巴西大停电事故分析报告
2009年11月10日巴西大停电
事故分析报告
目录
引言 (1)
一巴西电网概述 (2)
二伊泰普电站送出工程简介 (5)
三巴西电网及伊泰普水电站安稳措施 (6)
四事故前系统运行状况 (8)
4.1事故前系统运行方式安排 (8)
4.2事故前天气情况 (11)
五事故发展过程介绍 (13)
5.1事故发生阶段 (15)
5.2系统振荡，电网结构无序破坏阶段 (18)
5.3系统解列及崩溃阶段 (19)
5.4系统恢复阶段 (21)
六继电保护装置及稳控系统动作情况分析 (21)
6.1765K V I TABERá -I VAIPOR?送出线路保护动作情况 (22)
6.2I TAIPU水电厂安稳系统动作情况 (25)
6.3与765K V送出线路平行的525K V线路保护动作情况 (29)
6.4事故发展过程中部分电厂的保护装置和控制系统动作情况 (31)
6.5低周减载装置动作情况 (31)
6.6I TAIPU水电厂50H Z系统两回直流线路闭锁情况 (32)
七本次事故对南方电网的启示 (32)
7.1继电保护装置 (32)
7.2安稳系统设计 (33)
7.3失步解列装置 (34)
7.4网架结构 (35)
7.5事故后电网黑启动和负荷恢复 (36)
附件1 巴西电网1996～2004年有关事故资料 (37)
附件2 事故中继电保护和安稳系统动作情况 (39)
引言
2009年11月10日晚22点13分(北京时间11日8点13分)，巴西电网全国范围内发生大面积停电，引起世界关注。本次大停电影响巨大，受影响人口约5000万，损失负荷约24436MW，约占巴西电网全部负荷的40%。
巴西电网负荷主要集中在圣保罗、里约热内卢等负荷中心，伊泰普等水电基地通过远距离大容量交直流通道送电至负荷中心，电网结构与南方电网非常类似。因此，深入分析本次事故对预防南方电网发生大面积停电事故具有很好的借鉴意义。
南网研究中心非常关注此次巴西大停电事故，一直通过网络及新闻媒体收集资料、与国内同行交流以及与巴西电网的Cigre会员取得联系并获得部分有价值的信息，及时编写了一份事故快报。但在事故后近一个月的时间里，巴西政府或电力部门忙于事故调查和分析，一直未对停电原因作正式解释，也未正式发布完整的事故报告，我们只能根据零散的事故信息，滚动修编事故分析报告。
12月中下旬，巴西电网正式公布了完整的事故报告，我们获得相关资料后，于第一时间开展工作，重新完善这份事故分析报告。本专题报告旨在通过介绍本次巴西电网大停电事件，理清事故发展和扩大的脉络和过程，初步评估事故发展过程中继电保护装置和安稳系统的动作行为。同时，结合南方电网实际，努力探寻其中可借鉴的经验教训和启示，供有关部门决策参考。
一巴西电网概述
巴西位于南美洲东南部，国土面积851万平方公里，居世界第5位，人口约2亿。巴西东濒大西洋，海岸线长7400多公里，国土80%位于热带地区。巴西境内水系广众，雨水充沛，水力资源极其丰富，居世界第四位，主要有亚马逊河系、巴拉那河系及圣弗兰西斯科河系。
巴西从1995 年开始对电力部门进行机构改革和私有化，并建立了电力批发市场（有关资料表明截止2000年10月，巴西拥有电力公司62家，其中44家为私人公司，占71%；按业务划分，涉及发电业务的26家，私人占58%；涉及输电业务的16家，私人占6%；涉及配电和零售业务的40家，私人公司占70%）。
目前巴西全国已形成南部、东南部、北部和东北部四个大区互联电网。通过伊泰普水电站的建设，实现了南部和东南部电网的互联，形成了南部电网；通过Tucurui电厂输电系统的建设，实现了北部电网和东北部电网的互联，形成了北部电网。1999年底，巴西建设了一条长度为1028公里的500kV交流输电线，实现了南部电网和北部电网的互联，形成了覆盖巴西约60％国土，95％的人口和98％的装机容量的统一电网。巴西电网各片区划分见图1-1。
图1-1 巴西各片区电网分布
