电力系统灾害预防分析.docx
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电力系统灾害预防分析
电力系统灾害预防
引言
电力系统是指由发电、变电、输电、配电和用电等环节组成电能生产、传输、分配和消费系统。
电力系统作为城市生命线系统工程重要组成部分,其安全运行问题越来越受到人们关注,提高其抗灾能力是国民经济安全稳定运行前提。
由于电力生产和输配多暴露在自然环境中,容易受到自然灾害影响,因此系统研究自然灾害对电力系统影响,能够帮助发电企业以及电网公司采取相关措施以减少自然灾害带来损失,提高自身应对能力。
受全球气候变化影响,许多国家和地区气候出现异常,自然灾害多发并发,由此造成电力系统损失严重阻碍了经济社会发展,影响了人们正常生产生活。
近10年来,各国研究者都对此进
行了大量研究。
由于冰灾、地震等灾害对中国电力系统造成了毁灭性打击,相关研究也越来越受到人们关注。
例如2008年中国南方部分地区电网受冰冻灾害影响大面积损毁之后,冰雪灾害对电力系统影响成为了当时研究热点。
1、南方电网受灾总体情况
2008年1月中旬以来,我国南方地区遭遇罕见持续低温雨雪凝冻灾害,给南方电网公司贵州省和广东、广西自治区、云南省部分地区电力设施造成了严重破坏。
1.1、电力设施破坏情况
南方电网公司所属广东、广西、云南和贵州电网不同程度地因冰灾受损。
全网发生线路杆塔倾倒损坏271236基(其中10kV及以上126247基,110kV及以上2686基)、断线224731处;7541条10kV及以上线路、859座变电站停运。
贵州电网在全国范围内受灾最严重,受损线路占贵州电网总数77%。
1.2、电力供应受到严重影响
南方电网99个县、642万户、约2618万人受停电影响。
受灾影响最大负荷1716万千瓦,占灾前正常负荷25.5%,累计影响电量136亿千瓦时,其中贵州用电负荷、供电量较灾前减少了2/3以上。
贵州、三峡、湖南鲤鱼江和桥口电厂送出通道中断,向广东送电比原计划减少703万千瓦。
1.3、经济损失重大
初步估算南方电网公司系统直接资产损失134.3亿元,其中:
广东电网公司30.9亿元,广西电网公司31.3亿元,云南电网公司9.9亿元,贵州电网公司58.5亿元,超高压输电公司西电东送主网架3.7亿元。
灾害最终影响全网售电量约136亿千瓦时,减少收入77亿元。
按照公司确定灾后重建技术原则,考虑提高应对冰雪等恶劣自然灾害能力,估算灾后重建总支出251.1亿元,主要包括按原标准修复支出134.4亿元,电网加固改造修复支出88.0亿元,提高抗冰能力技术改造措施费用28.7亿元。
以广东电网为例:
可见,冰灾对电力系统危害主要体现在对输电线路破坏,而且对人们生产生活造成了特别重大影响。
如何减少自然灾害对电力系统影响,已成为中国电力行业建设和发展亟待解决重点问题。
本文研究自然灾害对电力系统影响,主要对冰雪灾害、地震灾害、雷电灾害三个典型自然灾害进行分析。
2.冰雪灾害
2.1概况及成因
覆冰是最容易引发输电线路群发性跳闸灾害类型。
在电网覆冰过程不同阶段,会发生不同相继故障事故。
在覆冰初期,电网一般不会发生严重故障;当覆冰厚度达到一定程度时,如果风速为5m/s~15m/s,且和线路夹角为45°~90°时,位于风口地段(如跨河、谷口和两侧有屏障开阔通道或开阔平原)线路可能会发生舞动;当覆冰厚度或冰风荷载超过线路或杆塔设计标准时,可能发生断线、倒塔事故。
在融冰天气阶段,绝缘子串覆冰或被冰凌桥接后,泄露距离缩短,在冰水电导率较大条件下可能会导致闪络事故,而且覆冰时绝缘子串内泄露电流增大,当泄露电流达到一定值时,就可能由局部弧光放电发展为闪络。
此外,在融冰天气阶段还可能出现由于不均匀脱冰导致线路跳跃或舞动事故。
尤其在08年冰灾之后,对此给予了更大关注,提高电力系统应对低温雨雪冰冻等重大自然灾害能力,是一个系统工程,必须统筹考虑建设标准、抗冰融冰技术应用、完善应急机制以及优化电网结构、加强电网建设、优化电源结构、电源合理布局等系统性综合措施,并兼顾实施。
2.2应对措施
2.2.1融冰技术研究应用
融冰技术应用是南方电网抵御冰冻自然灾害主要措施。
公司已组织开展制定交直流融冰方案,并组织编写防冻融冰技术导则,组织输电线路融冰关键技术参数试验研究和直流融冰装置样机研制,同时,组织开展基于新材料防冰融冰技术、激光除冰技术、高频高压激励融冰技术和强电磁脉冲除冰技术应用研究。
2.2.2适当提高标准对电网进行加固
根据专家评审意见,组织对电网进行普查,研究制定适当提高现有输电线路抗冰能力,防止线路覆冰等自然灾害导致电网发生大面积停电和大范围设备损坏事故电网加固方案。
为突出工作重点,确保关键线路安全可靠运行,将线路划分为重点线路和非重点线路,并采取不同加固原则。
