电网防止大面积停电的探讨

李 强,王 皑,吕建平

(山西省电力公司,山西太原 030001)

电网防止大面积停电的探讨

李 强,王 皑,吕建平

(山西省电力公司,山西太原 030001)

以2008年我国南方发生大范围的冰雪灾害,造成了严重的电网事故为例证,分析了气候对电网造成灾害的成因,通过对电力线路设计标准的思考,提出如何实现差异化设计理念,以及对完善输电线路防范体系的建议。

差异化;灾害性气候;导线覆冰;设计标准

0 引言

2008年我国南方地区出现了历史上罕见的强降温和持续雨雪冰冻天气,各电压等级电网均遭受了严重的损害,造成了巨大的经济损失。罕见的雨雪冰冻天气造成线路和杆塔严重覆冰,无法承受大大超过设计能力的垂直荷载和纵向张力,因而导致电网出现大面积断线、倒塔和受损。山西省自然、地质灾害频发,研究自然灾害下的电网设防标准同样是十分紧迫且必要的。

1 南方冰灾的分析

1.1 导线覆冰的机理

形成导线覆冰,一般要具备以下的气候条件:气温为0～-5℃,空气相对湿度在85%以上,风速为1～10 m/s,形成逆温层。导线覆冰按其冻结性质分为雨凇 (冻雨)、雾凇、混合冻结、覆雪4种。从2008年1月11日开始,湖南等省份雨雪不停、气温随之急剧下降,地面温度长时间平均气温接近或低于0℃,持续降水,相对湿度高,近地面造成有利形成雨淞的逆温层,当雨滴进入靠近地面的冷气层时迅速冷却,成为过冷却雨滴,在合适的风速下与导线碰撞时冻结,形成雨凇。此次天气条件正好符合了上述导线覆冰的条件[1]。

1.2 电力设施损坏的原因

a)覆冰引起负荷过大导致杆塔、导地线发生倒塔或者断线。

b)导线不均匀脱冰,导致直线杆塔两侧出现不平衡张力,从而使直线铁塔受扭或者承受不平衡张力,使铁塔受损。

c)运行工况下导地线温度不同,地线较导线更容易发生覆冰现象,地线覆冰垂直荷载使其弧垂增大,发生导地线短路故障。

d)导线脱冰,导致导线发生舞动现象,进而损坏绝缘子、金具,发生掉线事故。

e)隔离开关动静触头冰冻卡死,绝缘子覆冰之后绝缘强度下降,引起闪络。

1.3 暴露出的问题

1.3.1 电网投资不足

我国虽然近年来电网建设取得了长足进步,但由于历史欠账较多,资金投入仍显不足,电网建设标准不足以抵御自然灾害破坏。据统计,从建国以来,我国电力工业累计投资中,电源投资比重占约66%,电网仅占34%,而世界发达国家电网投资的比重都超过了50%。

1.3.2 原设计标准需再思考

设计规程规定气象条件重现期为500 kV送电线路按30年一遇设计,针对一般冰区(20 mm以下)和重冰区(20mm及以上)分别制定了不同的设计规程。显然这次冰灾的情况(覆冰厚度最大达到80 mm)大大超过了多年来的设计标准。

1.3.3 覆冰数据不够准确

气象台站大多没有观冰资料,加之覆冰成因比较复杂,统计数值很难确定。线路设计只能通过沿线调查、自设观冰站点、根据相邻已运行线路的资料和经验来确定覆冰设计冰厚。

1.3.4 除冰技术效果不佳

在南方冰灾中,湖南电网共有11条220 kV及以下线路采用了短路电流融冰措施,虽反复融冰,仍有9条线路在采取融冰措施后发生了不同程度的覆冰倒塔事故。

2 山西省应对措施

电网安全可靠运行是保障国民经济和人民生活正常秩序的重要基础,现代社会的安全已经和电网的安全密不可分。由于电网投入不足,抵御自然灾害能力不强,已经不能满足经济社会快速发展对供电可靠性、安全性越来越高的要求。