巴西电网2008年最大负荷约65218MW，预测2009年和2010年最大负荷分别为67923MW和70145MW。巴西东南网的南区包括里约热内卢和圣保罗等经济中心，是全国电网的负荷中心，其负荷占全网比例超过50%。各片区电网2008年最大负荷及2009～2010年预测负荷见下表所示。
表1-1 巴西电网2008～2010年最大负荷单位MW
巴西电网的交流电压等级繁多，主要的电压系列有765kV、525kV、440kV、345kV、230kV以及138kV，巴西电网地理接线示意图如图1-2
所示。
2780公里
图1-2 巴西电网地理接线示意图
巴西电力以水电为主，2008年巴西电网装机容量约89000MW ，其中水电装机约77430MW ，占装机总量的87%，分布在12个流域100多个水电站；其他核电、天然气、火电、油电装机总量约11570MW ，占装机容量的13%。
巴西电网是一个事故频发的电网（附件1所示为1996－2004年巴西电网事故资料），虽有自然环境因素，但仍可见其装备水平和管理水平一般。
本次事故影响较小的区域
3450公里
二伊泰普电站送出工程简介
伊泰普水电站(Itaipu)位于南美洲巴西与巴拉圭两国的边界巴拉那河中游河段。水电站于1991年建成，安装18台70万kW机组，总装机容量1260万kW，平均年发电量750亿kW·h，是世界上20世纪建成的最大水电站。1998年续建扩机2台70万kW机组，2002年投入，总装机容量达到1400万kW，仅次于我国三峡电站。该电站由巴西和巴拉圭两国共建、共管，所发电力由两国平分，巴拉圭近期多余的电量出售给巴西，以偿还巴西所垫付的建设资金。
伊泰普电站发电机分为2组，每组10台700MW/18kV机组。一组发电机以巴拉圭电网的额定频率50Hz运行，另一组发电机以巴西电网额定频率60Hz运行。60Hz的一组发电机在Foz do Iguassu变电站升压至765kV，通过3回765kV线路（非同杆并架线路），途经Ivaipora 和Itabera 变电站，输送到东南电网的San Paulo(圣保罗)地区，全线长约900km；750kV Ivaipora 站有500kV出线接入东南部电网，存在电磁环网。50Hz 的另一组发电机通过4回500kV线路送到Foz Do Iguacu换流站，再经两回±600kV直流输送约7000MW电力至Sao Paulo地区。同时50Hz部分系统通过500/220kV联络变降压为220kV与巴拉圭电网相连（巴拉圭全网平均负荷约350MW，几乎全部由Itaipu电站供电）。Itaipu送出工程具体接线示意图见下图2-1，图2-2为Itaipu输电工程接入圣保罗地区的示意图。
巴西中部500kV电网，再
联入巴西东南圣保罗地区
电网
图2-1 伊泰普电站输电网络示意图
黑粗线为
ITAIPU
750KV线路
图2-2 伊泰普电站送出工程接入圣保罗地区电网示意图
三巴西电网及伊泰普水电站安稳措施巴西电网配置有一定量的低频减载装置，分5轮，负荷减载总量约
7000MW，同时配有大量原理较为简单的线路过负荷连切装置，还有一定量的防止系统暂态失稳的切机/切负荷装置；区域间联络断面上一般配有失步解列装置，但总体装备水平和技术水平不高。很多稳控措施是通过保护装置来实现，而且部分通道还采用载波方式通信，可靠性不够。其中Itaipu 电站送出工程也配置了较多的稳定控制措施，功能描述如下：对于60Hz运行的系统，实现的主要功能有：(1) 765kV线路故障切机，维持系统暂态稳定；（2）防止机组自励磁效应损坏机组；（3）系统高周切机保护并防止南部火电厂跳机；（4）防止765/500kV系统电磁环网中的主变过载切机；（5）防止765kV系统电压崩溃；（6）当电厂只同南部电网相连，系统动态阻尼比不足时，切机确保系统动态稳定。
对于50Hz运行的系统，实现的主要功能有：（1）巴拉圭电网高周切机保护；（2）防止Ande变电站过电压；（3）减少500kV传输线路过负荷。
Itaipu水电站的安稳装置在电网异常或事故中大多数情况下均能正确动作，为避免或减少电网事故带来的损失发挥了重要作用，但也发生过安稳装置误动和拒动的情景，总体上安稳装置的技术和管理水平还有待提高。据CIGRE 2006年有关资料统计，60Hz运行的系统正确动作159次，但不正确动作和拒动也有13次，给电网运行带来了一定的安全隐患。50Hz运行的系统，安稳装置正确动作2次，不正确动作1次，表现一般。