重点线路主要采取适当提高覆冰设防设计条件措施,一般线路采取适当提高覆冰设防验算条件措施。
2.2.3建立电力应急通信网
在空中架设电力通信专网和公用通信网面对不同自然灾害具有很强互补性利用公用通信资源,包括公用地埋光纤资源、管线路径资源、卫星和移动等建立电力应急通信网,能够在线路受损导致通信中断情况下,利用应急通信系统迅速恢复通信功能,确保不因通信中断影响电网运行和电力供应。
3地震灾害
3.1概况及成因
地震是最可能使电力系统遭受严重破坏自然灾害。
中国部分地区处于地震活跃地带,地震发生频度较高,并随之产生严重次生灾害,对当地经济社会发展产生了很大影响。
世界上历次大地震统计表明:
电力系统地震易损性是极高。
尽管其修复费用只占全部震后重建费用一小部分,但电力系统失效造成间接损失却是巨大。
例如,1996年中国内蒙古包头发生地震,张家营变电站停止供电达11h,虽然地震没有造成人员重伤和死亡,但造成电量损失达304万kW·h,仅电力部门直属单位直接经济损失就达1亿元以上。
在2008年中国汶川地震中,国家电网直接经济损失超过120亿元,全国范围受灾损坏停运电力线路共计35900多条,变电站共1700多座,四川省电力公司负荷损失约400万kW,500kV茂县变电站停运,220kV变电站停运12座。
3.2电力设施地震灾害特征
在地震中,典型电力设施震害包括:
(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,和之相伴,出现顶部瓷套瓶破坏、散热器或潜油泵等附件破坏。
造成震害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时间。
(2)瓷质高压电气设备:
由于强烈地面运动以及设备之间连接相互作用,高压变电站中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1~10Hz范围内,和地震波卓越频率接近。
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不乏其例。
(4)输配电线路杆塔:
由于输电线低频振动对输入地震能量解耦作用,同时也由于输电线路杆塔抗风和抗冰设计要求,输电线路杆塔结构震害相对较轻。
震害经验表明:
输电线路杆塔震害绝大多数源于地震所引起次生灾害,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动力破坏(如1999年台湾集集地震)。
(5)没有固定或锚固电力设备是很容易受地震作用而破坏,特别是那些设置在轨道上设备以及没有可靠连接支柱架设设备。
上述震害特点表明,电力系统震害主要集中在发电厂、变电站、开关站、换流站电气设备,因此,电力系统抗震设防重点是厂房、各种设备及基础等,对于处于高烈度区输电塔也要重视抗震设
计。
3.4.地震灾害应对措施
3.4.1加强电气设备,特别是变电站、开关站、换流站电气设备抗震性能评估,采用先进隔震、减震等控制措施,提高电气设备抗震性能。
3.4.2全面系统地研究500kV超高压和1000kV特高压各种电气设备抗震性能,弥补电气设备抗震研究工作断档。
3.4.3开展区域电力系统抗震危险性分析和可靠性评估研究,建立电力系统抵抗地震灾害长效机制。
3.4.4建立和健全各大电网公司地震应急响应机制和震后供电快速恢复机制,力争将特大地震灾害对电网冲击降低到最小。
4.雷电灾害
4.1概况及成因
发电厂、变电站一般建在空旷野外,高大构架和设备、良好接地,使其本身就成了一个引雷体,容易遭受雷电袭击。
发电厂和变电站输变电线路传送距离远、分布面广,遭受雷击概率很大。
有资料表明沿线路侵入雷电波是造成变电站雷害事故主要原因。
雷击输电设备会产生反击过电压,其产生原因大致有3个:
接地装置因散流作用使电位升高;感应出雷电流在导线上产生电阻压降、自感压降和互感压降;高电位通过某些电容传递时造成过电压。
雷害对电网影响比较大,经常导致大量线路同时跳闸,有时还使线路多次跳闸、多次重合,使开关设备受到冲击。
特别是地方电网网架薄弱,一条线路跳闸就可能造成大面积停电。
雷电还易造成配网线路断线,对人身安全造成威胁。
雷电对电力系统通信、自动化设备也会产生不良影响。
4.2保护措施
4.2.1安装避雷线
避雷线是输电线路最基本防雷措施之一,可防止雷电直击导线;对雷击电流分流;和导线耦合,降低导线上感应过电压;降低雷击杆塔时塔头绝缘上电压。
但避雷线作用是引雷,会造成反击、绕击及感应雷击事故,对高杆塔或大档距输电线路保护不够理想。
4.2.2提高线路绝缘水平
在线路设计过程中,一般不按雷电过电压要求选择绝缘子串绝缘子强度,但可根据具体情况对输电线路进行调爬,110kV输电线路调整到8片绝缘子,500kV线路调整为27片、28片,既减少污闪又起到增强线路防雷性能作用。
