中国大陆变电站地震灾害损失评估研究

吴萌 刘如山 刘金龙 洪一翔

摘要：根据2014—2021年《中国电力年鉴》和各级政府电力部门官方网站资料，建立了全国变电站基础数据库。在损失评估研究模型中考虑了六氟化硫气体绝缘变电站以及敞开式空气绝缘变电站房屋建筑结构变化的影响。根据中国大陆5个地区的六氟化硫气体绝缘变电站数量占比，建立其比例模型。基于六氟化硫气体绝缘变电站高压开关设备原型结构的模拟地震振动台试验以及汶川地震案例给出其经验易损性模型。根据中国大陆4个地区的房屋建筑结构比例更新了敞开式空气绝缘变电站房屋建筑易损性模型，从而建立了新的地震损失研究模型。最后给出了中国大陆地区以县（区）为单位的变电站在遭受Ⅶ～Ⅹ度地震破坏时的灾害损失、损失密度及损失比图。

关键词：变电站；
地震易损性；
损失评估；
电气设备；
房屋建筑；
中国大陆

中图分类号：P315.941文献标识码：A文章编号：1000-0666（2024）03-0441-11

doi：10.20015/j.cnki.ISSN1000-0666.2024.0032

0引言

变电站是电力系统中非常重要的组成部分，一旦发生破坏，将直接影响社会生产和生活的方方面面。我国是地震灾害多发的国家，地震的发生不仅会造成变电站的直接损坏，还会影响灾区的生产生活以及灾后应急救援工作。2008年汶川地震中，大量电力设施遭到破坏，电网设施直接经济损失约71亿元，405万用户供电受到影响（中国地震局汶川地震应急指挥部，2008）。做好变电站的灾害损失评估工作，不仅有助于宏观把握电力系统自身抗震性能及其影响，还可有力支撑地震后的应急救援决策部署。

国外许多地震灾害风险较高的国家在防震减灾工作中都使用地震损失评估系统作为辅助工具。比如美国Federal Emergency Management Agency（2003）研发了HAZUS97、HAZUS99、HAZUS-MH等系列评估软件系统，成为美国政府应用最广泛的地震应急基础平台。其使用的地震易损性数据依赖于ATC委员会的技术报告，早期易损性多由专家经验或问卷调查综合得出，后来随着相关研究的不断深入逐渐补充完善。其他国家或地区也相继研发了地震灾害评估系统，如日本的ESS以及DIS评估系统，俄罗斯的EXTREMUM，挪威的SELENA、欧盟的NERIES（Yeh et al，2006）等。日本的评估软件系统中关于电力系统的评估模型是日本电力集团公司研发的，有精准可靠的数据支撑。我国早期建有评估系统EDEP（李树桢等，1995）和LEEDLSFES1.0（郭恩栋等，2000），近年来研发了HAZ-China（陈洪富，2013），在地震应急工作中发挥了重要作用。

我国的生命线系统评估工作早期基本上依赖专家的经验判断，近年来，有学者研究了不同烈度下城市生命线系统震害损失与建筑物损失之间的比例关系，建立了生命线系统总体经济损失快速评估方法（胡少卿等，2012）。刘金龙等（2012）根据1990—2006发生在中国的地震，统计了生命线系统损失占地震总体经济损失比例，并用于宏观判断地震后所有生命线系统损失。这些方法都是从宏观方面计算生命线系统的损失，对于电力系统并没有专门的损失评估模型（刘金龙等，2012）。

张中近（2017）给出了我国骨干电网设施地震经济损失评估模型。该模型基于2014年电力数据建立了基础数据库，并将所有变电站视为敞开式空气绝缘变电站（Air Insulated Switchgear，AIS）。近年来，随着我国电力建设的跨越式发展和对电力设施安全可靠性要求的不断提高，国家电网中变电站数量不断增加，变电站中钢混结构的房屋比例不断提高，特别是新建或改建了许多封闭式六氟化硫气体绝缘（Gas Insulated Substation，GIS）变电站，抗震能力大大提高，导致原有的地震损失评估模型已不再适用，需要更新变电站数据库和修正易损性模型。

