發(fā)電設(shè)備系統(tǒng)事故停電的教訓(xùn)

哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司 邢文杰

編者按:2003年8月14日，美國和加拿大發(fā)生了大規(guī)模停電事故，停機(jī)規(guī)模達(dá)6180萬千瓦，受影響人數(shù)約5000萬人。據(jù)說停電是由于多家電力公司缺乏相關(guān)經(jīng)驗(yàn)、缺少相應(yīng)設(shè)備、缺乏合作機(jī)制造成的，該事故促使美國開始重視電網(wǎng)安全，并直接引發(fā)了對智能電網(wǎng)的研究和建設(shè)。近年來，世界上發(fā)生的多起大型停電事故，有些與酷暑季節(jié)廣用空調(diào)等制冷設(shè)備有關(guān)，但主要是電力工業(yè)從國有化走向民營化、市場化所引起的。例如，美國的電力公司就多達(dá)3500家，存在電力供求不平衡、信息交流不暢、輸變電設(shè)備投資不足、監(jiān)管系統(tǒng)不完善等多種問題。有些重大事故是由多種因素造成的，人類的錯(cuò)誤在于沒有引起足夠的重視和認(rèn)真吸取經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。本文論述了多起停電事故及其原因和相關(guān)的預(yù)防措施，或許可以對電力工業(yè)的發(fā)展起到一些警示作用。

1 大規(guī)模停電事故

1.1 美國。美國是世界上電力工業(yè)最發(fā)達(dá)的國家，用電量最大，停電事故也最多，后果最為嚴(yán)重。1965年11月9日，美國東北部停電約2000萬千瓦；1977年7月13日，紐約市停電600萬千瓦；1982年12月22日，西海岸停電1235萬千瓦；1996年2月2日和3日，西海岸停電2800萬千瓦；1998年6月25日，美國中北部和加拿大安大略省停電95萬千瓦；1999年夏季東北部兩度經(jīng)歷大規(guī)模停電。以上事故都屬天氣原因。美國西部地區(qū)于1994年12月、1996年7月和8月、1998年6月和1999年夏季，先后發(fā)生大型停電事故；東海岸于1999年連續(xù)停電；加利福尼亞州于2000年、2001年輪番停電。這些事故與電力自由化和規(guī)章制度不完善有關(guān)。

2003年8月14日，美國東北部從紐約州到密執(zhí)安州乃至加拿大五大湖泊周邊的這一大片北美大陸發(fā)生了世界上最大的停電事故，停機(jī)規(guī)模高達(dá)6180萬千瓦，受影響人數(shù)多達(dá)5000萬人，損失金額約為60億至100億美元，停電持續(xù)時(shí)間長達(dá)43小時(shí)。事故源頭是伊利湖周邊呈環(huán)狀的送電網(wǎng)絡(luò)地域的一個(gè)發(fā)電廠發(fā)生異變，引起頻率波動和系統(tǒng)擺動并導(dǎo)致電力逆流，由此又再度引起頻率波動和電力擺動，最終導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的動蕩并波及到加拿大和紐約州，直到大范圍停電。最終的嚴(yán)重后果是包括22座核電站在內(nèi)的100多個(gè)發(fā)電站在短時(shí)間內(nèi)全部停止運(yùn)轉(zhuǎn)，這是歷史上最大的停電事故。

1.2 意大利。2003年6月26日和27日，羅馬、米蘭等主要城市相繼停電。當(dāng)時(shí)處在酷暑季節(jié)，天氣炎熱，電力公司擔(dān)心制冷設(shè)備大量使用會使系統(tǒng)癱瘓而短時(shí)停止供電，按照劃分的地區(qū)順序輪番停電1小時(shí)，以便防止整個(gè)系統(tǒng)全部停電。然而這種做法沒有事先通告，引起了混亂，約有600萬人受到影響。事故的根本原因是電力不足和電力供求的結(jié)構(gòu)問題，意大利本國發(fā)電、供電不足，要從法國引進(jìn)，但卻沒有做到電源的最佳匹配。

