中外应对电网冰灾事故措施对比分析

水电能源产业分析 2009-11-14 01:09:31 阅读79 评论0   字号：大中小 订阅 

引言

　　2008年1月中旬开始，我国中南部地区出现了持续的大范围灾害性冰雪天气，湖南、江西、贵州等省份遭受了50多年以来罕见的冰冻灾害，电网设施遭受严重损害，部分地区输电线路覆冰厚度甚至达到了80mm，短时间内倒塔、断线集中发生，给抢修带来了极大困难。

　　从世界范围看，冰灾已经成为很多国家电力工业的重要危害。近年来，北美、欧洲、东亚等地区均多次发生输电线路覆冰灾害。1998年1月4日至10日，连续3次冻雨横扫加拿大魁北克省西南和安大略省东部的大部分地区。在魁北克省的重灾区，线路覆冰厚度达到75mm，大部分高架塔和变压器受损害，电网几乎全面崩溃，140万用户(约400万人口)失去电力供应，不少用户停电超过1个月。冰灾中1千多基铁塔和3万5千多根木制电线杆被压倒，约5千组变压器被烧毁，3千多公里输电线受损，其中9百多公里输电线需要重建。

　　2005年1月至2007年1月期间，冰雪大风天气相继袭击了美国、加拿大、英国、法国、德国、挪威、瑞士、捷克、奥地利、波兰、俄罗斯、日本和新西兰等国家，据不完全统计，覆冰和暴雪大风灾害至少造成24起大规模电力设施故障和大面积停电事故。2006年6月12日，新西兰最大城市奥克兰因遭暴风雪袭击损坏供电线路和开关设备导致全城50%以上的地区断电近8h。

　　尽管上述许多国家的电网技术设施都比较先进，但在严重的冰冻天气和大风寒流灾害面前，电网也多次发生倒杆断线、跳闸断电及大面积停电事故。随着全球气候不断恶化，极端气候天气发生频率不断加大，从灾害事件中总结经验，有助于采取有效防治措施，降低灾害损失。

　　1　中外应对电网冰灾等突发事故措施的对比分析

　　1.1　中外电网应对冰灾设计标准的比较

　　1.1.1　国外设计标准的确定

　　国外一般以多年的气象观测资料为基础，并进行适当修正。

　　美国的线路设计导则给出了美国5个区在50年间的雨凇厚度分布图，为设计提供了参考。在确定了冰、风荷载的重现期后，一般是利用10年以上气象资料，采用极值分布模型推算出年最大风速、冰厚等，再根据局部气象环境条件(如地形地貌等)作适当调整，并使用当地直接观测的资料进行校核，作出相应的修正。有了每年的最大值，就可以通过极值统计分析求出设计取值(如50年一遇的冰厚、风速)。

　　日本确定冰、风荷载主要采取以下方法：确定了设计重现期以后，原则上采用国家气象台(站)的监测数据，但提前3—5年在线路路径上有选择性地建立冰、风观测站，观测数据与国家气象台(站)的数据进行比较，如果趋势一致则直接采用，如果有较大出入则适当进行修正。

　　欧洲在确定冰厚方面，也是在10—20年覆冰气象观测的基础上，采用一定的概率统计模型来确定覆冰设计厚度。

　　1.1.2　我国电网的设计标准

　　我国的输电线路设计中，考虑了不同电压等级和不同地区的差别设计，如330kV及以下线路重现期按照15年一遇标准设计，500kV线路重现期按照30年一遇标准设计，750kV线路重现期按50年一遇设计，目前正在建设的特高压交、直流输电线路重现期均按百年一遇设计。可见，电压等级越高、越重要的线路，可靠性标准要求越高，在同样严酷环境中发生事故的概率越低。

　　考虑到不同地区气象条件不尽相同，我国将覆冰厚度在20mm以下地区称为一般冰区，20mm及以上称为重冰区，针对一般冰区和重冰区分别制定了设计规程。目前，我国的华中地区多采用10mm覆冰设计，局部地区采用15mm。华东地区覆冰厚度采用10mm，沿海地区采用5mm或无覆冰，个别山区设计覆冰厚度15mm。

　　此次冰灾主要是由于极端恶劣气象条件引起，已经超出了我国现行设计标准的承受范围。从气象台的报道和目前统计分析来看，此次灾害天气已经超过了50年一遇，而华中、华东地区许多传统的轻冰区和一般冰区，此次冰灾中线路覆冰都达到了30-60mm，覆冰厚度大大超过了当地覆冰记录和覆冰调查的数据。与原来制定设计标准时所参考的数据相比，气象条件重现期已经发生了根本性变化，远远超过规程所规定的30年一遇值。

