О вероятности каскадных аварий в энергетических системах при землетрясениях

О вероятности каскадных аварий в энергетических системах при землетрясениях

Проведен краткий анализ известных случаев каскадных аварий в электроэнергетических системах зарубежных стран. Приведена блок-схема обобщенного сценария этих аварий и дана характеристика причин развития каскадной аварии. Разработан вероятный сценарий каскадных аварий при сильных землетрясениях.

В сложных электроэнергетических системах (ЭЭС) происходят десятки тысяч и более возмущений в год, вызываемых различными причинамикороткими замыканиями на электрооборудовании, отказами оборудования, ошибками обслуживающего персонала и др. Подавляющая часть этих возмущений ликвидируется средствами релейной защиты и противоаварийной автоматики. Вследствие отказов этих средств, ошибок персонала и дополнительных внешних и внутренних факторов может происходить каскадное развитие аварийной ситуации, локализацию и ликвидацию которой обеспечивает система противоаварийного управления более высокого уровня. При недостаточной эффективности и надежности последней и по другим сопутствующим причинам происходят уникальные тяжелые системные (каскадные) аварии, часто с катастрофическими последствиями для ЭЭС и потребителей.

Не исключены такие аварии при сильных землетрясениях, особенно в ЭЭС крупных городов, когда высока вероятность массового отключения потребителей и отдельных участков электрических сетей.

Материалы и методы. По результатам анализа последовательностей событий при развитии системных аварий, произошедших в последние годы в энергосистемах разных стран, на рисунке 1 предложен обобщенный сценарий каскадного процесса развития аварии, содержащий циклически повторяющиеся изменения состояния ЭЭС.

Ниже приведены краткие пояснения к каждому из обозначенных на рисунке 1 состояний и переходов между ними. В качестве примеров использованы данные источников каскадных аварий отдельных стран [1,2].

А. Нормальное состояние системы. В этом состоянии параметры режима ЭЭС находятся в допустимых пределах.

Б. Аварийная ситуация.Перед началом аварий энергосистемы были дополнительно ослаблены в результате ряда событий [1], а именно:

• · в американской энергосистеме (США и Канады) 14 августа 2003 г. произведено отключение линий электропередачи в Индиане, энергоблока на электростанции Истлэйк-5 и линии 345 кВ Стюарт-Атланта в Огайо;
• · в Московском энергоузле функционирование трансформаторной подстанции Чагино происходило с пониженной мощностью вследствие аварийных ремонтов основного оборудования (24−25 мая 2005 г.).

В определенный момент развития аварийной ситуации произошло триггерное событие, т. е. событие, запускающее неуправляемый каскадный процесс дальнейших событий (в первую очередь отключений элементов ЭЭС) с катастрофическими последствиями, что и является системной аварией. Для рассматриваемых аварий таковыми событиями явились:

• · для американской аварии — отключение линий 345 кВ Хардинг-Чамберлин в Огайо;
• · для московской аварии — отключение линий, отходящих от подстанции Очаково.

На начальных стадиях каскадный процесс развивается относительно медленно, а в ходе развития аварии — ускоряется.

В. Критическое состояние системы: большие колебания мощности и напряжения, перегрузки линий. Триггерное и последующие события каскадного развития аварии вызывают значительные колебания передаваемой мощности по линиям, перегрузку линий и проблемы с напряжением. В свою очередь это влечет за собой дальнейшие события аварийной последовательности (включая отклонения частоты на последующих стадиях развития аварии).

Г. Деление системы, неустойчивость, коллапс напряжения или частоты.На дальнейших стадиях процесса развития аварии может происходить неконтролируемое деление системы, потеря динамической устойчивости и коллапс напряжения и частоты. Д. Послеаварийный режим. Пройдя ряд последовательных фаз развития, аварийный процесс завершается некоторым послеаварийным режимом, который является стартовой точкой процесса восстановления.

Результаты исследований. Каскадный процесс развития аварии в ЭЭС вполне возможен при сильных землетрясениях (например, г. Алматы). В этом случае высока вероятность массового отключения потребителей из-за многочисленных коротких замыканий от повреждений и разрушений зданий и сооружений.

Релейная защита и автоматика изолирует элементы системы от остальной ее части (например, отключает линии, трансформаторы, генераторы). Этот процесс может сопровождаться резкой потерей некоторой нагрузки, что, в свою очередь, вновь вызывает качания мощности, перегрузки, проблемы с напряжением и т. д.

Существование каскадных процессов в ЭЭС возможно и для процессов до возникновения потери устойчивости в связи с низкими загрузками элементов сети энергосистем, что особенно актуально при вероятных сильных землетрясениях в г. Алматы.

Вероятное развитие и локализация аварийного режима в ЭЭС при сильных землетрясениях приведено на рисунке 2.

При разработке методов предотвращения каскадных процессов целесообразно изучить выводы последствий применения аналогичных методов и способов на известных ЭЭС, где происходили такие системные аварии.

Среди начальных событий и событий, возможных причин перехода текущей аварии в тяжелую системную, могут быть несрабатывание систем автоматики или ошибочное управляющее воздействие.

В таблице 1 приведены результаты действий систем автоматик, прекративших каскадное развитие отдельных аварий [3].

электроэнергетический авария землетрясение сценарий.

Обсуждение результатов. При проведении оценки риска аварий в системах электроснабжения и определении живучести ЭЭС целесообразно учитывать возможность каскадного развития аварий в этих системах.

Анализ факторов, состояний и процессов при каскадных авариях в ЭЭС позволит выявить закономерности возникновения и протекания таких аварий и определить необходимые организационно-технические мероприятия по управлению надежностью системы. Реализация таких мероприятий по предотвращению каскадных аварий целесообразно:

• · для формирования и ведения режимов работы энергосистемы для предотвращения каскадных аварий в энергосистемах;
• · для согласования линейной автоматики в энергосистемах с возможностью развития каскадного процесса в электротехнических системах;
• · для координации принятия диспетчерских решений персоналом разного уровня иерархии при формировании ремонтных схем в распределительных сетях 110 — 220 кВ в регионах и крупных энергоузлах;
• · для проектирования энергосистем, что позволяет увеличить финансовую эффективность финансовых проектов, например, для схем выдачи мощности станций экономия затрат может составить до 25% от стоимости схемы выдачи мощности электростанции.

Выводы

Проведен краткий анализ зарубежных публикаций по исследованию теоретических основ и разработке практических рекомендаций по обеспечению надежности и живучести ЭЭС при тяжелых системных авариях. Приведена блок-схема обобщенного сценария развития каскадных аварий и дана характеристика причин их развития на каждом этапе. Разработан вероятный сценарий каскадных аварий в ЭЭС при сильных землетрясениях.

• 1. Снижение рисков каскадных аварий в электроэнергетических системах /отв.ред. Н. И. Воропай. Новосибирск: СО РАН, 2011. 303 с.
• 2. Воропай Н. И., Саратова Н. Е. Анализ статистики отказов РЗА на микропроцессорной базе с точки зрения их учета при моделировании каскадных аварий // Проблемы энергетики. 2008. № 11/12(1). С. 66−71.
• 3. Надежность систем энергетики и их оборудования: Справочник пообщим моделям анализа и синтезанадежности систем энергетики / Подредакцией Ю. Н. Руденко / М.: Энергоиздат. — Т. 1 — 1994. — 480 с.