1.3 英國。2003年8月28日，倫敦南部和相鄰的凱恩沃爾州的一部分地區(qū)發(fā)生停電事故，規(guī)模約為72.4萬千瓦，持續(xù)時(shí)間約1小時(shí)，受影響人數(shù)約25萬人。市內(nèi)地鐵約60%和普通電氣化鐵路列車約1500條線路停止運(yùn)行或緩行運(yùn)轉(zhuǎn)，受困通勤乘客約25萬人發(fā)生混亂。因?yàn)檎低ㄇ诳土鞲叻鍟r(shí)間，乘客在各停車點(diǎn)乘車、換車混亂不堪，一直持續(xù)到深夜。所幸各家醫(yī)院切換為自家發(fā)電，沒有發(fā)生重大傷亡事故。事故原因是變電所變壓器異常，而且在2001年換裝時(shí)沒有裝設(shè)保護(hù)繼電器裝置。這是英國自實(shí)施電力工業(yè)民營化、自由化以來規(guī)模最大的停電事故。

1.4 中國。2003年9月4日，上海市內(nèi)的吳涇發(fā)電廠（總?cè)萘?20萬千瓦）停止運(yùn)轉(zhuǎn)。由于酷暑天氣炎熱，空調(diào)等電力需求急增，在高負(fù)荷下連續(xù)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)需要停機(jī)檢查，為了緩解用電緊張，經(jīng)過電力融通，從浙江省、福建省等上海以外的發(fā)電廠緊急輸入電力，使輸電線路和變電設(shè)備的負(fù)荷超過了容許的上限值。這次事故使約1000多家公司受到了影響，停電持續(xù)時(shí)間約2小時(shí)。

1.5 丹麥。2003年9月23日，包括首都哥本哈根在內(nèi)的丹麥和瑞典南部發(fā)生大規(guī)模停電事故，停電規(guī)模約300萬千瓦，受影響人數(shù)約400萬人，持續(xù)時(shí)間約2小時(shí)。事故原因是瑞典東北部的奧斯卡西姆核電站（120萬千瓦）因供水泵故障而停止運(yùn)行，接著400kV變電所斷路器發(fā)生故障，西北部林谷巴爾斯河電站（180萬千瓦）也停止運(yùn)行，并使電壓衰變、破壞，致使包括3座核電站在內(nèi)的許多發(fā)電廠停機(jī)。

2 停電的主要原因

電力系統(tǒng)大面積停電的原因有直接的、間接的、表面的、深層的、人為的以及設(shè)備故障等多方面因素，而且往往是多種因素的重疊和復(fù)合作用所致。

2.1 直接原因。①酷暑天氣引起用電量急增（如意大利停電）；②輸電線事故引起并波及、擴(kuò)大（如美、加停電）；③變壓器警報(bào)故障引起輸電線中斷（如英國停電）；④酷暑季節(jié)引起高負(fù)荷運(yùn)行中的火電站停機(jī)（如中國上海停電）；⑤核電站停機(jī)引發(fā)后續(xù)事故和電壓被破壞（如丹麥停電）；⑥國際連線的連鎖中斷引起國內(nèi)供電不足（如意大利停電）。

2.2 共性原因。在電力市場化的競爭環(huán)境下，引起許多停電事故的原因往往帶有共性、普遍性，而人類并未認(rèn)真吸取教訓(xùn)。

2.2.1 設(shè)備投資不足。1988年后的10年，美國電量需求年平均增加30%，而輸電設(shè)備投入只有15%的增長。2002年后的10年處在電力自由化過程中，電力需求以20%的速度增加，而輸電線按計(jì)劃仍停留在3.5%。1998年以后，實(shí)施委托送電增加了4倍，造成送電線混雜、聯(lián)系系統(tǒng)畸變加重。2003年美、加停電事故的教訓(xùn)，已經(jīng)引起了美國對輸電網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)代化的重視。

