输电线路山火风险分布研究及应用

王 胜，王 飞

(国网湖北省电力公司检修公司，湖北 武汉 430050)

0 引言

近年来，输电线路因山火引起的跳闸、停运或降压运行事件明显增加。这一方面是因为植树造林、退耕还林以及封山育林等保护措施的出台，线路走廊附近植被密度和高度明显增加，另一方面是受居民炼山烧荒、上坟祭祖等习俗的兴盛以及各种极端天气等因素的影响。2013年下半年，湖北地区持续天干物燥，降水量历史同期最低，导致山火频发。

由于输电线路架设于户外，线路走廊常通过植被茂密的林区、遍布茅草的山区和农田等山火高风险区域，山火对线路安全运行造成了严重威胁。超特高压输电线路走廊远离城市，这种情况更加严重，500 kV输电线路在山火下的工频击穿强度降低为纯空气间隙下的23%[1-3]，2013年冬季湖北电网发生了多起山火引起线路跳闸事件。

研究山火风险在时间和空间上的分布规律，为线路防范山火提供依据，但是由于影响山火发生的因素众多，而且不同地区影响因素各异，建立有效的山火风险等级划分方法和标准存在很大难度。目前我国已颁布雷区、污区、冰区、风区和舞动区域等级划分相关标准，分布图绘制方法也较为成熟[4-10]。但在山火风险等级划分方面还处于起步阶段。本文通过山火事故调研及理论分析，结合山火的发生频率法，提出了确定线路走廊山火风险等级的改进LEC方法，并以湖北省为实例阐述了风险等级划分的应用情况，结果表明风险等级划分结果与实际情况吻合较好，在指导线路运维部门有针对性开展线路巡视、重点区段蹲守和山火现场监控等工作方面发挥了重要作用。

1 发生频率法

发生频率法是线路特殊区域划分的一种常用方法，即对实际线路历史上曾发生的灾害故障情况进行统计分析，依据发生频率进行灾害风险区域划分。该方法一般用于舞动等特殊区域分布研究，受地区已建线路的规模及故障统计数据的准确性和完整性影响较大。但不适合于研究山火风险分布规律，原因是：

1）发生山火的次数远多于山火引起线路故障的次数，采用发生频率法将遗漏大量山火案例；

2）不同地区影响山火发生的因素各异，不能仅以山火发生次数来确定山火风险等级。湖北省以烧荒、祭祀等为引发山火的主要因素，发生如2009年2月澳大利亚大规模森林火灾的可能性很小。因此在确定山火风险时要充分考虑引发山火因素的差异。

3）每年山火发生次数差异较大，这与每年降水量分布等气象因素关系密切。而且，山火风险的时间特征也十分明显。湖北省每年10月到次年4月为山火高发时段，尤其以春节期间和清明节前后尤为集中。

因此，本文提出研究山火风险等级的改进LEC法。通过调查区域内引起山火的主要因素及其时空分布规律，结合气象条件，确定山火风险等级，绘制区域动态山火风险分布图，方便运维人员使用。将山火历史记录作为案例来确定引发山火因素和等级分布情况的验证。

2 湖北山火特点分析

2.1 起火原因分析

综合分析湖北电网2000年以来山火跳闸和山火险情事件原因，发现起火点既与气象条件和地理环境有关，又与人的活动有关[11]，具体表现为：

1）从山火发生的地理环境分析，湖北境内地貌类型多样，山地、丘陵、岗地和平原兼备，山地约占全省总面积55.5%，丘陵和岗地约占24.5%，平原湖区约占20%，山地面积比例超过一半，而山火或发生在平原地区的芦苇荡里，或发生在长满茅草、灌木和易燃树木的山区里，这与每年失火位置和次数的统计数据完全一致，比如，与江西交界的通山境内山脉连绵起伏，是全省最严重的山火重灾区之一。在山区，一方面，由于近年来国家大力推行封山育林政策，许多林区都禁止砍伐，给电力部门开展输电线路通道清理工作带来了困难；另一方面，湖北林区内长有大量的松树和杉树，这些树都含有油脂，极易燃烧，且树林里常常铺有厚厚的一层松针和落叶，旁边还有大量枯黄的杂草，在天气干燥的冬季很容易被点燃，而且一旦失火，火势极容易迅速蔓延，很难控制。

