南方电网架空线路因山火跳闸故障统计分析

2022-04-28周恩泽龚博刘淑琴向谆史晓桢黄道春陈鑫

广东电力 2022年4期

周恩泽，龚博，刘淑琴，向谆，史晓桢，黄道春，陈鑫

(1.广东电网有限责任公司电力科学研究院，广东广州510080；2.南方电网科学研究院有限责任公司，广东广州510663；3.武汉大学电气与自动化学院，湖北武汉430072)

我国的发电能源和负荷中心分布不平衡[1-2]，需要大容量、远距离传输电能。近年来，我国超特高压电网发展十分迅速，输电线路走廊紧张问题日益凸显[3]。为了避开人口密集的工业区以及城市居民区，架空线路的架设位置一般选择在植被茂密、人烟较少的山区田地。当架空输电线路下方茂密的植被发生火灾，剧烈燃烧的植被火会大幅度地降低输电线路间隙绝缘强度，甚至引发导线相间以及导线对地的击穿事故，每年各电压等级输电线路由于植被火灾害引发的线路跳闸事故时有发生[4]。国家电网220 kV及以上电压等级输电线路在2014年春季就有47条次受山火影响而紧急停运，213条次退出重合闸，南方电网辖区的云南、广西、广东、海南、贵州等地每年森林火灾次数占全国80%以上[5]。据统计，南方电网2015—2019年输电线路因山火灾害跳闸总数为304次，其中重合闸成功126次，仅占比41.4%。

文献[6]以南方电网辖区内2006—2010年的线路因山火跳闸事故为研究对象，分析地理位置、山火事故等因素对跳闸事故的影响。文献[7]从线路电压等级、故障时间分布、故障相分布等方面对南方电网2010年1—4月因山火引发的220 kV及以上电压等级输电线路跳闸情况进行分析。文献[8]以2009—2014年南方电网辖区500 kV及以上电压等级输电线路因山火跳闸状况的数据为统计对象，分析典型事故过程序列及地形地貌等因素对线路因山火跳闸的影响。文献[9]分别从时间和空间2个维度对南方电网2000—2015年山火跳闸事故统计数据进行分布规律分析，在此基础上初步识别和划分南方五省输电线路因山火跳闸事故高发的重灾区。通过总结发现，目前已有不同年份南方电网输电线路因山火跳闸事故的规律分析[10]，但没有进一步将跳闸事故频率和影响线路绝缘水平降低的因素关联起来，并且缺少易引发线路因山火跳闸的高风险植被类型的统计与分析。

本文根据南方电网各省级电网运维单位及超高压公司提供的数据，统计2015—2020年南方电网辖区内110 kV及以上电压等级共计377次交直流输电线路因山火跳闸事故，通过分析输电线路因山火跳闸故障的时空分布规律，找出输电线路因山火跳闸的主要原因、诱发因素的时空分布规律和高风险植被类型，为山火风险预警和调度方式提供参考，减小山火对输电线路造成的影响。

1 山火跳闸时空分布规律统计

1.1 时间分布规律

南方电网2015—2019年架空线路因山火跳闸月度分布统计如图1所示。由图1可知，南方电网架空线路因山火跳闸时间分布具有较强的季节性特点。每年进入2月后，山火导致的输电线路跳闸事故急剧增多，初春的2—4月是跳闸事故的频发时期。每年该时间段适逢气候干燥时期，植被含水率不高，干枯且易被点燃，因此极易引发大面积山火灾害。同时2—4月内冬春季烧荒、春节庆典及清明祭祖等用火行为频发，因此每年该时期内人为用火引发的山火也占很大比例。在这3个月出现的山火灾害具有过火面积大、影响范围广等特点，往往会导致同一条输电线路上相邻的多个杆塔或者相邻输电线路均发生跳闸事故，甚至会出现同一线路的同一杆塔在短时间内多次跳闸的现象。因此每年进入2月后需要针对输电线路走廊山火灾害进行重点预防。

图1 2015—2019年架空线路因山火跳闸次数月度分布统计Fig.1 Monthly distribution statistics of transmission line tripping caused by mountain fires from 2015 to 2019

按日期统计发现，2月跳闸事故发生日期在小年、春节、元宵节等传统节日的次数为12次，占2月跳闸总数的14.6%；4月跳闸事故发生日期在清明节前后的次数高达29次，占4月跳闸总数的43.3%。

架空线路因山火跳闸按时段分布统计如图2所示，可以看出架空线路因山火跳闸发生时段主要集中在12：00—16:00。因山火导致的输电线路跳闸事故易发生在全天日照最充足且气温最高的时候，相较于中午和下午而言，晚上和凌晨山火跳闸事故发生的概率较小。

图2 架空线路因山火跳闸时段分布统计Fig.2 Time distribution statistics of transmission line tripping caused by mountain fires

1.2 空间分布规律

2015—2020年南方电网各辖区因山火跳闸数量分布统计为：云南88次，贵州68次，广西59次，广东73次，海南54次，另外超高压公司35次(占比9.3%)。各省级电网因山火跳闸数量均在50次及以上，云南电网山火跳闸数量最多，占南方电网辖区总数的23.3%。云南省地形为山地高原地形，山地面积占云南省国土面积的88.64%，山地林区发生的山火更容易引发输电线路跳闸[11]。

