电力系统自然灾害的现状与对策

1、电力系统自然灾害的现状与对策电力系统自然灾害的现状与对策摘要：回顾了近年来世界各国的电力系统在自然灾害下的运行安全状况，特别是 我国电力系统的主要自然灾害状况。重点介绍了电力系统在灾害性强风和地震作 用下所受的影响。近年的自然灾害说明，开展我国电力系统防御重大自然灾害的 研究和风险评估工作，建立电力系统自然灾害事故的预警机制！应急反应机制和 灾后快速恢复重建机制,是提高电力系统防灾能力的关键。关键词：电力系统；自然灾害;风险评估；安全对策在现代社会中，维系现代城市功能与区域经济功能的基础性工程设施系统，定 义为生命线工程系统。主要包括：电力系统，交通系统，通讯，城市供水，供热，供燃 气系统等1

2、。作为大型复杂生命线系统的重要组成部分，电力系统的安全性问题 直接影响国家的生产建设和人民的生活秩序。电力行业公用性和电力系统同时性 的特点，决定电网事故影响大!速度快!后果严重。大电网事故不仅会给电力企业 造成重大的经济损失，还会带来巨大的政治!经济影响,甚至会引起社会的混乱。 例如:2003年8月14日发生的美加大停电事故震惊了全世界，同年,还发生 /8#280伦敦大停电,/9#10悉尼和马来西亚大停电,/9#280意大利大停电等。现 代电网的特殊性，使偶然的事件!局部的事故能够迅速波及整个网络，并在相连的 巨大电网间传递，使大城市顷刻间陷入彻底瘫痪，经济损失难以计数2。电力系统的故障，除

3、了运行设备故障！人为操作失误外，很大一部分源于自然灾 害。在我国2004年的电网故障中，自然灾害造成的有14起。而这一数据在 2001,2002,2003年分别为7起!5起和10起3。2005年不完全统计:2月华中地 区的冰灾,4月和6月江苏地区的500输电塔风灾倒塌以及夏季登陆我国的8个 台风，均对电力系统造成很大的损失。电力系统因自然灾害所引发的故障呈现逐 年递增的态势。本文首先回顾近些年来国内外电力系统由于自然灾害所引发的事故和损失，重点 介绍了电力系统在风灾!地震!冰灾等灾害下的事故特征。严峻的事实表明：开展 电力系统防灾研究，提高电力系统在自然灾害下的安全性！保障电力供给是当前 电力

4、系统的一个刻不容缓的任务和挑战。1电力系统的风灾1.1世界主要国家电力系统风灾概况在引发电力系统的自然灾害中，风灾是最为严重的一种。日本的统计表明,其电力 供给中所有故障的70%都是由架空输电线路的故障产生的4。例如：1991年在日 本登陆的19号台风，首次造成高压输电塔和其它电力设施的极大的损坏。此后政 府和各公司成立了专门的研究攻关组，对此进行了详细地研究。1999年9月24 日登陆日本九州地区的18号台风造成4个输电线路的15基输电塔倒塌,3个输 电线路的6条发生断线。九州电力公司测得的该台风的最大瞬时风速超过70/, 风速超过了设计标准是造成输电塔倒塌的主要原因。2002年10月1日，

5、日本21 号台风造成茨城县10基高压输电塔连续倒塌的严重事故。当时由设置在附近一 个输电塔上的风速仪记录的最大瞬时风速为56.7/（高度68.5）。此次事故共造成 30万户用户停电,289000电力供给发生故障。灾后调查委员会的调查发现，其中 一座输电塔在强风作用下的基础上浮是导致这次事故的主要原因5。2005年登 陆美国的数次飓风,都给登陆地区的电力系统造成极大的损失。其中飓风卡特里 娜造成290万户用户停电，飓风威尔玛更是造成600万户用户停电。事实上，由强 风暴所造成的大停电在近些年来在世界各地呈现递增的趋势。除了在强风作用下输电塔的倒塌，导地线的裹冰舞动也是造成事故的原因之一。 导地线

6、在裹冰的情况下，由于截面形状的改变,再加上其他一些因素，即使在风速 不高的情况下，也可能引起导地线的舞动。舞动是一种发散型的振动，振幅很大。 日本对其国内的输电线舞动状况进行过较为全面的观测，通过研究发现，舞动所 造成的事故包括线间短路和接地短路，所造成的损失包括电弧烧伤！断股！断线！ 杆塔损坏!倒塔!防振锤或间隔棒损坏等6。1.2我国近年来电网风灾事故改革开放以来，我国电力工业得到飞速发展，逐步缩小了与世界发达国家的差距。 1996-2002年期间，我国新增发电装机容量1.37亿,年均1957万，占世界新增发 电装机容量的30%左右,居世界首位。2002年，我国发电量完成15716.5亿札发