2.1 制定合理的规划原则

电网规划是发展电网的重要环节,结合山西资源、经济、电源的特点,规划合理、科学的网络结构,满足电网大容量电力穿越、远距离输电容量要求,并考虑电网遭受自然灾害、局部电网输电受阻的可能性。虽然 “双千工程”的建设使山西电网取得了许多根本性的变化,但由于电网欠账较多,在一些局部电网中,仍存在突出问题:部分主网架结构较为薄弱,负荷中心动态无功电源支撑不足,某些关键输电通道线路和负荷中心降压变载流能力不足,部分电网短路容量超过或接近开关遮断容量。这些问题严重影响了电网的安全稳定水平,导致电网抵御灾害等风险的能力明显不足。因此,规划合理的电力系统要做好以下几个方面。

2.1.1 研究电源接入系统的电压等级

山西电源点以火电为主,随着国家节能减排政策的大力推行,大容量机组逐步增加,小机组逐步退役,使得接入各电压等级的电源比例发生变化,100(包括135)MW以下机组容量由 2007年的22%减少为8%。见表1。

表1 各电压等级接入电源容量比例%

对于电网来说,电源的分层接入、分层平衡对保证电网安全、应对自然灾害最为有利。应结合本省电网结构及负荷特性,研究接入各电压等级电源的最为合适的比例。2.1.2 规划坚强的500 kV电网

制定500 kV主网规划方案时应考虑多方面因素的影响与制约,进行多方案的技术经济比较,比如:短路电流水平和潮流分布是否合理、是否存在稳定问题、是否分布于不同的气象条件区域内、非正常运行条件下是否有足够的互供能力等等。而不能简单布局,简单占据空间、视觉上的多通道。

2.1.3 规划合理的分区电网

地区电网规划应满足分层分区平衡要求,并且各电压等级电网之间应有效衔接,并要考虑不同电压等级之间在事故状态下的相互支援。电磁环网解环后,要保证不同供电区域电网之间互相转供的能力。

2.1.4 研究各级电网投资比例

按照 “统一规划、统一建设”的原则,在加强500 kV、220 kV主网建设的同时,保证110 kV及以下城乡配电网投资的比重,使各级电网协调发展。

2.1.5 研究各地区电网“孤网”供电能力

针对山西省电网南北长、东西窄的特点,应当研究在极端条件下,电网解裂运行的供电能力,以及地区电网在解裂运行条件下且当地主力电源缺失后,地区机组维持稳定运行时的能力。必要时,要对重点地区进行电网 “孤网”运行的实验。

2.1.6 研究动态无功补偿规划及配置方案

动态无功补偿装置可以有效地抑制电压波动、改善功率因数及提高电网稳定性,但由于其价格和技术因素外,山西省应用的步伐不快。须对电力系统进行分析研究,确定动态无功补偿的最佳安装地点和主要参数。

2.1.7 研究山西省电网差异化规划原则和特点

差异化规划对山西省内500、220和110 kV各级变电站、线路所处的位置、负荷性质进行全面梳理,确定重要的变电站和线路。差异化的特点主要为:对政府、医院、新闻媒体、机场、居民等重要用户应有可靠的供电方案,对煤矿、化工、以及易引起人身伤害的重要用户应有相应的供电方案,对损毁后较难恢复的重要变电站和线路应该提高设防标准。

2.2 加强对自然灾害的预测和防治

针对山西省覆冰观测及量化分析一直是薄弱环节的情况,应积极建议和倡导政府支持各级气象部门能够建立起正常的覆冰观测机制。在覆冰较重地区及重要输电走廊地区设立长期冰、风观测站,有针对性地进行导、地线覆冰观测,为工程设计提供准确的覆冰资料。

建议山西省电力公司应由有关部门牵头组织建立观冰 (风)点的规划,在旧线路上加装覆冰在线监测装置 (覆冰区)、风速在线监测装置 (大风区)、杆塔倾斜报警监测 (采空区)等。收集、积累区域线路冰 (风)和采空区资料,从而科学准确地进行等级划分。