本文将变电站分为AIS和GIS两大类，首先使用最新的电力行业年鉴资料分别确定了这两类变电站的各部分资产占比和造价，以及以县（区）为单元的变电站总数量，并根据搜集到的我国五个典型地区的两类变电站占比，建立了全国县（区）的两类变电站数量占比模型；
根据变电站数量、造价以及县（区）面积计算了全国各区县的变电站资产以及资产密度分布，然后建立了不同类型变电站易损性模型。在建立AIS变电站房屋结构易损性模型时使用最新的比例模型；
结合试验以及地震案例建立了GIS变电站易损性模型。最后结合评估单元资产以及变电站易损性模型，通过计算给出了烈度为Ⅶ～Ⅹ度时，我国大陆各地区的变电站损失和损失密度分布以及损失比分布预测结果。

1评估步骤

本文的中国大陆变电站地震损失评估研究方法总体分为三步。第一步，根据变电站造价、各部分资产比、数量以及GIS比例模型建立变电站基础数据、各县（区）资产及资产密度。第二步，建立變电站易损性模型。第三步，将变电站易损性模型结合变电站基础数据、各县（区）资产及资产密度，计算出各县（区）在不同烈度下的损失、损失密度及损失比。具体评估步骤如图1所示。

2变电站基础数据、资产及资产密度

2.1变电站基础数据

2.1.1AIS变电站各部分资产占比及造价

AIS变电站的资产分为三类：一次设备、二次设备和房屋建筑。其中一次设备是指直接生产、输送、分配和使用电能的高压设备，主要包括变压器、断路器、隔离开关、互感器（电流互感器、电压互感器）、母线、避雷器、电容器、电抗器等，置于室外；
二次设备是指对一次设备和系统的运行状况进行测量、监视、控制和保护的设备，它主要包括继电保护装置、自动装置、测控装置、计量装置、自动化系统以及为二次设备提供电源的直流设备等，放置于房屋建筑内。

不同电压等级的AIS变电站中三类资产的占比及造价见表1。110 kV（66）电压等级的资产类别占比可近似用110 kV代替。AIS变电站的造价采用2021年版《国家电网有限公司输变电工程多维立体参考价》（国家电网有限公司基建部，2021）数据，因缺少35 kV资料，所以本文利用2014—2021年110 kV AIS变电站造价（刘振亚，2014a；
国家电网有限公司基建部，2021）求得110 kV AIS变电站的增长系数，将其作为35 kV AIS变电站的增长系数，并根据2014年35 kV AIS变电站造价（刘振亚，2014b）求得2021年变电站的造价。

2.1.2GIS变电站各部分资产占比及造价

GIS变电站由电气设备和房屋建筑组成。AIS变电站的一次设备安装于空气中，而GIS变电站的一次设备则安装在充满绝缘气体的密闭容器内，我国GIS变电站基本采用室内布置。此外，还有一种介于AIS和GIS变电站之间的变电站，其一次设备中只有断路器、隔离开关、接地开关、互感器等整体封闭于密闭容器，而其它诸如母线、避雷器等设备则敞开在空气中。本文将这种类型的变电站归为GIS变电站，其造价和易损性与GIS变电站一致。用GIS变电站的造价减去同等级电压下AIS变电站中二次设备和房屋建筑的造价即为GIS变电站一次设备的造价，从而得到GIS变电站各部分资产占比。GIS变电站的造价依旧采用2021年版《国家电网有限公司输变电工程多维立体参考价》（国家电网有限公司基建部，2021）。可用110 kV和220 kV的GIS变电站与AIS变电站造价的平均比值作为35 kV GIS与AIS变电站的比值系数。不同电压等级GIS变电站各部分资产占比以及造价见表2。

2.1.3GIS变电站数量占比

全国典型地区包括华南A、B地区、西南A、B地区以及西北某地区。根据这5个典型地区的变电站情况，设定GIS变电站数量占比系数。这些地区两类变电站数量与占GIS变电站占比见表3。不同经济发展水平以及人口规模的地区GIS变电站占比差别很大，大体可以分为高比例、中比例以及低比例三类。考虑不同城市的经济水平以及人口规模等因素，将北京、上海、深圳、重庆、广州、成都、天津、青岛、杭州、东莞、武汉设为GIS变电站数量高比例地区；
黑龙江、吉林、辽宁、内蒙古、新疆、西藏、青海以及甘肃设为GIS变电站数量低比例地区；
其余为中比例地区。高、中、低比例地区的GIS变电站占比分别为60%、30% 和15%。以此建立了全国各县（区）的GIS变电站占比模型，其分布如图2所示。