7、电 装机容量达到3.54亿札均居世界第二位,仅次于美国。500输电线路逐步成为我 国各电网的主十线路。但同时,500输电线路的累计倒塔次数和倒塌基数也呈现 越来越多的趋势。例如：1989年8月13日华东500江斗线镇江段4基输电塔倒 塌;1992年和1993年,500高压输电线路两次发生风致倒塔事故7;1998年8月 22日华东500江南线江都段4基输电塔倒塌;2005年4月20日，位于江苏旺胎的 同塔双回路500双北线发生风致倒塔事故，一次倒塌8基，造成非常严重的经济损 失;2005年6月14日，国家/西电东送0和华东!江苏/北电南送0的重要通道 江苏泗阳500任上5237线发生风致倒塔事故

8、，一次性串倒10基输电塔，造成大面 积的停电8。大风同时造成临近的500任上5238线跳闸，两条线路同时停止输 电。这两次500输电塔的风毁事故，对于华东电网造成了非常严重的影响。除此之外,我国其它地方的风致倒塔事故也频繁发生。2005年7月16日，龙卷风 袭击了湖北黄州城区附近,造成黄冈电网220线路杆塔!110杆塔受损22基，其中 倒塌220输电塔3基，110输电塔16基。7月19日，龙卷风袭击武汉洪山区，造成 110两基输电塔被拦腰折断。2005年5月26日，青海省贵德县遭受狂风袭击，共 造成330输电塔3基破坏。除了龙卷风和飑线风造成的输电塔倒塌之外，台风对我国东南沿海电网所造成的 破

9、坏时有发生。2004年8月12日/云娜0台风在浙江登陆,损坏的输电线路达到 3342。受这次台风影响，浙江电网500线路跳闸10次，全省共有9座220变电所 失电；110系统线路跳闸68次,主变压器跳闸5台次9。2005年在我国登陆的台 风共有8个,其中四个台风共造成110以上输电塔倒塌5基7。根据不完全的资料统计显示，仅2005年，发生在我国的强风（包括飑线风!龙卷风 和台风）即导致500输电塔倒塌18基,110以上输电线路倒塔60基7。在输电线的舞动方面，自1957年至1992年初，我国共发生了 44次导线舞动，涉及 到线路161条，致伤导线66根，引起线路跳闸119次以上。其中，1988

10、年12月 25-26日，湖北省500姚双与双凤现中山口大跨越发生舞动，舞动峰-峰值10,持续 舞动16后，1根子导线因严重磨损，断落江中，2根导线重伤,金具与护线条大量损 坏。因舞动断线，造成停电5,抢修换线耗资300万元,少送电3600万，直接经济 损失1260万元,社会经济损失27250万元6。1.3风致灾害频发原因针对我国近些年来高压输电塔频发的倒塌事故，国内的研究者做过很多研究 10,11。从目前的研究结果来看，我国近些年风致倒塔的主要原因有： 从大环境来讲，全球气候变化是一个主要原因。由于人类对于自然的过度索取， 使得全球的气候发生了变化，灾害性天气呈现出越来越频繁的趋势。输电塔-线

11、体系是一种复杂的空间耦联体系，这种耦合效应使得输电塔的动力特 性和风振响应的评估十分困难！复杂,是国际国内风工程界长期关注且至今未能 解决的重大研究课题。目前对输电塔在风荷载作用下动力响应的了解相当缺乏。 实际风场资料匮乏,输电塔线耦联体系的风振实际测试数据以及试验数据的缺乏, 给研究带来了巨大的困难，严重阻碍了我国输电塔抗风研究。研究的相对滞后是 我国风致倒塔频发的一个主要原因。高压输电塔抗风设防标准偏低。由于片面强 调节省用钢量，我国仅对大跨越输电塔抗风设计采用50 一遇的重现期，对于普通 的高压输电塔采用的是30的重现期。而国际上其它国家的设计规范中对于设计 风速的重现周期最小都是50,

12、有些规范还分不同的设计水准考虑100!200甚至 500的重现周期。以日本为例，其高压输电塔抗风设计标准是以15高度10平均 风速不小于40/设计，而我国对于500输电塔则是以20高度处10平均风速不小 于30/设计的。设计标准较低是风灾影响严重的一个主要原因。对风致倒塔事故的重视程度不够。对于抗风存在侥幸心理，使得每一次大规模的 倒塔之后并未引起足够的重视,往往归结为风速超过了设计规范，没有从根本上 解决问题。这也是风致倒塔事故频发的一个原因。2电力系统的地震灾害2.1国外电力系统的地震灾害地震的发生也会对电力系统产生很大的威胁。近年发生的多次强烈地震都对所在 地区的电力系统造成了严重的破坏

