電力系統(tǒng)電壓不穩(wěn)定事故及其分析

電力系統(tǒng)電壓不穩(wěn)定事故及其分析第1頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一內(nèi)容電力系統(tǒng)電壓不穩(wěn)定事故及其分析電壓穩(wěn)定基本概念改善電壓穩(wěn)定的措施和控制第2頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一

電力系統(tǒng)電壓不穩(wěn)定事故及其分析瑞典電網(wǎng)事故（1983年12月27日）東京電網(wǎng)事故（1987年7月23日）法國西部電網(wǎng)電壓崩潰（1987年1月12日）美國西部電力系統(tǒng)停電事故(1996年7月2日)亞特蘭大供電區(qū)域事故(1999.7.30)基于實際事件的電壓崩潰一般特征第3頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一(1)瑞典電網(wǎng)事故（1983年12月27日）1)系統(tǒng)的一般特征瑞典電網(wǎng)總發(fā)電為18000MW，其中水電約占64%，主要位于北部；核電約占35%，位于南部；火電只占2%，散布在南部。北部水電通過7條400kV傳輸線路和南部負荷區(qū)相連，所有線路都有串聯(lián)和并聯(lián)補償。大的并聯(lián)電抗器(總計約6000MVAr)直接接于大系統(tǒng)，一般由手動投切，緊急情況下根據(jù)電壓自動投切。并聯(lián)電容器接于低壓系統(tǒng)，根據(jù)不同的時間準則(即不同季節(jié)，一天中不同時間段)投切。有聯(lián)絡(luò)線和挪威及芬蘭相連形成北部電力系統(tǒng)。與西歐有交流聯(lián)網(wǎng)，與北歐一些國家有直流聯(lián)網(wǎng)。瑞典電網(wǎng)為北－南狹長網(wǎng)絡(luò)，400、220、132kV三個電壓等級。網(wǎng)絡(luò)運行受斷面允許的極限功率限制。第4頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一(1)瑞典電網(wǎng)事故（1983年12月27日）第5頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一(1)瑞典電網(wǎng)事故（1983年12月27日）

2)1983年12月27日事故歷程電壓崩潰前，負荷為18000MW，小于峰荷；在南北主傳輸斷面上大約有5600MW負荷，低于它的容量極限5800MW；網(wǎng)絡(luò)電壓穩(wěn)定在400~405kV，頻率接近于50Hz。電壓崩潰起因：在斯德哥爾摩(Stocklm)西北的海爾邁變電站倒閘操作、線路刀閘過熱損壞、造成斷路器和電流互感器之間單相接地閃絡(luò)故障。單相接地故障引起的斷路器過熱故障，導(dǎo)致整個變電站與系統(tǒng)解列(因為分段斷路器沒有投入運行)，來自北部的400kV輸電線路失去了東邊的兩條和一臺400/220kV變壓器。這時，有發(fā)電機跳閘，網(wǎng)絡(luò)其余部分維持正常。第6頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一(1)瑞典電網(wǎng)事故（1983年12月27日）兩條400kV線路退出后，引起其余5條線路負荷加重，和通過Stocklmrqy的220kV線路負荷增加，斯德哥爾摩(Stocklm)負荷區(qū)電壓降低，負荷減少。大約8秒鐘之后，220kV線路由于過負荷而跳閘。南部負荷區(qū)由于帶負荷調(diào)分接頭變壓器的作用，負荷開始恢復(fù)。負荷恢復(fù)，導(dǎo)致中部北－南主干線上電流進一步增大，南部電壓進一步降低。故障50秒后另外一條400kV主干線由于距離保護動作(低電壓，大電流)而跳閘，其余幾條主干線變?yōu)橹刎摵啥l(fā)生級聯(lián)跳閘。第7頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一(1)瑞典電網(wǎng)事故（1983年12月27日）幾秒鐘內(nèi)，北南主干線全部跳閘，瑞典北部電網(wǎng)頻率升高，南部電網(wǎng)頻率降低。瑞典和西歐及挪威的聯(lián)絡(luò)線都解列(低頻)。南部4個核電站只有在福什馬克（Forsmarks）的一臺機組（核電）沒有因過電流或低阻抗而跳閘，這臺機組在擾動期間仍和北部電網(wǎng)相連。主干線跳閘后，由于南部大量功率缺額，使南部所有發(fā)電機都跳閘損失負荷大約11400MW。大約60分鐘之后，瑞典電網(wǎng)的主網(wǎng)才得以恢復(fù)。第8頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一(1)瑞典電網(wǎng)事故（1983年12月27日）3)基本分析饋電變電站電壓降低，導(dǎo)致系統(tǒng)負荷瞬時下降；然而由于OLTC動作，恢復(fù)配電電壓，反過來，使負荷增加，導(dǎo)致傳輸線負荷增加，主網(wǎng)電壓下降，而使饋電變電站的電壓進一步下降。OLTC的總的結(jié)果是使主網(wǎng)和配電網(wǎng)電壓都逐漸降低。主網(wǎng)由于重負荷而逐漸降低電壓，增大電流，導(dǎo)納明顯增加，導(dǎo)致距離保護動作，線路級聯(lián)跳閘。第9頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一(2)東京電網(wǎng)事故（1987年7月23日）

