华中电网500 kV输电线路主要自然灾害分析与预防

2012-03-28甘艳胡元潮阮江军杜志叶刘超杜卫

电力建设 2012年6期

甘艳，胡元潮，阮江军，杜志叶，刘超，杜卫

(1.华中电网有限公司，武汉市，430077;2.武汉大学电气工程学院，武汉市，430072)

0 引言

随着电力系统复杂性的增加、极端自然灾害的频发及社会对电能依赖程度的增长，电网被群发的相继故障解列为多个孤岛的风险越来越大［1］。输电线路是电网的关键环节，预防与减少输电线路停运事故是实现电网安全可靠运行的保证。实际运行情况表明，自然灾害是输电线路事故的主要原因，近几年各种自然灾害频发，对输电线路造成的破坏性影响愈发严重［2-4］。2008年1—2月期间，我国南方出现了罕见的雨雪冰冻天气，输电线路覆冰严重，出现了断线、倒塔、倒杆等严重事故，众多骨干输电线路停运，严重影响电网稳定运行和电力可靠供应［5］。自然灾害对输电线路的破坏性影响已经成为危及安全、稳定输电的首要因素。

华中电网境内的高压、超高压、特高压以及直流输电线路众多，高压交流线路电压等级包括1 000、500、220、110 kV，直流输电线路的电压等级包括±800、±500 kV。交直流电压等级多样、电力线路繁多、地理环境呈多样性、气象环境多变、自然灾害多发，这些不利因素影响了华中电网的安全运行，因跳闸、断线、倒塔和其他短路停电事故造成的损失严重。

本文主要针对华中电网直属的500 kV输电线路进行统计和分析，对历年自然灾害造成的一般及以上事故案例进行整理;考虑数据完整性和准确性，对一般性的线路跳闸事故统计案例较少。针对华中电网500 kV输电线路自然灾害事故按时间、季节、地域等因素进行统计分析，对每种灾害案例进行分析，并介绍相应的灾害预防与应对策略，为预防输电线路自然灾害提供参考依据。

1 输电线路主要自然灾害事故统计分析

华中电网覆盖河南、湖北、湖南、江西、四川、重庆五省一市多个地区、多个电压等级的电力线路，涵盖多条省际联络线路，在全网中占有十分重要的地位。

1.1 输电线路故障分类

华中电网500 kV线路分布面积广，沿线地理环境多高山、丘陵、江河等复杂地形，气象条件恶劣，这些不利环境因素使华中电网部分输电线路常年受到自然灾害影响，跳闸、断线、倒塔等事故频发。经过统计和调查，自1995年至2011年12月，华中电网1 kV及以上输电线路故障共计6 826次，其中220 kV输电设备故障非人为的自然灾害故障3 668次，500 kV输电线路非人为的自然灾害故障共计726次。

1995年至今，华中电网公司直接管辖的500 kV输电线路无论从数量上，还是从线路长度上都有了大幅的增加。此次统计在调研华中电网公司历年灾害报表的基础上进行整理，由于500 kV输电线路的扩建、继电保护设备的升级以及在线监测系统的运行，2003年之后的统计数据从完整性和准确性上较之以前有较大改善。在统计故障报表上，主要选取了自然灾害对500 kV线路造成的一般及以上事故案例作统计分析，对于普通的线路故障，由于报表数据较少，本文在统计时选取的普通线路故障案例较少。

500 kV输电线路包含网际、省际电网联络线，其故障波及范围广、影响较大，对这些故障的统计分析对减少事故发生，维护电网安全可靠运行有重要意义。1995年至2011年12月的华中电网500 kV输电线路故障统计情况如表1所示。

表1 华中电网500 kV输电线路故障分类统计Tab.1 Fault classification statistics of 500 kV power transmission lines in the central China power grid