13、。在这些破坏性强烈地震中，电力系统中高压 变电装置的破坏尤其引人注目。例如：1989年发生的美国地震中，230与550变电 站破坏严重；1994年1月美国地震，电力系统的震害也集中于230和550变电站， 地震同时造成北美地区110万人的用电中断。1995年1月日本神户地震中，一批 770和275变电站破坏12。约20基输电塔发生基础沉陷!塔身倾斜，另有部分 输电塔的绝缘子震坏。地震造成260万户用户停电。1999年土耳其地震，同样发 生了很大范围的停电。大范围停电的一个最主要的原因是一 380/154变电站的破 坏。地震中，这一变电站中所有4个变压器均因为基础螺栓断裂而移动了 50。6 个主

14、要的回路继电器中的5个破坏，导致油从绝缘套管泄漏13。此次地震中，还有其它九座变电站的变压器！开关设备和建筑受到不同程度的破 坏,所有的这些破坏都是与地面的强烈震动直接相关14。2004年10月日本新 泻地震，造成28万户用户停电。在输电线路中，由于滑坡等造成1基输电塔倒塌!3 基倾斜，轻微倾斜有20基。11个变电所受损，其中避雷器损坏1件，机器基础 下沉有21件。配电设备受损共有7566件，其中，支撑物等4227件（倒塌88件， 倾斜4139件），与电线关联的有3339件（断线105件，其它3234件）。2.2我国电力系统的地震灾害在我国发生的地震中，也多次对电力系统造成严重威胁。例如：19

15、76年唐山大地 震使电力系统遭受极大的破坏,从此展开了电力系统抗震的若干研究工作。1996 年内蒙古包头地震，张家营变电站停止供电达#128#自然灾害学报15卷11;虽然地震没有造成人员的重伤和死亡，但造成损失电量304万时，约30多万2建筑设施受损严重,仅电力 部门直属单位直接经济损失就达1亿元以上15。1999年9月21日，我国台湾 集集大地震对于电力系统造成了非常大的破坏。这次震害的一个主要特点是高压 输电塔的破坏，这在以前的地震记录中是非常少见的。由于一个开关站!多个变电 站以及345输电线路的破坏，使得台湾的南电北送受阻，造成台湾彰化以北地区 完全断电，社会和经济损失难以估计16。地

16、震中还有大量的电力设备的破坏， 特别是变电站和开关站的设备的大量破坏。高压输电塔-线体系的震害主要有以 下几种：（1）因山体滑坡!场地液化以及不均匀沉降引起的震害;（2）因地震断层地 表破裂!地面变形引发的输电塔震害；（3）因输电塔结构抗震设计不足所引发的震害;（4）因地震反应过大，导线相互接近发生短路!断线，以及绝缘 子的震坏17。2.3电力系统的震害特点历史震害经验表明，电力系统的震害主要有以下特点：没有固定或锚固的电力设备是很容易受地震作用而破坏的，特别是那些设置在 轨道上的设备以及没有可靠连接的支柱架设的设备。变压器破坏会大大延缓系统 恢复供电的时间14。由于强烈的地面运动以及设备之间

17、连接的相互作用，高压变电站设备中的瓷性 绝缘子比较容易在地震中遭受破坏。由于输电线的低频振动对输入地震能量的解耦作用，同时也由于输电塔抗风设 计的要求,输电塔结构的震害相对较轻。震害经验表明:输电塔的震害绝大多数源 于地震所引起的地面变形!不均匀沉降以及基础的震害。在地震高烈度区,也会产 生输电塔结构的动力破坏。上述震害特点表明，电力系统的震害主要集中在发电!变电以及开关设备。因此， 电力系统的抗震设防重点是厂房!设备及基础等，对于处于高烈度区的输电塔，也 要重视抗震设计。3电力系统的其它自然灾害除了强风和地震外，其它的一些自然灾害也威胁到电力系统的安全运行和稳 定。一些极端气候条件对电力系统

18、的破坏还非常严重。3.1电力系统的冰灾情况电力系统的冰灾事故在世界各地都有不同程度的发生。例如：1998年1月，加拿 大冻雨!冰灾持续一周，是加拿大有记载的最大的天气灾害。冰灾造成输电设施上 的最大覆冰厚度达75,导致116条高压输电线路破坏和1300基输电塔倒塌。配 电线路破坏350条，杆塔倒塌16000座（个）。冰灾造成100万户用户停电，停电影 响到的人口占加拿大人口总数的10%。2005年2月7日到20日，我国华中地区的雨淞天气导致输电线路大范围覆冰, 导致大范围的冰致电力系统灾害。这次大范围冰灾事故有3个主要特点是：（1） 杆塔倒塌严重。华中电网220以上线路中电塔倒塌41处；（2）

