我國(guó)電力系統(tǒng)的地震災(zāi)害及應(yīng)對(duì)機(jī)制

汪 洋，楊太華，曹加良

(1.上海電力學(xué)院經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，上海 200090;2.同濟(jì)大學(xué)結(jié)構(gòu)工程與防災(zāi)研究所，上海 200092)

在現(xiàn)代社會(huì)中，維系現(xiàn)代城市功能與區(qū)域經(jīng)濟(jì)功能的基礎(chǔ)性工程設(shè)施系統(tǒng)，定義為生命線系統(tǒng)，電力系統(tǒng)作為生命線系統(tǒng)的重要內(nèi)容，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和人民日常生活中具有舉足輕重的作用.歷次大地震的震害表明，電力系統(tǒng)在地震中一旦遭受破壞，不僅會(huì)造成巨大的直接或間接經(jīng)濟(jì)損失，影響人民群眾的正常生活和社會(huì)生產(chǎn)，還會(huì)給震后的抗震救災(zāi)和應(yīng)急救援帶來極大困難.因此，開展電力系統(tǒng)的抗震研究，提高電力系統(tǒng)在地震災(zāi)害下的安全性，并建立相應(yīng)的應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制，保障災(zāi)后電力供給是當(dāng)前電力系統(tǒng)一個(gè)刻不容緩的任務(wù).

本文以5·12汶川特大地震為例，分析地震對(duì)電力系統(tǒng)造成的破壞，提出了相應(yīng)的應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制.

1 電網(wǎng)震害

5·12汶川特大地震是新中國(guó)成立以來破壞性最強(qiáng)、波及范圍最廣、救災(zāi)難度最大的一次地震，震級(jí)達(dá)里氏8級(jí)，最大烈度達(dá)11度［1］.通過震后的調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，這次地震中電力系統(tǒng)的主要震害表現(xiàn)在以下3個(gè)方面.

1.1 輸電線路的震害

輸電線路作為電網(wǎng)的重要組成部分，其倒塌、毀壞將直接導(dǎo)致電網(wǎng)癱瘓.從以往的震害調(diào)查發(fā)現(xiàn)，一般情況下輸電塔桿的抗震性能較好，單純的強(qiáng)地震致使輸電塔桿破壞的并不多見.

在汶川地震中，輸電線路的破壞主要是由于地震引起的泥石流等次生災(zāi)害導(dǎo)致輸電桿塔倒塌引起的.泥石流造成山體滑坡，導(dǎo)致輸電桿塔基礎(chǔ)發(fā)生破壞或不均勻變形，從而使桿塔結(jié)構(gòu)及輸電線路倒塌.

1.2 發(fā)電廠廠房的震害

地震中，由于發(fā)電廠廠房的倒塌或發(fā)電設(shè)備的破壞，會(huì)使發(fā)電廠遭受巨大的災(zāi)害.部分發(fā)電廠的廠房遭受到強(qiáng)烈地震后發(fā)生建筑物倒塌，并引起發(fā)電設(shè)施的損壞，主要是由于發(fā)電廠廠房結(jié)構(gòu)及設(shè)備的抗震性能不夠，或地震烈度超出了抗震設(shè)防等級(jí)而造成的.

1.3 變電站的震害

變電站的震害主要有兩種:變電站房屋發(fā)生倒塌;變電站進(jìn)出線構(gòu)架及高壓電氣設(shè)備發(fā)生倒塌和破壞.

這兩種地震破壞都會(huì)影響變電站的變電功能，使電網(wǎng)喪失供電能力，導(dǎo)致局部區(qū)域性斷電.變電站的震害主要是由于房屋及構(gòu)架的抗震能力不夠，或地震烈度超出了抗震設(shè)防等級(jí)，以及高壓電氣設(shè)備重心高、脆性構(gòu)件多等原因造成的.

上述震害特點(diǎn)表明，電力系統(tǒng)的震害主要集中在發(fā)電廠、變電站、開關(guān)站、換流站的電氣設(shè)備.因此，電力系統(tǒng)的抗震設(shè)防重點(diǎn)是廠房、各種設(shè)備及基礎(chǔ)設(shè)施等，對(duì)于處于高烈度區(qū)的輸電塔也要加強(qiáng)其抗震性能.