由表1可以看出，自然灾害是华中电网500 kV输电线路事故的主要原因。由于地理环境因素的影响，雷害、冰害、风偏、雾闪、山火、鸟害、泥石流、地震等自然灾害对500 kV输电线路造成不同程度的损害，这些自然灾害占总灾害数量的83.88%。其中，雷害占主要自然灾害数量的53.72%，对输电线路破坏严重。

近些年，华中电网针对自然灾害频发地区和线路实施了相应的预防和应对措施，一定程度上减轻了自然灾害对输电线路的破坏性影响。历年来线路事故的原因、受自然灾害损害程度及抢建后留有隐患的线路在不利气象条件下能否安全运行，针对自然灾害频发线路如何进行改造，需要进行研究。

1.2 输电线路事故统计分析

华中电网输电线路沿线地理环境复杂、气象条件多变，并且近几年全球气候恶劣、灾害频发，对输电线路造成损害的自然灾害种类上呈多样化趋向，数量上呈上升趋势。1995年至2011年12月的华中电网500 kV输电线路的自然灾害故障数量变化情况如图1所示。

图1 华中电网500 kV输电线路自然灾害数量变化趋势Fig.1 Natural disasters change trend of 500 kV power transmission lines in the central China power grid

根据统计数据，500 kV输电线路近年来自然灾害数量呈上升趋势的原因主要有以下几个方面:

(1)线路数量增加。随着供电需求的增加，500 kV线路扩容速度也在加快，统计灾害数量整体有上升趋势。

(2)线路保护的完善。随着行波保护、纵差保护、光纤保护以及重合闸等输电线路继电保护措施的应用和保护水平的提高，跳闸次数整体有上升趋势。

(3)线路在线监测的应用。华中电网在部分500 kV线路装设在线监测系统以及雷电监测系统，配合线路保护装置，使输电线路的预防及保护水平有很大提高，运行跳闸次数有上升趋势。

(4)气候条件恶化，灾害频发。最近几年全球性自然灾害时有发生，华中地区气候较之以前有明显恶化趋势。

(5)部分线路经历多次灾害，设备老化。线路抢修后留有隐患的在恶劣气象条件下一定程度上加大受灾概率。

自然灾害事故导致跳闸次数有增加的趋势，一方面说明了输电线路自然灾害的影响加大，另一方面，随着华中电网监测系统、重合闸保护水平的提高，在极端气候条件下自然灾害跳闸率的提高，也说明了华中电网防御自然灾害水平的提高。

1.3 自然灾害事故季节性统计规律

经过对华中电网500 kV输电线路历年自然灾害事故统计，自然灾害的季节性规律明显。1995年至2011年12月的华中电网500 kV输电线路自然灾害季节性规律特点如图2所示。

图2 华中电网500 kV输电线路自然灾害季节性变化规律Fig.2 Natural disasters seasonal change rule of 500 kV power transmission lines in the central China power grid

由图2可以看出，500 kV线路自然灾害在6、7、8月相对集中，主要原因是由于华中地区夏季自然灾害变化较大，多雷雨、大风恶劣天气。在恶劣天气影响下，雷电灾害造成多起雷击跳闸事故，对线路运行造成一定影响。雷电灾害是输电线路主要自然灾害，因此一定程度上造成了夏季故障次数高于其他季节。通过统计，500 kV输电线路在6、7、8月雷电跳闸次数多达262次，占总次数的62.18%。雨季是雷击跳闸多发时期，应该采取多项预防措施，通过雷电定位、雷电在线监测系统提前预防，减少停运损失。

1.4 自然灾害事故地域性统计规律

对华中电网500 kV输电线路各地区自然灾害次数进行统计，得到自然灾害地域性分布如表2所示。

表2 华中电网500 kV输电线路自然灾害地域性统计特征Tab.2 Natural disasters regional statistical characteristics of 500 kV power transmission lines in the central China power grid

根据表2可以看出，近几年内，华中地区5个省份500 kV线路自然灾害事故差异较大，其中以四川段最高。主要原因是四川区域内输电线路沿线地域环境复杂，多山、多斜坡的地域特征使该区域自然灾害较为严重，雷雨、大风、冰冻等恶劣天气较为频繁，发生线路故障或者跳闸事故的可能性较大。对灾害多发区域的输电线路进行重点监测，是降低灾害损失的有效途径。