2）从山火发生的气象条件分析，冬季草木枯萎、天气干燥，特别是2013年下半年，湖北地区持续天干物燥很少下雨，历史上同期少见，长期的干燥天气使地面上的茅草和枯枝败叶等可燃物很少吸收到水分，加上空气湿度小导致可燃物水分的蒸发，从而使芦苇、茅草等易燃植物变得异常干燥，更加容易被烧荒、上坟烧香、放鞭等野火点燃，一个小小的烟头可能引起一场大火。干燥的气候条件正是2013年冬季山火频发的重要原因之一。

3）从起火原因分析，湖北境内山火均由人为因素引起，如农民烧荒，上坟烧香点蜡烛，小孩玩火，乱扔烟头等。在许多农村里，农田和山地里堆有大量的秸秆，为图省事，许多农民往往采取火烧方式，火势极易沿着长满杂草的田埂向山上的林区蔓延。元宵坟前点蜡烛和清明时节上坟祭祖烧香是普遍的民风民俗，虽说那时已是万物复苏，但是冬季过后留下来的枯枝败叶在晴朗的天气里依然是危险的易燃物，上坟期间稍有大意就很容易将坟前的枯叶杂草点燃。

2.2 山火易发地段特点分析

从山火发生的地理位置看，山火均发生在平原地区的芦苇荡里或者是长满茅草和灌木的山区里，江西交界的咸宁和黄石地区以及大别山山系的孝感和黄冈地区是山火频发的重灾区，山火的发生和火势的发展与所处的地理环境具有很大的相关性，具体表现为：

1）在平原地区，湖北境内平原地区常有当地居民开发鱼塘、藕塘等情况，近年来线路经过的地区出现一些无人管理的鱼塘、湖泊、沼泽地的浅层水系生长了大量的芦苇等水生植物，秋冬过后，芦苇枯黄，加之天气持续干燥，鱼塘沼泽地区干涸，芦苇等植物极易燃烧。芦苇荡周边往往是农民的田地，农民烧荒时极易被从田埂蔓延过来的野火或者飞来的火星点燃。

2）在丘陵地区，随着改革开放不断深入，大量村镇务工人员涌入城市建设之中，在家直接从事务农的通常为妇女和老人，劳动力严重不足，造成大量农田无人耕作，特别是原来丘陵地段的梯田荒废后荒草丛生，一般都超过一人高，加之经济建设发展，人民生活水平不断提高，原先作为生火做饭的茅草、荆棘无人砍伐，每逢秋季、春节、清明时节，当地居民炼山烧荒、上坟祭祖、燃放烟花、孩童玩火等行为极易引起火灾。

3）在山区，许多林区植被密度大，并且湖北的林区通常生长着许多极易燃烧的松树和杉树，成为山火发生的危险点。另一方面，在山火频繁的山头，因连年山火导致山表面覆盖着密密麻麻的长茅草，并且这些山头往往连接着农民的田地和茂密的森林，到了冬季，枯萎的茅草易于点燃，一旦起火，在风的助长下很容易迅速延展，极不易开展扑灭或控制工作。另外，山区特殊的气象条件对火势的蔓延方向和发展速度有很大的影响。在山体较大的山区，山谷交错，复杂的地形伴随着复杂的气象条件，山火发展到山谷的拐角处可能由平缓突然变得迅猛；在坡势较陡的地方，火势向山顶发展的趋势更为迅速，一方面热浪沿坡上升，另一方面串起的火苗可直接将上方的植被点燃，火势呈立体式发展。

2.3 山火多发时段分析

根据对湖北省山火发生情况统计分析，发现山火发生时段一般具有如下特点：

1）从一年的时间周期来看，山火多发生在每年10月1日至翌年4月30日止。在湖北区域，春节期间（1-2月）和清明节前后（3-4月）尤为集中。但2013年湖北地区持续干燥少雨，山火来的特别早，特别猛，10月份便进入山火频发期。

2）从一天的时间周期来看，大部分山火发生在16∶00—19∶00，该时段环境干燥，并且正是人们进行户外作业和活动的时间，易引起山火。根据农村习俗，农民们往往在黄昏期间清理田地，焚烧秸秆，形成人为火源；另外，此时间段正逢放学期间，农村孩子喜欢在田野里玩火，山火防范意识极其薄弱，形成火源危险点。

3 基于改进LEC评价的山火风险评估方法

3.1 LEC方法

本文提出的山火风险评价方法，借鉴对危险源风险评价的LEC方法[12]（又称格雷厄姆·金尼方法），使用工程化的处理思路，采用专家调查法调整相关参数，得到山火风险的定量值，如下式所示

