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, 定义为生命线工程系统, 主要包括电力、交通、通讯、城市供水、供热、供燃气系统等。作为大型复杂生命线系统的重要组成部分, 电力系统的安全性问题直接影响国家的生产建设和人民的生活秩序。由于现代城市生命线系统之间较强的相互依赖性，电力系统在其中扮演非常基础的作用。
电力系统的故障, 除了运行设备故障、人为操作失误外, 很大一部分源于自然灾害。在我国 2004年的电网故障中, 自然灾害造成的有 14 起, 而这一数据在 2001、2002、2003 年分别为 7 起、5 起和 10起。2005 年 2 月华中地区的冰灾以及 2008 年 1 月我国大范围持续的冰灾, 2005 年 4 月和 6 月江苏地区 500 k V 输电塔风灾倒塌以及每年登陆我国的台风, 均对电力系统造成很大的损失。自然灾害引发的电力系统故障不单只发生在我国, 世界各地常有自然灾害诱发电力系统灾害的实例。
除了风灾与冰灾, 地震灾害也是威胁电力系统安全运行的一种重要自然灾害。近年来, 国内外由于地震所导致的电力设施破坏而引发的大面积停电时有发生。如 1992 年美国 Northridge 地震, 1995 年日本阪神大地震, 1996 年我国包头地震,1999 年我国台湾集集地震以及土耳其 Kocaeli 地震, 都对电力系统造成了很大的破坏。本文首先回顾近些年国内外电力系统由于强烈地震所引发的事故和损失, 重点介绍了电力系统在地震灾害时的破坏特征, 然后对电力设施的抗震研究现状进行了较为系统的论述。
最后以日本东京电力公司为例, 介绍了电力系统的地震灾害的应急响应和快速恢复方法。严峻的事实表明: 开展电力设施抗震研究, 提高电力系统在地震灾害下的安全性、保障电力供给是当前电力系统的一个刻不容缓的任务和挑战。
1.1 我国电力系统地震灾害情况
在我国发生的地震中, 多次对电力系统造成严重威胁或破坏。例如: 1976 年唐山大地震使电力系统遭受极大的破坏, 从此我国展开了电力系统抗震的若干研究工作。1996 年内蒙古包头地震, 张家营变电站停止供电达 11 h, 虽然地震没有造成人员的重伤和死亡, 但造成损失电量 304 万 k Wh, 约 30多万 m2建筑设施受损严重, 仅电力部门直属单位直接经济损失就达 1 亿元以上。
1999 年 9 月 21 日,我国台湾集集大地震对电力系统造成了非常大的破坏,这次震害的一个主要特点是高压输电塔的破坏, 这在以前的地震记录中是非常少见的。由于 1 个开关站、多个变电站以及 345 k V 输电线路的破坏, 使得台湾的南电北送受阻, 造成台湾彰化以北地区完全断电, 社会和经济损失难以估计。地震中还有大量的电力设备被破坏, 特别是变电站和开关站的设备被大量破坏。
高压输电塔- 线体系的震害主要有以下几种:
( 1) 因山体滑坡、场地液化以及不均匀沉降引起的震害;
( 2) 因地震断层地表破裂、地面变形引发的输电塔震害;
( 3) 因输电塔结构抗震设计不足所引发的震害;
( 4) 因地震反应过大, 导线相互接近发生短路、断线, 以及绝缘子的震坏。
1.2 国外电力系统地震灾害调查
国外对于电力系统的震害调查是比较详细的。
如在 1964 年日本新泻地震后, 就有专门的关于电力系统震害的报道。1971 年 2 月美国 San Fernando 地震后, 对于生命线工程系统的各个部分震害调查更加重视, 对于电力系统震害报道逐渐多了起来。1989 年发生的美国 Loma Prieta 地震中, 230 k V 与550 k V 变电站破坏严重。研究人员对此次地震中造成的大量变电站的高压电气设备震害进行了详细分析, 包括对几个变电站、电流断路器、电压互感器、隔离开关等在地震中的破坏状态进行了比较详细的描述。
1989 年, Loring A. Wyllie 等对 1988 年 12 月发生在前苏联亚美尼亚大地震所造成电力系统的震害进行了调查和分析 。
1994 年 1 月美国 Northridge地震所造成的电力系统的震害也集中于230 k V 和550 k V 变电站, 地震同时造成北美地区 110 万人的用电中断。在这次地震中, 230 k V 和 550 k V 变压器套管破坏以及由于场地液化和滑坡造成输电塔基础的损坏比较严重。
1995 年 1 月日本神户地震中, 一批 770 k V 和275 k V 变电站破坏, 约20 基输电塔发生基础沉陷、塔身倾斜, 另有部分输电塔的绝缘子震坏,地震共造成 260 万用户停电。
1999 年土耳其 Kocaeli 地震,同样发生了很大范围的停电, 大范围停电的一个最主要的原因是一 380/154 k V 变电站的破坏。地震中, 这一变电站中所有4 个变器均因为基础螺栓断裂而移动了 50 cm, 6 个主要的回路继电器中的 5个破坏, 导致油从绝缘套管泄漏。此次地震中, 还有其他 9 座变电站的变压器、开关设备和建筑受到不同程度的破坏, 所有的这些破坏都是与地面的强烈震动直接相关。