19、绝缘子串覆冰严重 造成频繁冰闪。2004年12月20日至28日跳闸28次,2005年2月7日至20日， 华中电网220以上电网共发生故障跳闸80次；（3）大幅度的导线舞动严重。舞动 使部分双串玻璃绝缘子相互碰撞,最严重的一串中破碎17片，舞动的冲击力使绝 缘子球头断裂导致掉串18。3.2电力系统的雪灾除了冰灾，暴雪也会对输电线路造成非常的损失。1972年12月1日，日本北海道 普降暴风雪。裹雪后的导线直径最大的达18。由于输电线的着雪以及风的作用, 共有56基输电塔倒塌。迄今为止，这仍是日本北海道最为严重的输电设备事故。 2005年10月10日，美国科罗拉多州普降暴雪，造成丹佛市大约2.5万户

20、民宅和 商店断电。3.3沙尘暴等灾害的影响除了冰灾!雪灾以外,洪水!沙尘暴等也会对电力系统造成很大的危害。例如：1990 年4月25日，由沙尘暴引起的停电在埃及首都开罗及主要城市造成了严重混乱。 2001年4月，新疆阿克苏地区遭遇了近年来最大的一次强沙尘暴袭击,大量输电 塔!通信塔被吹倒，引起的大面积长时间停电。1993年7月中旬，美国核电站遭遇 到一次百年不遇的洪水，由于洪水摧毁了堤坝,不得不紧急关闭该核电站。在美国, 每年因为飓风所带来的降雨所造成的洪水对于电力系统的破坏都非常严重。4电力系统防御自然灾害的对策4.1加强电力系统防灾研究，建立预警!应急与快速恢复机制以已有的灾害性事故的信息

21、和研究成果为基础，对电力系统在重大自然灾害下的 系统响应进行全面的风险评估，特别是加强对地震!台风！雷暴!冰冻等自然灾害 可能造成的电网大面积瘫痪的研究和评估工作，建立相应的事故预警机制!应急机制以及灾后快速恢复和重建机制。4.2积极开展输配电系统抗风研究，防止大面积的倒塔和大电网事故 强风是对输配电系统的主要威胁，应积极主动地开展以下研究工作：风的危险性分析:基于中长期的区域风场危险性分析与数值模拟，研究强风风 场，特别是飑线风和龙卷风等对输电塔威胁最大的强对流天气的危险性分析，为 输配电系统的抗风设防提供合理化依据。进行输电塔线耦联体系现场测试和输电塔系统安全监测的研究，为深入了解 输电塔

22、抗风特性提供真实可靠的数据。加强输电塔线耦联体系的相关研究,如:输电塔-线耦联体系的精细化建模!输 电塔-线耦联体系的风荷载反演与识别!输电塔的静力与动力试验；足尺寸单相四 分裂导线的风洞试验;两塔三线模型的风洞试验研究等。以现场的风振实测数据和风洞试验的研究结果为基础，进行输电塔抗风的合 理化设计方法研究。对在役输电系统的抗风加固和改造方法的研究。(5)进行输配电系统抗风可靠性的分析与研究，在系统层次提供决策！控制方案 等。4.3开展电力系统的抗震研究，防止地震发生后的大范围停电 地震对电力系统的威胁不容忽视，为此，应积极采取如下对策：强化电力系统中发电厂！变电站！开关站等的抗震研究工作，特

23、别是设备系统 的抗震研究，推广使用抗震性能可靠的新技术和新装备；进一步研究和提高输电塔的抗震性能，对于地震高烈度区的输电塔，强化其抗 震性能。加强区域电力系统抗震可靠性分析的研究,采取切实可行的措施，提高电力系 统在地震灾害下的可靠性。4.4研究和推广使用先进可靠的新技术和新装备，提高电力系统的防灾能力 在应对其它自然灾害方面，如：冰灾!洪水!雪灾等方面,应与气象部门合作，加强 电力系统在这些灾害发生前的预警工作，采用先进可靠的新技术和新装备以提高 防御能力,研究电力大系统灾害模拟!监测与控制的理论与方法，电力系统在极端 气候灾害后的快速恢复和重建机制等。5结语提高我国电力系统抵御自然灾害能力，问题急迫!刻不容缓。针对电力系统在防御 自然灾害方面严峻的现实，应积极开展下述工作：重大灾害事故的研究和评估，对地震!台风!洪水!冰冻!暴风雪等自然灾害可 能造成的电网大面积瘫痪，应尽快建立相应的事故预警机制和应急机制；区域性灾害危险性分析。应加强对中长尺度区域性灾害(如地震!强风暴)的危 险性分析研究工作，并将这一工作与电力系统的抗灾可靠性研究相结合，建立电 力系统灾害防御的长效机制；在电力系统防御自然灾害的研究中，应将抗风研究的重点放在输电塔线体系 和其它高耸设备(如冷却塔)中，而将抗震的研究重点放在发电！变电!开关设备及 重要建!构筑物等方面；加大电力系统防御重大自然灾害的科技投入