　　1.2　中外应对电网冰灾等突发事故的安全稳定措施比较

　　我国电网的“三道防线”机制仍然是当前最有效的安全控制措施。“三道防线”是针对《电力系统安全稳定导则》中定义的二类扰动发生时电力系统所采取的保证系统安全稳定的措施。第一道防线的任务是保证系统在不严重故障下的稳定性，第二道防线的任务是减少系统在严重故障下失稳的风险，第三道防线的任务是弥补前两道防线的欠控制或拒动造成的风险，避免极其严重故障下发生系统崩溃。

　　三道防线依次作用，当遇到极端恶劣气候状况或不可抗力影响时，如严重冰灾，第三道防线可以有效避免电网出现长时间、大面积停电事故。第三道防线将根据电网当时的实际工况采取措施，按照“抓大放小”的原则，控制故障范围，保证重要地区和重要用户的供电，防止事故的进一步蔓延。

　　“第三道防线”建设的不完善被认为是2003年美加大停电事故扩大的重要原因，美国能源部对“8.14”大停电事故的调查报告指出：“由于电力公司和电网监测中心未及时作出准确的分析和判断，没有在事故间隙内及时采取有效措施，因此系统在多重相继开断的极端状况下变得脆弱，最后发展为大停电”。

　　因此要继续加强我国电网防御体系建设，充分发挥第三道防线的作用，保证重要用户如居民、交通运输、医院和军事设施等的用电安全，尽力缩小事故影响范围和损害程度，并为电网事故后恢复和处理事故赢得时机。

　　1.3　我国电网管理应对事故的优势

　　虽然国外电力工业在应急协调方面采取的措施与我国大同小异，但由于国外与我国的电力工业存在差异，从效率上看，我国电网的“统一调度、统一管理”在应对灾害时更为积极有效。电网既具有公用事业属性，又具有网络特性，坚持“统一规划、统一建设、统一调度、统一管理”是我国长期以来保障电网安全的重要经验。在本次救灾过程中，国家电网公司统一指挥网省公司，集中系统内优势力量、跨地区协调安排输电网架和配电线路的抢修，避免了事故扩大。

　　2　提高应对电网冰灾事故能力的措施

　　加拿大等国冬季恶劣天气较多，部门和电力工业在预防冰冻天气带来的危害和危机处理方面已经积累了许多经验，值得我国电网借鉴。

　　2.1　加强互联电网建设，增强事故支援能力

　　从规划电网整体布局考虑，应加强区域和地区电网间的联网，提高大范围资源优化配置能力和在严重故障条件下的电网间支援能力，在某一地区突然损失大量电源时，能迅速组织区内、区外多方电力调入，避免大面积停电情况发生。

　　1998年冰灾之后，魁北克电力在第三期的强化输电系统方面，提出构建可以应对极端气候条件的最小骨干网架，规划覆盖80%的735kY受端电网，主要措施是：通过新建线路加强南部735kV电网，优化电网结构，在局部地区增设多条315kV线路，对地区网进行加强，以增强事故情况下电网的互相支援能力。

　　此次冰灾中，我国电网跨区联网线路的紧急支援能力也得到了充分体现。湖南电网在多条线路发生停运情况下，通过跨省线路与华中电网的联系，保障了湖南省负荷中心的安全供电。贵州东部电网在冰灾中崩溃，通过湖南屯网的支援实现“黑启动”，恢复了对地区电网的供电。

　　2.2　实行差异化设计，适当提高电网设防标准

　　针对我国复杂的地理、气象条件，根据气候记录的历史数据以及事故分析报告，有针对性地在重要线路走廊、灾难性气候易发区等特殊线路和区域实行差异化设计，适当提高电网设防标准。

　　(1)优化重要输电通道布局。科学规划电网输电通道、保证重要通道电力输送的安全可靠性，对提高电网应对恶劣气象条件的供电能力具有重要意义。一是从规划上，尽可能分散、分层考虑电源接入或电网受电方向，避免大规模电量集中注入受端电网。二是同一方向重要输电通道尽可能分散走廊，尽量减少易发生严重自然灾害的同一气象带的重要输电通道数量。针对近年来气候变化频繁的地区，重要输电通道应规划分散在不同的气象带，以降低灾害性天气造成大范围停电事故的风险。

　　(2)建立战略性输电保证线路。1998年冰灾后加拿大在735kV电网重建中要求至少设计一条战略性保证线路，即对于735kV变电站出线，至少要建设一条加强型线路，这条线路设计能够承受更大荷载，以保证在其他线路受灾期间该线路仍可正常运行。建议我国电网规划设计中，对两回及以上线路处于同一走廊区域的地段，至少考虑一条战略性保证线路，增加其设计冰厚，提高抗冰灾能力。

