发电设备系统事故停电的教训

哈尔滨电机厂有限责任公司 邢文杰

编者按:2003年8月14日，美国和加拿大发生了大规模停电事故，停机规模达6180万千瓦，受影响人数约5000万人。据说停电是由于多家电力公司缺乏相关经验、缺少相应设备、缺乏合作机制造成的，该事故促使美国开始重视电网安全，并直接引发了对智能电网的研究和建设。近年来，世界上发生的多起大型停电事故，有些与酷暑季节广用空调等制冷设备有关，但主要是电力工业从国有化走向民营化、市场化所引起的。例如，美国的电力公司就多达3500家，存在电力供求不平衡、信息交流不畅、输变电设备投资不足、监管系统不完善等多种问题。有些重大事故是由多种因素造成的，人类的错误在于没有引起足够的重视和认真吸取经验教训。本文论述了多起停电事故及其原因和相关的预防措施，或许可以对电力工业的发展起到一些警示作用。

1 大规模停电事故

1.1 美国。美国是世界上电力工业最发达的国家，用电量最大，停电事故也最多，后果最为严重。1965年11月9日，美国东北部停电约2000万千瓦；1977年7月13日，纽约市停电600万千瓦；1982年12月22日，西海岸停电1235万千瓦；1996年2月2日和3日，西海岸停电2800万千瓦；1998年6月25日，美国中北部和加拿大安大略省停电95万千瓦；1999年夏季东北部两度经历大规模停电。以上事故都属天气原因。美国西部地区于1994年12月、1996年7月和8月、1998年6月和1999年夏季，先后发生大型停电事故；东海岸于1999年连续停电；加利福尼亚州于2000年、2001年轮番停电。这些事故与电力自由化和规章制度不完善有关。

2003年8月14日，美国东北部从纽约州到密执安州乃至加拿大五大湖泊周边的这一大片北美大陆发生了世界上最大的停电事故，停机规模高达6180万千瓦，受影响人数多达5000万人，损失金额约为60亿至100亿美元，停电持续时间长达43小时。事故源头是伊利湖周边呈环状的送电网络地域的一个发电厂发生异变，引起频率波动和系统摆动并导致电力逆流，由此又再度引起频率波动和电力摆动，最终导致整个系统的动荡并波及到加拿大和纽约州，直到大范围停电。最终的严重后果是包括22座核电站在内的100多个发电站在短时间内全部停止运转，这是历史上最大的停电事故。

1.2 意大利。2003年6月26日和27日，罗马、米兰等主要城市相继停电。当时处在酷暑季节，天气炎热，电力公司担心制冷设备大量使用会使系统瘫痪而短时停止供电，按照划分的地区顺序轮番停电1小时，以便防止整个系统全部停电。然而这种做法没有事先通告，引起了混乱，约有600万人受到影响。事故的根本原因是电力不足和电力供求的结构问题，意大利本国发电、供电不足，要从法国引进，但却没有做到电源的最佳匹配。

1.3 英国。2003年8月28日，伦敦南部和相邻的凯恩沃尔州的一部分地区发生停电事故，规模约为72.4万千瓦，持续时间约1小时，受影响人数约25万人。市内地铁约60%和普通电气化铁路列车约1500条线路停止运行或缓行运转，受困通勤乘客约25万人发生混乱。因为正值通勤客流高峰时间，乘客在各停车点乘车、换车混乱不堪，一直持续到深夜。所幸各家医院切换为自家发电，没有发生重大伤亡事故。事故原因是变电所变压器异常，而且在2001年换装时没有装设保护继电器装置。这是英国自实施电力工业民营化、自由化以来规模最大的停电事故。

1.4 中国。2003年9月4日，上海市内的吴泾发电厂（总容量120万千瓦）停止运转。由于酷暑天气炎热，空调等电力需求急增，在高负荷下连续运行的发电机需要停机检查，为了缓解用电紧张，经过电力融通，从浙江省、福建省等上海以外的发电厂紧急输入电力，使输电线路和变电设备的负荷超过了容许的上限值。这次事故使约1000多家公司受到了影响，停电持续时间约2小时。

1.5 丹麦。2003年9月23日，包括首都哥本哈根在内的丹麦和瑞典南部发生大规模停电事故，停电规模约300万千瓦，受影响人数约400万人，持续时间约2小时。事故原因是瑞典东北部的奥斯卡西姆核电站（120万千瓦）因供水泵故障而停止运行，接着400kV变电所断路器发生故障，西北部林谷巴尔斯河电站（180万千瓦）也停止运行，并使电压衰变、破坏，致使包括3座核电站在内的许多发电厂停机。

2 停电的主要原因

电力系统大面积停电的原因有直接的、间接的、表面的、深层的、人为的以及设备故障等多方面因素，而且往往是多种因素的重叠和复合作用所致。

2.1 直接原因。①酷暑天气引起用电量急增（如意大利停电）；②输电线事故引起并波及、扩大（如美、加停电）；③变压器警报故障引起输电线中断（如英国停电）；④酷暑季节引起高负荷运行中的火电站停机（如中国上海停电）；⑤核电站停机引发后续事故和电压被破坏（如丹麦停电）；⑥国际连线的连锁中断引起国内供电不足（如意大利停电）。