4.2.3杆塔接地技术
对一般高度杆塔,降低线路杆塔地网接地电阻是提高线路耐雷水平,以防止反击有效措施。
接地装置在雷电流作用下,存在电感效应和火花效应,电感效应导致阻抗增加,而火化效应导致阻抗降低。
降低杆塔接地电阻应该降低是冲击接地电阻,一般来说,接地装置冲击接地电阻低于工频接地电阻。
但经常出现工频接地电阻很低杆塔而雷击闪络事故频繁现象。
其原因是,在一些高土壤电阻率地区采用较长水平伸长接地体可以有效降低工频接地电阻,但由于接地体具有雷电冲击有效长度,冲击接地电阻却不会随之降低。
目前,我国一般将杆塔工频接地电阻乘以一个估算冲击系数来得到冲
击接地电阻。
4.2.4架设耦合地线
在降低杆塔接地电阻有困难时候,可以在导线下方架设一条接地线(耦合地线),作用有:
①增加避雷线和导线之间祸合作用,降低绝缘子串两端反击电压;②在雷击塔顶时,增大向相邻杆塔分流雷电流。
4.2.5双回输电线路采用不平衡绝缘
双回输电线路采用不平衡绝缘,低绝缘水平一回线路在雷击时将率先闪络来保护另一回线路。
过去日本不平衡绝缘线路采用降低一回线路绝缘水平差绝缘方式,结果导致线路总体雷击闪络率增加,目前我国采用是加强一回线路绝缘水平方式。
4.2.6线路装设自动重合闸装置
由于雷击造成闪络大多能在跳闸后可自行恢复绝缘性能,所以装设自动重合闸装置可使线路恢复供电。
4.2.7安装线路避雷器
线路避雷器工作基本原理是雷击避雷线或塔顶时,当产生过电压超过一定幅值时避雷器发生动作,给雷电流提供一个低阻抗通路,使其泄放到大地,从而限制了电压升高。
避雷器性能有待改进使其提高容量、降低残压和延迟老化等,同时降低生产成本、扩大应用范围。
经验表明,线路避雷器可达到100%防止被保护线段雷击闪络效果,要消除线路雷击闪络,需要在易击段每个杆塔上安装线路避雷器。
5.自然灾害防灾对策流程
5.1灾前预防:
主要包括:
(1)具有抗灾性能设备设计、设备抗灾性能确认、未达标设备补强实施;
(2)可以回避、限制停电或短时间恢复供电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相关事项整备;(4)本公司和其他公司灾害事例探讨、教训总结、对应新方法交流。
5.2灾时应急对策:
基于初期对应策略停电恢复。
恢复方法包括:
基于电力系统自动恢复功能供电恢复、由24h监测人员系统切换以及现场察
看后恢复。
5.3灾后快速恢复:
这个阶段主要进行基于设备功能恢复供电恢复,主要指灾害管理人员、相关企业人员参和,运用救灾物资器材应急送电和设备恢复。
6.应对灾害中存在问题及反思
(1)要合理安排电源规划及电源布局。
自然灾害随时可能破坏电网结构,造成系统解裂,引起大规模停电事故,所以电源布局应从综合电网结构和地区用电因素等方面进行考虑。
要重视电力系统经
济性和可靠性之间协调关系。
可以通过构建110kV灵活供电网,建立110kV地区互供电网及完善110kV电网骨干骨架等方面进行研究。
要重视电源和电网协调发展,增强电网规划对电源规划引导作用,优化电源结构布局。
(2)要加强应急预案管理和实施。
良好而合理应急预案可以提高电力系统预防和处置电力突发事件能力,最大限度减少损失,以提高应急预案水平可以提高供电可靠性。
目前情况是应急预案体系、应急管理和应急救援指挥体系及应急救援队伍均初步形成,但是大多数地区都还只是起步阶段,应急处理能力较低。
因此,加强电力应急日常管理,完善应急预警机制和预案体系,加强应急队伍和协调联动机制建设以及建立专项电力应急资金等措施,是十分有必要。
(3)进一步加强气象信息监控和电网监控结合。
自然灾害对电力系统影响是巨大,因此,越来越多电网公司越来越注重气象检测。
加强自然灾害预警监控,以便在灾害天气来临和发生时
及时进行防范。
(4)对输电线路进行差异化设计。
在利益最大化同时保证供电可靠性,对于重要联络线路和关键线路要适当提高设计标准,留有足够裕度。
分析和评价电网完善系统主网架中薄弱环节,加强系统可靠性。
7.结束语
分析了覆冰、地震、雷电等自然灾害对电力系统正常运行危害,揭露了危害形成,提供了应对措施,也针对我国电力网在应对自然灾害时不足进行了反思及总结。
随着我国电力系统快速发展,电
力市场逐步建立,对电力系统安全运行及供电可靠性也有了更高要求。
电网安全可靠运行需要通过科学化、规范化和制度化措施逐步推进电网安全发展。
加强对灾害影响电力设备量化评
估,模型建立以及分析预警和控制决策技术,以及研究应对各种自然灾害方法,有效提升电力系统抵御自然灾害能力。
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