山西省电网应在适当提高电网设计标准的基础上,提高电网项目的灾害治理能力。加快防冻材料、直流融冰、短路电流融冰、移相器融冰等先进技术的应用研究,开展枢纽变电站和重要线路的交直流融冰技术研究,及其他有效防止或减小覆冰的新技术研究,完善和增加电网抵御冰灾侵害的手段和方法。

2.3 加强电网防御体系建设

2.3.1 进一步加强电网第三道防线建设

电力系统第三道防线要求电网在遇到极端恶劣气候状况或不可抗力影响时,避免电网出现长时间、大面积停电事故。各级调度员和有关的生产管理人员都应熟练了解、掌握在发生极端严重故障时通过有序减载和解裂控制故障范围、防止全网停电事故的各种预案和措施,来最大限度地保障电网的安全和重要用户的供电。

2.3.2 加强电网黑启动研究

要针对山西省电网特点,摸清全省电源情况,找出具备黑启动能力的机组。除了研究不同情况下的黑启动的不同“链条方案”,确定链条的最终“火柴”位置,还应该认真研究电力系统黑启动过程中的技术问题。在研究全省电网黑启动方案的同时,针对与主网联系薄弱的地区电网(如吕梁电网),在遭受重大自然灾害地区全部停电,失去外援条件下,局部电网依靠自身条件实现黑启动也需进行研究。

2.4 完善危机管理体系

制订周密的应急措施、建立相应的机构和机制有助于将灾难和破坏减低到最低程度,电网公司须进一步加强危机预警系统的建设,针对气候等自然灾害建立跟踪、预报和提前防范制度,加强与其他单位、部门的横向联系和沟通,实现共同反应、互相支援。不仅要制订救灾应急预案;还要制订防灾应急预案;不仅要有防灾应急预案文本,还要有救灾组织、专业抢修人员、物资储备等措施,才能在灾难来临时有条不紊、有组织地进行工作。

3 电网建设的 “新标准”

鉴于此次冰灾的实际情况,国家电网公司组织专家对各电压等级的设计标准进行了再研究,对原设计标准进行了一定的修改、补充,发布了企业标准 《110～750 kV架空输电线路设计技术规定》(Q/GDW 179—2008)。

a)新增线路安全等级划分,对重要的送电线路提高一个安全等级,重要性系数取1.1～1.2。

b)调整输电线路设计气象条件重现期。500 kV线路由30年调整为50年,110～330 kV线路由15年调整为30年。

c)细化冰区设防分级。增加10～20 mm中冰区设计条件及相应设计原则和措施。形成0～10 mm轻冰区、10～20 mm中冰区和20 mm及以上重冰区设计覆冰的合理分级 (原规程仅规定20 mm以上地区为重冰区,执行重冰区设计规程)。

d)要求地线型号加大一级。地线设计冰厚应比导线增加不小于5mm。500 kV及以上线路地线用镀锌钢绞线最小标称截面应不小于100 mm2(原为70mm2),220 kV及以上线路应不小于80mm2(原为50 mm2)。

e)杆塔负荷计算中新增不均匀覆冰工况 (原规程10～15mm覆冰工况不考虑不平衡张力)。

f)修改了断线张力及不平衡张力的取值要求。

77.66 %（73/94）的学员希望医学双语教材作为学习资料，其次为期刊杂志（38.30%）和国外原版教材（35.11%）。

g)新增跨越要求:输电线路与主干铁路、高速公路交叉,采用独立耐张段,杆塔结构重要性系数取1.1,按覆冰条件和导线最高温度验算核对被交叉跨越物的距离。

山西省110～500 kV线路设计已全面推广了通用设计中的铁塔形式,但是这些塔型均采用的是原设计标准,新标准颁布后原塔型能不能满足要求,需要重新计算、校核,工作难度很大。其次线路设计中常用的气象条件组合是对省内各气象站的资料进行分析统计而得出的,按照新标准的要求,目前使用的山西省典型气象条件组合有可能发生变化,新标准杆塔计算条件的变化会使杆塔的重量增大,地线型号加大会使地线消耗量增加,新增的跨越要求也会增加工程中的塔重和塔高。总之,这些因素结合起来会大大增加工程的整体投资。

