電網(wǎng)防止大面積停電的探討

李 強,王 皚,呂建平

(山西省電力公司,山西太原 030001)

電網(wǎng)防止大面積停電的探討

李 強,王 皚,呂建平

(山西省電力公司,山西太原 030001)

以2008年我國南方發(fā)生大范圍的冰雪災害,造成了嚴重的電網(wǎng)事故為例證,分析了氣候對電網(wǎng)造成災害的成因,通過對電力線路設計標準的思考,提出如何實現(xiàn)差異化設計理念,以及對完善輸電線路防范體系的建議。

差異化;災害性氣候;導線覆冰;設計標準

0 引言

2008年我國南方地區(qū)出現(xiàn)了歷史上罕見的強降溫和持續(xù)雨雪冰凍天氣,各電壓等級電網(wǎng)均遭受了嚴重的損害,造成了巨大的經(jīng)濟損失。罕見的雨雪冰凍天氣造成線路和桿塔嚴重覆冰,無法承受大大超過設計能力的垂直荷載和縱向張力,因而導致電網(wǎng)出現(xiàn)大面積斷線、倒塔和受損。山西省自然、地質災害頻發(fā),研究自然災害下的電網(wǎng)設防標準同樣是十分緊迫且必要的。

1 南方冰災的分析

1.1 導線覆冰的機理

形成導線覆冰,一般要具備以下的氣候條件:氣溫為0～-5℃,空氣相對濕度在85%以上,風速為1～10 m/s,形成逆溫層。導線覆冰按其凍結性質分為雨凇 (凍雨)、霧凇、混合凍結、覆雪4種。從2008年1月11日開始,湖南等省份雨雪不停、氣溫隨之急劇下降,地面溫度長時間平均氣溫接近或低于0℃,持續(xù)降水,相對濕度高,近地面造成有利形成雨淞的逆溫層,當雨滴進入靠近地面的冷氣層時迅速冷卻,成為過冷卻雨滴,在合適的風速下與導線碰撞時凍結,形成雨凇。此次天氣條件正好符合了上述導線覆冰的條件[1]。

1.2 電力設施損壞的原因

a)覆冰引起負荷過大導致桿塔、導地線發(fā)生倒塔或者斷線。

b)導線不均勻脫冰,導致直線桿塔兩側出現(xiàn)不平衡張力,從而使直線鐵塔受扭或者承受不平衡張力,使鐵塔受損。

c)運行工況下導地線溫度不同,地線較導線更容易發(fā)生覆冰現(xiàn)象,地線覆冰垂直荷載使其弧垂增大,發(fā)生導地線短路故障。

d)導線脫冰,導致導線發(fā)生舞動現(xiàn)象,進而損壞絕緣子、金具,發(fā)生掉線事故。

e)隔離開關動靜觸頭冰凍卡死,絕緣子覆冰之后絕緣強度下降,引起閃絡。

1.3 暴露出的問題

1.3.1 電網(wǎng)投資不足

我國雖然近年來電網(wǎng)建設取得了長足進步,但由于歷史欠賬較多,資金投入仍顯不足,電網(wǎng)建設標準不足以抵御自然災害破壞。據(jù)統(tǒng)計,從建國以來,我國電力工業(yè)累計投資中,電源投資比重占約66%,電網(wǎng)僅占34%,而世界發(fā)達國家電網(wǎng)投資的比重都超過了50%。

1.3.2 原設計標準需再思考

設計規(guī)程規(guī)定氣象條件重現(xiàn)期為500 kV送電線路按30年一遇設計,針對一般冰區(qū)(20 mm以下)和重冰區(qū)(20mm及以上)分別制定了不同的設計規(guī)程。顯然這次冰災的情況(覆冰厚度最大達到80 mm)大大超過了多年來的設計標準。

1.3.3 覆冰數(shù)據(jù)不夠準確

氣象臺站大多沒有觀冰資料,加之覆冰成因比較復雜,統(tǒng)計數(shù)值很難確定。線路設計只能通過沿線調(diào)查、自設觀冰站點、根據(jù)相鄰已運行線路的資料和經(jīng)驗來確定覆冰設計冰厚。