2 我國(guó)電力系統(tǒng)抗震研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)80年代，我國(guó)開始對(duì)電力系統(tǒng)的抗震進(jìn)行廣泛的實(shí)驗(yàn)和分析研究.1978年，西北電力設(shè)計(jì)院、原一機(jī)部抗震研究室、國(guó)家地震局工程力學(xué)研究所提出了“高壓電器設(shè)備減震技術(shù)研究”課題，研究?jī)?nèi)容包括一些高壓電氣設(shè)備的動(dòng)力特性分析、高壓電氣設(shè)備的模擬地震振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)［2，3］.20 世紀(jì) 90 年代中期，同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了一系列的核電站高壓電氣設(shè)備的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究［4］.進(jìn)入21世紀(jì)，部分學(xué)者開始研究減、隔震新技術(shù)在電力設(shè)施中的應(yīng)用.研究結(jié)果表明，采用減隔震裝置后，電氣系統(tǒng)整體周期延長(zhǎng)，地震造成的災(zāi)害大為減?。?］.

在對(duì)各類電氣設(shè)備詳細(xì)研究的基礎(chǔ)上，我國(guó)于1997年3月正式頒布了《電力設(shè)施抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50260－96)，對(duì)抗震設(shè)防烈度在6度至9度區(qū)內(nèi)新建和擴(kuò)建的常規(guī)安裝的電力設(shè)施的抗震設(shè)計(jì)進(jìn)行了規(guī)定，使新建和擴(kuò)建電力設(shè)施的設(shè)計(jì)有章可循，為減輕電力設(shè)備的地震破壞、減少電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)損失提供了依據(jù).

但從文獻(xiàn)資料和實(shí)際應(yīng)用情況來看，對(duì)于電力系統(tǒng)中的工程結(jié)構(gòu)(各類房屋和輸電塔架等)的抗震設(shè)計(jì)基本還是以相關(guān)工業(yè)與民用建筑設(shè)計(jì)規(guī)范為依據(jù)，忽略了該類結(jié)構(gòu)的特殊性和重要性，尤其是實(shí)際地震烈度超出抗震設(shè)防等級(jí)時(shí)缺乏相應(yīng)的安全儲(chǔ)備.各類減、隔震裝置還處于理論研究或試驗(yàn)階段，沒有得到大范圍的推廣應(yīng)用.

此外，從20世紀(jì)80年代后期至今，電氣設(shè)備抗震的研究基本是在110～220 kV的電壓范圍內(nèi)進(jìn)行的，這是由于在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)我國(guó)電力系統(tǒng)中大量采用的是110～220 kV高壓電氣設(shè)備.雖然對(duì)一些超高壓電氣設(shè)備進(jìn)行了試驗(yàn)研究和實(shí)測(cè)，但由于條件所限，對(duì)330 kV及其以上電壓等級(jí)的電氣設(shè)備抗震性能的研究工作開展較少.近年來，隨著電力工業(yè)的迅猛發(fā)展，超高壓500 kV電網(wǎng)已經(jīng)成為我國(guó)大部分地區(qū)的主干電網(wǎng)，特高壓1 000 kV電網(wǎng)的示范線路也已經(jīng)開工建設(shè).因此，對(duì)超高壓和特高壓電氣設(shè)施的抗震研究也應(yīng)盡早開展，以適應(yīng)電網(wǎng)發(fā)展的需要.

3 國(guó)外電力系統(tǒng)抗震研究及災(zāi)害應(yīng)對(duì)措施

由于特殊的地理環(huán)境和經(jīng)濟(jì)實(shí)力，美國(guó)和日本對(duì)電力系統(tǒng)抗震的研究一直處于國(guó)際領(lǐng)先地位.

根據(jù)抗震性能要求，日本將電力設(shè)備分為兩類:第一類包括大壩、LNG儲(chǔ)罐、儲(chǔ)油罐等，與這些結(jié)構(gòu)相關(guān)的電力設(shè)備在一般地震下不能出現(xiàn)主要功能故障，在大地震的情況下不能對(duì)人民生命造成重要影響;第二類包括發(fā)電廠建(構(gòu))筑物、發(fā)電機(jī)組、鍋爐、變電設(shè)備、輸配電設(shè)備及電力安全通訊設(shè)施等，這些電力設(shè)備在一般地震下不能出現(xiàn)主要功能故障，在大地震情況下不發(fā)生大面積長(zhǎng)期的供電中斷，應(yīng)有可替代、多重化的綜合設(shè)施以確保電力系統(tǒng)的功能.

日本在世界上率先將最先進(jìn)的防災(zāi)技術(shù)應(yīng)用到新建電力設(shè)施或已有電力設(shè)施的改造加固中.如東京電力公司的電力調(diào)度和防災(zāi)指揮中心辦公大樓，采取了基礎(chǔ)隔震的結(jié)構(gòu)形式，大大降低了地震對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的威脅，也保障了災(zāi)害發(fā)生時(shí)的救援指揮和調(diào)度.中部電力公司新建的歧阜縣分部大樓，在各個(gè)樓層都采用了帶有半主動(dòng)控制的粘滯性阻尼器來減震，還在屋頂進(jìn)行加振器試驗(yàn)，以檢測(cè)整體建筑的抗震性能.日本的工程技術(shù)人員還開發(fā)了一種新型的油阻尼器，在不影響生產(chǎn)的情況下對(duì)核電站煙囪進(jìn)行抗震加固，這是該領(lǐng)域世界范圍內(nèi)的首例.

