我国电力系统的地震灾害及应对机制

汪 洋，杨太华，曹加良

(1.上海电力学院经济与管理学院，上海 200090;2.同济大学结构工程与防灾研究所，上海 200092)

在现代社会中，维系现代城市功能与区域经济功能的基础性工程设施系统，定义为生命线系统，电力系统作为生命线系统的重要内容，在国民经济建设和人民日常生活中具有举足轻重的作用.历次大地震的震害表明，电力系统在地震中一旦遭受破坏，不仅会造成巨大的直接或间接经济损失，影响人民群众的正常生活和社会生产，还会给震后的抗震救灾和应急救援带来极大困难.因此，开展电力系统的抗震研究，提高电力系统在地震灾害下的安全性，并建立相应的应急响应机制，保障灾后电力供给是当前电力系统一个刻不容缓的任务.

本文以5·12汶川特大地震为例，分析地震对电力系统造成的破坏，提出了相应的应急响应机制.

1 电网震害

5·12汶川特大地震是新中国成立以来破坏性最强、波及范围最广、救灾难度最大的一次地震，震级达里氏8级，最大烈度达11度［1］.通过震后的调查研究发现，这次地震中电力系统的主要震害表现在以下3个方面.

1.1 输电线路的震害

输电线路作为电网的重要组成部分，其倒塌、毁坏将直接导致电网瘫痪.从以往的震害调查发现，一般情况下输电塔杆的抗震性能较好，单纯的强地震致使输电塔杆破坏的并不多见.

在汶川地震中，输电线路的破坏主要是由于地震引起的泥石流等次生灾害导致输电杆塔倒塌引起的.泥石流造成山体滑坡，导致输电杆塔基础发生破坏或不均匀变形，从而使杆塔结构及输电线路倒塌.

1.2 发电厂厂房的震害

地震中，由于发电厂厂房的倒塌或发电设备的破坏，会使发电厂遭受巨大的灾害.部分发电厂的厂房遭受到强烈地震后发生建筑物倒塌，并引起发电设施的损坏，主要是由于发电厂厂房结构及设备的抗震性能不够，或地震烈度超出了抗震设防等级而造成的.

1.3 变电站的震害

变电站的震害主要有两种:变电站房屋发生倒塌;变电站进出线构架及高压电气设备发生倒塌和破坏.

这两种地震破坏都会影响变电站的变电功能，使电网丧失供电能力，导致局部区域性断电.变电站的震害主要是由于房屋及构架的抗震能力不够，或地震烈度超出了抗震设防等级，以及高压电气设备重心高、脆性构件多等原因造成的.

上述震害特点表明，电力系统的震害主要集中在发电厂、变电站、开关站、换流站的电气设备.因此，电力系统的抗震设防重点是厂房、各种设备及基础设施等，对于处于高烈度区的输电塔也要加强其抗震性能.

2 我国电力系统抗震研究现状

20世纪80年代，我国开始对电力系统的抗震进行广泛的实验和分析研究.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提出了“高压电器设备减震技术研究”课题，研究内容包括一些高压电气设备的动力特性分析、高压电气设备的模拟地震振动台试验［2，3］.20 世纪 90 年代中期，同济大学土木工程防灾国家重点实验室进行了一系列的核电站高压电气设备的振动台试验研究［4］.进入21世纪，部分学者开始研究减、隔震新技术在电力设施中的应用.研究结果表明，采用减隔震装置后，电气系统整体周期延长，地震造成的灾害大为减小［5］.

在对各类电气设备详细研究的基础上，我国于1997年3月正式颁布了《电力设施抗震设计规范》(GB50260－96)，对抗震设防烈度在6度至9度区内新建和扩建的常规安装的电力设施的抗震设计进行了规定，使新建和扩建电力设施的设计有章可循，为减轻电力设备的地震破坏、减少电力系统的经济损失提供了依据.

但从文献资料和实际应用情况来看，对于电力系统中的工程结构(各类房屋和输电塔架等)的抗震设计基本还是以相关工业与民用建筑设计规范为依据，忽略了该类结构的特殊性和重要性，尤其是实际地震烈度超出抗震设防等级时缺乏相应的安全储备.各类减、隔震装置还处于理论研究或试验阶段，没有得到大范围的推广应用.