1.3.4 除冰技術效果不佳

在南方冰災中,湖南電網(wǎng)共有11條220 kV及以下線路采用了短路電流融冰措施,雖反復融冰,仍有9條線路在采取融冰措施后發(fā)生了不同程度的覆冰倒塔事故。

2 山西省應對措施

電網(wǎng)安全可靠運行是保障國民經(jīng)濟和人民生活正常秩序的重要基礎,現(xiàn)代社會的安全已經(jīng)和電網(wǎng)的安全密不可分。由于電網(wǎng)投入不足,抵御自然災害能力不強,已經(jīng)不能滿足經(jīng)濟社會快速發(fā)展對供電可靠性、安全性越來越高的要求。

2.1 制定合理的規(guī)劃原則

電網(wǎng)規(guī)劃是發(fā)展電網(wǎng)的重要環(huán)節(jié),結合山西資源、經(jīng)濟、電源的特點,規(guī)劃合理、科學的網(wǎng)絡結構,滿足電網(wǎng)大容量電力穿越、遠距離輸電容量要求,并考慮電網(wǎng)遭受自然災害、局部電網(wǎng)輸電受阻的可能性。雖然 “雙千工程”的建設使山西電網(wǎng)取得了許多根本性的變化,但由于電網(wǎng)欠賬較多,在一些局部電網(wǎng)中,仍存在突出問題:部分主網(wǎng)架結構較為薄弱,負荷中心動態(tài)無功電源支撐不足,某些關鍵輸電通道線路和負荷中心降壓變載流能力不足,部分電網(wǎng)短路容量超過或接近開關遮斷容量。這些問題嚴重影響了電網(wǎng)的安全穩(wěn)定水平,導致電網(wǎng)抵御災害等風險的能力明顯不足。因此,規(guī)劃合理的電力系統(tǒng)要做好以下幾個方面。

2.1.1 研究電源接入系統(tǒng)的電壓等級

山西電源點以火電為主,隨著國家節(jié)能減排政策的大力推行,大容量機組逐步增加,小機組逐步退役,使得接入各電壓等級的電源比例發(fā)生變化,100(包括135)MW以下機組容量由 2007年的22%減少為8%。見表1。

表1 各電壓等級接入電源容量比例%

對于電網(wǎng)來說,電源的分層接入、分層平衡對保證電網(wǎng)安全、應對自然災害最為有利。應結合本省電網(wǎng)結構及負荷特性,研究接入各電壓等級電源的最為合適的比例。2.1.2 規(guī)劃堅強的500 kV電網(wǎng)

制定500 kV主網(wǎng)規(guī)劃方案時應考慮多方面因素的影響與制約,進行多方案的技術經(jīng)濟比較,比如:短路電流水平和潮流分布是否合理、是否存在穩(wěn)定問題、是否分布于不同的氣象條件區(qū)域內(nèi)、非正常運行條件下是否有足夠的互供能力等等。而不能簡單布局,簡單占據(jù)空間、視覺上的多通道。

2.1.3 規(guī)劃合理的分區(qū)電網(wǎng)

地區(qū)電網(wǎng)規(guī)劃應滿足分層分區(qū)平衡要求,并且各電壓等級電網(wǎng)之間應有效銜接,并要考慮不同電壓等級之間在事故狀態(tài)下的相互支援。電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)后,要保證不同供電區(qū)域電網(wǎng)之間互相轉供的能力。

2.1.4 研究各級電網(wǎng)投資比例

按照 “統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一建設”的原則,在加強500 kV、220 kV主網(wǎng)建設的同時,保證110 kV及以下城鄉(xiāng)配電網(wǎng)投資的比重,使各級電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展。

2.1.5 研究各地區(qū)電網(wǎng)“孤網(wǎng)”供電能力

針對山西省電網(wǎng)南北長、東西窄的特點,應當研究在極端條件下,電網(wǎng)解裂運行的供電能力,以及地區(qū)電網(wǎng)在解裂運行條件下且當?shù)刂髁﹄娫慈笔Ш?地區(qū)機組維持穩(wěn)定運行時的能力。必要時,要對重點地區(qū)進行電網(wǎng) “孤網(wǎng)”運行的實驗。

