110kV及以上变电站地震易损性研究.pdf

书书书第 卷第 期（）年 月中 国 地 震 刘如山，闫路鹏，姜立新，等 及以上变电站地震易损性研究 中国地震，（）：及以上变电站地震易损性研究刘如山）闫路鹏）姜立新）刘金龙）张俊杰）中国地震局工程力学研究所，中国地震局地震工程与工程振动重点实验室，哈尔滨 ）中国地震台网中心，北京 摘要本文提出了根据变电站内高压电气设备和房屋建筑的地震破坏状态计算变电站震害指数的方法，统计了 年汶川 级大地震中成都、绵阳、德阳、广元、阿坝地区国家电网的 座 及以上变电站的震害情况，通过震害指数进行了震害等级评价。采用对数正态分布的累积函数，拟合了变电站基于峰值加速度的地震易损性曲线。计算结果表明：当地震烈度在度及以下时，变电站和输电线路只有基本完好和轻微破坏状态，不发生中等及以上等级的破坏；当地震烈度为度时，有变电站开始出现严重破坏状态；当烈度达到度时，有少量变电站发生严重破坏，多数为中等破坏；当烈度为度及以上时，多数变电站达到严重破坏和毁坏。关键词：变电站汶川 级地震震害指数对数正态分布累积函数地震易损性曲线 文章编号 （）中图分类号 文献标识码 收稿日期 修定日期 项目类别 中国地震 局 工 程 力 学 研 究 所 基 本 科 研 业 务 费 专 项 资 助 项 目（）、国 家 重 点 研 发 计 划（）共同资助 作者简介 刘如山，男，年生，研究员，主要从事地震工程研究。：引言变电站是电网中的重要节点，过去人们对变电站的地震易损性研究，往往是针对变电站内的某些具体设备、房屋建筑等，在构件层次上进行的研究。世纪 年代，美国太平洋地震工程中心（）建立了美国加州变电站设备地震破坏数据库，并绘制了电气设备的易损性曲线，被广泛应用于电力系统灾后评估工作中。美国应用技术委员会（）根据专家经验给出了各类生命线设备设施地震易损性曲线（，），用于美国地震应急（）地震风险分析系统 （，）。中国学者近年来分别研究了变电站的高压变压器、母线、以及诸如避雷器、断路器、隔离开关、互感器等瓷柱型高压电气设备的地震易损性（孟敏婕等，；胡婧等，；贺海磊等，；刘振林等，；，）；有学者将变电站看作是一个整体系统，从系统可靠性角度对变电站的功能状态进行了地震易损性分析（郑山锁等，）。对于地震灾害预测、经济损失评估或地震保险工作而言，人们更加关注的是变电站这种具有独立功能的单元总体的破坏和损失情况，而并不关心变电站单元内部哪个具体设备或设施构件发生了怎样的破坏和什么程度的破坏。从宏观层级进行变电站和输电线路综合性的地震易损性研究，同样是政府、社会、行业的重大需求。期刘如山等：及以上变电站地震易损性研究对电力设施进行地震易损性研究的方法主要有三种，分别为计算机数值分析方法、实验法和地震震害统计分析法（文波等，）。数值分析方法与实验方法更侧重于承灾体的地震响应分析及破坏演化过程的模拟，是研究设备抗震能力、损伤机理和发展设备减震隔震技术强有力的方法和手段（，；，；谢强等，）。根据地震震害调查资料，通过统计分析，研究电力设施的地震易损性，除了用于设施的地震灾害风险分析，还能够为研究电力设施抗震能力、编制地震应急预案提供依据和参考。该方法需要足够多的震害样本，才能构成较为科学合理的统计。该方法的优点是易损性研究结果比较贴近实际。年汶川 级大地震受灾面积大、波及范围广，在地震烈度 度区，广泛分布着大量国家电网的变电站，为研究电力设施的地震易损性提供了大量样本。本文根据汶川大地震中受灾最严重的四川境内的绵阳、德阳、广元、阿坝地区和成都部分地区的国家电网中 及以上变电站的震害数据，计算了震害指数，并进行变电站地震易损性统计分析，为电网设施抗震能力和地震风险评估提供参考。