此外，从20世纪80年代后期至今，电气设备抗震的研究基本是在110～220 kV的电压范围内进行的，这是由于在相当长一段时期内我国电力系统中大量采用的是110～220 kV高压电气设备.虽然对一些超高压电气设备进行了试验研究和实测，但由于条件所限，对330 kV及其以上电压等级的电气设备抗震性能的研究工作开展较少.近年来，随着电力工业的迅猛发展，超高压500 kV电网已经成为我国大部分地区的主干电网，特高压1 000 kV电网的示范线路也已经开工建设.因此，对超高压和特高压电气设施的抗震研究也应尽早开展，以适应电网发展的需要.

3 国外电力系统抗震研究及灾害应对措施

由于特殊的地理环境和经济实力，美国和日本对电力系统抗震的研究一直处于国际领先地位.

根据抗震性能要求，日本将电力设备分为两类:第一类包括大坝、LNG储罐、储油罐等，与这些结构相关的电力设备在一般地震下不能出现主要功能故障，在大地震的情况下不能对人民生命造成重要影响;第二类包括发电厂建(构)筑物、发电机组、锅炉、变电设备、输配电设备及电力安全通讯设施等，这些电力设备在一般地震下不能出现主要功能故障，在大地震情况下不发生大面积长期的供电中断，应有可替代、多重化的综合设施以确保电力系统的功能.

日本在世界上率先将最先进的防灾技术应用到新建电力设施或已有电力设施的改造加固中.如东京电力公司的电力调度和防灾指挥中心办公大楼，采取了基础隔震的结构形式，大大降低了地震对建筑结构的威胁，也保障了灾害发生时的救援指挥和调度.中部电力公司新建的歧阜县分部大楼，在各个楼层都采用了带有半主动控制的粘滞性阻尼器来减震，还在屋顶进行加振器试验，以检测整体建筑的抗震性能.日本的工程技术人员还开发了一种新型的油阻尼器，在不影响生产的情况下对核电站烟囱进行抗震加固，这是该领域世界范围内的首例.

1971年美国的San Fernando地震、1989年的Loma Prieta地震，以及1994年的Northridge地震，都对美国的电力系统造成了较严重的破坏.针对这些震害，美国的研究人员进行了很多的实验和分析.对北美地区电力系统的规划、电气设备的抗震标准作出了更详细的规定.地震以后，一些变电站重新进行了布置，为了改进电力系统的性能，开始用复合材料代替瓷件，部分刚性母线和导线用柔性的代替.

2003年，美国生命线工程联合会(ALA)设立了“电力系统抗震安全和可靠性”专门委员会，委托加州大学伯克利分校的太平洋地震工程研究中心(PEER)对电气设备的抗震进行系统的研究.该研究计划投入了大量经费，对电力设备，特别是变电站的各个组成设备进行了大量详细的建模分析及试验研究.研究分析的成果写入了IEEE693标准(变电站的抗震设计)，主要包括试验用地震输入波形、变压器绝缘套管地震响应、230 kV开关器的性能，以及500 kV变压器绝缘套管地震响应等.这些研究解决了变电站设计中的很多具体问题，如连接设备之间的相互作用，500 kV开关器的抗震性能，变压器抗震设计分析的地震输入等.研究分析表明:采用了相关措施以后，变电站设备的抗震安全性和可靠性得到了大幅度提高［6-8］.

4 我国电网震害的应对措施

4.1 提高电网的安全可靠性

从汶川地震震害调查发现，震中烈度达到11度，而重灾区基本上是7度设防或不设防，过大的震动荷载造成了电网的严重破坏.因此，应该加强区域地震危险性分析，修正电力设施抗震设防标准，并严格执行，以提高我国电网的安全可靠性.

此外，在电网建设方面，发达国家的输配电资产和发电资产比例一般为60∶40.由于历史原因，我国的电网建设严重滞后于电站建设，威胁了电网的安全，因此有必要加大电网投资力度，提高和改善电网的安全可靠性.另外，随着电网投资向高压、超高压和特高压产品方向发展，对超高压和特高压的输变电线路的安全可靠性也提出了新的要求.