2.2全国变电站资产及资产密度分布

根据《2021年中国电力年鉴》数据（中国电力年鉴编辑委员会，2022）以及国家电网、南方电网、全国各县（区）电力部门的官方数据，再结合本文1.1节、1.2节关于造价的数据，以及1.3节关于GIS变电站占比模型，整理得到以全国县（区）为单元的数据库。对于部分缺少直接的变电站数据的县（区），则根据地区总量和地区内其他县（区）总量，利用两级分配法（张中近，2017）计算得出。各个省份中不同变电站电压等级比例则根据2014—2019年的电力年鉴（中国电力年鉴编委会，2014—2020）给出的数据计算。

通过计算，全国以县（区）为单位的变电站资产以及资产密度分布如图3所示。县（区）的资产密度为县（区）资产总量与面积之比，各县（区）的面积均不考虑海域面积。由图2可以看出，变电站资产最高达到30亿元以上，东部县（区）的变电站资产大部分都在2亿元以上，高于西部县（区）。西部县（区）的资产多为5 000～10 000万元，少数在5 000万元以下。东部县（区）的资产密度高于西部县（区），其中大部分沿海城市的资产密度较高，大部分为50～100万元/km2，西部资产密度多为0～20万元/km2。

3变电站的易损性模型

3.1AIS变电站易损性模型及房屋结构类型比例

由上文可知，AIS变电站由一次设备、二次设备和房屋建筑三类设施组成，所以本文将AIS变电站易损性模型分成三类设施分别研究。刘如山等（2018）统计了汶川地震中121 个110 kV 及以上变电站的变压器、电压互感器、电流互感器、断路器、隔离开关、避雷器6类高压电器设备在不同地震烈度下的破坏比，采用正态分布函数及其累积函数拟合了各类高压电气设备基于烈度的破坏概率密度曲線和破坏概率曲线，从而形成各类高压电气设备的易损性曲线。本文采用其成果作为一次设备的易损性模型。

一次设备在地震灾害中的破坏形式大体可分为两种：一种是变压器设备的瓷套管破坏且遭受高烈度时还伴有油枕、散热器、轮轨固定装置破坏等，但是变压器主体部分不易破坏；
另一种是其它设备的瓷构件产生裂纹或者直接折断。其中变压器的易损性大于其它一次设备，并且其它一次设备的易损性较为接近，所以一次设备的易损性模型又可分为变压器易损性模型以及其它一次设备易损性模型。其它一次设备易损性取其它一次设备破坏概率的平均值。根据朱瑞民等（2013）的研究可知变压器和其它一次设备的资产占比平均值分别约为46%和54%，本文采用此统计值。其它一次设备一旦破坏就意味着需要更换新的瓷构件，所以设定破坏时的损失比为100%。而变压器在遭受低烈度破坏时，瓷套管资产占整个变压器资产的比例很低。遭遇高烈度破坏时，其余装置也会发生破坏。所以本文设定设备在遭受Ⅶ度及以下的低烈度破坏时变压器的损失比为15%，在遭受Ⅷ度及以上的高烈度破坏时损失比为20%。其它所有一次电气设备的破坏概率统一采用式（1）的计算方法：

PA（i）=15［Pb（i）+Pd（i）+Pa（i）+Pc（i）+Pp（i）］（1）

式中：Pb（i）、 Pd（i）、 Pa（i）、 Pc（i）以及Pp（i）分别为i烈度下断路器、隔离开关、避雷器、CT以及PT的破坏概率。

变电站的二次设备种类较多，资产占比相对较小，受地震破坏的影响因素较为复杂，对每个设备的易损性研究较为困难。刘如山等（2017）根据汶川地震中114个变电站样本拟合出了室内设备的经济损失比-烈度曲线作为室内设备整体的易损性曲线。本文使用该研究成果来评估中国大陆的二次设备易损性。i烈度下二次设备的损失比为：

