我国西部中小型城镇的电力系统抗震能力分析——以四川省盐源县为例

薄 涛，李明政，孙有为

（1．中国地震局工程力学研究所，黑龙江哈尔滨 150080；2．北京市地震局，北京 100080；3．北京赛斯米克科技发展中心，北京 100080；4．防灾科技学院，河北三河 065201）

我国西部中小型城镇的电力系统抗震能力分析
——以四川省盐源县为例

薄 涛1，2，3，李明政2，3，孙有为4

（1．中国地震局工程力学研究所，黑龙江哈尔滨 150080；2．北京市地震局，北京 100080；3．北京赛斯米克科技发展中心，北京 100080；4．防灾科技学院，河北三河 065201）

总结了电力系统的震害现象及其震害预测方法，并对适用于我国西部山区中小型城镇电力系统的震害预测方法与抗震能力分析方法进行探索，结合汶川震害实例，优化了震害等级分类方法与震害因子选取方法。选用震害因子法与有限元分析法对四川省盐源县电力系统的电力设施及其电气设备进行分析，得出其失效等级在VI度至IX度地震作用下由不受影响到完全瘫痪的结论。最后总结并验证了适用于分析西部山区中小型城市电力系统的经验统计与理论分析相结合的方法。

电力系统；生命线；抗震能力；震害预测；易损性

0 引言

我国西部是破坏性地震的高发区，破坏性地震往往对国家的经济建设和人民的生命财产安全造成损害。谢礼立院士在21世纪初首次明确了城市防震减灾能力的定义，即指一个城市确保其地震安全的能力。此后，国内学者在城市防震减灾研究方面开展了大量的工作［1－2］。为减轻破坏性地震造成的影响，我国自1998年3月1日起施行了《中华人民共和国防震减灾法》，其中严格规定了城市防震减灾规划与地震灾害预防等工作，各级部门纷纷响应，积极开展相关工作［3］。目前，大部分大中型城市及东部经济发达地区已开展城市防震减灾规划工作，在原有基础上进一步形成较为完善的防震减灾体系，而针对我国西部欠发达地区一些中小型城镇的震害预测方法研究尚处于初步阶段。

本文总结了城市防震减灾规划中重要生命线工程——电力系统的抗震能力分析方法与震害预测方法，选取我国西部四川省发震区内盐源县的电力系统进行分析，得出变电站建筑结构以及电气设备在不同烈度下的震害指数与失效概率，进而对其在破坏性地震发生后的震害影响范围与程度做出估计和评价。

1 电力系统的震害现象

1.1 电力系统震害现象概况

电力系统是城市生命线的重要组成部分［4］。在破坏性地震作用下，电力系统可能会出现大面积破坏，引起连锁反应，造成严重损失，甚至严重影响现场救援与灾后重建工作。

在1976年的唐山大地震中，唐山市电力系统遭到严重破坏，陷入瘫痪。同时，与唐山市电力系统联网输电的北京市、天津市以及河北省秦皇岛市、廊坊市、承德市和保定市等城市的电力系统也遭受了一定程度的破坏，京津唐电力系统整体受到影响。震后统计数据显示，唐山原有的37座变电站中，33座因地震破坏导致停电。同时唐山市内所有输电线路均跳闸，造成唐山地区全区域停电，用电设备所有功能均告失效，造成其他生命线系统的混乱甚至瘫痪，例如通过电力供能的给排水系统、交通信号系统、通信系统。以上破坏导致灾情无法向外界传递，救援工作受到阻碍，延误了宝贵的救援时间，同时造成严重的间接损失。

在日本1995年1月阪神7.2级地震中，47座变电站、10座火力发电站遭到破坏。神户市因电线断裂，通电后产生电火花，引燃周围易燃物体，造成了多起火灾事件，在停电的同时也影响了火灾的扑救，造成了极大的损失，约有6500人死亡，32万人无家可归，直接经济损失高达日本国内生产总值（GDP）的2%［5］。

在1999年9月台湾集集7.3级地震中，台湾中部山区向外辐射连接的各电厂、变电站、输电塔线、配电线路及市政电线线路多处受到严重损毁、倒塌或倾斜。其中损坏的设施包括火力发电厂2座、水力发电厂1座、245kV变电站5座，161kV变电站8座，69 kV变电站13座［6］，严重影响了台湾供电网络的运转。