四事故前系统运行状况
4.1 事故前系统运行方式安排
巴西位于南半球，其冬夏季节特性与北半球正好相反，每年12月底到3月底为夏季，6月底到9月底为冬季。11月份的巴西正处于春季，事故发生时圣保罗地区温度约27℃，所以当时并不是巴西电网全年负荷最高时期。大停电发生在晚上10点的腰荷时段，此时总负荷60775MW，其中东南部电网和南部电网负荷分别为34426MW和9656MW。事故前负荷见如表4-1所示。
表4-1 巴西各地区电网负荷
事故发生前（11月10日22：12分），伊泰普水电站60Hz系统开机9台（1台机组检修），出力为5564MW，通过3回765kV Foz do Iguacu～Ivaipora外送，在750kV Ivaipora变电站接纳3台主变上网潮流1063MW 后，通过3回750kV Ivaipora～Itabera线路送东南电网电力约6545MW。伊泰普水电站50Hz系统开9台机，通过直流送东南电网5329MW（直流一个阀组检修，故开9台机）。东南部电网负荷约34426MW，765kV 交流通道和伊泰普直流送电与其负荷的比例分别为19.%和15.5%，单一通道送电规模相对偏大。
东南部电网与南部电网通过多回500kV、230kV和138kV线路相联，其中Ibiuna至Bateias 2 回500kV线路潮流1285MW，Londrina至Assisi 500V线路潮流662MW。圣保罗地区440kV电网发电7301MW。故障前，Ibiuna变电站一台+330～-220Mvar的调相机检修，其动态无功支撑能力有所下降。主要断面潮流如图4-1所示。
系统各断面潮流满足安全稳定准则，电压水平合理。
750kV Foz do Iguacu～Ivaipora外送通道N-1外送极限为6300MW，N-2外送极限约5800MW，故障前该通道能够承受失去双回路的故障扰动。巴西互联电网系统系统运行状态如下表所示。
Londrina送Assisi潮流662MW
外送5466MW
外送5329MW
Ibiuna送Bateias潮流1285MW 图4-2 事故前东南部和南部电网主要断面潮流
表4-2 事故前主要电厂及系统发电情况
表4-3 事故前主要断面潮流情况
表4-4事故前主要设备检修情况
表4-5 事故前主要母线电压
4.2 事故前天气情况
Foz do Iguacu～Ivaipora～Ivaipora～Itabera765kV主网架所在的Santa Catarina 和Parana地区当日14：00开始有暴雨和大风天气。Duke Energy公司运营的Farm Agrolim变电站（在Itabera市附近）在故障发生前后短时间内降雨24mm，图4-3和4-4分别给出2009年11月10日13：00～14：00和22：10～22：20分雷电情况。可看出，13：00～14：00期间伊泰普电站近区电网雷电非常频繁，而Itabera变电站近区雷电情况不太严重。22：10～22：20期间Itabera变电站近区雷电频繁，而伊泰普电站雷电情况有所好转。
虽然750kV主干网架具有较高的稳定裕度，因天气恶劣，为保证系统安全，调度部门在14：00降低765kV主干网输送潮流到4000MW左右（如图4-5所示）。20:00左右因天气造成的严重放电情况有所好转，伊泰普60Hz系统外送电力恢复到5500MW，距离系统N-2稳定极限还有240MW的裕度。
图4-3 2009年11月10日13：00～14:00期间雷电记录
图4-4 2009年11月10日22：10～22:20期间雷电记录
图4-5：2009年11月10日伊泰普电站60Hz系统计划发电及实际发电曲线五事故发展过程介绍