2.2 共性原因。在电力市场化的竞争环境下，引起许多停电事故的原因往往带有共性、普遍性，而人类并未认真吸取教训。

2.2.1 设备投资不足。1988年后的10年，美国电量需求年平均增加30%，而输电设备投入只有15%的增长。2002年后的10年处在电力自由化过程中，电力需求以20%的速度增加，而输电线按计划仍停留在3.5%。1998年以后，实施委托送电增加了4倍，造成送电线混杂、联系系统畸变加重。2003年美、加停电事故的教训，已经引起了美国对输电网络现代化的重视。

2.2.2 保护系统欠缺。美国、加拿大停电事故源于无功功率不足和长距离委托送电这两个原因的复合作用。在北美大陆这片区域，空调机和电动机特别是旧式电动机较多，助长了无功功率的不足，虽然由临近网络提供无功功率，而线路仍处于过大电流、过负荷、过热状态，又没有实施保护切换系统，使长距离输电线加热、伸长、下垂并接触树木，引起接地短路事故，跳闸断电。由于无功功率供电中断，地区网络电压降低，最终负荷中断。其他没有断路的发电机供电力过剩频率急升，导致长距离联系的地域之间电力波动、振荡，最终波及、扩大事故。

2.2.3 支撑系统薄弱。事故发生初期，电力公司对事故没有充分把握好，支撑系统监视工具机能不足，系统监视和骨干系统警报发生故障，输电线路管理不善都是事故波及、扩大的原因。

2.2.4 无功功率缺乏。发电机输出无功功率对于维持电网系统电压稳定有重要作用，却往往不被重视。与静止调相设备不同，在过载状况下很难掌握旋转的发电机无功功率操控数量。

2.2.5 情报交换不畅。一个系统（地域）停电时，事故情报没有传递到相邻系统，系统之间的中继传递很不协调。

2.2.6 安全网络失灵。安全网络不完善，不能事前预测事故的发生，重大事故发生时又不能自动动作并起动保护系统。安全系统网络应是全地域复盖，虽然费用较大，但却必不可少。

2.2.7 接触树林接地。架线初期不会接触树木，天长日久树林长高长大，加上电线过载过热伸长下垂而接触，发生接地短路事故。

2.2.8 人员素质不高。由于对运行操作人员培训不到位，而对系统停止运行的问题，是否下达发电设备和负荷中断的指令，多数人犹豫不决，又不能预测到会在相邻地域也引起事故。

3 预防事故措施

停电事故的预防措施来源于实践，它的目标紧紧地指向事故的原因，应尽量消除可能导致事故发生或扩大的各种因素。

3.1 保证无功功率。必须掌握好在线发电机无功功率输出余裕量变化，应按最大需要量来确定系统变动时无功功率输出的余裕量，并应定预以重新评价。要重视与电压安全性相关的调相设备以及负荷中断的后果。

3.2 情报信息共享。应筑构一种信息共享系统，使运行人员知道本地域和相邻地域的状态变化，必须装设可预测的在线装置，以便对事故发生后的电压，以及由于过负荷等引起的多数设备停机进行预测。加强系统相互之间实时监视和情报传递支撑。

3.3 保护系统更新。实施对保护系统、继电器、继电器整定装置的更新改造。应采用自动化保护系统和自动化负荷中断装置，要完善由运行人员手动即可使负荷中断的装置。做好与相邻系统众多保护继电器之间的协调。

3.4 实施摸拟判断。保证系统模拟模型的正确性和系统监视装置的完备性，应能实时地判断输电线的断电事件。要重新审查发生事故时的系统复原程序，拟定一种运行计划，以便将事故发展趋势限制在规定值内。

3.5 完善监管制度。与采用雷云监视装置来预测雷电事故不同，对电线与树木接触而引发的事故，运行人员很难预测，必须确保对输电线的巡查，定期采伐隐患树林。要责任分明，制度完善，管理严格。解决支撑系统监视工具机能不足和不完备问题，完善监视工具对运行状态的判断装置，防止事故的发生和扩大。

3.6 构筑安全网络。安全网络应在事前预测重大事故的发生，并及时动作起动继电保护系统，应保证达到指定的安全性可靠标准值。安全网络应当覆盖整个地域，实施全方位监视。

3.7 确保设备更新。预防事故必须保证输变电设备的更新改造和现代化，然而所需要的投资，不仅美国在减少，日本也在减少。2003年日本输电设备投资约5兆日元，现在减少到2/5。不过，日本也在吸取美加大停电的教训，开始重视投资问题。在英国作为商品的电力实现了市场化、自由化、竞争化，用电要先订购，一旦停电，不仅应退款，还要重罚，并赔偿停电引起的直接和间接损失。如果医院没有自备发电设备，导致人身伤亡还应负担法律责任。这类法规有助于提高企业对设备投资的重视程度。

3.8 重视人员培训。人在各种事故的预防、发生、扩大方面是关键因素，许多电力事故都与管理水平及运行人员素质有关。相关人员应能实时辨认事故前兆，判断事故性质。为防止事故扩大，运行人员不仅应掌握本地系统情况，还应熟悉相邻周边地域系统情况，及时联系，防止连锁效应，要提高与周边系统进行协调的能力。