变电站地震易损性的计算方法本文首先构建变电站综合震害指数计算方法，然后将变电站作为一个整体单元，根据汶川大地震中震害资料计算变电站综合震害指数，最后通过统计获得四川电网 及以上变电站的地震易损性曲线。具体步骤为：将变电站分为变压器、其他室外高压电气设备、房屋建筑（含室内设备）共三类设备设施，以每类设备设施所占经济价值比例作为权重系数，通过三类设备设施的震害指数及权重系数构造变电站综合震害指数表达式；划分变电站震害等级，确定震害等级与变电站综合震害指数值的关系；进行变电站地震易损性曲线拟合。根据汶川大地震变电站震害调查资料，通过变电站各组成部分震害指数来计算统计变电站的综合震害指数，与地震动强度进行回归统计，结合烈度与加速度峰值的关系，求得变电站基于地震动加速度峰值的地震易损性曲线。变电站综合震害指数计算式的构建震害指数是 年中国科学家胡聿贤院士在通海地震后对房屋震害进行调查时，提出的衡量房屋震害大小的指标（薄景山等，），房屋震害指数的取值范围为闭区间 ，代表房屋的震害程度从完好到倒塌的状态。地震实例证明，这一指标在统计意义上对震害的评定具有很好的合理性。界定变电站震害程度，同样可以采用震害指数作为震害程度的判断指标。变电站主要由室外高压电气设备、主控室及室内监控设备组成。因此，变电站的震害指数应通过能够体现这些设备设施的破坏程度的参量来表达。由于变电站的震害指数是根据变电站的房屋和室内外设备等各组成部分的震害指数计算得出的，因此可将其称为变电站综合震害指数。变电站的室外高压电气设备包括变压器和瓷柱型的断路器、隔离开关、电流互感器、电压互感器、避雷器等。变压器是变电站的核心设备，与其他瓷柱型高压电气设备相比，其在结构构造和抗震能力方面存在较明显的差异。室内设备主要为操控台、设备柜、监控屏、电池箱等，这些设备的破坏往往与建筑设施的破坏密切相关，为简单起见，将这些设备归并为 中国地震 卷房屋建筑看待。因此，本文将变电站的构成划分为变压器、其他室外高压电气设备（含断路器、隔离开关、电流互感器、电压互感器、避雷器）、主控室（含室内各种监控设备）三类。变电站综合震害指数取值范围为闭区间 ，可以通过式（）来计算（）式中，为变电站综合震害指数；为变电站第 类设施的权重系数，为变电站内部设施类别，取 、时分别代表变压器、其他室外高压电气设备、变电站主控室（含室内监控设备）；为变电站第 类设施的破坏比，当设施为主控室时，其代表建筑物的震害指数，当设施为变压器或其他室外高压电气设备时，其指的是破坏率。根据对四川电网中变电站的统计，一般情况下，及以上变电站的变压器、其他高压电气设备、主控室建筑（含室内设备）的造价权重系数为 、，将该组数值作为式（）中权重参数 的取值。变电站破坏等级划分评价变电站的破坏等级时，依据生命线工程地震破坏等级划分标准（中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局等，），考虑变电站的建筑设施和变压器、断路器、隔离开关、电流互感器、电压互感器、避雷器等六类高压电气设备的破坏情况，将变电站整体的破坏状态划分为：基本完好、轻微破坏、中等破坏、严重破坏和毁坏。变电站各破坏等级对应的破坏状态描述如表所示。参照建筑结构震害指数值与建筑结构破坏等级的关系，变电站震害指数值与震害等级的关系亦在表中列出。表 变电站破坏等级分级表破坏等级破坏状态综合震害指数（）级：基本完好设备基本完好，建筑物基本完好，功能基本正常 级：轻微破坏个别高压电气设备破坏，或建筑物轻微破坏，经检修可迅速恢复正常 级：中等破坏部分变压器、隔离开关、断路器受损，或建筑物中等破坏，功能基本丧失，需要一定时间检修才能恢复正常功能 级：严重破坏多数变压器、隔离开关、断路器、互感器、和避雷器等设备严重破坏，或建筑物严重破坏，功能丧失，需要大修才能恢复正常功能 级：毁坏多数设备毁坏，建筑物毁坏，需重建 变电站地震易损性曲线拟合汶川大地震中，四川省德阳、绵阳、广元、阿坝地区受灾最为严重。