2.1.6 研究動態(tài)無功補償規(guī)劃及配置方案

動態(tài)無功補償裝置可以有效地抑制電壓波動、改善功率因數(shù)及提高電網(wǎng)穩(wěn)定性,但由于其價格和技術因素外,山西省應用的步伐不快。須對電力系統(tǒng)進行分析研究,確定動態(tài)無功補償?shù)淖罴寻惭b地點和主要參數(shù)。

2.1.7 研究山西省電網(wǎng)差異化規(guī)劃原則和特點

差異化規(guī)劃對山西省內(nèi)500、220和110 kV各級變電站、線路所處的位置、負荷性質進行全面梳理,確定重要的變電站和線路。差異化的特點主要為:對政府、醫(yī)院、新聞媒體、機場、居民等重要用戶應有可靠的供電方案,對煤礦、化工、以及易引起人身傷害的重要用戶應有相應的供電方案,對損毀后較難恢復的重要變電站和線路應該提高設防標準。

2.2 加強對自然災害的預測和防治

針對山西省覆冰觀測及量化分析一直是薄弱環(huán)節(jié)的情況,應積極建議和倡導政府支持各級氣象部門能夠建立起正常的覆冰觀測機制。在覆冰較重地區(qū)及重要輸電走廊地區(qū)設立長期冰、風觀測站,有針對性地進行導、地線覆冰觀測,為工程設計提供準確的覆冰資料。

建議山西省電力公司應由有關部門牽頭組織建立觀冰 (風)點的規(guī)劃,在舊線路上加裝覆冰在線監(jiān)測裝置 (覆冰區(qū))、風速在線監(jiān)測裝置 (大風區(qū))、桿塔傾斜報警監(jiān)測 (采空區(qū))等。收集、積累區(qū)域線路冰 (風)和采空區(qū)資料,從而科學準確地進行等級劃分。

山西省電網(wǎng)應在適當提高電網(wǎng)設計標準的基礎上,提高電網(wǎng)項目的災害治理能力。加快防凍材料、直流融冰、短路電流融冰、移相器融冰等先進技術的應用研究,開展樞紐變電站和重要線路的交直流融冰技術研究,及其他有效防止或減小覆冰的新技術研究,完善和增加電網(wǎng)抵御冰災侵害的手段和方法。

2.3 加強電網(wǎng)防御體系建設

2.3.1 進一步加強電網(wǎng)第三道防線建設

電力系統(tǒng)第三道防線要求電網(wǎng)在遇到極端惡劣氣候狀況或不可抗力影響時,避免電網(wǎng)出現(xiàn)長時間、大面積停電事故。各級調(diào)度員和有關的生產(chǎn)管理人員都應熟練了解、掌握在發(fā)生極端嚴重故障時通過有序減載和解裂控制故障范圍、防止全網(wǎng)停電事故的各種預案和措施,來最大限度地保障電網(wǎng)的安全和重要用戶的供電。

2.3.2 加強電網(wǎng)黑啟動研究

要針對山西省電網(wǎng)特點,摸清全省電源情況,找出具備黑啟動能力的機組。除了研究不同情況下的黑啟動的不同“鏈條方案”,確定鏈條的最終“火柴”位置,還應該認真研究電力系統(tǒng)黑啟動過程中的技術問題。在研究全省電網(wǎng)黑啟動方案的同時,針對與主網(wǎng)聯(lián)系薄弱的地區(qū)電網(wǎng)(如呂梁電網(wǎng)),在遭受重大自然災害地區(qū)全部停電,失去外援條件下,局部電網(wǎng)依靠自身條件實現(xiàn)黑啟動也需進行研究。