2004 年 10 月日本新泻地震, 造成 28 万户停电。在输电线路中, 由于滑坡等造成 1基输电塔倒塌、3 基倾斜, 轻微倾斜有 20 基。11 个变电站受损, 其中避雷器损坏 1 件, 机器基础下沉有21 件。配电设备受损共有 7 566 件, 其中, 支撑物等4227 件( 倒塌 88 件, 倾斜 4 139 件) , 与电线关联 3339 件( 断线 105 件, 其他 3 234 件)。
1.3 电力设施地震灾害特征
在地震中, 典型的电力设施的震害包括:
(1) 变压器: 其震害表现一般为主体位移、扭转、跳出轨道或倾倒, 与之相伴, 出现顶部瓷套瓶破坏、散热器或潜油泵等附件的破坏。造成震害的主要原因是电力变压器浮放在轨道或基础平台上, 未采取固定措施, 或虽采取了固定措施, 但强度不足, 地震时将固定螺栓剪断或将焊缝拉开而导致震害。变压器破坏会大大延缓系统恢复供电的时间。
(2) 瓷质高压电气设备: 由于强烈的地面运动以及设备之间连接的相互作用, 高压变电站中的一些设备比较容易在地震中遭受破坏。这类电气设备包括断路器、隔离开关、电流互感器、电压互感器、支柱绝缘子、避雷器等。这些电气设备固有频率在 1～10 Hz 范围内, 与地震波的卓越频率接近。同时, 这类设备阻尼值一般较小, 其主体材料瓷柱属脆性材料, 耗能能力较小, 因此在地震中极易因类共振影响使设备遭受破坏。震害主要特征是绝缘瓷瓶断裂、设备倾斜或跌落等。
(3) 支撑结构震害: 高压变电站的变电设备往往安装在钢或混凝土类支撑结构上。在历史震害中,因支撑结构破坏导致变电站设备破坏的不乏其例。
(4) 输配电线路杆塔: 由于输电线的低频振动对输入地震能量的解耦作用, 同时也由于输电线路杆塔抗风和抗冰设计的要求, 输电线路杆塔结构的震害相对较轻。震害经验表明: 输电线路杆塔的震害绝大多数源于地震所引起的次生灾害, 如地面变形、不均匀沉降、滑坡、泥石流或沙土液化发生塔体倾斜、倾倒、构件损坏等。在地震高烈度区, 也会产生输电塔结构的动力破坏( 如 1999 年台湾集集地震) 。
(5) 没有固定或锚固的电力设备是很容易受地震作用而破坏的, 特别是那些设置在轨道上的设备以及没有可靠连接的支柱架设的设备。
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、各种设备及基础等, 对于处于高烈度区的输电塔也要重视抗震设计。
2.1 我国电力设施抗震研究
我国在上世纪 80 年代对电力系统的设备抗震进行过很多的实验和分析研究工作, 但是局限于当时的条件, 地震模拟振动台试验并不多。
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”的课题。主要的研究工作是在上世纪 80 年代进行,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: 吴慧中等计算分析了 KW4- 500 空气断路器的自由振动和在典型地震波、正弦波激励下的响应, 并对几种不同机构形式进行了分析比较; 董伟民等从唐山地震中各变电站少油断路器的实际震害出发, 分析了少油断路器的破坏机理，采用叠层橡胶减震器进行底部隔震, 对断路器及其减震体系进行振动台模拟地震试验并与计算结果进行了比较; 杨亚弟等对电器设备进行了统计和分析, 提出了高压电气设备的抗震性能分析计算方法, 并研究了连接方式、安装方式、支架、场地条件等因素对高压电气设备的抗震性能的影响。上世纪90 年代中期, 同济大学土木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。
在对各类电气设备详细研究的基础上, 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6 度至 9 度区的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, 为减轻电力设备地震破坏、减少电力系统的经济损失提供依据。
然而, 从文献资料看, 从上世纪 80 年代后期一直到目前为止, 电气设备抗震的研究较少。以前的电气设施抗震研究工作基本是在 110～220 k V 的电压范围内进行的, 这是由于当时我国电力系统中大量采用的主要是 110～220 k V 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 k V 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。随着近年来电力工业的迅猛发展, 超高压 500 k V 已经成为我国大部分地区的主干电网, 特高压 1 000 k V 电网的示范线路已经开工建设, 因此, 对超高压和特高压电气设施的抗震研究势在必行, 应尽早深入开展这方面的研究工作, 以适应电网发展的需要。