巴西夏季时间11月10日晚22点13分(北京时间11日8点13分)，巴西全国范围内发生大面积停电。本次大停电影响范围广阔，波及里约热内卢州(RIO DE JANEIRO)、圣保罗州(SAO PAULO)、戈亚斯州（GOIAS）、巴拉纳州(PARANA)、米纳斯吉拉斯州(MINAS GERAIS)、圣埃斯皮里图州(ESPIRITO SANTO)、南马托格罗索州（MATO GROSSO DO SUL）、马托格罗索州（MATO GROSSO）等巴西东南部和南部地区以及邻国巴拉圭(PARAGUAY)，损失负荷24436MW（约占巴西国家电网40%负荷），巴西全国26个州中的18个州约5千万人（巴西总人
口1.9亿）受到影响，大致分布如下图所示，本次事故中巴西北部和东北部电网受事故影响较小。
图5-1 巴西大停电影响范围示意图（深橙色为受影响区域）
受大面积停电影响，巴西圣保罗和里约热内卢两地的地铁系统因停电而停运，数以万计民众被困。路面交通系统处于瘫痪状态，所有交通灯因没有电源而失效。在航空方面，因为跑道部分路灯熄灭，影响到飞机起飞和降落，许多航班延误。值得注意的是，在通信系统方面，有线电话系统因停电而全面瘫痪，但无线移动通信网络却未受本次停电影响。
本次事故造成3回765kV线路停运，损失负荷情况与1999、2002
年停电事故相当，其中南部电网大部分负荷、Brasilia地区全部负荷均得以幸存，Minas Gerais,Goias 和Mato Grosso州仅损失少量负荷。截止当地时间11月11日早晨，巴拉圭方面在事故后15分钟（巴拉圭电力由Itaipu水电厂）后已逐步恢复供电；而巴西多个城市在经历4个小时的断电后也已陆续恢复供电。
主要事故过程见下文所述。为叙述清楚，各种短路故障发生时间及
保护动作时间均采用相对事故发生时刻（10：23分）的时间。
5.1事故发生阶段（0～500ms）
巴西夏季时间22：13分，Itabera～Ivaipora的765kV线路C1回路Itabera侧阻波器底座B相对地闪络（如图5-2所示）。在这个故障消失之前，又发生了如下2个故障：
（1）事故后大约13.5ms，765 kV Itabera - Ivaipora 线路C2回路Itabera 侧A相发生接地短路故障（如图5-3所示）
（2）事故后大约17ms，765 kV Itabera站母线C相发生接地短路故障（如图5-4所示）
这些故障按照如下顺序清除：
（1）765 kV Itabera～Ivaipora线路C1回路的基于载波的主、后备距离保护（RALZA-ABB）在事故后48ms跳开线路，清除故障；
（2）765 kV Itabera～Ivaipora线路C2回路非对称故障的主、后备方向过流保护（MOD III-GE）在事故后62.3ms跳开C2回路（故障持续时间48.8ms）。
（3）765 kV Itabera变电站母差保护(7SS52-SIEMENS)在事故后58.9ms 跳开母线（故障持续时间41.9ms），因主接线为3/2接线方式，故没有切除变电站出线。
Itabera～Ivaipora线路C1回路B相、C2回路A相、Itabera变电站母线C相在Itabera站侧先后发生单相对地短路，形成三相短路回路。Itabera～Ivaipora线路C3回路Ivaipora侧高压电抗器中性点电流达到
1500A，中性点小电抗器的瞬时过流保护动作，在事故后100ms左右跳开C3回路。Itabera～Ivaipora～Tijuco Preto 765kV线路与电网联系简图以及故障发生及继电保护装置动作时序分别如图5-5、5-6所示。
安稳系统检测到Itabera～Ivaipora线路2回跳开后，在事故开始后251ms时切除伊泰普电站60Hz系统编号为10、12、14和18号的机组。随后检测到Itabera～Ivaipora线路C3回路跳开，在476ms时追切编号为18A的机组，共切机3100MW。
图5-2 765kV Itabera站回路1 B相伞群底部
图5-3 SE Itabera - 765 kV站回路2 A相绝缘柱
图5-4 SE Itabera - 765 kV站母线C相绝缘柱
图5-5 Itabera～Ivaipora～Tijuco Preto 765kV线路结构图