2.2.2 保護(hù)系統(tǒng)欠缺。美國、加拿大停電事故源于無功功率不足和長距離委托送電這兩個(gè)原因的復(fù)合作用。在北美大陸這片區(qū)域，空調(diào)機(jī)和電動機(jī)特別是舊式電動機(jī)較多，助長了無功功率的不足，雖然由臨近網(wǎng)絡(luò)提供無功功率，而線路仍處于過大電流、過負(fù)荷、過熱狀態(tài)，又沒有實(shí)施保護(hù)切換系統(tǒng)，使長距離輸電線加熱、伸長、下垂并接觸樹木，引起接地短路事故，跳閘斷電。由于無功功率供電中斷，地區(qū)網(wǎng)絡(luò)電壓降低，最終負(fù)荷中斷。其他沒有斷路的發(fā)電機(jī)供電力過剩頻率急升，導(dǎo)致長距離聯(lián)系的地域之間電力波動、振蕩，最終波及、擴(kuò)大事故。

2.2.3 支撐系統(tǒng)薄弱。事故發(fā)生初期，電力公司對事故沒有充分把握好，支撐系統(tǒng)監(jiān)視工具機(jī)能不足，系統(tǒng)監(jiān)視和骨干系統(tǒng)警報(bào)發(fā)生故障，輸電線路管理不善都是事故波及、擴(kuò)大的原因。

2.2.4 無功功率缺乏。發(fā)電機(jī)輸出無功功率對于維持電網(wǎng)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定有重要作用，卻往往不被重視。與靜止調(diào)相設(shè)備不同，在過載狀況下很難掌握旋轉(zhuǎn)的發(fā)電機(jī)無功功率操控?cái)?shù)量。

2.2.5 情報(bào)交換不暢。一個(gè)系統(tǒng)（地域）停電時(shí)，事故情報(bào)沒有傳遞到相鄰系統(tǒng)，系統(tǒng)之間的中繼傳遞很不協(xié)調(diào)。

2.2.6 安全網(wǎng)絡(luò)失靈。安全網(wǎng)絡(luò)不完善，不能事前預(yù)測事故的發(fā)生，重大事故發(fā)生時(shí)又不能自動動作并起動保護(hù)系統(tǒng)。安全系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)是全地域復(fù)蓋，雖然費(fèi)用較大，但卻必不可少。

2.2.7 接觸樹林接地。架線初期不會接觸樹木，天長日久樹林長高長大，加上電線過載過熱伸長下垂而接觸，發(fā)生接地短路事故。

2.2.8 人員素質(zhì)不高。由于對運(yùn)行操作人員培訓(xùn)不到位，而對系統(tǒng)停止運(yùn)行的問題，是否下達(dá)發(fā)電設(shè)備和負(fù)荷中斷的指令，多數(shù)人猶豫不決，又不能預(yù)測到會在相鄰地域也引起事故。

3 預(yù)防事故措施

停電事故的預(yù)防措施來源于實(shí)踐，它的目標(biāo)緊緊地指向事故的原因，應(yīng)盡量消除可能導(dǎo)致事故發(fā)生或擴(kuò)大的各種因素。

3.1 保證無功功率。必須掌握好在線發(fā)電機(jī)無功功率輸出余裕量變化，應(yīng)按最大需要量來確定系統(tǒng)變動時(shí)無功功率輸出的余裕量，并應(yīng)定預(yù)以重新評價(jià)。要重視與電壓安全性相關(guān)的調(diào)相設(shè)備以及負(fù)荷中斷的后果。

