华北电网输电线路受山火影响特征分析

张 雷

（国网公司华北分部华北电力调控分中心，北京 100053）

0 引言

我国北方地区气候干燥，春季大风天气频繁，同时受社会生产生活用火习惯影响，春节、春耕、清明节、中元节、秋收以及秋后烧荒等时期，民间用火频繁［1］。架空输电线路走廊穿越人类活动频繁的山区、平原时，受用火影响，线路走廊易发生大范围山火［2］。线路走廊穿过地势起伏复杂的山谷丛林时，林区山火对电网安全的威胁随之加剧［3］。

华北电网涵盖北京、天津、河北、山西、山东及内蒙古自治区部分区域，架空输电线路密集，同杆并架线路多。因能源结构分布不均，华北电网形成了显著的西电东送、北电南送，潮流大范围转移的特征。同时，区域内太行山脉、燕山山脉的地理特点，使得华北电网输电线路穿过高山峻岭地带，独特的地形地貌、气候条件极易引发山火［4］。

2013—2018 年，华北电网500 kV 及以上电压等级输电线路走廊范围内，共记录发生火情166 次，且呈逐年上升趋势。各年度火情分布情况如图1 所示。

山火对输电线路及电网运行影响严重，给电网安全稳定运行带来极大威胁。目前对于华北电网较长时期、较大范围内山火对线路影响的分析较少，尚未将分析结果针对性应用于指导生产和指挥故障异常处置，仅在发现火情后，采取通用的预控措施和处置方式，在电网方式预安排、潮流预控等方面仍有较大优化空间。

图1 各地区影响输电线路火情数量统计

对近年来输电线路受山火影响的分析，统计山火在时间、空间上的分布规律，探究可以降低山火对电网安全运行影响的预控措施，提供针对山火威胁更为主动的防控措施。

1 华北区域山火数据分析

1.1 时间分布特性

华北地区春季多干旱大风天气，为山火的发生及发展提供了适宜的客观条件。同时，春季人民生产生活活动逐步增多，烧荒、祭祀、踏青等活动均可能在野外使用火源。如火源控制不当，极易引发山火。

2013—2018 年按月统计，华北电网500 kV 及以上电压等级输电线路走廊发生火情数量如图2 所示。明显可见，每年3—4 月是全年火情高发期。综合6 年来看，3 月份发生火情占全年比例为27%，4 月份发生火情占全年比例为46%，合计已达到全年火情数量的73%。而7—9 月没有火情发生的记录。

图2 火情数量按月统计

1.2 空间分布特性

华北地区地理形式复杂多样，大部分平原地区已开垦为农田，而山林谷地植被茂密。不同地区地势、地貌差异较大，发生山火的概率也有较大差别。2013—2018 年按地区统计，华北电网500 kV 及以上电压等级输电线路走廊发生火情数量如图3 所示。

图3 火情数量按地区统计

记录数据显示，山西中南部和冀北唐山、承德地区是山火火情高发区域，两地山火火情数量占总体比例分别为47.6%和44.6%，天津、冀南地区占比均不足1%。

2 山火对电网影响的特点

2.1 线路重合成功概率低

当输电线路下方发生山火时，导线周围空气温度升高，空气密度下降，热游离现象增加，另外，植物燃烧后产生大量无机盐，极易诱发线路闪络。此外，山火持续时间远大于线路重合闸时间，导线长期处于恶劣环境中，发生闪络后，导线周围游离粒子数量进一步增加，环境更加恶化。因此，线路单相故障后，重合闸动作成功的概率非常低，故障相电压难以恢复，甚至由单相故障转化为相间故障。2013—2018 年，华北电网500 kV 及以上电压等级输电线路走廊发生火情数量及线路跳闸相别情况如表1所示。

由表1 可见，山火导致线路跳闸共计37 条次，其中最初为单相故障跳闸的有26 条次，占比70%，但单相故障重合成功的比例仅有22%，而相同线路采样范围内，线路受雷击跳闸重合成功的概率超过90%。