将上述地区全境和成都地区都江堰、彭州、崇州、温江、郫县的国家电网全部 及以上共计 个变电站作为统计分析样本，对变电站的地震易损性曲线进行拟合。这些变电站样本的名称、所在地区、电压等级以及所在位置的地震烈度如表所示。期刘如山等：及以上变电站地震易损性研究表 及以上变电站样本及地震烈度地区变电站名称电压等级 地震烈度地区变电站名称电压等级 地震烈度德阳谭家湾站 成都蜀州站 德阳孟家站 成都丹景站 德阳五里堆站 成都隆兴站 德阳古城站 成都回龙站 德阳万安站 成都鱼凫站 德阳新市站 成都聚源站 德阳云西站 成都大田站 德阳城南站 成都崇州站 德阳德阳站 成都王场站 德阳风光站 成都永康站 德阳旌湖站 成都光明站 德阳清平站 成都太清站 德阳天元站 成都天彭站 德阳扬嘉站 成都林湾站 德阳炳灵宫站 成都郫县站 德阳大塘站 成都公平站 德阳高新站 成都海科站 德阳广汉站 成都柳城站 德阳金兴站 成都灌县站 德阳连山站 成都金江站 德阳雒城站 成都胥家站 德阳三星站 绵阳谷丰站 德阳向阳站 绵阳佳桥站 德阳小汉站 绵阳永兴站 德阳斑竹站 绵阳大康站 德阳御营站 绵阳天明站 德阳民主站 绵阳百胜站 德阳元石站 绵阳安县站 德阳八角站 绵阳三元站 德阳孝泉站 绵阳高水站 德阳白庙站 绵阳绵阳站 德阳东北站 绵阳南塔站 德阳龙桥站 绵阳普明站 德阳绵竹站 绵阳三台站 德阳两路口站 绵阳石桥铺站 德阳双盛站 绵阳塘汛站 德阳土塘站 绵阳铁牛站 德阳万春站 绵阳新皂站 德阳永宁站 绵阳园艺站 中国地震 卷续表地区变电站名称电压等级 地震烈度地区变电站名称电压等级 地震烈度德阳香山站 绵阳宏仁站 德阳汉旺站 绵阳长卿站 德阳穿心店站 绵阳魏城站 广元赤化站 绵阳仙人桥站 广元洪江站 绵阳小枧站 广元白石岩站 绵阳游仙站 广元袁家坝站 绵阳小亭站 广元陵江站 绵阳花罧站 广元懒土坡站 绵阳界牌站 广元城郊站 绵阳二郎庙站 广元剑阁站 绵阳甘溪站 广元沙溪坝站 绵阳马角坝站 广元下寺站 绵阳三合站 广元上西站 绵阳沙窝站 广元松林坡站 绵阳太白站 广元朝天站 绵阳中坝站 广元竹园站 绵阳雎水站 广元三堆站 绵阳晓坝站 广元沐浴站 绵阳永安站 广元乔庄站 绵阳辕门坝站 阿坝茂县站 绵阳擂鼓站 阿坝银杏站 每个变电站的震害调查资料包含主控室的震害等级，变压器、断路器、隔离开关、电流互感器、电压互感器、避雷器等各种高压电气设备的总数量以及其各自的破坏数量等信息。据此，可以确定变电主控室的震害指数，并得到每个变电站中变压器和其他高压电气设备的破坏率，从而通过式（）计算表 中所列出的各个变电站的综合震害指数，样本变电站所在位置的烈度及样本变电站综合震害指数的分布如图所示。由图可以看出，在烈度度区，变电站基本没有地震破坏，度时开始有地震破坏，度和度会迅速产生大量破坏，度以上平均综合震害指数达到 以上。在 度的每个烈度区内，变电站地震破坏程度的离散性较大。根据变电站综合震害指数值和表 即可确定所有变电站的震害等级。然后通过归一化处理，计算变电站在 度各个不同烈度下，发生不同震害等级的比率，形成地震易损性矩阵，计算结果如表 所示。表同时列出了各破坏等级的变电站样本数量。虽然地震烈度与地震动峰值加速度之间不能建立严格意义上的对应关系，但可在统计意义上建立一个大体的对应关系（表）。中国的建筑抗震设计规范（）也是以该基本关系作为设防烈度与设防加速度的对应关系。本文利用此关系将基于地震烈度的变电站易损性矩阵转换为基于地震动峰值加速度的易损性矩阵，如表所示。