1971年美國(guó)的San Fernando地震、1989年的Loma Prieta地震，以及1994年的Northridge地震，都對(duì)美國(guó)的電力系統(tǒng)造成了較嚴(yán)重的破壞.針對(duì)這些震害，美國(guó)的研究人員進(jìn)行了很多的實(shí)驗(yàn)和分析.對(duì)北美地區(qū)電力系統(tǒng)的規(guī)劃、電氣設(shè)備的抗震標(biāo)準(zhǔn)作出了更詳細(xì)的規(guī)定.地震以后，一些變電站重新進(jìn)行了布置，為了改進(jìn)電力系統(tǒng)的性能，開始用復(fù)合材料代替瓷件，部分剛性母線和導(dǎo)線用柔性的代替.

2003年，美國(guó)生命線工程聯(lián)合會(huì)(ALA)設(shè)立了“電力系統(tǒng)抗震安全和可靠性”專門委員會(huì)，委托加州大學(xué)伯克利分校的太平洋地震工程研究中心(PEER)對(duì)電氣設(shè)備的抗震進(jìn)行系統(tǒng)的研究.該研究計(jì)劃投入了大量經(jīng)費(fèi)，對(duì)電力設(shè)備，特別是變電站的各個(gè)組成設(shè)備進(jìn)行了大量詳細(xì)的建模分析及試驗(yàn)研究.研究分析的成果寫入了IEEE693標(biāo)準(zhǔn)(變電站的抗震設(shè)計(jì))，主要包括試驗(yàn)用地震輸入波形、變壓器絕緣套管地震響應(yīng)、230 kV開關(guān)器的性能，以及500 kV變壓器絕緣套管地震響應(yīng)等.這些研究解決了變電站設(shè)計(jì)中的很多具體問題，如連接設(shè)備之間的相互作用，500 kV開關(guān)器的抗震性能，變壓器抗震設(shè)計(jì)分析的地震輸入等.研究分析表明:采用了相關(guān)措施以后，變電站設(shè)備的抗震安全性和可靠性得到了大幅度提高［6-8］.

4 我國(guó)電網(wǎng)震害的應(yīng)對(duì)措施

4.1 提高電網(wǎng)的安全可靠性

從汶川地震震害調(diào)查發(fā)現(xiàn)，震中烈度達(dá)到11度，而重災(zāi)區(qū)基本上是7度設(shè)防或不設(shè)防，過大的震動(dòng)荷載造成了電網(wǎng)的嚴(yán)重破壞.因此，應(yīng)該加強(qiáng)區(qū)域地震危險(xiǎn)性分析，修正電力設(shè)施抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，并嚴(yán)格執(zhí)行，以提高我國(guó)電網(wǎng)的安全可靠性.

此外，在電網(wǎng)建設(shè)方面，發(fā)達(dá)國(guó)家的輸配電資產(chǎn)和發(fā)電資產(chǎn)比例一般為60∶40.由于歷史原因，我國(guó)的電網(wǎng)建設(shè)嚴(yán)重滯后于電站建設(shè)，威脅了電網(wǎng)的安全，因此有必要加大電網(wǎng)投資力度，提高和改善電網(wǎng)的安全可靠性.另外，隨著電網(wǎng)投資向高壓、超高壓和特高壓產(chǎn)品方向發(fā)展，對(duì)超高壓和特高壓的輸變電線路的安全可靠性也提出了新的要求.

4.2 增加電力系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)的抗震能力

通過對(duì)汶川地震的震害分析發(fā)現(xiàn)，應(yīng)該加強(qiáng)電力系統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)和抗震構(gòu)造措施.

(1)發(fā)電廠、變電站和輸電桿塔的抗震設(shè)計(jì)應(yīng)該嚴(yán)格參照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》［9］進(jìn)行，根據(jù)實(shí)際情況構(gòu)架結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)并進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)理論的研究，以采取合理可靠的抗震設(shè)計(jì)措施.在地質(zhì)條件惡劣的山地地區(qū)，輸電桿塔的埋設(shè)應(yīng)充分考慮地質(zhì)破壞的可能性，做好選址工作并對(duì)地基采取抗震措施.