表1 线路跳闸相别分析 条次

线路单相故障重合成功后，短时间内（通常不超过15 s）再次发生单相故障时，线路重合闸将被闭锁，这是导致线路单相故障未重合的主要原因。受山火影响的线路单相故障，未重合概率较高，达到22%。实际运行中，发生过同一条线路在1 min 之内连续发生3 次单相故障的情况。线路短时间内多次重合，对电网带来较大冲击，同时也给开关设备带来严峻的考验。

可见，输电线路因山火原因发生故障跳闸后，能够重合成功的概率较低，且重合成功后短时间内再次发生故障跳闸的概率较大。因此，为减少故障对电网的冲击，降低开关等设备的损坏风险，应考虑适时退出线路单相重合闸。

2.2 对电网方式破坏程度大

华北电网整体网架结构较为坚强，但部分地区仍存在较为脆弱的局部方式。如厂站间仅通过单回线路连接的方式较多，同名双回线路多为同杆并架，山西500 kV 外送通道，特别是山西北部地区外送断面长期重载等。由于山火覆盖范围较大，持续时间较长，对上述薄弱方式影响尤为突出，给电网安全运行带来极大威胁。

华北电网与华中电网为交流同步电网，仅通过1 000 kV 长南Ⅰ线维持交流联系，华北电网结构如图4 所示。2013-04-13T17∶03∶00，1 000 kV 长南Ⅰ线因山火发生跳闸，单相故障重合不成功，造成华北与华中两个区域电网解列。故障前华北送华中实时功率约2 200 MW，解列后华北电网频率升至50.06 Hz，发生大范围潮流转移，山东电网受电断面功率由3 500 MW 飙升至4 280 MW，严重超过3 800 MW 的稳定极限。由于山火火势较大，在跳闸14 h 后线路才恢复送电。

图4 华北电网结构

2015-04-17，府谷电厂唯一送出线路500 kV府忻Ⅱ线因山火（山西境内）跳闸，造成府谷电厂全停，甩负荷1 200 MW，导致特高压长南Ⅰ线功率瞬间波动超过800 MW。

2015-06-02T18∶15∶00—18∶26∶00，500 kV 大 房三回线因山火原因相继跳闸。山西北部地区电源集中，大房三回线作为其外送断面重要输电通道，潮流长期重载。故障发生后，山西北部地区安全稳定控制系统正确动作，切除该地区2 台600 MW 机组，特高压长南Ⅰ线瞬间功率波动超过700 MW。后续处置过程中，降低山西送京津唐及河北南网计划功率2 000 MW，并紧急通知京津唐及河北南网停备机组启动并网。

2017-04-15 午后，唐山市境内同时发生两起山火火情，分别对500 kV 承姜双回线和姜唐双回线构成严重威胁。根据相关规定，退出上述4 回线路单相重合闸。16 日夜间，500 kV 承姜Ⅱ线因山火跳闸。冀北唐承秦地区500 kV 网架结构如图5 所示，承姜双、姜唐双是北电南送重要输电通道，山火发生时，500 kV 姜太双回线正处于停电计划检修阶段。此时若因山火引发承姜双、姜唐双同时或先后跳闸，该地区500 kV 网架结构将被严重破坏，导致潮流大范围转移，甚至诱发电网稳定问题。

图5 唐承秦500 kV 网架

可见，山火灾害影响范围广，持续时间长，对同名线路或者处于相近走廊内的非同名线路造成极大威胁，易导致双回或多回线路短时间内相继跳闸，严重威胁电网安全运行。

2.3 对电网威胁时间长

2013-04-13T17∶00∶00 至2013-04-15T18∶00∶00的49 h 内，特高压1 000 kV 长南Ⅰ线76～79 号塔下方持续发生山火，造成长南Ⅰ线故障跳闸3 次，其中重合成功1 次，导致华北电网与华中电网解列2 次。