4.2 增加电力系统薄弱环节的抗震能力

通过对汶川地震的震害分析发现，应该加强电力系统的抗震设计和抗震构造措施.

(1)发电厂、变电站和输电杆塔的抗震设计应该严格参照《建筑抗震设计规范》［9］进行，根据实际情况构架结构的抗震设计并进行抗震设计理论的研究，以采取合理可靠的抗震设计措施.在地质条件恶劣的山地地区，输电杆塔的埋设应充分考虑地质破坏的可能性，做好选址工作并对地基采取抗震措施.

(2)输变电线路的高压电气设备，如断路器、隔离开关、避雷器、变压器套管、支柱绝缘子等，由于重心较高，瓷质脆性构件多，在地震中易被大量破坏.此外，变压器安装方式不当也会造成该设备的移位、倾斜和转动.因此，应对变电站里易损性的高压电气设备的抗震性能进行研究，如电瓷型的支柱、套管等，换用强度较高的瓷质绝缘材料，将硬连接的设备改为软连接，并增加连接长度.

(3)提高高电压电气设备的抗震性能要求，考虑采用减隔震新技术，并落实到相关制作厂家，使之得到推广应用.

4.3 建立电网的灾害应急响应机制

电网应对地震灾害的对策主要分为3个阶段:灾前预防;灾时应急;灾后快速恢复.

灾前预防措施主要是指选用抗灾性能好的设备，这些设备要通过抗灾设计、抗灾补强，以及日常良好的维护来保持其较好的抗灾性能.

灾时应急主要是尽量减轻灾害发生时的影响范围.采取的措施主要包括设备构成的多重化，以及有相应的备件提供灾时支撑等.

灾后快速恢复的措施很多，包括快速恢复物资的应急供应、保持恢复工作的畅通、各相关单位之间的相互支援等.

建立应急响应机制主要应该考虑的问题及对策如下.

(1)发电厂、输电线路、变电站的重要设备在受损或破坏后，会发生大面积、长时间的停电，同时会对环境造成影响，因此应实施相应的抗震对策，尽量使重要设备的运行不受影响.

(2)在大地震或火灾等次生灾害造成的变电站设备破坏、发生大范围停电时，应有多重的备用设施和设备，电力供给可以不经过受损伤设备而直接启动备用设备，尽量在短时间内恢复停电区域的电力供应.

(3)在强震区域，由于附近建筑物受损倒塌而导致的电杆折断、倒塌，输电杆塔的损坏会引起停电事故，因此应研制并储备简易抢修设备，以及时取代受损的杆件和线路，实现震后初期的恢复供电.

(4)大地震时，由于大量的电气设备被破坏，备用系统可能无法使用.另外，道路不通、恢复电力的器材物资不能及时投入使用.考虑到大地震发生后的长时间持续停电，因此，要与整个社会救灾机制相配合，制定以快速恢复为目的的相关抢修应急预案.

5 结语

基于对电力系统在地震中的灾害和应对政策的研究分析，笔者建议应该积极开展4个方面的工作:一是加强电气设备，特别是变电站、开关站、换流站电气设备的抗震性能评估，采用先进的隔震、减震等控制措施，提高电气设备的抗震性能;二是全面系统地研究500 kV超高压和1 000 kV特高压各种电气设备的抗震性能，弥补电气设备抗震研究工作的缺失;三是从网络可靠性分析和潮流分析等方面，对地震时电网功能失效进行广泛深入的研究，充分把握其薄弱环节及其破坏机理，为提高电力设施的抗震性能提出有效的措施;四是借鉴国外的先进经验，建立和健全各大电网公司的地震应急响应机制和震后供电快速恢复机制，力争将特大地震灾害对电网的冲击减至最小.

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［4］李天.电力系统抗震可靠性分析研究［D］.上海:同济大学，2001.

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［9］中华人民共和国建设部.建筑抗震设计规范(GB 50011—2001)［S］.北京:中国建筑工业出版社，2001:89-91.