2.4 完善危機管理體系

制訂周密的應急措施、建立相應的機構和機制有助于將災難和破壞減低到最低程度,電網(wǎng)公司須進一步加強危機預警系統(tǒng)的建設,針對氣候等自然災害建立跟蹤、預報和提前防范制度,加強與其他單位、部門的橫向聯(lián)系和溝通,實現(xiàn)共同反應、互相支援。不僅要制訂救災應急預案;還要制訂防災應急預案;不僅要有防災應急預案文本,還要有救災組織、專業(yè)搶修人員、物資儲備等措施,才能在災難來臨時有條不紊、有組織地進行工作。

3 電網(wǎng)建設的 “新標準”

鑒于此次冰災的實際情況,國家電網(wǎng)公司組織專家對各電壓等級的設計標準進行了再研究,對原設計標準進行了一定的修改、補充,發(fā)布了企業(yè)標準 《110～750 kV架空輸電線路設計技術規(guī)定》(Q/GDW 179—2008)。

a)新增線路安全等級劃分,對重要的送電線路提高一個安全等級,重要性系數(shù)取1.1～1.2。

b)調(diào)整輸電線路設計氣象條件重現(xiàn)期。500 kV線路由30年調(diào)整為50年,110～330 kV線路由15年調(diào)整為30年。

c)細化冰區(qū)設防分級。增加10～20 mm中冰區(qū)設計條件及相應設計原則和措施。形成0～10 mm輕冰區(qū)、10～20 mm中冰區(qū)和20 mm及以上重冰區(qū)設計覆冰的合理分級 (原規(guī)程僅規(guī)定20 mm以上地區(qū)為重冰區(qū),執(zhí)行重冰區(qū)設計規(guī)程)。

d)要求地線型號加大一級。地線設計冰厚應比導線增加不小于5mm。500 kV及以上線路地線用鍍鋅鋼絞線最小標稱截面應不小于100 mm2(原為70mm2),220 kV及以上線路應不小于80mm2(原為50 mm2)。

e)桿塔負荷計算中新增不均勻覆冰工況 (原規(guī)程10～15mm覆冰工況不考慮不平衡張力)。

f)修改了斷線張力及不平衡張力的取值要求。

77.66 %（73/94）的學員希望醫(yī)學雙語教材作為學習資料，其次為期刊雜志（38.30%）和國外原版教材（35.11%）。

g)新增跨越要求:輸電線路與主干鐵路、高速公路交叉,采用獨立耐張段,桿塔結構重要性系數(shù)取1.1,按覆冰條件和導線最高溫度驗算核對被交叉跨越物的距離。

山西省110～500 kV線路設計已全面推廣了通用設計中的鐵塔形式,但是這些塔型均采用的是原設計標準,新標準頒布后原塔型能不能滿足要求,需要重新計算、校核,工作難度很大。其次線路設計中常用的氣象條件組合是對省內(nèi)各氣象站的資料進行分析統(tǒng)計而得出的,按照新標準的要求,目前使用的山西省典型氣象條件組合有可能發(fā)生變化,新標準桿塔計算條件的變化會使桿塔的重量增大,地線型號加大會使地線消耗量增加,新增的跨越要求也會增加工程中的塔重和塔高?？傊?這些因素結合起來會大大增加工程的整體投資。

為貫徹落實即將全面推出的設計新標準,提高山西省輸電線路防御自然災害的能力,有以下建議。

a)堅定不移地落實新標準。但鑒于版本的多樣性,應循序漸進。首先應當采用國家電網(wǎng)公司和國家標準一致的部分,避免新標準推出后的修改。

b)利用設計、運行單位積累的氣象資料,重新研究整理并制定出符合本省實際情況的氣象條件組合。

c)收集、籌劃符合新標準中要求的110～500 kV架空輸電線路桿塔型式。

d)結合新標準的要求,針對輸電線路交叉跨越情況,制定出適合本省實際的跨越標準及原有線路補強方案。

4 差異化設計的思考和實施

國家電網(wǎng)公司在南方冰災后提出了差異化設計的理念。由于所處地域的不同,國內(nèi)外對線路設計的側重點有很大的不同。山西省在落實 “差異化”理念上,應在普遍提高電網(wǎng)規(guī)劃設計標準的基礎上,先確定一批抵御災害能力更強的重要線路,設防標準比普通線路提高1～2級。應該考慮重要性差異、區(qū)域化差異、資金投入差異等幾個方面。