2 灾害成灾机理及预防策略

通过对历年自然灾害事故案例分析发现，对华中电网500 kV输电线路造成损害的灾害种类主要包括以下几种类型。

2.1 线路雷电灾害

雷电灾害是十大自然灾害之一，严重地威胁电力系统的安全［6］。近年来高压架空输电线路由雷击引起的跳闸占线路总跳闸的40%～70%。运行经验表明，国家电网公司220 kV及以上输电线路2005—2008年平均雷击跳闸占线路总跳闸的36.2%。对于华中电网，雷击跳闸已成为线路跳闸的最主要原因。近年来华中电网输电线路雷击跳闸率总体呈上升趋势，高于国家电网公司平均水平。雷电定位系统对华中电网鄂西地区地面落雷次数和地闪密度频率统计如图3和4所示。

华中电网12条联络线均为跨省线路，线路走廊长且途径山脉起伏、地形复杂、雷电流活动频繁和山区土壤电阻率高的地区，该12条联络线面临着严峻的防雷考验。统计数据表明，华中电网500 kV输电线路历年灾害中53.72%为雷电灾害，落雷范围广，随机性大，破坏性强，对输电线路破坏严重。经过统计分析，76.32%的雷电灾害集中在6—10月份，湖南、四川、湖北等多山地地区雷电灾害频发。华中电网在这些线路装设线路避雷器、避雷线测针和塔头可控针等，配合雷电监测系统的应用，有效地降低了雷击跳闸概率。

2.2 线路覆冰灾害

覆冰灾害对输电线路破坏性影响巨大，危害主要体现在以下方面:

(1)覆冰厚度超过线路设计最大负荷，导致塔线机械和电气方面的事故;

(2)线路不均匀覆冰或不同期脱冰引起的塔线受力不均，破坏塔线结构的机械连接;

(3)绝缘子串覆冰过多或被冰凌桥接，冰闪事故降低绝缘子串绝缘性能;

(4)线路的不均匀覆冰使导线断面呈不对称形状，风吹导线产生空气动力学上的不稳定，引起线路频率在0.1～5 Hz、振幅在1～15 m的线路舞动。

覆冰灾害对华中电网输电线路破坏严重:2005年2月，华中地区的湖南电网遭受了历史上罕见的覆冰灾害。数千公里的输电线路出现覆冰现象，局部地区线路的覆冰厚度达到80 mm以上。严重覆冰导致输电线路出现跳闸、断线、倒塔等事故。此次覆冰事故对电网结构造成严重破坏，基中500 kV线路倒塔24基，220 kV线路倒塔18基。2008年1月中旬，持续低温、雨雪冰冻天气袭击我国华中、华东和南方地区。华中电网输电线路在这次冰灾中遭到严重损坏，辖区内五省一市的电网均出现不同程度的倒塔、变形、断线等电力设备的损坏。华中电网的110～500 kV线路相继发生了冰闪、断线、倒塔等事故，对全网的安全稳定运行造成了严重危险［7］。湖南、江西、湖北等地区的电网受损尤为严重，出现了大范围的冰闪跳闸和断线倒塔，导致大面积停电和部分电网解列。

覆冰自然灾害虽然发生概率小，但极端气候条件下覆冰灾害一旦发生，对线路造成损害极大。2011年12月10日，四川西昌出现的恶劣低温冰冻天气引发500 kV月普一二线(同塔双回)输电线路65号耐张塔倒塔，如图5所示，造成西昌部分用户停电。