期刘如山等：及以上变电站地震易损性研究图 各烈度区变电站震害指数分布表 变电站地震易损性矩阵地震烈度基本完好轻微破坏中等破坏严重破坏毁坏 样本数量 表 地震烈度和地震动峰值加速度基本对应关系地震烈度 表 基于地震动峰值加速度的原始变电站易损性矩阵 基本完好轻微破坏中等破坏严重破坏毁坏 本文采用对数正态概率分布函数作为描述地震易损性曲线的基本函数。假设承灾体达到或超越某一破坏状态服从对数正态分布，即 中国地震 卷（）()（）式中，（）为承灾体达到或超越第 损伤状态的概率；为正态分布累积函数；为承灾体达到第 损伤状态时的损伤指标；为承灾体损伤状态分级，从 至 分别代表基本完好、轻微破坏、中等破坏、严重破坏和毁坏；为承灾体达到第 损伤状态时损伤指标 的平均值；为相应的对数标准差。该表达式可以作为变电站和输电线路的易损性曲线函数。对于表 ，很容易通过累积的计算方法得出基于地震动峰值加速度的变电站各破坏等级的超越概率易损性矩阵，采用最大似然估计法并根据式（）求得的变电站地震易损性曲线如图所示。图 变电站地震易损性曲线变电站处于第 损伤状态的概率（），可以通过式（）式（）计算得到（）（）（）（）（）（）（当 ，时）（）（）（）（）在 峰值加速度区间，以 为间隔，经计算得到的变电站地震易损性矩阵如表 所示。从图 和表 可以看出，地震动强度在烈度度（往往对应于 左右）以下时，变电站绝大多数处于基本完好状态，少部分轻微破坏；地震烈度为度时，对应的 达到 左右，此时变电站轻微破坏占大多数，中等破坏达到将近三分之一，个别变电站可能严重破坏；当地震烈度为度时，此时 在 左右，变电站破坏多为中等破坏、部分为严重破坏和轻微破坏，少数发生毁坏；当地震烈度为度时，对应的 在 左右，变电站大部分处于毁坏和严重破坏状态；当地震烈度达度时，至少在 以上，变电站绝大部分处于毁坏状态。期刘如山等：及以上变电站地震易损性研究表 统计回归的基于地震动峰值加速度的变电站易损性矩阵 基本完好轻微破坏中等破坏严重破坏毁坏 结论利用汶川 级大地震中受灾最严重的绵阳、德阳、广元和成都部分地区的 及以上变电站的震害资料，采用对数正态分布的累积函数进行统计回归，拟合了变电站基于地震动峰值加速度的易损性曲线。据此得到如下结论：当地震烈度在度及以下时，变电站基本不发生中等及以上的破坏；当地震烈度为度及以上时，开始有产生严重破坏的变电站；当地震烈度为度及以上时，变电站多数达到严重破坏和毁坏。汶川大地震波及范围广，震害重。在低、中、高烈度区均取得了一些震害样本，为高压变电站的地震易损性曲线研究提供了宝贵的基础资料。实际上，易损性曲线的拟合，有待于将来通过积累更多的地震震害数据来丰富拟合易损性曲线的样本，特别是度及以上高烈度区的统计，需要更加丰富的样本数据来支持。另外，近年来日益发展的 变电站，其室内集成的模块化高压电气设备与普通变电站的高压电气设备的抗震性能有很大区别，因此本文的变电站易损性研究结果不适用于 变电站。参考文献薄景山，张建毅，孙平善，等 震害指数及有关问题的讨论 自然灾害学报，（）：贺海磊，郭剑波，谢强 电气设备的地震灾害易损性分析 电网技术，（）：胡婧，谢强 管母线连接变电站电气设备的地震易损性分析 电力建设，（）：刘振林，代泽兵，卢智成 基于 分布的电瓷型电气设备地震易损性分析 电网技术，（）：孟敏婕，陈玲俐，叶志明 油浸式高压变压器地震易损性分析 世界地震工程，（）：中国地震 卷文波，牛荻涛，赵鹏 电力系统抗震可靠性研究与分析综述 灾害学，（）：，谢强，朱瑞元 大型变压器抗震性能研究现状与进展 变压器，（）：郑山锁，汪靖，贺金川，等 变电站主接线系统地震易损性分析 华中科技大学学报（自然科学版），（）：中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会 生命线工程地震破坏等级划分 北京：中国标准出版社 ：，（）：，：，：，：），），），），），），：；