2008年5月，在我国汶川8.0级地震中，四川、陕西、甘肃等邻近省份的电力系统受地震影响破坏严重。据四川省电力试验研究院统计，国家电网四川分公司由于地震原因累计停运火电站1座、水电站18座，35kV规模以上变电站171座，其中有17座变电站完全损毁，同时有多条输电电路被迫停运［6］。震后，汶川、映秀等极震区由于电力系统中多处变电站、输电塔结构破坏，导致系统整体瘫痪，通信网络失去能源供应，从而使极震区形成了多个“信息孤岛”，信息传递的不畅严重阻碍了救援行动的开展［5］。

1.2 建筑结构的破坏形式

西部山区中小城市的变电站建筑结构与其他建筑结构一样易受地震作用而破坏。特别是在大震中，未经加固的砌体结构、砖混结构建筑物极易破坏甚至坍塌。同时，位于山区的电力建筑还易受到滑坡、泥石流、崩塌、落石等地震次生地质灾害的影响［7］。电力设施往往会随建筑物的倒塌而被掩埋、砸坏。而发电厂由于其抗震设防等级较高，其实际破坏程度远远低于变电站的破坏程度。

1.3 电气设备的破坏形式

电气设备的震害同样主要发生于变电设备，在历次破坏性地震中，各类变电设备都有严重损毁的实例。变压器主体的破坏形式一般为：移位、倾倒、出轨、漏油等；其他电气设备诸如断路器、变压器套管、绝缘支柱、隔离开关、避雷器等的破坏一般产生于其瓷质部件，出现破裂或者根部整体断裂等不同程度的破坏［7］。

1.4 输电线路的破坏形式

高压输电线路通过高压输电塔连接，高压输电塔一般分为直线塔和耐张塔两种。在地震中高压输电塔是线路破坏的关键点，其主要震害为：

①输电塔上坡或下坡侧发生滑坡、塌方或产生裂缝；

②输电塔基础及周边发生滑坡、塌陷导致堡坎开裂、垮塌，基础处回填土松动、开裂导致基础破坏；

③输电塔塔身整体变形、倾倒；

④输电塔塔脚处因塌方造成空洞，整体沉降；

⑤绝缘子发生位移、倾斜、破裂等；

⑥输电塔倒塌拉倒同线路其他输电塔。

其中，输电塔因地震水平荷载造成的破坏并不常见，多数破坏发生的主要原因是地震引起的次生地质灾害，由于地震导致山体滑坡、崩塌、滚石等对山区的输电塔造成间接破坏［7－8］。

2 电力系统震害预测方法

在地震发生后，电力系统中发电站—变电站—输电线路中的任意环节失效即视为电力系统整体失效。其中变电站的建筑结构、电力设施尤为重要［4］。变电站的失效概率可表示为：

2.1 建筑结构震害预测方法

建筑物的震害预测分析是指建筑物在遭受某一烈度或地震动地面加速度的地震作用下，预测其破坏程度的工作。破坏程度常用破坏等级表示。本文破坏等级参照袁一凡分级模式：基本完好、轻微破坏、中等破坏、严重破坏、完全毁坏等（砖木、土木结构建筑物可用完好、破坏和毁坏三个等级表示），并辅以对应的震害指数取值范围［7］。评定标准见表1。

电力建筑结构通常参照一般建筑结构进行易损性分析。主要有4种方法：

（1）经验统计方法：主要结合房屋建筑震害实例与历史资料，通过统计分析得出不同类型的结构在不同地震烈度下的破坏情况。此方法的可靠度由搜集样本的情况、研究者对震害规律性的理解与认识决定［9－10］；

表1 房屋破坏等级及其对应震害指数Tab．1 The damage degree of structure and the related seismic damage index

（2）半经验半理论方法：此方法通过设立结构抗震能力指标，综合考虑影像结构易损性因素进行修正，最后利用概率方法给出结构易损性矩阵；

（3）震害预测智能辅助决策方法：该方法依靠专家经验建立震害预测专家系统数据库，根据调查与资料收集，取得所需的信息，通过检索的方式给出易损性分析结果，并综合实际情况得出结论［11－12］；