覆冰自然灾害成因复杂，从根本上预防覆冰灾害难度较大，国内外针对线路覆冰灾害多采取“积极预防，及时除冰”的策略［8］，并开发多种防覆冰和除冰方案:缩短耐张段长度;采用耐磨型线夹;加固杆塔横担等薄弱环节;采用防覆冰Z型导线;在导地线或绝缘子上涂刷防覆冰材料;线路覆冰超过一定厚度后，及时采取电流融冰、机械除冰等。华中电网在重冰区线路装设线路覆冰在线监测装置，及时预防覆冰灾害对输电线路造成破坏性影响。

图5 2011年500 kV月普线倒塔事故Fig.5 Tower collapse accident in 500 kV Yuepu line in 2011

2.3 线路风害

输电线路在大风气候条件下容易发生线路舞动和风偏闪络事故［10］。华中电网500 kV输电线路受风力影响出现的跳闸事故较多:自有故障记录以来，因强风导致的线路跳闸次数达64次，多集中在5—8月和11—1月2个时间段，其中风偏闪络事故占其中的40%左右。现场运行表明，绝大多数风偏闪络是在工作电压下发生，与雷击闪络和操作冲击闪络不同，重合闸一般不能成功，继而导致线路故障。输电线路舞动具有发生机理复杂、防治难度大和破坏力强的特点［11］。通过华中电网500 V输电线路故障统计分析表明，线路舞动在覆冰条件下发生闪络跳闸的概率更高。华中电网针对舞动和风闪与高校、科研单位开展了输电线路舞动相关关键技术问题研究。

2.4 线路雾闪灾害

线路在大雾条件下极易发生雾闪、湿闪现象［12］。华中电网500 V线路沿线多江河、湿地，潮湿气候是线路多雾闪跳闸事故的成因之一。有故障记录以来，大雾天气造成的跳闸事故有29次，事故多集中在秋冬季节，其中相当一部分重合闸不成功，造成线路停运事故。不利的气象条件、外绝缘水平(爬电比距)调整未到位、绝缘子选型及多串绝缘子结构的影响等是事故发生的促成因素。华中电网对发生过雾闪事故的线路进行线路、绝缘子的定期清扫，但是实际效果不理想，按照污区分布图设定绝缘子串的爬电比距才能保证线路运行安全。

2.5 山火灾害

通过对故障记录的整理和分析，华中电网500 kV输电线路因山火故障的跳闸次数有46次，其主要是线路附近居民烧荒、祭祖焚烧祭品所致。输电线路因山火出现跳闸事故通常是导线对地空气间隙被击穿，造成导线对地面物体放电，或是导线对杆塔突出的塔材、脚钉等放电，其中绝大部分击穿为导线对地放电［13-14］。输电线路山火造成的击穿和对地放电如图6所示。

山火灾害人为因素较大，加强山火危险点控制和增强运行维护管理工作是减少这一类型灾害有效措施。

图6 500 kV输电线路山火造成的击穿和对地放电Fig.6 Electrical breakdown and ground discharge due to the fire disaster in mountains of 500 kV transmission lines

2.6 鸟类灾害

由于鸟类在输电线路杆塔活动频繁，对线路安全运行造成隐患［15］。华中电网500 kV输电线路因鸟类引起的故障跳闸次数有21次。鸟类碰撞架空输电线路，排泄物污染绝缘子和构筑鸟巢都会造成输电线路短路故障。华中电网输电线路沿线多河流、水田、鱼池、树林、湿地等地带，鸟类活动频繁。历年统计表明，500 kV和220 kV输电线路受鸟害发生的事故较多，一般采取定期巡检、定期清除等方式［16］，尽量减少此类线路事故的发生。

2.7 洪水、泥石流灾害

华中地区多条输电线路地处洪水、泥石流等严重自然灾害频发地区，500 kV输电线路曾数次受到洪水、泥石流等自然灾害的破坏。2000年7月，四川省500 kV二普三线205号塔因洪水造成倒塔事故; 2009年8月5日，四川超高压运检公司500 kV南谭一线129号塔所在处山体滑坡，铁塔受损变形;2009年10月12日，四川超高压运检公司500 kV九石一线37号铁塔因山石打击遭到严重损坏。