RS（i）=0.038i2-0.4674i+1.4416（2）

汶川震害统计资料显示，变电站的房屋结构与电压等级有很大的相当性，35 kV以及110 kV变电站的房屋大多数为砖混结构，而220 kV及以上变电站的房屋则以钢混结构为主。随着我国社会经济的高速发展，汶川地震时变电站的房屋建筑结构比例与当前全国各地的实际情况不相同。笔者搜集了我国4个地区的部分35 kV以及110 kV共计233座变电站房屋结构信息，其中39%为砖混结构、53%为钢混结构、8%为钢结构，钢混结构的房屋比例大大提高。由于钢结构的占比较少，所以本文设定35 kV以及110 kV变电站的房屋40%为砖混结构、60%为钢混结构。

孙柏涛等（2014）以四川省为例给出了高烈度设防（Ⅷ度及以上）以及低烈度设防（Ⅶ度及以下）的砖混结构和钢混结构在不同烈度下的易损性矩阵（表4、5）。本文采取这两个易损性矩阵作为本次中国大陆地区变电站房屋建筑的易损性矩阵。

根据康然等（2022）对高烈度区变电站抗震设防目标与设计方法的研究，普通变电站房屋建筑是否为高烈度设防可直接按照目标区设防烈度确定，220 kV枢纽变电站房屋建筑则提高一度设防。一般情况下会把处在环网上的220 kV变电站判定为枢纽变电站。但由于每个地区220 kV变电站是否处在环网的信息未知，为安全起见，本文将其视为普通变电站，房屋设防烈度的选取依然按照目标地区设防烈度选取。房屋建筑的损失比则根据地震现场工作标准《地震现场工作第4部分：灾害直接损失评估》（GB/T 18208.4—20）来取值，取值结果见表6。

3.2GIS变电站易损性模型

目前，国内外对于GIS变电站的研究大多集中在GIS变电站设备的安装、故障检修以及运行维护与管理方面，而对GIS变电站的地震易损性研究较少，由于缺乏实际震害资料，GIS变电站的地震易损性研究难以开展。杨涛等（2016）进行了GIS变电站高压开关设备原型结构的模拟地震振动台试验，发现在0.4 g 地震动激励下，该设备的抗震性能满足规范要求。GIS变电站的房屋建筑大多采用钢混结构，不仅提高了房屋的抗震性能，还大大提高了二次设备的抗震性能，从而使电气设备的易损性大幅度降低。所以本文将GIS变电站的易损性分为两部分进行研究，一部分为电气设备，另一部分为房屋建筑。本文考虑杨涛等（2016）的实验结果和实际汶川震害资料，根据专家经验给出了电气设备的烈度与损失比之间的关系（表7）。对于房屋建筑，则使用AIS变电站中关于钢混结构房屋的易损性矩阵来做研究。

4变电站的损失计算

4.1县（区）AIS变电站损失评估

i烈度下AIS变电站一次设备的损失为：

LAP（i）=∑[DD（]3j=1[DD）]NA（j）CA（j）Ep（j）［0.46PT（i）RT（i）+0.54PA（i）］（3）

式中：i为烈度等级，i=7、8、9、10代表Ⅶ度、Ⅷ度、Ⅸ度、Ⅹ度；
j为电压等级，1、2、3分别表示35 kV、110（66）kV和220 kV的电压等级；
NA（j）为j电压等级下AIS变电站的数量；
CA（j）为j电压等级下AIS变电站的造价；
Ep（j）为j电压等级下一次设备的资产占比，按照表1取值；
PT（i）为变压器的破坏概率；

RT（i）为变压器的损失比。

i烈度下二次设备的损失为：

LAS（i）=∑[DD（]3j=1[DD）]NA（j）CA（j）Sp（j）RS（i）（4）

式中：SP（j）为j电压等级下二次设备的资产占比，按照表1选取。

i烈度下房屋建筑的损失为：

LAB（i）=[KG-*4]∑[DD（]3j=1[DD）]NA（j）CA（j）BA（j）∑[DD（]5m=1[DD）]PB（i，m）RB（m）（5）

式中：BA（j）为房屋建筑在j等级变电站的资产占比；

PB（i，m）为房屋结构易损性矩阵，根据房屋结构类型及设防烈度在表4、5中取对应值；
RB（m）为破坏等级为m时房屋结构财产损失比。

4.2县（区）GIS变电站损失评估

i烈度下GIS变电站电气设备的损失为：

LGE（i）=∑[DD（]3j=1[DD）]NG（j）CG（j）EE（j）RE（i）（6）

式中：NG（j）为j电压等级下GIS变电站的数量；
CG（j）为j电压等级下GIS变电站的造价，按照表2选取；
EE（j）为j电压等级下GIS变电站电气设备资产占比，按照表2选取；
RE（i）为i烈度下电气设备的损失比。