式中：R为山火风险值；L为山火造成的最大可能的结果，取值如表1所示。

表1 后果严重程度表Tab.1 Severity of consequences

后果特别严重指的是影响重要输电通道多条线路、跨区电网线路或特高压线路运行；严重指影响500 kV线路运行；比较严重指影响220 kV及部分重要的110 kV线路运行；一般指影响部分非重要110 kV线路及110 kV以下等级线路运行。E为暴露时间，即为山火事件发生的频率，取值从10分到0.5分，如表2所示。

表2 山火发生频率分值表Tab.2 Value of occurrence frequency of forest fires

C为可能性，即为一旦发生山火，导致输电线路发生故障跳闸的可能性，取值从10分到0.1分，如表3所示。

表3 山火引发线路跳闸可能性分值表Tab.3 Value of possibility of transmission line trip caused by forest fires

3.2 基于干旱指数的改进LEC方法

山火的发生不仅与可燃物、火源有关，还与火险天气关系密切，干旱程度越高，山火风险越大。因此，在研究山火风险分布时，应考虑当前天气的干旱程度。

根据世界气象组织1980年的统计,各种应用的干旱指数有55种之多。本文选取2006年中国气象局提出的《气象干旱等级》（GB/T20481-2006）规定的综合气象干旱指数（CI）作为山火风险分布的校正因子[13,14]。

综合气象干旱指数CI是以标准化降水指数、相对湿润指数和降水量为基础建立的一种综合指数,既反映短时间尺度和长时间尺度降水量，又反映短时间尺度水分亏欠情况，适合实时气象干旱监测。CI一般为负数，其值越小表明干旱越严重。CI计算公式为

式中：Z30、Z90分别为近30 d和近90 d的标准化降水指数；M30为近30 d的相对湿润度指数；a、b、c为系数,一般分别取0.4、0.4和0.8。

修订后的山火风险值为

根据山火风险值，按照由轻到重分为四个等级，分别为低风险、一般风险、中风险和高风险，如表4所示。

表4 山火风险程度表Tab.4 Risk level of forest fires

4 应用实例

按上述改进LEC方法，开展湖北某地区的山火风险分布研究。

首先，通过分析收集区域内植被、坟场、烧荒炼山点分布及历史上发生的山火跳闸事件，结合当地地形地貌，对存在山火风险的区域确定L、E、C各项分值，再根据式1求出不考虑气象情况的山火风险值R。然后按表4对应的风险程度得到山火风险分布，如图1所示。

图1 不考虑气象情况的山火风险分布Fig.1 Risk distribution of forest fires risk withoutconsidering weather conditions

其次，通过获取的综合气象干旱指数，对图1的山火风险分布进行调整，实现山火风险分布的动态更新，对未来一段时间的山火风险进行预测。如在2013年6月，由于该区域降水丰富，CI值较小，因此2013年6月27日的山火风险分布如图2所示，全区域山火风险都较低。

图2 2013年6月27日山火风险分布Fig.2 Risk distribution of forest fires risk in June 27,2013

2013年12月18日山火风险分布如图3所示，2013年下半年以来，该区域持续天干物燥很少下雨，CI值较大，因此图中有较大片的高风险区域。

图3 2013年12月18日山火风险分布Fig.3 Risk distribution of forest fires risk in December 18,2013

2013年下半年长期干燥天气使芦苇、茅草等易燃植物变得异常干燥，易被烧荒、上坟烧香、放鞭等野火点燃引发山火。经统计分析2013年12月该区域因山火造成的500 kV及以上等级输电线路跳闸、停运或降压运行（直流）事件，确定山火火点分布如图4所示，共有11处，其中位于高风险区域的有7处。运行实例说明山火风险分布图的准确性较高。

图4 2013年12月山火火点分布Fig.4 Distribution of forest fires points in December,2013

考虑到该区域山火特点，结合山火风险分布图，如在12月份对山火高风险区域下午14：00-19：00采取特巡、蹲守等措施，将可以有效遏制山火对输电线路运行的威胁。

5 结论

本文采用改进LEC方法研究输电线路山火风险分布特征，考虑了气象条件对山火风险分布的影响。应用实例说明了本方法对区域内输电线路山火风险的预测准确度高，效果好，为防范输电线路山火故障、提高线路运维可靠性提供了技术保障。

[参考文献]（References）

[1]吴田,阮江军,胡毅，等.500 kV输电线路的山火击穿特性及机制研究[J].中国电机工程学报,2011,31(34):163-169.Wu Tian,Ruan Jiangjun,Hu Yi,et al.Study on forest fire induced breakdown of 500 kV transmis⁃sion line in terms of characteristics and mechanism[J].Proceedings of the CSEE,2011,31(34):163-169.