2.2 日本电力设施抗震研究
由于特殊的地理环境和经济实力, 对电力系统抗震的研究, 美国和日本一直处于国际领先地位。在抗震减灾方面, 日本对电力设备和工程结构有严格的要求, 特别是对发电厂、电力调度指挥中心等有特殊的规定, 对电力设备也要求必须满足抗震要求。
日本对电力设备抗震分类和抗震性能要求分为2 类: 第 1 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 2 类主要包括发电厂建( 构) 筑物、发电机组、锅炉、变电设备、输配电设备、电力安全通讯设施等, 在一般地震作用下, 这些电力设备不能出现主要功能故障; 在大地震作用下, 不能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。
1995 年阪神地震中发现了一些问题, 比如防止锅炉振动的支撑的断裂、由于变压器基础螺栓剪断而产生的基础滑移、由于地基液化所造成的电杆的倾斜等。针对这些出现的工程破坏实例, 日本的研究人员均进行了大量的试验研究和分析, 提出了相应的防治和整改措施, 并且对有隐患的设备进行了抗震加固改造。
日本电力公司根据需求, 将最先进的防灾技术及时应用到新建结构或已有结构的改造加固中。对于电力调度和防灾指挥中心的办公大楼, 采取了基础隔震的结构形式, 大大降低了地震对结构的威胁,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油阻尼器来减震, 最后还在屋顶进行了加振器试验来检测整体建筑的抗震性能。由于预计未来 30 年日本发生特大地震的可能性极高,对于一些特别重要的结构, 研究人员进行了专门的抗震评估, 其中对于一个核电站烟囱的抗震加固具有典型意义。对于这个已有的烟囱, 在不能停工的情况下要进行抗震加固是充满挑战性的, 工程技术人员开发了一种新型的油阻尼器, 对烟囱进行了抗震加固, 这也是这一领域世界范围内的第 1 例。
电力系统除了使用常规的通讯系统外, 自己保持有一套独立的无线通讯系统, 以防止常规通讯系统故障所造成的影响。中部电力对于安装无线通讯设 备 的 通 讯 铁 塔 , 使 用 了 抗 震 领 域 的 一 种 新 技术———屈曲约束支撑, 从而大大提高了防灾通讯铁塔的抗震性能。
日本关于电力设备的抗震研究也取得了很多成果:
在电力设备抗震方面, 上世纪 70 年代末期, 即将电力设备抗震设计方法由以往的静力设计方法改为以输入地震波进行响应分析的动力分析方法; 针对每次震害所出现的问题, 都进行了具体措施的整改,从而使其电力系统的震害越来越少, 为震后快速恢复工作节约了宝贵的时间; 以设想中未来的特大地震为前提, 提出了电力系统地震危险性的评估方法以及变电设备的抗震补强方法。
2.3 美国电力设施抗震研究
1971 年 2 月 美 国 San Fernando 地 震 、1989 年Loma Prieta 地震以及 1994 年 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。正是由于这些地震, 使得对于北美地区电力系统的规划、设备作出了更详细的规定。地震以后, 为了改进电力系统的性能, 一些瓷件开始用复合材料代替, 如带有瓷套管的电流互感器、电压互感器和避雷器, 开始制订电力设备临时抗震规定, 一些变电站在重新布置,刚性母线和导线用柔性的代替。
2003 年春开始, 美国生命线工程联合会( ALA)设立了一个“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非常系统的研究。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以及试验研究。试验研究包括伪静力试验和模拟地震振动台试验 2 个主要部分。研究分析的成果计划写入 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 k V 开关器的性能、500 k V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 k V 开关器的抗震性能、变压器抗震设计分析的地震输入问题。研究中对一些设备从提高抗震性能的角度进行了改进。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能和可靠性得到了大幅度的提高。
