主题:【原创】电力系统漫谈(五)大停电(1)一棵树引发的事故 -- 乃力
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家园 【原创】电力系统漫谈(五)大停电(1)一棵树引发的事故

乃力:电力系统漫谈 (一) 引子

乃力:电力系统漫谈 (二) 电力系统运行的轮廓

乃力:电力系统漫谈(三)无功功率

乃力:电力系统漫谈(四)电力系统稳定(1)漫谈稳定

乃力:电力系统漫谈(六)新能源(1)风力发电

美国西部,爱达华(Idaho)州和怀俄明(Wyoming)州的交界处,落矶山脉在这里山形陡降,形成了一个盆地。如果沿30号公路从西向东走,穿过郁郁葱葱的山岭,到这里,会突然觉得周围是如此的空旷而荒凉。旷野里,只有一些铁塔支撑着几条输电线,孤零零地展示着人类活动的足迹。有经验的电力工程师从铁塔上的绝缘子串可以估计出这些线路的电压等级。这是一些345千伏线路,把怀俄明州的电力系统直接或间接地同美国西部各个州以及加拿大西部两省,还有墨西哥北部电网相连。线路的西端是爱达华州内的一个水库,叫美国瀑布水库,附近有些水电站。再往西,就是爱达华州的最大的城市,Boise市。线路的东端已经在怀俄明境内,是一个很大的火力发电厂。

靠近两州边界的地方,有一棵树在那里有些年了,当地电力公司的线路工人们不知道从它身边走过了多少回。它已经长得很高了,但看上去问题不大,离旁边的几条345千伏的线路还有一段距离。树在当地可是稀罕物。沿着输电线前后左右望去,几里地之内也看不到第二棵这样大的树。所以,工人们也乐得让它继续这样生长着。

为了叙述方便,后面的事情将以这棵树为坐标原点。比如说,美国瀑布水库在这棵树以西90英里。怀俄明州的电厂在树的东面150英里左右的地方。时间都是美国山地时间。

转眼到了1996年夏天,天气有些反常地热。整个美国西部都是这样。七月二号的下午,当地气温达到了38度。西面的一个水电站因为什么原因正在进行检修,东面的火电厂则开足了马力发电。在这炎热的天气里,这些线路也显得疲惫不堪,被天气和负荷压弯了腰。这时候整个西部电网的负荷很大,各控制中心的调度员们都紧张地注视着各个关键线路上的功率。还好,几个主要的线路都没有到输电功率极限,应该没有什么问题。

调度室的时钟指向了美国山地时间2:24PM。

爱达华电力公司调度中心的系统监视屏上突然出现了异常,屏幕上一条345千伏线路开始闪烁,其两侧的开关也显示在打开状态。显然是线路保护装置自动把线路断开了,肯定出了什么事故。准确的时间是2:24:37。但那里有几条并行的线路,系统应该还有足够的容量,调度员盘算着。

一个念头还没有转完,也就是刚过了一瞬间(还是一须臾?或是一刹那?反正很快,实际时间是20毫秒),紧邻的另一条345千伏线路也开始闪烁。气氛骤然紧张起来。调度员知道将会发生什么。

这两条线直接连到怀俄明州的那个电厂,系统保护装置在这两条线同时断开的时候会自动把那个电厂中的2台机组隔离。现在,这两台机组正发着1040MW的电力。必须这样做,要不然,那个电厂会发生暂态失稳,导致整个系统垮掉。但是在这样一个炎热的夏日午后,这可是个很大的损失,不知道系统能不能挺住。显示屏上可以看到系统频率开始下降,到了59.9Hz。可以理解,毕竟突然损失了1040MW的发电。一般来说,系统内的其它发电机会自动提高发电输出,逐渐把频率拉回正常水平。而且,59.9Hz还不算太差。

几乎与此同时,邦纳维尔水电局(BPA)的调度员观察到,在俄勒岗州东部的一条230千伏线路突然断开了。准确的时间是2:24:38.99。这条线路在我们的坐标原点西北500英里,爱达华电力公司的调度员并不知道这里发生的事情。随后的20秒内,BPA的调度室里警报大作,显示屏上似乎有无数个母线在闪烁。Anaconda变电站电压下降到219千伏,Lost River69千伏变电站电压下降到63千伏,Spar Canyon到了217千伏…。在一片电压下降的哀鸿中,俄勒岗州南部的Warner变电站不降反升,电压达到了242千伏,太高了。有点儿乱了。

很快,其它地方的调度员也感受到系统的变化。他们看到很多发电机开始增加输出,线路上的有功和无功功率也突然发生了变化。甚至远在千里之外的加利福尼亚的调度员也感觉到了。好象情况不是那么美妙。一些小发电机纷纷自动跳闸,退出系统。

说是迟,那是快。从最开始的345千伏线路被断开算起,过了24秒,从那两个机组被隔离算起,过了23秒钟,美国山地时间2:25:01,蒙大拿和爱达华边界上,在那棵树以北150英里远的地方,因为电压太低,电流太大,一条230千伏线路被保护装置断开。

