影响减震系统的稳定，需要深入研究。三是经济性。只有高效、稳定、简单、低能耗且价格便宜的减震系统才有推广的市场，目前减震系统的费用较高，如何降低成本是研究的热点。

3．4 基于性能的变电站抗震设计

基于性能的抗震思想给结构分析带来了革命性的改变，是结构抗震设计的发展方向。变电站是多学科多领域相互融合的载体，需要基于性能分析各个环节的破坏对变电站系统的影响，在此基础上提出不同的性能化设计目标，进行不同性能目标下的变电站抗震设计。这项工作对变电站的总体布局、设备设置和抗震防灾意义重大。

3．5 新材料和新技术的研发和应用

针对电瓷型电气设备的地震易损性，研究采用新型的高强高硅瓷或其他可塑性绝缘材料来代替现有的瓷件。同时，应积极开展计算机仿真技术、先进传感技术以及损失评估、应急反应和决策系统、人工智能系统等先进防震减灾技术的研发和应用。

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