1)東京電網(wǎng)概況東京電力公司(TEPCO)50Hz電網(wǎng)北部與Tohuku電力公司相連，南部通過換頻器(Sakuma和Shin-Shinauo變電站)與Chubu電力公司60Hz電網(wǎng)相連

1987年東京電力公司最大發(fā)電功率為39000MW。主力發(fā)電廠為核電廠和大型火力發(fā)電廠，都位于東北部。在夏季，經(jīng)500kV主干線由東往西輸送大量功率。事故前一天，東京電力公司預(yù)報第二天最大負荷需求為38500MW，準備發(fā)電功率為40500MW。7月23日晨，氣預(yù)報改變，東京電力公司負荷需求校正為39000MW(若氣溫為34℃)到40000MW(若氣溫為36℃)。準備發(fā)電功率增加到41500MW，備用功率1520MW，備用率為3.8%。第10頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一(2)東京電網(wǎng)事故（1987年7月23日）第11頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一(2)東京電網(wǎng)事故（1987年7月23日）2)事故主要歷程

7月23日早晨，負荷需求39100MW，超過預(yù)報值。午飯時間，負荷降至36500MW12:40負荷需求開始增加。13:00負荷需求增加到38200MW，系統(tǒng)增加發(fā)電量以平衡負荷的突然增加。并聯(lián)電容器投入，發(fā)電機也增加無功出力。頻率保持為50HZ，主干電網(wǎng)電壓從510kV調(diào)整到520kV。頻率和電壓運行在正常狀態(tài)。13:00開始，負荷需求進一步增加，負荷增加速度達400MW/分鐘，比估計的高得多。電壓逐漸下降。發(fā)電機無功進一步增加，并聯(lián)電容器也向500kV系統(tǒng)增加無功出力。13:07全部并聯(lián)電容器投入運行。第12頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一(2)東京電網(wǎng)事故（1987年7月23日）13:10功率需求達到39300MW，為當年夏季最大值。13:15電壓降至460kV(0.92pu)。13:19東部電壓降至370kV(0.74pu)，系統(tǒng)負荷中心電壓降至390kV(0.78pu)。三個變電站新富士(Shinfuji)、新秦亞（Shn-Hatano）和北東京（Kifa-Tokyo)保護動作跳閘。事故總共失去負荷8168MW，影響到280萬用戶。13:23~13:35上述三個變電站恢復(fù)運行；13:36大約4700MW負荷得到恢復(fù)；14:30大約6300MW負荷得到恢復(fù)；16:00大約7300MW負荷得到恢復(fù)；16:40系統(tǒng)完全恢復(fù)。第13頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一

(2)東京電網(wǎng)事故（1987年7月23日）3)基本分析東京電力系統(tǒng)電壓崩潰過程中沒有其它故障和非正常運行工況在3個變電站因距離保護動作跳閘，距離保護動作是因為線路電壓降低，電流增加(即視在導(dǎo)納增加)的結(jié)果。大量的空調(diào)設(shè)備在低電壓時吸取更多的電流，這種負荷特性有加速電壓崩潰的作用。即使并聯(lián)電容器全部投入，電壓仍持續(xù)下降。第14頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一東京電力公司在事故后采取的措施主干線運行電壓比常規(guī)運行電壓水平高5%；接近負荷中心的1000MW新建電廠投入運行，以改善電壓穩(wěn)定性；在275kV變電站改變次傳輸網(wǎng)絡(luò)接線，使500kV網(wǎng)絡(luò)電壓降落減少；上述措施無效時，甩負荷(減可中斷負荷)；增裝SVCs和預(yù)報有功和無功消耗的自動控制系統(tǒng)等。第15頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一(3)法國西部電網(wǎng)電壓崩潰