　　(3)有针对性地提高电网设防标准。我国应对电网中的主要输电线路、电源送出线路以及重要用户的输电线路，适当提高设计标准，保证电力系统的供电可靠性。加拿大冰灾事件后，魁北克电网提高了新建输电线路的设计标准，常规线路覆冰按50年一遇设计、战略性线路按150年一遇设计。建议对我国气候条件恶劣和气候易发生突然变化的区域，采用较高的设计标准，以较高的初投资获取极端气候条件下的供电安全。

　　2.3　科学调整设计标准，遵循可靠性与经济性协调的优化原则

　　覆冰厚度增加对杆塔的承受能力要求很高，当导线覆冰厚度由10mm增加至20mm时，杆塔承受荷载大幅增加，其中垂直荷载增加约50%，相应的单基杆塔材料重量增加约120%；当导线覆冰厚度由10mm增加至30mm时，杆塔垂直荷载增加约120%，杆塔材料重量增加约240%。如果考虑线路能够抵御极端天气条件，线路的设计标准必然需要提高，线路的造价也将大幅上升，在其他条件相同的情况下，按20mm覆冰设计的线路造价约是10mm覆冰的1.8倍，按30mm覆冰设计的线路造价是10mm覆冰的2.6倍。

　　提高设计的覆冰厚度对工程投资的影响非常大，普遍调高标准并无必要，设计的针对性不强反而会降低系统的整体经济性。针对较长输电线路或重要输电通道，在局部重冰地区可根据观测资料重新计算，适当提高设计标准，从而在不增加太多投资的同时有效改善线路及系统的可靠性。

　　2.4　加强天气观测，为规划设计提供充足、科学的数据

　　发达国家电网的设计标准取值是建立在长期的观测和大量的统计分析基础上的，但我国的气象台(站)一般没有覆冰观测数据，只能通过沿线调查、建立观冰点(站)根据相邻已运行线路的运行资料和经验来确定设计冰厚。尽管设计标准规定了重现期，设计取值大都能够满足标准的要求，但与发达国家相比，缺乏长期观测数据的支撑和数理模型的推算。因此，要提高设计的科学性、合理性，首先应加强天气观测数据的积累，一方面要加强与气象预测部门的交流与合作，保证气象信息能够准确获取，另一方面应加强电力系统自身的气象观测能力。

　　2.5　积极采用科学的灾害防治技术和先进设备

　　加拿大的魁北克省在经历1998年的冰灾后，为预防未来再次发生冰灾导致电网严重损害事故，提出了一系列加强措施，包括增设耐张塔和设置增强拉线，以降低在冰灾超过设计强度的情况下铁塔串倒的风险；采取直流融冰技术，在可能出现严重结冰之前主动清除在战略线路上的结冰，防止覆冰情况进一步恶化。目前，第一个这样的除冰系统已经在一个735kV的主要变电站上安装配置。我国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、移相器融冰等先进理论、技术的研发，完善和增加电网抵御冰灾侵害的手段和方法。

　　2.6　完善危机管理体系，提高自身应急能力

　　如果说灾难与事故难以完全避免，那么，制定周密的应急措施，建立相应的机构和机制一定有助于将灾难的破坏减少到最低程度。此次冰灾考验了电网安全事故预案和应急能力，也对电网的总体危机管理能力提出了更高的要求。由于国外电网的发展已比较成熟，国外部门和电力公司在处理公共危机，尤其是大电网危机方面积累了大量管理经验，其中一项就是建立健全良好的危机管理体系。为了更好地预防灾难发生和实施危机处理，电网公司需进一步加强危机预警系统的建设，针对气候变化等自然灾害建立跟踪、预报和提前防范制度；完善电网企业危机应急预案，提高应急管理反应速度，增强应急预案执行力度，加强员工危机处理的培训；加强与其他单位部门的横向联系与沟通，实现共同反应、互相支援。

　　3　结语

　　近年来，全球气候异常变化的情况时有发生，极端气象条件对于各国电网都造成很大困扰。从国外的经验教训来看，极端自然灾害带来的损失不可避免，电网应当首先从预防入手，在规划阶段尽可能考虑到电网对于灾害的承受能力，优化电网和电源布局，适当提高规划设计标准，积极采用先进适用技术，防治结合。同时，应提高系统灾害预测能力，完善危机管理体系和应急机制，在出现灾难时迅速作出反应，及时采取有效措施，尽一切力量降低电网的灾害损失，保障社会安定与各行各业灾后恢复工作的顺利开展。