（4）抗震鉴定或抗震设计验算方法：此方法根据结构设计情况，建立结构分析计算模型，依靠专业软件（如中国建筑设计研究院研制的PKPM抗震验算软件）计算出建筑物在不同地震作用下的反应，验算出主要部件的承载力和变形，从而判断是否符合相应的抗震设防规定，或是否满足应对可能的地震破坏的相应要求［13－14］。

2.2 电气设备的震害预测方法

目前国内与国际常用的电力设备易损性分析方法，可归纳为3类：

（1）震害统计方法：此方法通过搜集历次地震对于电力系统造成破坏的资料，并对不同烈度地震下电力设备的震害程度进行统计，建立地震动参数与电力设备破坏概率之间的函数关系，生成电力设备地震易损性经验模型或曲线。由此方法得出的结论与宏观震害结果较为接近，其分析结果可作为实验方法和理论方法的依据。缺点是其精度受到资料收集情况的限制。目前国际上较为成熟的分析结果是由Pacific Gas and Electric（PG＆E）公司和太平洋地震工程中心（PEER）联合资助的加利福尼亚州变电站设备地震数据库提供的，根据此数据库系统，可直接得出高压电气设备地震易损性经验曲线［15－16］。

（2）实验分析方法：此方法侧重于采取进行可控性实验的方式进行分析。适用于震害实例等资料不足或难以收集的情况。

（3）理论分析方法：此方法建立在有限元分析方法之上，依据可靠性理论，在水平地震荷载的作用下，通过计算设备构件产生的最大应力，并与构件的极限应力相比较，从而得到电气设备构件的失效概率。此方法可结合多种不同的理论模型与计算方法，经过修正可得出更为合理的理论模型。

由以上方法可得出电气设备的基本震害程度，参考东莞供电系统震害预测相关研究成果，可将其归纳总结为功能损失震害等级，并结合2008年汶川地震的实际震害调查结果，四川省地震基本烈度较高、电气设备多为高原型等特点，考虑经济欠发达地区的实际情况，及大震下电气设备毁坏的可能性，将原4个等级优化为5个等级［17］（表2）。

2.3 电力系统震害综合预测

破坏性地震发生后，变电站内任意设备、元件的损坏都可能导致供配电功能的失效。据汶川地震中大量震害实例，建筑结构的震害可能引起电气设备的损坏。故本文在张美晶关于变电站功能失效分析归纳的变电站功能失效等级划分标准的基础上［6］，结合汶川地震中变电站实际震害情况，提出了新的划分标准，考虑了完全毁坏的等级（表3）。

表2 电气设备功能损失与震害等级对应表Tab．2 The loss of electronic equipment function and its relevant seismic damage degree

表3 变电站功能失效等级划分标准Tab．3 The degree classification standard of converting station function loss degree

3 盐源县电力系统震害预测

3.1 盐源县概况

盐源县位于青藏高原东南缘，雅砻江下游西岸，人口33.5万，属四川省凉山州西昌市，下辖8个镇：盐井、平川、卫城、梅雨、黄草、白乌、泸沽湖、树河。全县幅员面积8376km2，境域东西长132.6km，南北宽129.4km，县城东距西昌市142km。根据《建筑抗震设计规范》（GB 50021－2010）规定，西昌市辖区抗震设防烈度为不低于VII度，设计基本地震加速度值不小于0.10g［12］。

3.2 盐源县电力设施概况

经统计得出盐源县内共有18座已建水电站，2座拟建水电站；1座已建110kV变电站、3座已建35kV变电站；3条35kV线共108km，10kV线路共662km；低压线路共850km。已形成自发自供的独立地方电力系统［18］。其中城东110kV变电站为盐源县境内枢纽级变电站，担负全县境内电力交换与电能输送任务，但其抗震能力远远低于重点抗震设防的发电站等设施，根据对汶川地震中电力系统震害实例的分析可以得出，此类县级变电站多为电力系统的薄弱节点，所以本文选择城东110kV变电站作为本次抗震能力分析中电站建筑结构及电气设备的重点分析对象。

3.2.1 城东110kV变电站建筑结构概况

城东110kV变电站主建筑物共有3座，主控楼为二层砖混结构，建筑面积为583.2m2；35kV配电室为单层砖混结构，建筑面积为238.5m2；10kV配电室为单层砖混结构，建筑面积为116.7m2。按VII度标准进行抗震设防。