（1987年1月12日）1)法國電網(wǎng)概況

安裝發(fā)電容量91000MW，其中核電51000MW，約占75%。

國家電網(wǎng)聯(lián)系緊密，400kV輸電線有18000km，224kV輸電線有24000km，并且和鄰近國家聯(lián)網(wǎng)。第16頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一第17頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一2)事件的時間序列1月12日上午10:30，電壓狀態(tài)正常，全國峰荷為58000MW，功率備用5900MW（10%）。10:55~11:41，有4臺發(fā)電機的Cordemais電廠的3臺發(fā)電機因互不相關(guān)的原因相繼跳閘。11:28，地區(qū)控制中心發(fā)出命令，起動燃氣輪機發(fā)電。Cordemais電廠的第3臺發(fā)電機跳閘后13秒鐘，該廠第4臺發(fā)電機由于最大勵磁電流保護動作而跳閘。Brittany地區(qū)電網(wǎng)電壓降至380kV，并擴大到鄰近地區(qū)。第18頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一2)事件的時間序列11:45~11.50其它電廠9臺發(fā)電機組(核電和火電機組)跳閘，導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)電功率虧損9000MW導(dǎo)致400kV西部電網(wǎng)電壓降至300kV以下(在Britany網(wǎng)絡(luò)電壓跌至240kV，最低的電壓只有180kV)。并穩(wěn)定在這個電壓水平運行。事故過程中頻率沒有明顯惡化，低頻繼電器沒有動作。（周注：發(fā)電有功缺，頻率沒有降低，是因為電壓低了，負荷消耗的有功也減少了。）在Britany系統(tǒng)400/225kV變壓器饋電負荷甩掉1500MW之后，電壓得到恢復(fù)。第19頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一3)基本分析電壓崩潰是由于突然失去發(fā)電機而引發(fā)的。勵磁限制器動作引起發(fā)電機級聯(lián)跳閘負荷和OLTC的改變促使電壓進一步的下降和崩潰系統(tǒng)在低電壓(甚至低于0.5pu)下穩(wěn)定運行，沒有距離繼電器引起線路跳閘事故后法國電力公司采取的措施有:——

自動二次電壓控制；——

并聯(lián)電容器自動投切；——

區(qū)域發(fā)電設(shè)備無功功率輸出自動控制；——

整定實時用電壓不穩(wěn)定指標；——

緊急措施:自動閉鎖OLTC；——

遠方甩負荷。第20頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一1）事故前電網(wǎng)運行方式及特點南北間3條（俄勒崗州境內(nèi)為4條）500KV交流線路(PACI)和2條±500kV直流線路(PDCI)形成了南北間電力輸送的主要通道。太平洋交流聯(lián)絡(luò)線（PACI）的輸電能力4800MW。并與東部的345／230kV網(wǎng)絡(luò)合環(huán)形成電磁環(huán)網(wǎng)，東部斷面最薄弱處有3條345kV線路和2條230KV線路。14時，WSCC電網(wǎng)負荷109853MW。使加州和俄勒崗州之間3條500kV交流線路和2條直流線路潮流均接近滿載，分別達4426MW(額定為4800MW)和2928MW（額定為3100MW）；東部電網(wǎng)由于愛達荷和猶他州負荷也接近歷史最高值、潮流通過愛達荷流向猶他州、愛達荷州230KV線路潮流很重、懷俄明和猶他州火電滿發(fā)，使東部345／230kV網(wǎng)絡(luò)主要輸電通道也較緊張。（4）1996年7月2日美國西部電力系統(tǒng)停電事故第21頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一第22頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一2）事故發(fā)展過程7月2日14時24分37.18秒，JimBridger電廠至Kinport變電站345kV線路對大樹閃絡(luò)單相接地，保護動作跳開該線路，20毫秒后另一條線路保護誤動跳閘，安全自動裝置動作聯(lián)切電廠2、4號機組，甩出力1000MW（JimBridger電廠共有3條345kV出線，4臺機組事故前出力共2100MW。）導(dǎo)致Boise市（愛達荷州首府）向北Brownlee電廠方向的4條230kV線路和蒙大拿至愛達荷州Antelope-MillGreek230kV線路重載，從接在500kVPACI的Midpoint變電站向愛達荷州供電的1條500kV線路潮流增加了400MW。