3.2 情報(bào)信息共享。應(yīng)筑構(gòu)一種信息共享系統(tǒng)，使運(yùn)行人員知道本地域和相鄰地域的狀態(tài)變化，必須裝設(shè)可預(yù)測的在線裝置，以便對事故發(fā)生后的電壓，以及由于過負(fù)荷等引起的多數(shù)設(shè)備停機(jī)進(jìn)行預(yù)測。加強(qiáng)系統(tǒng)相互之間實(shí)時(shí)監(jiān)視和情報(bào)傳遞支撐。

3.3 保護(hù)系統(tǒng)更新。實(shí)施對保護(hù)系統(tǒng)、繼電器、繼電器整定裝置的更新改造。應(yīng)采用自動化保護(hù)系統(tǒng)和自動化負(fù)荷中斷裝置，要完善由運(yùn)行人員手動即可使負(fù)荷中斷的裝置。做好與相鄰系統(tǒng)眾多保護(hù)繼電器之間的協(xié)調(diào)。

3.4 實(shí)施摸擬判斷。保證系統(tǒng)模擬模型的正確性和系統(tǒng)監(jiān)視裝置的完備性，應(yīng)能實(shí)時(shí)地判斷輸電線的斷電事件。要重新審查發(fā)生事故時(shí)的系統(tǒng)復(fù)原程序，擬定一種運(yùn)行計(jì)劃，以便將事故發(fā)展趨勢限制在規(guī)定值內(nèi)。

3.5 完善監(jiān)管制度。與采用雷云監(jiān)視裝置來預(yù)測雷電事故不同，對電線與樹木接觸而引發(fā)的事故，運(yùn)行人員很難預(yù)測，必須確保對輸電線的巡查，定期采伐隱患樹林。要責(zé)任分明，制度完善，管理嚴(yán)格。解決支撐系統(tǒng)監(jiān)視工具機(jī)能不足和不完備問題，完善監(jiān)視工具對運(yùn)行狀態(tài)的判斷裝置，防止事故的發(fā)生和擴(kuò)大。

3.6 構(gòu)筑安全網(wǎng)絡(luò)。安全網(wǎng)絡(luò)應(yīng)在事前預(yù)測重大事故的發(fā)生，并及時(shí)動作起動繼電保護(hù)系統(tǒng)，應(yīng)保證達(dá)到指定的安全性可靠標(biāo)準(zhǔn)值。安全網(wǎng)絡(luò)應(yīng)當(dāng)覆蓋整個(gè)地域，實(shí)施全方位監(jiān)視。

3.7 確保設(shè)備更新。預(yù)防事故必須保證輸變電設(shè)備的更新改造和現(xiàn)代化，然而所需要的投資，不僅美國在減少，日本也在減少。2003年日本輸電設(shè)備投資約5兆日元，現(xiàn)在減少到2/5。不過，日本也在吸取美加大停電的教訓(xùn)，開始重視投資問題。在英國作為商品的電力實(shí)現(xiàn)了市場化、自由化、競爭化，用電要先訂購，一旦停電，不僅應(yīng)退款，還要重罰，并賠償停電引起的直接和間接損失。如果醫(yī)院沒有自備發(fā)電設(shè)備，導(dǎo)致人身傷亡還應(yīng)負(fù)擔(dān)法律責(zé)任。這類法規(guī)有助于提高企業(yè)對設(shè)備投資的重視程度。

3.8 重視人員培訓(xùn)。人在各種事故的預(yù)防、發(fā)生、擴(kuò)大方面是關(guān)鍵因素，許多電力事故都與管理水平及運(yùn)行人員素質(zhì)有關(guān)。相關(guān)人員應(yīng)能實(shí)時(shí)辨認(rèn)事故前兆，判斷事故性質(zhì)。為防止事故擴(kuò)大，運(yùn)行人員不僅應(yīng)掌握本地系統(tǒng)情況，還應(yīng)熟悉相鄰周邊地域系統(tǒng)情況，及時(shí)聯(lián)系，防止連鎖效應(yīng)，要提高與周邊系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)的能力。