3.2.2 城东110kV变电站电气设备概况

城东110 kV变电站为新建变电站，共安装2台2×1.25万kV主变；110 kV单母线连接线出线2回，35kV采用单母线分段接线方式出线4回，高压开关柜13面；10 kV采用单母线分段接线方式，出线10回，高压开关柜13面；并联电容器4组；所用变电器2台。其所有设备均选用高原型。高压设备多放置于室外露天场地，设备的绝缘部件由瓷套管组成，脆性较高，抗弯能力差，在地震荷载作用下，连接处将承受巨大的弯矩，同时此类设备的阻尼较小，从而易导致破坏。设备的安装模式一般采用轨道式，轨道与水泥柱或地面直接连接，部分设备直接置于地面，未采取有效固定措施，直接导致震害程度加重。

3.3 建筑结构震害预测结果

针对盐源县城东110 kV变电站建筑结构震害预测，本论文采用上文所述经验统计方法中的震害因子法进行分析计算。在分析总结汶川地震实际震害资料的基础上，提取对震害程度影响较大的因素，并对其进行定量评级，得出的结果作为震害因子，用di表示（i＝1，2，3……）。

震害因子与建筑结构震害指数的关系为

式中：i为第i个震害因子；k为k类条件；w为地震动峰值加速度A的折减系数，A＜0.05g（VI度以下），w＝0；0.05g≤A＜0.1g（VI度），w＝0.4；0.1g≤A＜0.2g（VII度），w＝0.8；0.2g≤A＜0.3g（VIII度），w＝1.6；0.3g≤A＜0.4g（IX度），w＝2.4；0.1g≤A＜0.2g（X度），w＝3.2；mik为选择因子，当i项中有k类时取1，没有k类取0。

对于震害因子的选取，本文参照了袁一凡教授在《城市防震减灾规划概要》中归纳的方法，在其基础上对震害因子的取值进行选取。此表以大量实际震害资料为基础，经过回归分析方法反复迭代计算得出，确定了9类震害因子在不同条件下的具体数值，用以计算震害指数，使其与实际震害相符合［7］。

表4 城东110kV变电站综合震害等级Tab．4 Comprehansive seismic damage degree of chengdong 11kV converting station

由表4可见，对于城东110kV变电站：

（1）VI度、VII度地震作用下破坏较轻微，供电性能不会受到影响；

（2）VIII度下，建筑会遭到一定程度的破坏，有一定几率影响到电气设备的正常运作，经过修复可以恢复使用；

（3）IX度及X度地震作用下，变电站建筑破坏严重乃至完全破坏，供电能力在短时间内难以恢复或无法恢复。

3.4 电气设备震害预测结果

有限元理论分析方法在电气设备的震害预测中较为成熟。按照我国《电力设施抗震设计规范（GB50260—2013）》中的规定，对于变压器、开关柜（屏）、控制保护屏、蓄电池等置放式电气设备，可以采用静力法进行抗震计算［19］。

这类电气设备本身可以视为单质点结构，在地震作用下所承受的水平地震荷载F为

式中：Cz为综合影响系数，取0.7；αmax为水平地震影响系数最大值；Geq为结构等效总重力荷载代表值。

设备抗滑移能力F1为

式中：k为滑动摩擦系数。

采用螺栓固定时，螺栓承受的拉应力和剪应力在地震作用下分别为

式中，n为固定螺栓的数量；L0为固定螺栓的间距；A0为固定螺栓的有效面积；H0为设备重心高度。

将瓷质高压电气设备视为具有柔性节点的多质点体系，采用具有柔性节点的有限单元法，将柔性节点所产生的刚度矩阵加到通常的杆单元刚度矩阵中，形成一种子结构的单元刚度矩阵，然后按体系进行组合，经动力凝聚后，即可对各类瓷质高压电气设备在不同强度的地震作用下的动力反应进行计算分析，并给出其各自的破坏概率。