2013-05-13T12∶00∶00，特高压1 000 kV 长南Ⅰ线42～52 号塔下方林地发生山火，油松燃烧产生大量浓烟，约3 h 后，长南Ⅰ线故障跳闸，华北电网与华中电网解列。随后，山火向线路小号侧蔓延，40～46号塔下方火势凶猛，近区线路被浓烟笼罩。16 日上午风力下降、火势减小，09:00:00，长南Ⅰ线恢复送电。受山火影响，长南Ⅰ线停电时间接近70 h。

由于山火扑灭难度较大，特别是北方春季多大风天气，火借风势，火情极难控制。一旦山火发生，对输电线路影响时间通常会超过12 h，导致电网长时间暴露在严重风险之下。

3 山火影响下电网预控措施分析

3.1 停用线路重合闸

山火导致输电线路故障跳闸后，重合成功概率较低，且在山火灼烧、浓烟笼罩的恶劣环境下，放电通道恢复条件差，易发生短时间内连续多次跳闸的情况，给电网带来多次冲击，造成断路器等设备频繁开断，使电网运行安全性和稳定性大幅下降。因此，当输电线路受到山火影响时，应结合电网实际情况，停用线路重合闸，充分做好线路故障停电的准备，并在山火熄灭或远离后，及时将重合闸投入。

3.2 调整电网方式降低断面潮流

当输电线路受到山火威胁时，应尽快做好事故预想，特别是要考虑山火影响范围内同名线路故障跳闸的情况，提前调整电网方式，控制断面潮流，做好最不利状况下的事故预案。

在空间尺度做好电网故障处置预案的同时，还应拉长时间尺度考虑山火影响。应考虑线路长时间无法恢复送电状况下，电网受到的影响，提前做好电力平衡、潮流极限控制、设备N-1 预控等相关措施。

3.3 优化计划检修工作安排

根据对历史统计数据的分析，相关部门应做好年度、月度发输变电设备计划检修安排。根据实际情况，尽量避免在每年3—4 月，安排山西中、南部地区，以及河北唐山、承德地区重要设备计划检修，防止在山火发生概率较高的时间、地区出现相对薄弱的电网方式。同时，上述地区包含了重要西电东送、北电南送输电通道，若输电线路受山火影响被迫停运，将使电网输电能力降低，可能对受端电网的电力平衡产生较大影响。因此应考虑在上述时间范围内，安排受端电网多留取旋转备用容量。

3.4 加强线路巡检与走廊清理

在每年2—3 月，输电线路运维单位应对山火易发地区内的输电线路走廊进行巡线排查，对线下或附近堆放的易燃物品进行清理，对过高树木进行修剪，在农村地区加强烧荒等用火安全宣传。在3—4月，应加强线路巡查，做到对山火等异常风险早发现、早汇报、早处置，尽可能降低山火对电网运行带来的影响。

3.5 采用火情感知与预测技术

随着技术的不断发展，目前已经可以通过卫星遥感等手段，在山火发展之初即锁定火情位置。卫星遥感技术具有宏观检测的特点，可以对大面积的山林区域实施监测，并在短时间内发现火灾疫情［5］。同时通过叠加气象数据信息，预测火情的发展路径。电力企业可以加强与气象部门的合作，及时掌握山火发生、发展情况，做到未雨绸缪，从而提高电网安全性和稳定性，提升电网运行、维护水平。

4 结语

基于对华北电网近6 年来山火火情记录的分析，总结了华北区域山火发生的时间、空间规律。通过火情及输电线路故障跳闸记录的分析，展示了山火对500 kV 及以上电压等级输电线路造成影响的特点。最后，根据山火发生发展规律，以及对输电线路影响的特点，提出了消除或减轻山火对电网造成不利危害的几点措施，将“安全第一、预防为主”的电网治理原则细化、落实到日常工作之中。