省域电网架空输电线路山火分布图绘制研究

2018-03-26范明豪方登洲张佳庆

电力安全技术 2018年1期

谢辉，范明豪，季坤，方登洲，张佳庆

(1.国网安徽省电力公司电力科学研究院，安徽合肥 230601;2.国网安徽省电力公司运维检修部，安徽合肥 230009)

0 引言

近年来，国家施行“退耕还林”以及“封山育林”等政策，提高了森林覆盖率。在全球极端气候条件下，森林高火险天气持续出现；同时，季节或节日(春节、清明等)大量焚烧秸秆、燃放烟花爆竹或焚烧纸钱，造成山火次数明显增加。

随着电网规模的不断扩大，在复杂地形条件下的电网建设和设备维护工作也相应越来越多。大量输电线路穿越植被茂密的林区与山区，山火严重威胁输这些线路的运行可靠性。近年来发生了多起山火造成的线路跳闸案例，如2016-02-07，因山火造成±500 kV葛南线安徽电网境内跳闸；2014年春季，受山火影响，国家电网公司220 kV以上线路有47条次紧急停运、17条次降压运行、213条次退出重合闸。2010年第1季度，山火引发南方电网公司220 kV及以上电压等级线路发生128次故障跳闸；2001—2008年，南方电网公司所辖线路因山火引发37次事故。如何有效防范山火，是当前甚至今后较长一段时间输电线路运维工作面临的严峻考验。

1 山火发生的影响因素

山火具有明显的季节、时段特点，与天气状况、地理环境、植被和人员活动规律等有密切关系。省域电网架空输电线路山火分布图绘制过程中，需考虑地形、气候、植被等分布的影响因素。现以安徽省为例进行说明。

1.1 地形分布

地形分布是决定输电线路山火发生频次的先决条件之一。丘陵地区因为树木、森林杂布，输电线路架设、人员活动均较多，是输电线路线下山火高发区域；平原地区，可能因农作物收获时焚烧秸秆而导致线下山火；高山地区(比如海拔超过1 000 m)相对来说人员活动、输电线路架设均较少，山火风险较小。

1.2 气候分布

1．2．1 温度分布

温度是植被发生火灾的直接诱因之一。植被密集地区，冬末春初草木干燥，如温度持续较高，则容易引发山火；在夏季及秋季，因植被处于生长季含水量较高，高温引发火灾的可能性不大。农作物收割在夏、秋季节性的秸秆焚烧也可能会引发山火，且温度越高则风险越大。

1．2．2 降水及湿度分布

水是天然的灭火剂，某一区域降水量大，其山火风险必然相对较低；同一区域某些时段如降水量较同年其他时段或往年同一时段都高，则其山火风险也自然相应降低。湿度表示空气中的含水量，湿度越高则燃烧越困难。降水少和湿度较低的区域更容易引发山火。

1．2．3 风速风向

风速决定山火发生后的传播速度，风向决定山火发生后的传播方向，季风决定各地域的主要风速、风向。各地域每天的风向变化有个大致规律：平原地区不明显；山区白天风从谷地吹向山坡(谷风)，晚上风从山坡吹向谷地(山风)；湖泊白天风由湖面吹向陆地(湖风)，夜里风由陆地吹向湖面(陆风)。安徽属季风气候区，冬季盛行偏北风，夏季以偏南风为主，春秋季是风向转换季节。

1．2．4 日照时数分布

区域内的日照时数大，会间接造成温度升高、气候干燥，在山区容易导致火灾，也会使平原、丘陵地带的植被及农作物因光照而增大火灾风险，尤其是春冬季。

1．2．5 水系分布

湖泊、河流、池塘等是天然的防火隔离带。山火发展到水系时，可认为其自然熄灭。

1.3 植被分布

燃烧3要素：可燃物、氧化剂和点火能。植被作为可燃物，是山火燃烧的基本要素，它决定山火的强弱与影响范围。植被包括针叶林、针阔混交林、山地丘陵地灌木、阔叶林、平原地灌木草丛、秸秆类农作物、草甸等。除以上植被，还存在果园、茶园等栽培植物以及水域、城区、无植被地段。其中风险最大的为针叶林，因为其燃烧时火势大、火焰高，极易使导线对地距离大幅减小而导致放电，引发跳闸。

1.4 输电线路山火隐患

1．4．1 山火隐患风险等级

为准确掌握所辖输电线路通道山火隐患信息，应根据山火隐患特点进行全面排查。重点排查通道300—500 m范围内集中坟场、零星坟墓祭祀、农耕烧荒以及茅草等山火隐患，包括：

(1) 线路通道内有林区或树木茂盛、灌木茂盛或蒿草高大茂密且导线对地距离小，同时周围有农田、菜地、坟地或邻近居民区等地段，人为火源多且可燃物丰富，易因人为因素而使小火引燃林木，山火隐患极大。