根据《电力设施抗震设计规范》（GB50260—2013）中的有关规定，法兰的弯曲刚度Kc按下式计算：

胶装连接时：

弹簧卡式连接时：

式中，dc为瓷套管连接部位的外径；hc为瓷套管与法兰胶装高度；te为法兰与瓷套管之间的间隙距离；hd为弹簧卡式连接中心至法兰底部的高度。

采用有限单元法进行抗震计算时，电气设备法兰与瓷套管连接的弯曲刚度由一个等效梁单元产生，其截面惯性矩Ic按下式确定：

式中，Lc为梁单元的长度，取单根瓷套管长度的0.05倍左右；Ec为瓷套管的弹性模量

计算结果如表5所示，对于城东110 kV变电站：

（1）VI度时，地震作用下无破坏可能；

（2）VII度时，除断路器有很小几率发生破坏外，其余设备无破坏可能，震害等级属于I级；

（3）VIII度时，除互感器相对安全，其余设备有不同几率破坏，其中开关设备更容易受到破坏，供电系统出现小范围可修复影响，震害等级属于II级；

（4）IX度时，所有设备均可能造成一定程度破坏，供电系统可能受到全面影响，震害等级属于III级；

表5 城东110kV变电站电气设备的地震破坏概率Tab．5 The probability of chengdong 110kV converting station electronic equipment seismic damage

（5）X度时，大多数电气设备出现严重破坏，难以修复，电力系统受到致命打击，短时间内难以恢复，震害等级属于IV级或V级，需视现场情况而定。

3.5 盐源县电力系统震害预测结果

根据上述对于盐源县城东110kV变电站的分析、计算结果，能够判定盐源县电力系统综合抗震能力（表6）。

城东110 kV变电站为盐源县枢纽级变电站，其破坏程度及修复时间直接决定全县电力系统受影响的程度及恢复时间，由于城东110kV变电站的破坏，其接驳西昌市电网螺吉山变电所的输电线路、盐井－汪家坪－平川输电线路沿线各联络站均受到影响，造成盐源县供电整体功能损失，同时对凉山州的供电系统造成一定影响。

表6 城东110kV变电站功能失效等级与地震烈度综合对应表Tab．6 The degree of chengdong 110kV converting station function loss and its relative seismic intensity

4 讨论与结论

目前我国城市防震减灾规划工作内容中缺乏对西部欠发达地区中小型城镇生命线工程的关注。开展针对此类地区与城镇的专项研究是十分必要的，同时与我国西部大开发战略方向也是一致的［20］。笔者在对盐源县电力系统的抗震能力分析中得出了一套经验统计方法与有限元理论分析法相结合的分析方法，即充分利用我国西部大量震害实例，抓住易破坏的变电站等关键环节，将建筑结构与电气设备分别单独进行分析计算，最后综合两项结果，快速有效地分析并得出电力系统综合抗震能力。这种方法可以大大提高中小型城镇防震减灾工作的效率，对此项工作的全面开展有一定意义。

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Seismic Capacity Analysis of Power System in Middle and Small⁃sized Cities of Western China——A Case Study of Yanyuan County，Sichuan Province

Bo Tao1，2，3，Li Mingzheng2，3，Sun Youwei4，
（1．Key Laboratory of Earthquake Engineering and Engineering Vibration，Institute of Engineering Mechanics，C EA，Harbin150080，China；2．Earthquake Administration of Beijing Municipality，Beijing100080，China；3．Beijing Seismic Science and Technology Development Center，Beijing100080，China；4．Institute of Disaster Prevention，Sanhe065201，China）

Characteristics of seismic damage and methods of seismic damage prediction of power system is summarized．Methods of seismic damage prediction and the analysis of seismic capacity apply to middle and small⁃sized cities in western China are explored．By the examples of Wenchuan earthquake in 2008，the classification of seismic damage grade and the selection of seismic damage index are optimized．The power facilities and electrical equipment of power system in Yanyuan County，Sichuan Province is chosen as a case to study．The conclusion is that from“unaffected“to“completely destroyed”is produced under the earthquake with the intensity VI⁃X degree by analyzing the seismic damage indexes．Finally，the combination of empirical and theoretical analysis method fit for power system in middle and small⁃sized cities of western China is summarized and verified．

power system；lifeline；seismic capacity；seismic damage prediction；vulnerability

P315.9

：A

：1673－8047（2017）01－0026－08

2016－10－29

地震科技星火计划（XH15001Y）；2016中国地震局震害防御司任务型专项。

薄涛（1984—），女，博士研究生，助理研究员，主要从事危机管理与信息系统、风险管理、城市减灾方面的研究。

李明政（1992—），男，本科，助理工程师，主要从事岩土工程抗震、城市防震减灾规划等方面的研究。