第23頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一2）事故發(fā)展過程（續(xù)）JimBridger電廠機組切除后，Boise市地區(qū)和南部500kV系統(tǒng)電壓開始下降，但并沒有崩潰跡象，大約機組切除23秒后，14時25分1.52秒，Antelope-MillGreek230kV線路電流增至1000安（電壓為215kV）導(dǎo)致阻抗3段動作斷開線路，Boise市地區(qū)和南部500kV系統(tǒng)電壓立即迅速下降，電壓崩潰發(fā)生。第24頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一Boise市地區(qū)和Oregon南部的California-OregonIntertie變電站電壓急劇下降，電壓崩潰發(fā)生。500kV母線電壓崩潰的錄波圖。第25頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一事故發(fā)展過程（續(xù)）14時25分4.4秒至5.24秒，Boise市向北Brownlee電廠方向的4條230線路相繼由阻抗保護動作跳開。14時25分6.78秒至6.88秒，加州的3條500kV線路也相繼由阻抗保護跳開，至此南北間輸電500KV主通道PACI斷開。PACI斷開后，大量潮流涌向東部345/230kV網(wǎng)絡(luò)，穩(wěn)定破壞，系統(tǒng)振蕩，位于愛達荷東南部、懷俄明和蒙大拿間、北內(nèi)華達。沿尤他/科羅拉多到亞利桑那/新墨西哥/內(nèi)華達邊界的振蕩解列裝置動作，斷開大量線路。在電壓崩潰和系統(tǒng)振蕩過程中，還有一些機組和線路跳閘。最后使WSCC基本按預(yù)定方案解列為5個“孤島”。第26頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一3）基本分析事故南北間主干線3條500kV交流線路潮流較大，東部345／230kV通道也較緊張，對這種嚴重運行工況未做過分析。西北部電網(wǎng)無功電壓支持不足是事故擴大的原因之一；JimBridger電廠1條345kV線路保護誤動是事故擴大的起因之一。事故中運行人員錯誤調(diào)整在西內(nèi)布拉斯加的直流換流站功率流向使猶他、科羅拉多、懷俄明州地區(qū)的功率缺額更為嚴重；事故中，負荷轉(zhuǎn)移，引起線路過負荷，電壓低，距離保護動作低頻減負荷裝置整定不協(xié)調(diào)，造成過減和欠減，部分孤島頻率過高，另部分孤島頻率過低；振蕩解列裝置動作按預(yù)定方案把系統(tǒng)分離為5個孤島，避免了全網(wǎng)崩潰。事故記錄動作正常，為事故分析提供了寶貴的資料。第27頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一(5)1999.7.30亞特蘭大供電區(qū)域事故東部時間20:25，接于UnionCity230kV＃1母線上的一組電容器突然爆炸，重合閘失敗后斷路器未能及時開斷，致使＃1母線上的全部斷路器跳開。斷路器“U.1”未能在規(guī)定時間內(nèi)正確動作將＃1母線切除，致使兩秒鐘后，電容器碎片飛到“線路2”上又形成故障。由于斷路器“E.2”也未能在規(guī)定時間內(nèi)正確動作將其切除，致使E.Point#2母線上的全部斷路器跳閘。事故影響到MetroAatlanda大范圍地區(qū)，并延伸到事故發(fā)生地的北部與東部地區(qū)，電壓降低。

事故失去1900MW負荷。輸電系統(tǒng)的電壓經(jīng)15秒的低電壓恢復(fù)過程后，又出現(xiàn)電壓超調(diào)（110%）。第28頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一第29頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一Bowen發(fā)電廠500KV母線錄波圖

短期電壓失穩(wěn)；影響范圍不很大；第30頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一典型電壓不穩(wěn)定事故第31頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一基于實際事件的電壓崩潰一般特征1）電壓崩潰前的系統(tǒng)往往處于重負荷運行狀態(tài)，系統(tǒng)運行備用（特別是無功）緊張，傳輸線潮流接近最大功率極限。2）電壓崩潰起因可能不同：系統(tǒng)小的持續(xù)的變化，如負荷的持續(xù)增加；大的突然擾動；失去發(fā)電機組；線路重負荷；運行人員在處理非正常工況過程中判斷錯誤，誤操作，使事故擴大等；有時一個表面平靜無事的擾動也可能導(dǎo)致事故擴大，最終引起電壓崩潰。