發電設備系統事故停電的教訓

哈爾濱電機廠有限責任公司 邢文杰

編者按:2003年8月14日，美國和加拿大發生了大規模停電事故，停機規模達6180萬千瓦，受影響人數約5000萬人。據說停電是由于多家電力公司缺乏相關經驗、缺少相應設備、缺乏合作機制造成的，該事故促使美國開始重視電網安全，并直接引發了對智能電網的研究和建設。近年來，世界上發生的多起大型停電事故，有些與酷暑季節廣用空調等制冷設備有關，但主要是電力工業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3500家，存在電力供求不平衡、信息交流不暢、輸變電設備投資不足、監管系統不完善等多種問題。有些重大事故是由多種因素造成的，人類的錯誤在于沒有引起足夠的重視和認真吸取經驗教訓。本文論述了多起停電事故及其原因和相關的預防措施，或許可以對電力工業的發展起到一些警示作用。

1 大規模停電事故

1.1 美國。美國是世界上電力工業最發達的國家，用電量最大，停電事故也最多，后果最為嚴重。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歷大規模停電。以上事故都屬天氣原因。美國西部地區于1994年12月、1996年7月和8月、1998年6月和1999年夏季，先后發生大型停電事故；東海岸于1999年連續停電；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章制度不完善有關。

2003年8月14日，美國東北部從紐約州到密執安州乃至加拿大五大湖泊周邊的這一大片北美大陸發生了世界上最大的停電事故，停機規模高達6180萬千瓦，受影響人數多達5000萬人，損失金額約為60億至100億美元，停電持續時間長達43小時。事故源頭是伊利湖周邊呈環狀的送電網絡地域的一個發電廠發生異變，引起頻率波動和系統擺動并導致電力逆流，由此又再度引起頻率波動和電力擺動，最終導致整個系統的動蕩并波及到加拿大和紐約州，直到大范圍停電。最終的嚴重后果是包括22座核電站在內的100多個發電站在短時間內全部停止運轉，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。當時處在酷暑季節，天氣炎熱，電力公司擔心制冷設備大量使用會使系統癱瘓而短時停止供電，按照劃分的地區順序輪番停電1小時，以便防止整個系統全部停電。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構問題，意大利本國發電、供電不足，要從法國引進，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發生停電事故，規模約為72.4萬千瓦，持續時間約1小時，受影響人數約25萬人。市內地鐵約60%和普通電氣化鐵路列車約1500條線路停止運行或緩行運轉，受困通勤乘客約25萬人發生混亂。因為正值通勤客流高峰時間，乘客在各停車點乘車、換車混亂不堪，一直持續到深夜。所幸各家醫院切換為自家發電，沒有發生重大傷亡事故。事故原因是變電所變壓器異常，而且在2001年換裝時沒有裝設保護繼電器裝置。這是英國自實施電力工業民營化、自由化以來規模最大的停電事故。

1.4 中國。2003年9月4日，上海市內的吳涇發電廠（總容量120萬千瓦）停止運轉。由于酷暑天氣炎熱，空調等電力需求急增，在高負荷下連續運行的發電機需要停機檢查，為了緩解用電緊張，經過電力融通，從浙江省、福建省等上海以外的發電廠緊急輸入電力，使輸電線路和變電設備的負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，停電持續時間約2小時。

1.5 丹麥。2003年9月23日，包括首都哥本哈根在內的丹麥和瑞典南部發生大規模停電事故，停電規模約300萬千瓦，受影響人數約400萬人，持續時間約2小時。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行，接著400kV變電所斷路器發生故障，西北部林谷巴爾斯河電站（180萬千瓦）也停止運行，并使電壓衰變、破壞，致使包括3座核電站在內的許多發電廠停機。

2 停電的主要原因

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

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、擴大（如美、加停電）；③變壓器警報故障引起輸電線中斷（如英國停電）；④酷暑季節引起高負荷運行中的火電站停機（如中國上海停電）；⑤核電站停機引發后續事故和電壓被破壞（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，而人類并未認真吸取教訓。

2.2.1 設備投資不足。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，而輸電線按計劃仍停留在3.5%。1998年以后，實施委托送電增加了4倍，造成送電線混雜、聯系系統畸變加重。2003年美、加停電事故的教訓，已經引起了美國對輸電網絡現代化的重視。