i烈度下房屋设建筑的损失为：

LGB（i）=[KG-*4]∑[DD（]3j=1[DD）]NG（j）CG（j）BG（j）∑[DD（]5m=1[DD）]PB（i，m）RB（m）（7）

式中：BG（j）为j电压等级下GIS变电站房屋建筑的资产占比，按照表2选取。

4.3县（区）内变电站总体损失计算

变电站的总体损失为AIS变电站和GIS变电站损失的和，损失比则为总损失与变电站总资产值之比。

i烈度下变电站总体损失为：

L（i）=LA（i）+LG（i）=LAP（i）+LAS（i）+LAB（i）+LGE（i）+LGB（i）（8）

式中：LA（i）为AIS变电站的损失；
LG（i）为GIS变电站的损失。

县（区）内变电站总资产为：

P=PA+PG=∑[DD（]3j=1[DD）]［NA（j）CA（j）+NG（j）CG（j）］（9）

式中：P为县（区）内所有变电站总资产；
PA为所有AIS变电站总资产；
PG为所有GIS变电站总资产。

i烈度下县（区）的变电站损失比为：

R（i）=L（i）P（10）

5不同烈度下各县（区）变电站损失、损失密度、损失比分布

基于中国大陆变电站基础数据、资产及资产密度，给出了各县（区）变电站在Ⅶ～Ⅹ度下的损失、损失密度及损失比结果，分别如图4～6所示。图4反映的是不同烈度下各县（区）变电站的總体损失，而我国县（区）的面积大小不一，特别是西部一些县（区）面积远大于东部，所以需要评估不同烈度下各县（区）变电站的损失密度。损失比则不考虑各县（区）变电站的资产，仅考虑各县（区）在不同烈度下变电站损失重置造价占原变电站资产的比值来评估。

由圖4可以看出，随着烈度的增大，各个县（区）的变电站损失在逐步增大。东部地区的损失高于西部地区，西部地区中有少量县（区）的损失较高。烈度为Ⅶ度时，东部地区的损失为2 500～5 000万元，西部地区为0～500万元。烈度为Ⅷ度时，东部地区的损失为5 000～8 000万元，西部地区为1 000～2 500万元。烈度为Ⅸ度时，东部地区的损失为0.8～2亿元，西部地区为2 500～5 000万元。烈度为Ⅹ度时，东部地区的损失为2～5亿元，并且有较多县区损失高达5～12亿元，西部地区为5 000～8 000万元。

由图5可以看出，随着烈度的增加，各县（区）损失密度也在增加。烈度为Ⅶ度时，全国的损失密度均在0～20万元/km2，个别县（区）为20～50万元/km2。烈度为Ⅷ度时，东部地区有少部分县（区）损失密度为20～50万元/km2。烈度为Ⅸ度时，东部地区有较多部分县（区）损失密度为20～50万元/km2。烈度为Ⅹ度时，东部地区大部分县（区）损失密度为20～50万元/km2，最高达1500～2000万元/km2，只有少部分县（区）损失密度为50～100万元/km2。由图6可以看出，随着烈度的增大，各县（区）损失比也在增大。烈度为Ⅶ度时，全国的损失比均在0～0.05。烈度为Ⅷ度时，我国北部县（区）损失比为0.10～0.15，南部县（区）损失比为0.05～0.10。烈度为Ⅸ度时我国北部县（区）损失比为0.25～0.30，南部县（区）损失比为0.20～0.25，中部有些县（区）为0.12～0.20。Ⅹ度时，我国北部县（区）损失比为0.45～0.50，南部县（区）损失比为0.40～0.45，中部有些县（区）的损失比为0.30～0.35。