东京电力公司是日本最大的电力公司, 其用电量占到全日本的 1/3。东京电力公司将危险分为自然灾害和内在外在因素 2 大类, 内在因素包括设备的老化、不正当维护所引起的故障, 外在因素包括飞来物、吊车的碰撞、火灾、恐怖行为等。但是, 主要一部分危险来自电力系统所面临的自然灾害, 包括: 地震、强风暴( 台风、飑线风、龙卷风等) 、冰雪灾、雷击、洪水、滑坡等地质灾害、火山喷发等。不管是自然灾害还是其他原因造成的停电事故, 都会对社会生产和生活带来很大损失, 会导致社会、经济系统的机能故障, 因此是生命线工程的基础。
3.1 防灾对策的基本方针
在东京电力的防灾对策上, 主要分为 3 个不同的阶段, 分别对应为: 灾前预防、灾时应急、灾后快速修复。
防灾对策的基本方针: 非常灾害( 自然灾害以及内部、外部因素所造成的电力设备破坏、人员伤亡等所导致的对周围环境造成很大影响, 造成大范围、长时间的电力供应中断, 使社会生活和生产等产生障碍) 发生前进行预防, 灾害发生时尽量减轻灾害的后果, 并且尽早恢复电力正常状态。
灾前预防措施主要包括: 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。采取的措施包括: 设备构成的多重化、要有相应的备件提供灾时支撑等。
灾后要快速进行恢复。采取措施很多, 包括: 应急快速恢复物资的保障、保持恢复工作的畅通、公司之间的相互支援等。
在大地震发生时, 为了保障电力供给, 在平时就需要考虑以下问题:
(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, 应实施抗震对策, 尽量使重要设备运行不受影响。
(2) 假设由于大地震或火灾影响造成的变电站设备破坏、大范围停电发生的时候, 要有多重的输电线路, 变电站设备要配置多个。在停电时, 电力供给可以不经过受损伤设备而直接启动备份设备功能,尽量在短时间内恢复停电区域的电力。
(3) 在强震区域, 可能发生输电塔损坏, 如神户地震中发现一些由于输配电杆塔破坏或电线破断( 房屋倒塌的次生灾害所引起) 而引起的停电。
(4) 大地震时, 由于会发生大量的设备破坏, 备用系统可能不能使用。另外, 道路不通、恢复电力的器材物资和人员不能及时投入使用, 要设想到大地震发生后的停电持续时间(神户地震中, 在生命线系统中, 电力系统是恢复得比较快的, 在7 天时间里恢复了电力供应) 。
3.2 地震造成停电后如何快速恢复
地震发生时, 电力设备异常的情况下, 保护系统和监测系统会检测到异常, 该设备将从系统中自动切除, 因此, 通过该设备送电的区域会停电。
在停电发生检知的场合, 对电力系统进行 24 h监测的发电厂、控制所等启用电力系统的备用系统, 实行初期的供电恢复工作。
在配电设备大范围受灾的情况下或变电设备受灾而需要长时间才能恢复设备功能的情况下, 要预想到会存在较长时间的停电持续过程, 需要实施由非常灾害对策总部制定的以快速恢复为目的的相关步骤。
防灾对策总部在可能的情况下, 尽量对受灾设备的状况、停电影响、相关机关的需求等有快速、正确、详细的把握:
多大程度上受灾设备能够恢复供电、哪一个区域有限恢复供电、恢复用物资器材和人员的效果及投入方法等, 都要决定合适的处理方法。
3.3 自然灾害的防灾对策流程
3.3.1 灾前的预防。主要包括:
(1) 具有抗灾性能的设备设计、设备抗灾性能的确认、未达标设备补强的实施;
(2) 可以回避、限制停电或短时间恢复供电的设备构成以及系统设计;
(3) 为了保障顺利实施非常灾害时对策活动的相关事项的整备;
(4) 本公司与其他公司的灾害事例的探讨、教训总结、对应的新方法的交流。
3.3.2 灾时的应急对策:
基于初期对应策略的停电恢复。恢复方法包括: 基于电力系统自动恢复功能的供电恢复、由 24 h 监测人员的系统切换以及现场察看后的恢复。
3.3.3 灾后的快速恢复。这个阶段主要进行基于设备功能恢复的供电恢复, 主要指灾害管理人员、相关企业人员参与, 运用救灾物资器材的应急送电和设备恢复。
3.4 平时实施防灾训练
防灾训练主要包括 2 部分: 灾后应急恢复训练和信息训练。
快速恢复训练包括设备事故时的恢复训练以及综合防灾的恢复训练。设备事故时的恢复训练主要针对因为设备故障事故时的停电恢复、设备功能恢复等技能的训练和实施; 综合防灾的恢复训练主要包括设备部门间的协调联动、应用动作的确认, 以及具有灾害时临战状态下实战的恢复训练。
信息训练包括:
(1) 全公司的信息联络训练:
在假想的大规模地震发生后, 模拟的受灾状况以及恢复顺序, 由灾害对策总部所设置的信息收集与联络、恢复过程的预案、信息通报等全公司的统一行动;
(2) 各分公司以及第一线机构的信息联络训练: 灾害信息系统、受害与否的确认系统、自动呼叫系统等的反复操作和实施训练, 以及假设当地特有灾害情况下的应急信息联络训练。
