停电的原理是什么?为何大规模停电通常持续很久难以修复?


回顾一下 2008 年冰灾时湖南郴州电网“全黑”,又历经 3 次黑启动恢复供电的案例。

2008 年湖南郴州遭遇历史罕见冰灾,1 月 25 日开始,郴州电网出现大面积倒杆断线,1 月 30 日 0 点 15 分 220kV 大东江一城前岭线路故障跳闸,郴州电网处于“全黑”状态,成为全国关注的“电力孤岛”。

PS:大东江电站是当地的主力供电电厂、城前岭、塘溪是郴州地区两座 220kV 变电站,其中城前岭主供郴州城区,后面会考。

压死骆驼的最后一根稻草(打×的是:大东江一城前岭线路故障)

此时,郴州电网按照《郴州电网黑启动方案》的要求,开始黑启动并逐步恢复供电。

郴州电网黑启动路径分两路,分别由花木桥电站小东江电站黑启动成功、并列后同时向 220kV 塘溪变和 220 kV 城前岭变逐步恢复重要用户供电。

但花木桥电站黑启动路径因对外线路覆冰倒杆故障被阻断,原拟制的黑启动方案无法实施,后续方案仅能依靠小东江电站

PS:2 个黑启动电源花木桥电站和小东江电站,是在花木桥、小东江、欧阳海、青山垅、石壁山和过船轮等 6 个相对条件较好的电站(即有一定库容量、机组自调性能好、打开导叶的油压保持时间较长的电厂)中经过逐厂、逐台机组试验优中选优筛选出来的。

第一次黑启动

如下图红线所示:2008 年 1 月 30 日(0 点 15 分)黑启动路径通过:小东江发电机组经 110 kV 小东江一桥口线、110kV 塘溪一桥口线,经塘溪主变压器升压至 220kV,通过 220 kV 塘溪一城前岭线,经城前岭主变压器降压至 110 kV 母线,再经城前岭一高湾线供郴州市区重要负荷。

3 点 50 分,220 kV 塘溪变电站 1 号主变压器送电正常,标志着郴州电网第 1 次黑启动取得成功。

第一次黑启动路径

22 点 43 分,因220kV 塘溪一城前岭线(连接两座重要 220kV 变电站的线路)的架空地线断裂引起故障跳闸,郴州电网第 1 次黑启动成功运行后再次崩溃。包括郴州市城区在内的郴州全地区再度停止供电。

第二次黑启动

2008 年 2 月 1 日,220kV 塘溪一城前岭线故障紧急处理完毕后,对郴州电网实施了第 2 次黑启动。

如下图红线所示:2008 年 2 月 1 日(20 点 43 分)黑启动路径与第一次相同:小东江发电机组开机经 110kV 小东江一桥口线、110kV 塘溪一桥口线、220kV 塘溪一城前岭线、110kV 城前岭一高湾线黑启动成功,郴州市区部分负荷复电,最高负荷为 40MW(约占总负荷的 8~9%)。

第二次黑启动路径

22 点 35 分,因 500kV 线路倒塔导致220kV 塘溪一城前岭线(还是这条线路)再次故障,郴州电网在第 2 次黑启动成功运行 2 小时 7 分钟后再次失压。包括郴州市城区在内的郴州地区再度停止供电。

第三次黑启动

背景:

(1)因前 2 次黑启动,都需要大东江电厂大量放水(小东江电厂是大东江电厂的反调节电厂,发电依赖大东江电厂的放水),已危及大东江电站水工建筑物的安全。因此,地调决定启动鲤鱼江火电厂 8 号发电机(65 MW )

(2)前两次黑启动的路径:110kV 小东江一桥口线、小东江一秀水线、塘溪一桥口线均先后倒杆断线,必须寻找新的黑启动路径

如下图红线所示:2008 年 2 月 3 日,发现一条新路径。即小东江通过 10 kV 秀东线(东江电站生活区备用电源)经秀水 10kV 母线、秀水主变压器、110kV 团山一秀水线、110 kV 鲤鱼江一团山线,与鲤鱼江火电厂 8 号发电机并列。至此,地调成功利用小东江电站启动了鲤鱼江火电厂的。

220 kV 塘溪一城前岭线紧急抢修完毕,对郴州电网实施第 3 次黑启动。22 点 31 分,鲤鱼江 8 号发电机经 220kV 鲤鱼江一塘溪线、塘溪一城前岭线、110kV 城前岭一高湾线送至郴州城区,黑启动成功,恢复负荷 30MW。

第三次黑启动路径

23 点 35 分,鲤鱼江 8 号发电机故障解列停机,郴州电网第三次黑启动成功运行 1 小时 4 分钟后再次失压。

至此,郴州电网所有黑启动路径全部瘫痪。

直至 2008 年 2 月 6 日 0 点 25 分,220kV 塘溪一龙塘线路抢修完毕,郴州电网经此通道实现与湖南主网联通,对郴州城区居民陆续恢复供电。至 3 月 8 日,郴州电网已基本恢复到灾前运行水平,最高负荷达 454.5MW。

与主网恢复联通

分享的这个案例,能够充分说明为什么大规模停电通常持续很久难以修复?

电力系统作为一个元件数量巨大、网络结构复杂、分布松散而有序的系统,任何扰动下如果没有及时正确的应对,都有可能导致停电事故的迅速扩散。

电力系统故障可分为单重故障与多重故障,多重故障间如果仅有时间接续的称为相继故障,相继故障间如有因果关系的则可称为连锁故障。

大面积停电事故作为突破电力系统三道防线的极端故障灾害,多个电力元件停运存在时间连续、因果关联的关系,属于连锁故障。

郴州的例子中,前有 220kV 塘溪一龙塘线路故障,后有 220kV 大东江一城前岭线路故障,与外界电网的联络通道相继故障,也导致了郴州的供电“全黑”。

PS:电力系统三道防线:第一道防线是继电保护;第二道防线是切机、切负荷等稳定控制装置;第三道防线是失步解列、频率电压紧急控制装置。

"全黑"之后的黑启动过程和路径也是一波三折,三次黑启动,利用了不同的电源。前两次均利用小东江电站作启动电源,第三次成功利用小东江电站启动鲤鱼江火电厂的 8 号发电机。

三次黑启动,采用了不同的路径,并且事先都无法确定。冰灾发展速度太快,一小时前确定可用的线路,一小时后却无法确定是其否可用了。

第三次黑启动时,甚至利用了东江电站的备用生活用电线路。这条线路能经东江电厂的生活区送至秀水变电站的 10kV 母线,这条路径事先大家都不清楚,却对第三次黑启动成功起了关键作用。

在黑启动电源和启动路径都难以按照预案行事的情况下,恢复供电自然也就难上加难了。

参考:

1、彭赛红,琚自力等. 冰灾期间湖南郴州电网 3 次黑启动成功的经验与建议 电力设备

2、尹昌洁,王啸宇等. 大面积停电事故防御方法研究综述 电力安全技术

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