6结论

本文更新了全国各县（区）变电站基础数据、资产及资产密度，并在变电站易损性模型中考虑GIS变电站以及AIS变电站房屋建筑结构变化的影响，从而建立新的地震损失评估模型，并且从损失、损失密度及损失比3个方面给出了中国大陆各个县（区）的研究成果，基于综合评估结果给出以下结论：

（1）GIS 高压开关设备原型结构的模拟地震振动台试验以及实际汶川地震资料表明AIS变电站和GIS变电站的易损性差异较大，并且根据收集到的近期五个地区的GIS变电站占比数据，GIS变电站在变电站损失评估研究中不可忽视。

（2）变电站的房屋建筑结构随着时代的发展已经发生了很大的改变，AIS变电站的房屋结构模型也要随之更新。

（3）中国大陆各县（区）变电站损失分布特征、损失密度分布特征与损失比分布特征各不相同。从损失来看，东部县（区）大于西部县（区）。从损失密度来看，东部沿海县（区）大于其他县（区）。从损失比来看，北部县（区）大于南部县（区）。这三个方面研究成果不仅可以为地震风险分析与地震保险工作提供参考，也可以为电力行业的相关部门进行地震应急预案的编制和震后应急救援决策的制定提供参考。

本文中有些县（区）没有直接变电站数据，是通过二级分配法计算得来，今后需进一步收集直接的数据补充到数据库中。GIS占比的分配方法也同样需要随着相关数据的丰富进一步完善。并且本文只评估了35 kV、110（66）kV以及220 kV变电站的损失成果，220 kV以上的变电站虽在各个县（区）的数量较少，但属于重要电力设施且抗震措施较高，因此也需要开展专门的研究。

本文中涉及到国界的插图均已送相关部门审查并获通过。受理号：国审受字（2023）第05211号；
审图号：GS（2024）0054号。

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Assessment of the Earthquake-caused Damage to the  Transformer Substations in Chinese Mainland

WU Meng，LIU Rushan，LIU Jinlong，HONG Yixiang

（Key Laboratory of Earthquake Engineering and Engineering Vibration，Institute of Engineering Mechanics， China Earthquake Administration，Harbin 150080，Heilongjiang，China）

Abstract

According to the China Electric Power Statistical Yearbook（2014-2021）and the data from the official websites of the electricity departments at all levels，a nationwide fundamental database of the transformer substations in Chinese mainland is established.The influence of the gas insulated substations and the variation of the substations structure was involved in the damage assessment model.According to the proportion of the gas insulated substations in 5 regions in Chinese mainland，a model of the proportion of the nationwide gas insulated substations is established.Based on the simulated shaking table test of the high-voltage switchgear prototype structure of the gas insulated substation，and the results from the case study of the Wenchuan MS8.0 earthquake in 2008，an empirical vulnerability model of the gas insulated substation is given.Based on the proportions of the structure of the air insulated switchgear substations in 4 regions in Chinese mainland，the vulnerability model of the air insulated switchgear substations was updated，resulting in making a new assessment model of earthquake-caused losses.Finally，the earthquake-caused loss，the loss density and the loss ratio of the transformer substations subjected to the Intensity Ⅶ-Ⅹ earthquakes in the counties and districts in Chinese mainland are given.

Keywords： transformer substation；
vulnerability；
damage assessment；
electrical equipment；
buildings；
Chinese mainland

*收稿日期：2023-06-29.

基金项目：国家重点研发计划项目课题（2022YFC3003603）；
中国地震局工程力学研究所基本科研业务费专项（2021EEEVL0315）.

第一作者简介：吴萌（1998-），硕士研究生在读，主要从事电力系统易损性研究.E-mail：2950757280 @qq.com.

通信作者简介：刘如山（1964-），研究员，博士生导师，主要从事生命线工程抗震研究.E-mail：liurushan@sina.com.

吴萌，刘如山，刘金龙，等.2024.中国大陆变电站地震灾害损失评估研究［J］.地震研究，47（3）：441-451，doi：10.20015/j.cnki.ISSN1000-0666.2024.0032.

Wu M，Liu R S，Liu J L，et al.2024.Assessment of the earthquake-caused damage to the transformer substations in Chinese mainland［J］.Journal of Seismological Research，47（3）：441-451，doi：10.20015/j.cnki.ISSN1000-0666.2024.0032.

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