(2) 虽导线对地距离大，但线路通道内存在大量高大乔木和杂木、灌木，且附近存在大量可能的人为火源，山火隐患也很大。

(3) 线路档距跨越处在边坡、山脊时，因对地、边坡距离小，且空气流通大或处在风口，附近又有火源，容易导致迅速、大面积过火的山火发生，山火隐患很大。

(4) 邻近城郊结合部或农村零散户的山地、林地发生山火的几率高。因为该区域流动人员复杂，用火随意性大，防范意识差；而农村零散户用火、烧荒疏于看管，山火隐患很大。

综合考虑人为火源、植被类型(易燃性)、距离线路远近3方面因素，确定输电线路山火隐患风险等级，如表1所示。

表1 输电线路山火隐患风险等级

1．4．2 重点防控时段

归类山火高发的季节、时段、天气状况，可总结如下重点防控时段：

(1) 冬末春初植被干枯，天气转晴、气温上升，且少雨干燥期间；

(2) 冬至、小年、春节、清明前后，集中祭祖扫墓期间；

(3) 夏秋季连续高温，天气晴朗干旱时段(该时段因植被生长旺盛，往往容易被忽视，但山火隐患仍然存在，必须警惕)；

(4) 秋末冬初，天气干燥多风期间，同时农民烧荒，也是山火高发期；

(5) 中秋节期间因盛行施放孔明灯，也应高度关注期间的山火防范。

2 山火分布图绘制

省域山火分布图绘制过程中，需先绘制3张基本图层(架空输电线路GIS图、火点密度分布图、植被类型分布图)及3张过程图层(植被燃烧危害等级分布图、电网山火风险分布图及电网山火风险分布图(修正))，最终形成省域电网架空输电线路山火分布图。

其绘制步骤为：将省域火点密度分布图代入省域架空输电线路GIS图后作为原始底图，叠加省域植被燃烧危害等级分布图、省域电网山火风险分布图(修正)，得到省域电网架空输电线路山火分布图。其中，省域植被燃烧危害等级分布图根据省域植被类型图修订得到；省域电网山火风险分布图由省域火点密度分布图、省域植被燃烧危害等级分布图按一定规则合并生成；省域电网山火风险分布图结合植被类型、隐患点和运行经验后，得到省域电网山火风险分布图(修正)。架空输电线路山火分布图绘制程序框图如图1所示。

2.1 火点密度分布图

2．1．1 历年历史热点数据统计

火点密度分布图层数据来源为中国FY-3系列卫星携带的中分辨率成像光谱仪(MERSI)、可见光红外扫描辐射计(VIRR)、美国EOSAqua和Terra卫星携带的中分辨率成像光谱仪(MODIS)、美国NOAA-16/18/19卫星携带的高分辨率辐射计(AVHRR)、欧洲NPP卫星携带的可见光红外成像辐射仪(VIIRS)等星载探测仪。数据包括地区、热点经纬度、监测时间等内容，安徽省2011—2015年部分区域热点数据如表2所示。

表2 安徽省2011—2015年热点数据(部分区域)

2．1．2 数据筛选与分类

卫星监测热点数据只能对高于地面温度的位置进行定位，但不能识别该热点是否为火源，不能反映实际山火数据，因此需要剔除大量非火点，如一些常规热源(砖厂、工业烟囱等)、非火源引起的异常高温点(建筑物反射、太阳耀斑等)、不会引起山火的火源等。

图1 架空输电线路山火分布图绘制程序框

2．1．3 火点密度计算

将省域划分为0．25°×0．25°经纬度的基准网格。网格面积计算方法：地球平均半径R0=6 371 km，忽略地面起伏的影响，沿地球表面任一经度跨越1°，纬度经过的距离为d1：

北半球沿地球表面任一纬度线跨越1°，经度经过的距离d2与纬度α有关：

安徽省纬度范围是29°41′—34°38′，取平均值31°15′计算单位纬度线边长：

则单个网格面积为：

再根据历年历史火点数据，计算每个网格内年均火点密度(单位为：个/百km2·年)。表3为安徽省2011—2015年部分区域火点密度。

表3 安徽省2011—2015年火点密度(部分区域)

2．1．4 插值计算

利用表网格坐标和火点密度，在地理信息软件ARCGIS10．0中进行克里金插值计算，得到指定像元大小精度的栅格图层。2．1．5 火点密度分级

按照表4的分级原则，将插值后的栅格图层中的火点密度从低到高分为1—4级。近5年平均日山火发生次数≥2次/万km2，取日均火点密度2(个/万km2)以上为4级火点密度级别，再以等差方式设置1，1．5，2(个/万km2)3个数据截断点，折合成个 / 百 km2·年，即 3．65，5．48，7．30。表4为火点密度等级分级。

分别以蓝、黄、橙、红表示1级、2级、3级、4级火点密度等级，叠加到省域行政地图，即得到省域火点密度分布图层。

图2为安徽电网火点密度分布。