2.2.2 保護系統欠缺。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原因的復合作用。在北美大陸這片區域，空調機和電動機特別是舊式電動機較多，助長了無功功率的不足，雖然由臨近網絡提供無功功率，而線路仍處于過大電流、過負荷、過熱狀態，又沒有實施保護切換系統，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，地區網絡電壓降低，最終負荷中斷。其他沒有斷路的發電機供電力過剩頻率急升，導致長距離聯系的地域之間電力波動、振蕩，最終波及、擴大事故。

2.2.3 支撐系統薄弱。事故發生初期，電力公司對事故沒有充分把握好，支撐系統監視工具機能不足，系統監視和骨干系統警報發生故障，輸電線路管理不善都是事故波及、擴大的原因。

2.2.4 無功功率缺乏。發電機輸出無功功率對于維持電網系統電壓穩定有重要作用，卻往往不被重視。與靜止調相設備不同，在過載狀況下很難掌握旋轉的發電機無功功率操控數量。

2.2.5 情報交換不暢。一個系統（地域）停電時，事故情報沒有傳遞到相鄰系統，系統之間的中繼傳遞很不協調。

2.2.6 安全網絡失靈。安全網絡不完善，不能事前預測事故的發生，重大事故發生時又不能自動動作并起動保護系統。安全系統網絡應是全地域復蓋，雖然費用較大，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，發生接地短路事故。

2.2.8 人員素質不高。由于對運行操作人員培訓不到位，而對系統停止運行的問題，是否下達發電設備和負荷中斷的指令，多數人猶豫不決，又不能預測到會在相鄰地域也引起事故。

3 預防事故措施

停電事故的預防措施來源于實踐，它的目標緊緊地指向事故的原因，應盡量消除可能導致事故發生或擴大的各種因素。

3.1 保證無功功率。必須掌握好在線發電機無功功率輸出余裕量變化，應按最大需要量來確定系統變動時無功功率輸出的余裕量，并應定預以重新評價。要重視與電壓安全性相關的調相設備以及負荷中斷的后果。

3.2 情報信息共享。應筑構一種信息共享系統，使運行人員知道本地域和相鄰地域的狀態變化，必須裝設可預測的在線裝置，以便對事故發生后的電壓，以及由于過負荷等引起的多數設備停機進行預測。加強系統相互之間實時監視和情報傳遞支撐。

3.3 保護系統更新。實施對保護系統、繼電器、繼電器整定裝置的更新改造。應采用自動化保護系統和自動化負荷中斷裝置，要完善由運行人員手動即可使負荷中斷的裝置。做好與相鄰系統眾多保護繼電器之間的協調。

3.4 實施摸擬判斷。保證系統模擬模型的正確性和系統監視裝置的完備性，應能實時地判斷輸電線的斷電事件。要重新審查發生事故時的系統復原程序，擬定一種運行計劃，以便將事故發展趨勢限制在規定值內。

3.5 完善監管制度。與采用雷云監視裝置來預測雷電事故不同，對電線與樹木接觸而引發的事故，運行人員很難預測，必須確保對輸電線的巡查，定期采伐隱患樹林。要責任分明，制度完善，管理嚴格。解決支撐系統監視工具機能不足和不完備問題，完善監視工具對運行狀態的判斷裝置，防止事故的發生和擴大。

3.6 構筑安全網絡。安全網絡應在事前預測重大事故的發生，并及時動作起動繼電保護系統，應保證達到指定的安全性可靠標準值。安全網絡應當覆蓋整個地域，實施全方位監視。

3.7 確保設備更新。預防事故必須保證輸變電設備的更新改造和現代化，然而所需要的投資，不僅美國在減少，日本也在減少。2003年日本輸電設備投資約5兆日元，現在減少到2/5。不過，日本也在吸取美加大停電的教訓，開始重視投資問題。在英國作為商品的電力實現了市場化、自由化、競爭化，用電要先訂購，一旦停電，不僅應退款，還要重罰，并賠償停電引起的直接和間接損失。如果醫院沒有自備發電設備，導致人身傷亡還應負擔法律責任。這類法規有助于提高企業對設備投資的重視程度。

3.8 重視人員培訓。人在各種事故的預防、發生、擴大方面是關鍵因素，許多電力事故都與管理水平及運行人員素質有關。相關人員應能實時辨認事故前兆，判斷事故性質。為防止事故擴大，運行人員不僅應掌握本地系統情況，還應熟悉相鄰周邊地域系統情況，及時聯系，防止連鎖效應，要提高與周邊系統進行協調的能力。