4.1 加強站址選擇及線路路徑的規(guī)劃

變電站站址選擇和輸電線路路徑規(guī)劃在預可研、可研階段就應確定出設防標準,或者盡可能避開確定的特殊氣象區(qū)域。同一方向重要輸電通道盡可能分散走廊,在發(fā)生嚴重自然災害時,以減少同一氣象帶重要輸電通道數(shù)量。

4.2 制訂特殊氣象(地質災害)區(qū)的設計導則

a)變電站站址和輸電線路應避開調(diào)查確定的覆冰嚴重地段。

b)鑒于本次冰災前期、中期大量發(fā)生的絕緣子串冰閃跳閘,應加強平原、丘陵地區(qū)局部污區(qū)與重要線路的防冰閃外絕緣配置。

c)輸電線路應沿起伏不大的地形走線,盡可能避免大擋距、大高差地段。

d)躲避橫跨埡口、風道、湖泊、水庫等容易覆冰的地帶。

e)輸電線路通過山嶺地帶,宜沿背風坡或山體陽坡走線。

f)輸電線路耐張段不宜太長,中冰區(qū)一般不應超過5 km,重冰區(qū)一般不應超過3 km。

g)輸電線路轉角角度不宜過大。

4.3 制訂原有線路特殊氣象區(qū)加強方案

a)逐步提高城市配電網(wǎng)電纜應用的比重,城市配電網(wǎng)的重要線路宜采用電纜。

b)在覆冰嚴重地區(qū)的重要線路安裝線路覆冰在線監(jiān)測裝置,采取增加絕緣子串長和更多采用V型串等措施。變電站裝設除冰、融冰設施。

c)重要線路原則上應避開煤礦、采空、滑坡(泥石流)等自然地質災害區(qū)段,若無法避開,應提出具體補救方案。

d)在目前單一使用混凝土大板基礎上,應開始積極研究針對采空區(qū)地面變形 (比如混凝土灌注樁、帷幕灌漿),抵抗地基不均勻沉降或裂縫的特殊基礎。

e)對于舊線路長耐張段內(nèi),應采取加強方案,并按照相關規(guī)定更換導、地線的金具。

5 結束語

本文從防止電網(wǎng)大范圍停電出發(fā),本著差異化的理念,對于電網(wǎng)規(guī)劃、輸電設計等內(nèi)容進行了探討,提出了一系列宏觀的建議或措施,在具體的實施中還需要進一步根據(jù)實際情況深入研究。

[1] 周丹羽,吳建生.電力線路防冰雪災害的設計思考[J].供用電,2008,25(4):10-12.

Thinking About Tack ling Natural Hazards and Blackout over a Large Area

LIQiang,WANG Ai,LV Jian-ping
(Shanxi Electric Power Corporation,Taiyuan,Shanxi 030001,China)

The scarcely-met icing snow disaster at the beginning of2008 in South China caused serious grid faults.A fter the analysis on the causes o f the disaster and its serious influences and a review about the design criteria o f overhead pow er lines,differential design concep tion is raised,and advices about how to im prove preventivemeasures of transm ission lines are suggested.

differential;ca lam itousw eather;conductor icing;design criteria

TM 727.2

A

1671-0320(2010)02-0001-04

2010-01-15,

2010-01-26

李 強 (1977-),男,山西長治人,1998年畢業(yè)于華中理工大學電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè),工程師,主要研究方向為電力系統(tǒng);

王 皚 (1969-),女,山西太原人,1991年畢業(yè)于西安交通大學電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè),高級工程師,主要研究方向為電力系統(tǒng);

呂建平 (1966-),男,山西太原人,1982年畢業(yè)于華北電力學院發(fā)電廠及電力系統(tǒng)專業(yè),高級工程師,主要研究方向為電力系統(tǒng)規(guī)劃。