极端天气诱发电网神秘振动，导致大范围停电，专家探讨其复杂成因与未来挑战。

提问：
最近伊比利亚半岛发生的大规模停电，据说是由一种被称为“感应大气振动”的“罕见”现象引起的。官方说法是，“由于西班牙内陆地区的极端温度变化，超高压线路(400千伏)出现了异常振荡，这种现象被称为‘感应大气振动’”。并且，“这些振荡导致了电力系统间的同步失败，进而在互联的欧洲电网中引发了一连串的扰动。” 可惜的是，我找不到任何解释这种效应的论文或文章。这到底是什么呢？

Jayson
任何参与过电力系统建设的人很快就会明白，电远非“电子流动做功”那么简单。真实的电力系统必须处理电抗等问题，这些复杂的、充满数学计算的概念足以让人望而却步，转投其他研究领域。电网面临的挑战更是规模宏大。它们必须同时满足几个关键需求：确保电压在负载下不会下降(维持电压稳定)，保证交流波形的完整性(维持频率稳定)，还要确保系统不会因为对抗自身的电磁行为而损失过多能量(控制功率因数)。这最后一点尤其违反直觉。系统中固有的电容和电感会产生一种“惯性”，系统必须克服这种惯性才能保证电压和频率的稳定。电容和电感共同作用，产生了所谓的“电抗”。

OldAlex
长距离输电线路及其连接的设备本身就可能具有很大的电抗。而高电压更是让情况变得扑朔迷离。在低电压环境下我们通常不会遇到一种奇特现象，那就是“电晕放电”。极高的电压会使导线周围的空气电离化。当电离达到一定程度时，就会产生放电。这种自然现象的静态例子就是我们熟知的“圣艾尔摩之火”，如果电位差足够大，它常常是雷击的前兆。

然而，电力传输系统并非静止不变，它随着交流波形动态波动。这就可能导致放电现象，或者产生放电的电场扰动，表现为系统电抗的一个新增变量。对这种现象进行建模非常复杂，但也至关重要。实际的输电系统拥有一些有源元件，它们的工作就是确保电压和频率的稳定，并尽量减少由电抗引起的损耗。大多数情况下，这些系统通过精确的建模和调整，能够很好地维持电压和频率在目标值，同时将电抗损耗降至最低。但电晕放电与其他两种电抗成分不同，因为它受到系统外部环境的影响。想想看，哪些因素会影响电离空气分子引发放电的电压阈值呢？答案是温度和湿度。

讲到这里，“感应大气振动”的说法似乎开始说得通了。当天气变得更热或更干燥时，电晕放电就更容易发生。而且一旦发生，它们往往会以特定的频率出现。此时，输电系统中的有源元件会试图降低电抗，但它们往往无能为力。因为这些系统和驱动它们的模型并非为处理这种特定类型的电抗而设计，它们可能会做出错误的假设(比如，认为电容增加只需要调整相位角)。在没有这种放电的系统中，这样的调整或许有效，但在存在放电的情况下，就完全失效了。更糟糕的是，连接线路两端的系统可能都在采取加剧问题的措施，导致它们之间严重失步，最终不再协同工作，反而像是在相互竞争，白白消耗能量。这正是导致电网瘫痪的原因：由于大气条件引发的电晕放电，系统中出现了意料之外的电抗成分。随后，那些本应维持电网同步的自动保护措施变得无效，甚至起了反作用。最终，电网失去了同步性，保护装置连锁跳闸，整个系统随之关闭。

有趣的是，电网的现代化在某种程度上反而加剧了这些问题。过去，当电网主要由大型旋转发电机驱动时，它们的响应速度有限。这种“惯性”反而能在一定程度上抑制因系统响应这些问题而产生的振荡。而现在，随着基于逆变器的储能、发电和输电技术的普及，电网的反应速度变得极快。这在系统做出正确反应时是好事，但如果反应错误，后果可能非常严重。随着全球气候变暖，电网也越来越频繁地遭遇这些过去罕见的极端状况。今天发生的情况可以说是一场“完美风暴”。展望未来，除非我们找到有效的方法来对抗、缓解或更精确地建模这些问题，否则类似事件恐怕会更加常见。