(2)輸變電線路的高壓電氣設(shè)備，如斷路器、隔離開關(guān)、避雷器、變壓器套管、支柱絕緣子等，由于重心較高，瓷質(zhì)脆性構(gòu)件多，在地震中易被大量破壞.此外，變壓器安裝方式不當(dāng)也會(huì)造成該設(shè)備的移位、傾斜和轉(zhuǎn)動(dòng).因此，應(yīng)對(duì)變電站里易損性的高壓電氣設(shè)備的抗震性能進(jìn)行研究，如電瓷型的支柱、套管等，換用強(qiáng)度較高的瓷質(zhì)絕緣材料，將硬連接的設(shè)備改為軟連接，并增加連接長(zhǎng)度.

(3)提高高電壓電氣設(shè)備的抗震性能要求，考慮采用減隔震新技術(shù)，并落實(shí)到相關(guān)制作廠家，使之得到推廣應(yīng)用.

4.3 建立電網(wǎng)的災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制

電網(wǎng)應(yīng)對(duì)地震災(zāi)害的對(duì)策主要分為3個(gè)階段:災(zāi)前預(yù)防;災(zāi)時(shí)應(yīng)急;災(zāi)后快速恢復(fù).

災(zāi)前預(yù)防措施主要是指選用抗災(zāi)性能好的設(shè)備，這些設(shè)備要通過抗災(zāi)設(shè)計(jì)、抗災(zāi)補(bǔ)強(qiáng)，以及日常良好的維護(hù)來保持其較好的抗災(zāi)性能.

災(zāi)時(shí)應(yīng)急主要是盡量減輕災(zāi)害發(fā)生時(shí)的影響范圍.采取的措施主要包括設(shè)備構(gòu)成的多重化，以及有相應(yīng)的備件提供災(zāi)時(shí)支撐等.

災(zāi)后快速恢復(fù)的措施很多，包括快速恢復(fù)物資的應(yīng)急供應(yīng)、保持恢復(fù)工作的暢通、各相關(guān)單位之間的相互支援等.

建立應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制主要應(yīng)該考慮的問題及對(duì)策如下.

(1)發(fā)電廠、輸電線路、變電站的重要設(shè)備在受損或破壞后，會(huì)發(fā)生大面積、長(zhǎng)時(shí)間的停電，同時(shí)會(huì)對(duì)環(huán)境造成影響，因此應(yīng)實(shí)施相應(yīng)的抗震對(duì)策，盡量使重要設(shè)備的運(yùn)行不受影響.

(2)在大地震或火災(zāi)等次生災(zāi)害造成的變電站設(shè)備破壞、發(fā)生大范圍停電時(shí)，應(yīng)有多重的備用設(shè)施和設(shè)備，電力供給可以不經(jīng)過受損傷設(shè)備而直接啟動(dòng)備用設(shè)備，盡量在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)停電區(qū)域的電力供應(yīng).

(3)在強(qiáng)震區(qū)域，由于附近建筑物受損倒塌而導(dǎo)致的電桿折斷、倒塌，輸電桿塔的損壞會(huì)引起停電事故，因此應(yīng)研制并儲(chǔ)備簡(jiǎn)易搶修設(shè)備，以及時(shí)取代受損的桿件和線路，實(shí)現(xiàn)震后初期的恢復(fù)供電.

(4)大地震時(shí)，由于大量的電氣設(shè)備被破壞，備用系統(tǒng)可能無法使用.另外，道路不通、恢復(fù)電力的器材物資不能及時(shí)投入使用.考慮到大地震發(fā)生后的長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)停電，因此，要與整個(gè)社會(huì)救災(zāi)機(jī)制相配合，制定以快速恢復(fù)為目的的相關(guān)搶修應(yīng)急預(yù)案.

5 結(jié)語

基于對(duì)電力系統(tǒng)在地震中的災(zāi)害和應(yīng)對(duì)政策的研究分析，筆者建議應(yīng)該積極開展4個(gè)方面的工作:一是加強(qiáng)電氣設(shè)備，特別是變電站、開關(guān)站、換流站電氣設(shè)備的抗震性能評(píng)估，采用先進(jìn)的隔震、減震等控制措施，提高電氣設(shè)備的抗震性能;二是全面系統(tǒng)地研究500 kV超高壓和1 000 kV特高壓各種電氣設(shè)備的抗震性能，彌補(bǔ)電氣設(shè)備抗震研究工作的缺失;三是從網(wǎng)絡(luò)可靠性分析和潮流分析等方面，對(duì)地震時(shí)電網(wǎng)功能失效進(jìn)行廣泛深入的研究，充分把握其薄弱環(huán)節(jié)及其破壞機(jī)理，為提高電力設(shè)施的抗震性能提出有效的措施;四是借鑒國(guó)外的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，建立和健全各大電網(wǎng)公司的地震應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制和震后供電快速恢復(fù)機(jī)制，力爭(zhēng)將特大地震災(zāi)害對(duì)電網(wǎng)的沖擊減至最小.

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