在架设线路时，应尽量避开山洪、泥石流多发地带，以免对电网造成严重损害。

2.8 地震及其他灾害

地震灾害是威胁输电线路安全可靠运行的自然灾害之一［17］。2008年5月12日，四川汶川发生里氏8.0级地震，四川电网在此次地震中遭受了极大程度的破坏，包括成都、阿坝、德阳、绵阳、广元、雅安6市(州)、21县等地电网均受到不同程度的损坏，造成电网供电负荷、供电电量及设备损失［18］。

500 kV输电线路在这次地震灾害事故中受损的主要是塔基部分，其中2处杆塔出现倒塔事故，220 kV及以下等级的输电线路受损情况比500 kV线路严重。由于线路杆塔高耸结构的特殊性，抗震能力较低，倒塔多集中在铁塔中部折断和底部支座处的倒塌，倒塔引起输电线拽断并且由于导线张力过大引起倒塔的连锁反应。另外，地震引起的山体滑坡、泥石流等灾害对杆塔造成了严重的塔体倾斜和构件损坏。

由于地震灾害的突发性及不可抗拒的巨大破坏力，给电网的安全稳定运行带来隐患，华中电网在灾后重建过程中，除了对杆塔塔基和塔体采取锚固措施之外，新建杆塔和线路尽量避开泥石流多发地带，一定程度上降低了地震对线路的破坏性影响。

3 结语

华中电网由于地理位置和气象环境等原因，500 kV输电线路历年均受到自然灾害的影响。现阶段无法从根本上预防和杜绝自然灾害的发生，因此，针对华中电网各地区的线路进行自然灾害风险评估，对频灾路段的线路加强预防措施，减少停电事故损失，具有十分重要的现实意义。

华中地区500 kV输电线路沿线地理环境复杂、气候条件多变，历年自然灾害造成的线路事故频发。本文在整理和统计华中电网直属的500 kV输电线路历年自然灾害造成的一般及以上害事故案例基础上，对事故案例按时间、季节、地域等因素进行统计分析，对每种灾害案例进行分析，并介绍了相应的灾害预防与应对策略，为电网输电线路防灾减灾、确保输电线路安全、稳定运行提供参考依据。

［1］国家电网公司智能电网部.高压开关设备/GIS设备智能化技术条件(试行)［R］.北京:国家电网公司智能电网部，2009.

［2］薛禹胜，费圣英，卜凡强.极端外部灾害中的停电防御系统构思: (一)新的挑战与反思［J］.电力系统自动化，2008，32(9):1-6.

［3］薛禹胜，费圣英，卜凡强.极端外部灾害中的停电防御系统构思: (二)任务与展望［J］.电力系统自动化，2008，32(10):1-5.

［4］刘有飞，蔡斌，吴素农.电网冰灾事故应急处理及反思［J］.电力系统自动化，2008，32(8):10－13.

［5］黄强，王家红，宿志一，等.湖南电网2008年冰雪灾害调研分析［J］.电网技术，2005，32(24):16-19.

［6］夏清，徐国新，康重庆，等.抗灾型电力系统的规划［J］.电网技术，2009，33(3):1-5.

［7］张文亮，于永清，宿志一，等.湖南电网2008年冰雪灾害调研分析［J］.电网技术，2008，32(8):1-5.

［8］徐国新，夏清，康重庆.抗灾型电网规划模式与模型［J］.电力系统自动化，2010，34(8):17-21.

［9］王昊昊，罗建裕，徐泰山，等.中国电网自然灾害防御技术现状调查与分析［J］.电力系统自动化，2010，34(23):5-10.

［10］张禹芳.我国500 kV输电线路风偏闪络分析［J］.电网技术，2005，29(7):65-67(73).

［11］肖东坡.500 kV输电线路风偏故障分析及对策［J］.电网技术，2009，33(5):99-102.

［12］陈国义.关于雾闪和湿闪的原因分析［J］.华中电力，2002，15 (2):21-24.