你可能根本找不到关于“感应大气振动”的资料。这要么是一个错误的英文翻译，要么是政客没能理解技术人员给出的解释。另一种可能性是，天气变化导致了负荷分布不均，比如有些地方人们集中开启暖气，而另一些地方则在大范围使用空调。这可能导致局部发电机的频率开始下降。然而，在统一的电网中，所有的发电机都必须严格同步运行！为了避免灾难性的电流脉冲，自动频率减载保护装置会被激活，断开有问题的区域。但这样一来，负荷就被转移到其他发电机上，可能引发新的问题。值得注意的是，在此之前，从法国向西班牙输电的线路已经断开，这条线路本可以补偿发电能力的不足并稳定局势。最终结果就是，区域性的断电引发了负荷波动，导致了整个网络的崩溃。

kettlewell
我没有确切答案，但我找到了一篇详细的论文，标题是《大气共振及其与地面振动和海洋波动的耦合》。虽然这并非直接解答你的问题，但里面似乎有些线索，讨论了不同类型的大气共振，并提供了不少参考文献。这至少是一个线索的开端。我也从未听说过这种现象，并对它如何引发如此大规模的停电感到非常好奇。论文中提到，当自动发电控制(AGC)的设置与系统中资源的基频响应不兼容时，就可能产生振荡。随着基于逆变器的资源(IBR)增多以及调度、潮流和资源组合出现更剧烈的日变化和天气驱动波动，这种失调的风险也在增加。论文内容远比这复杂，但根据我的理解，其核心观点可能是：发电机之间需要以极其精确的频率同步运行，而温差产生的次声波可能导致输电线路发生振荡，进而破坏发电机的同步。这应该就是他们所说的“大气感应振动”的大致含义，尽管实际情况要复杂得多。

Gerd
能源公用事业软件提供商Neara的董事总经理 Taco Engelaar 表示：“由于温度的变化，导体的参数会发生轻微改变。这会在频率上造成不平衡。” 布鲁塞尔智库Bruegel的高级研究员 Georg Zachmann 则指出，当电网频率低于欧洲标准的50赫兹时，系统遭受了“发电厂的连锁断开”，其中甚至包括法国的一座电厂。

Nick
高压线路具有电容、电感和电阻。电阻随温度变化，电容也可能随之改变。因此，高压线路的阻抗(Z=L/C​，这里L是电感，C是电容)会随温度发生轻微变化。然而，线路阻抗的微小变化具体如何影响电流频率，对我来说仍然是个谜。不过，阻抗的变化可能导致阻抗失配，进而在高压线路上产生驻波，这会导致线路某些位置出现超出预期的电压。

这确实是个非常有趣的现象和观点。我本人不是科学家，但综合大家的说法并稍加思考，我认为主要问题似乎在于，环境条件干扰了系统预期的电气行为。简单来说(尽管实际情况显然更复杂)，就好像电缆外部的大气与电缆内部的情况之间产生了一种电位不平衡。虽然这些高压系统通常有模型和保护措施来补偿这类情况，但问题在于，当这些模型没有涵盖边缘情况时——比如一次没人预料到或为其做准备的突发、异常干燥的天气。回想一下，就在一个月前，伊比利亚半岛还经历了大量的降雨，是年度最湿润的月份之一。因此，当时的模型可能仍然是针对湿润环境进行调整的。但现在突然变得非常非常干燥，干燥的空气增加了静电放电的可能性。这就是电晕放电等现象发生作用的地方。再打个比方，可以把电缆内部的电压和电流想象成有压力的水流。如果绝缘层和环境参数表现不如预期，这种“压力”就可能以放电的形式泄漏到周围空气中。这基本上就是电晕放电的原理：高压导体周围的电场强度足以使其周围的空气电离，导致电流“泄漏”到大气中，这并非有用的或受控的电流，而是损耗或干扰。少量泄漏不一定危险，但它表明系统并未处于最佳状态。因此，如果发生了这种泄漏：它可能导致电网某部分的电压或电流水平下降；这种下降可能触发该区域的安全响应，比如跳闸；但如果响应不够快或不够有效，这次跳闸可能导致其他地方失衡；接着下一个区域也跳闸，以此类推；最终形成连锁反应，如同多米诺骨牌般导致大面积关停。要知道，15吉瓦的电力损失是巨大的，所以无论发生了什么，这绝非一个小区域的故障。虽然电晕放电本身可能不足以摧毁如此庞大的系统，但如果在极端条件下(如极度干燥的空气，可能还伴有高温)多点同时发生，那么电网未能足够快地稳定自身就完全说得通了。这就像在家里厨房，如果你同时打开电水壶、烤箱、微波炉和取暖器，很可能会导致断路器跳闸。不是因为某个电器坏了，而是因为整个系统只能同时承载那么多电流。电网内部发生的情况类似，只不过这次更像是系统的某些部分“供血不足”而不是电流过载。当一部分检测到电压下降时，它会关闭以自我保护，这又将负荷转移到其他部分，导致它们也相继跳闸。即使电压只下降了几个百分点，如果系统没有准备好实时动态地处理这种情况，也足以引发更大范围的故障。这次事件归根结底是由于未被预期或未被充分考虑的天气条件造成的，这恰恰说明了这类系统对精确建模的依赖程度有多高。一旦模型出现偏差，哪怕只是很小的偏差，其连锁效应也可能是灾难性的。

本文译自 Physics Stack Exchange，由 BALI 编辑发布。