事后,人们意识到这是那最后一棵稻草。

随即,和这条230千伏线路并联的一条169千伏线路因为过载自动断开,俄勒岗州和爱达华州电网的电压急剧下降,3秒钟后另一条通往爱达华州首府Boise的230千伏线路断开,2秒钟后,连接美国西北和加州的500千伏太平洋联络线被切断。

至此,局面已经无法挽回。又过了5秒钟左右的时间,整个北美西部电网已经被分解为5个互不相连的孤岛。超过200万用户供电中断,占全网总用户数的十分之一。

感谢这些训练有素的调度员们,在30分钟内,大部分地区就逐步恢复了供电。当然,一些Colorado的居民要等待6个小时才得以恢复供电,Nevada一些地区因为电力供应不足,也经历了3个小时的等待。不管怎样,一场危机过去了,电力工程师和调度员们迫不及待地开始总结经验教训。可以想象当时,各种会议,电话会议在整个西部各个调度中心不间断地进行着。其实,发生这种大事故,对于电力工程师来说,就好象是战争对于军人。可能丢掉饭碗(军人更严峻些,可能牺牲),也可能立功受奖。

事故的起因也好确定,肯定和那两条被首先断开的345千伏线路有关。但到现在为止,还没有人关注我们的主角,爱达华和怀俄明州边界附近的那棵树。

第二天,1996年七月三号,线路工人准备去巡线检查。与此同时,在调度中心和变电站,系统工程师们进行着各种分析计算,保护工程师们也忙着检查各种保护装置。事故的原因还没有查明,调度员们还都心有余悸,小心翼翼地把几个关键线路上的功率降到较低的水平。一上午相安无事。

很快,时间到了下午,山地时间2:03。这是一个值得电力工程师纪念的时刻。在这一刻,北美西部电网似乎要蹋进同一条河流。前一天发生的事情,仿佛录像重放一样出现在爱达华电力公司调度中心的显示屏上。一条345千伏线路断开,第二条345千伏线路断开,2台发电机组切除,系统频率开始下降,系统电压开始下降。Oh My Goodness!

关键时刻,方显英雄本色。更何况昨天刚刚实战过。是谁下的命令已经不可考证,反正是一声令下,甩负荷!终于,在牺牲了Boise地区的600MW负荷之后,Boise附近的电压恢复到正常水平,前一天系统崩溃的局面没有再次出现。第二天这次戏剧性的事故重演,给电力工程师提供了一个千载难逢的机会,来实际检验一下防止系统崩溃的措施是否有效。

没多久,事情的起因就弄清楚了,其实很简单,大家可能都猜到了。正常情况下,相邻杆塔间的导线都会在重力作用下自然下垂。如果气温高,电网负荷增加,线路上输送的功率一般也会增加,这种情况下线路的温度会比正常的高。热膨胀会使导线下垂增大。这次事故的起因就是第一条345千伏线路下垂增加,对那个美化当地环境的树的距离减小,两者之间的空气无法承受两者电压差(即无法保持绝缘),导致线树空气间隙被高压电击穿,形成了线路--电弧—树木—大地的通路,造成了一个对地短路故障。这条线路立刻被保护装置断开。虽然没有人目击到放电的过程,但现场的证据还是很明显的。

如果事情到此为止,系统不会有任何问题。系统的规划设计保证其有足够的稳定裕度,经受这样的冲击。旁边另一条线路的保护装置的误动作才是问题的关键。第二天发生的事情和第一天的一样,放电,短路,切除,误动。按理说,系统也能经受住第二条线路断开,以及随后的1040MW发电功率损失。但是当时负荷大,这些连续的事件导致系统潮流变化,特别是无功潮流变化,导致电压下降,触发了其它的保护装置,切除更多的线路和发电机。同时,负荷侧的一些电压控制设备为维持负荷侧电压,强制性地从系统吸收更多的无功,形成了无功潮流增加、电压下降、增加无功负荷、无功潮流增加、电压进一步下降的正反馈。除了这些后来分析得到的结论以外,这次事故里面,还有很多偶然因素。比如,大范围的高温,一些保护装置的误动作,一些发电机当时因为种种原因没有投入在线运行,无法提供及时的电压支持,等等。

不管怎样,那棵刚刚经历磨难的树,终于还是被砍倒了。从此以后,那里再也见不到树。

一场输电线与树的恋爱,造成了整个电网的崩溃。如果,他们懂得“发乎情,止乎理”的道理,不拉那一下手,或者如果不是旁边那条线路嫉妒捣乱,也许他们还会象原来那样厮守下去。当然,也有树自己的问题,长那么高,那么帅,有什么用?最重要的还是线路工人们,如果要求严格一些,及时把树枝剪短,就好了。教育最重要。

写到此处,突然发了几句感慨,算是缅怀一下那棵为电力系统电压稳定分析作出重要贡献的树。下面帖几张跟这次故障有关的图。

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图1 初始故障

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图2 最初的五个事件

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图3 系统解裂

注:本文的技术信息,包括故障地点、时间,设备名称, 和图片全部来自互联网上公开的英文资料。原来的图片中有一些和资料不一致的地方,被我改过来了,中文说明也是后加的。

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