为贯彻落实即将全面推出的设计新标准,提高山西省输电线路防御自然灾害的能力,有以下建议。

a)坚定不移地落实新标准。但鉴于版本的多样性,应循序渐进。首先应当采用国家电网公司和国家标准一致的部分,避免新标准推出后的修改。

b)利用设计、运行单位积累的气象资料,重新研究整理并制定出符合本省实际情况的气象条件组合。

c)收集、筹划符合新标准中要求的110～500 kV架空输电线路杆塔型式。

d)结合新标准的要求,针对输电线路交叉跨越情况,制定出适合本省实际的跨越标准及原有线路补强方案。

4 差异化设计的思考和实施

国家电网公司在南方冰灾后提出了差异化设计的理念。由于所处地域的不同,国内外对线路设计的侧重点有很大的不同。山西省在落实 “差异化”理念上,应在普遍提高电网规划设计标准的基础上,先确定一批抵御灾害能力更强的重要线路,设防标准比普通线路提高1～2级。应该考虑重要性差异、区域化差异、资金投入差异等几个方面。

4.1 加强站址选择及线路路径的规划

变电站站址选择和输电线路路径规划在预可研、可研阶段就应确定出设防标准,或者尽可能避开确定的特殊气象区域。同一方向重要输电通道尽可能分散走廊,在发生严重自然灾害时,以减少同一气象带重要输电通道数量。

4.2 制订特殊气象(地质灾害)区的设计导则

a)变电站站址和输电线路应避开调查确定的覆冰严重地段。

b)鉴于本次冰灾前期、中期大量发生的绝缘子串冰闪跳闸,应加强平原、丘陵地区局部污区与重要线路的防冰闪外绝缘配置。

c)输电线路应沿起伏不大的地形走线,尽可能避免大挡距、大高差地段。

d)躲避横跨垭口、风道、湖泊、水库等容易覆冰的地带。

e)输电线路通过山岭地带,宜沿背风坡或山体阳坡走线。

f)输电线路耐张段不宜太长,中冰区一般不应超过5 km,重冰区一般不应超过3 km。

g)输电线路转角角度不宜过大。

4.3 制订原有线路特殊气象区加强方案

a)逐步提高城市配电网电缆应用的比重,城市配电网的重要线路宜采用电缆。

b)在覆冰严重地区的重要线路安装线路覆冰在线监测装置,采取增加绝缘子串长和更多采用V型串等措施。变电站装设除冰、融冰设施。

c)重要线路原则上应避开煤矿、采空、滑坡(泥石流)等自然地质灾害区段,若无法避开,应提出具体补救方案。

d)在目前单一使用混凝土大板基础上,应开始积极研究针对采空区地面变形 (比如混凝土灌注桩、帷幕灌浆),抵抗地基不均匀沉降或裂缝的特殊基础。

e)对于旧线路长耐张段内,应采取加强方案,并按照相关规定更换导、地线的金具。

5 结束语

本文从防止电网大范围停电出发,本着差异化的理念,对于电网规划、输电设计等内容进行了探讨,提出了一系列宏观的建议或措施,在具体的实施中还需要进一步根据实际情况深入研究。

[1] 周丹羽,吴建生.电力线路防冰雪灾害的设计思考[J].供用电,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 强 (1977-),男,山西长治人,1998年毕业于华中理工大学电力系统及其自动化专业,工程师,主要研究方向为电力系统;

王 皑 (1969-),女,山西太原人,1991年毕业于西安交通大学电力系统及其自动化专业,高级工程师,主要研究方向为电力系统;

吕建平 (1966-),男,山西太原人,1982年毕业于华北电力学院发电厂及电力系统专业,高级工程师,主要研究方向为电力系统规划。