[2]尤飞,陈海翔,张林鹤,等.木垛火导致高压输电线路跳闸的模拟实验研究[J].中国电机工程学报,2011,31(34):192-197.You Fei,Chen Haixiang,Zhang Linhe,et al.Exper⁃imentalstudy on flashoverofhigh-voltage trans⁃mission lines induced by wood crib fire[J].Proceed⁃ings of the CSEE,2011,31(34):192-197.

[3]吴田,胡毅,阮江军,等.交流输电线路模型在山火条件下的击穿机理[J].高电压技术,2011,37(5):1115-1121.Wu Tian,Hu Yi,Ruan Jiangjun,et al.Air gap breakdown mechanism of model AC transmission line under forest fires[J].High Voltage Engineering,2011,37(5):1115-1121.

[4]黄俊杰，阮羚，马剑辉,等.电网极端天气区划图智能绘制系统的建设[J].电网与清洁能源,2014,30(5):49-53.Huang Junjie,Ruan Ling,Ma Jianhui,et al.Con⁃struction of intelligent map drawing system for ex⁃treme weather zones for power grids[J].Power System and Clean Energy,2014,30(5):49-53.

[5]黄俊杰，马剑辉，方贤才.电网特殊区域专题电子图绘制系统研究[J],高电压技术,2014,40（S）:460-465.Huang Junjie,Ma Jianhui,Fang Xiancai.Research of special region map drawing system for power grids[J].High Voltage Engineering,2014,40(S):460-465.

[6]郑港，黄俊杰，阮羚,等.基于实时数据的电子污区分布图绘制及分析平台的研究[J],高电压技术,2014,39(S):398-400.Zhen Gang,Huang Junjie,Ruan Ling,et al.Re⁃search of electronic polluted areas map drawing and analysis platform based on real-time data[J].High Voltage Engineering,2014,40(S):398-400.

[7]杨加伦，朱宽军，刘斌,等.输电线路冰区分布图绘制关键技术[J].电力建设,2013,34(9):31-36.Yang Jialun，Zhu Kuanjun，Liu Bin,et al.Technolo⁃gies of icing distribution map for power transmission line[J].Electric Power Construction,2013,34(9):31-36.

[8]黄俊杰,汪涛,朱昌成,等.基于气象地理模型的湖北电网冰区分布研究[J].湖北电力,2013,37(2):27-29.Huang Junjie，Wang Tao，Zhu Changcheng,et al.Research in icing region distribution in Hubei power grid based on meteorological geographic model[J].Hubei Electric Power,2013,37(2):27-29.

[9]涂明，张立春，朱宽军,等.输电线路舞动区域划分方法 [J].电力建设,2011,32(4):26-28.Tu Ming，Zhang Lichun，Zhu Kuanjun,et al.Zoning method for galloping of transmission lines[J].Elec⁃tric Power Construction,2011,32(4):26-28.

[10]黄俊杰，阮羚，马黎莉,等.电网舞动区域分布图自动绘制方法与应用研究[J].输配电工程与技术,2014,3(1):1-6.Huang Junjie,Ruan Ling,Ma Lili,et al.Research on automatic drawing method and application of power grid galloping region distribution map[J].Transmission and Distribution Engineering and Technology,2014,3(1):1-6.

[11]王浩东.输电线路山火跳闸原因分析及对策[J].广西电力,2009,32(4):43-45.Wang Haodong.Reason analysis and treatment of transmission line trip because of mountain fire[J].Guangxi Electric Power,2009,32(4):43-45.

[12]梅震琨,陈东伐,黄家林,等.基于LEC方法的园区网用户行为危害评价模型[J].计算机与现代化,2010(3):121-124.Mei Zhenkun,Chen Dongfa,Huang Jialin,et al.Model of campus network user behavior hazard as⁃sessment based on LEC method[J].Computer and Modernization,2010(3):121-124.

[13]陆桂华,闫桂霞,吴志勇,等.近50年来中国干旱化特征分析[J].水利水电技术,2011,41(3):78-82.Lu Guihua,Yan Guixia,Wu Zhiyong,et al.Analy⁃sis on aridification within last 50 years in China[J].WaterResources and HydropowerEngineering,2011,41(3):78-82.

[14]李奇临,范广洲,周定文,等.综合气象干旱指数在2009-2010年西南干旱的应用[J].成都信息工程学院学报,2012,27(3):267-272.Li Qilin,Fan Guangzhou,Zhou Dingwen,et al.Application of meteorological drought composite index in southwest China in 2009-2010[J].Journal of Chengdu University of Information Technology,2012,27(3):267-272.