以广东电网为例：清远供电局和韶关供电局输电线路因山火跳闸次数分别为28次和26次，各占比38.4%和35.6%；其次为河源市供电局，因山火跳闸次数为9次，占比12.3%。这3个市均在粤北地区，地势较高，地形主要为山地丘陵，平原、台地面积仅占20%，而且植被茂盛，因此易发生大面积森林火灾。对广东电网清远供电局因山火跳闸事故的具体线路统计分析表明，阳旗甲乙线、七杨线、太杨线、浸七线等线路的跳闸次数远高于其他线路。

综上分析可知，输电线路因山火跳闸事故主要集中在某些线路走廊的特定区段内，输电线路因山火跳闸事故时间也集中于某一具体时间段内。因此，需要对高风险地区特定线路在山火跳闸事故易发生的时间段内加强监督管理。

2 架空线路因山火跳闸影响因素分析

2.1 海拔高度影响分析

根据我国多级地势特征，选取500 m、1 000 m、1 500 m、3 000 m和5 000 m作为海拔分区指标，将地形划分为丘陵、低山、中山、高山和极高山。同时参考中国1∶106数字地貌分类系统的海拔分级方案[12]，以最大限度突出指标的地理意义，确定本文的海拔分区方式，见表1。

表1 海拔分区方式Tab.1 Altitude divisions

广东北部地区的山地为南岭的重要组成部分，海拔在1 000～1 500 m[13]，东南地区广泛分布着海拔高度100～500 m的丘陵地形，雷州半岛和粤东的陆丰为海拔高度100 m以下的台地地形。广西的山地主要以海拔高于800 m的中等高度山脉为主，海拔在200～400 m的丘陵占全省面积的10.3%[12]。通过海拔高度可以将云南省地形分为3个梯层，第1、2、3梯层整体海拔分别为3 000～4 000 m、2 300～2 600 m、1 200～1 400 m[14]。贵州省地貌主要为高原山地，全省平均海拔约1 100 m[15]，整体呈现西高东低的态势，通过海拔高度可以分为3级阶梯，第1级阶梯平均海拔高度高于1 500 m，第2级阶梯平均海拔高度800～1 500 m，第3级阶梯平均海拔高度低于800 m。海南省以海南岛为例，平均海拔高度120 m，山脉的海拔高度大多在500～800 m，并且以丘陵和低山地形为主[16]。

架空输电线路因山火跳闸海拔分布统计如图3所示。在有海拔记录的277次山火跳闸事故中，156次发生在海拔500 m以下，占比56.3%。主要原因是南方电网所辖五省区的地形以低海拔的平原和丘陵为主，且输电线路架设的通道也主要集中在低海拔地区。山火跳闸事故发生次数第2位的海拔段在1 500～3 500 m。通过对云南、贵州的林型分布海拔调查可知，在1 500 m以上的山地内，落叶阔叶林、针阔混交林、针叶林以及草甸依然广泛分布，并且其中以针阔混交林和针叶林为主，这2种植被极易引发山火，进而导致输电线路跳闸事故。

图3 架空输电线路因山火跳闸海拔分布统计Fig.3 Statistics on altitude distribution of transmission line tripping caused by mountain fires

2.2 地面坡度影响分析

坡度对山火跳闸影响主要体现在对局部火焰特征的影响，一般坡度增加10%，山火传播速度增大1倍。2015—2020年，在有坡度统计的共320次山火引发的输电线路跳闸事故中，地形坡度在30°以下的数量最多，共231次，占比72.2%，在整体上与南方电网辖区内五省区的坡度分布一致。通过进一步统计可知：坡度范围在10°～20°内，因山火跳闸数量较少，为67次，占比20.9%；坡度范围在0°～10°内，因山火跳闸数量最多，共84次，占比26.2%；坡度范围在30°～60°内，因山火跳闸数量为78次，占比24.4%。其主要原因在于南方电网辖区内五省区地形地貌以平原和坡度较缓的丘陵为主。坡度范围在60°～90°内，因山火跳闸数量为11次，占比3.4%，并且这些山火跳闸事故均发生在云南电网丽江市供电局。丽江市位于青藏高原南部、横断山脉向云贵高原北部云岭山脉过渡的衔接地段，市内地形地貌复杂多样，坡度变化也较多，较陡的山体坡度可达70°以上。

2.3 植被因素影响分析

我国南方森林火灾发生的次数和频率相较于我国北方地区而言明显偏高，这与人口分布与地形特点有关。南方电网辖区内五省区每年森林火灾总数占全国80%以上。我国南方地区和西南地区每年只有1个火险期，一般为11月中旬至次年4月底。南方电网辖区内五省区中包含了我国三大林区中的西南林区以及南方林区。

西南林区植被种类非常丰富。山地的植被类型以阔叶树和针叶树为主，针叶树的代表树种为云杉、冷杉、云南松[17]。南方林区由于气候温暖，雨量充足，植物生长状态良好，树种以热带和亚热带森林植被种类为主，最主要的植被杉木和马尾松富含油脂。这些植被极易引发大规模且持续时间长的山火灾害，威胁输电线路运行安全[18]。

2015—2019年因山火原因造成输电线路跳闸按植被类型统计如图5所示。由图4可知：山火跳闸次数最多的植被类型为林地，共168次；其次为灌木以及丛木树，共29次；草地导致的山火跳闸事故共6次；农田导致的山火跳闸事故共5次；其余2次山火跳闸事故分别由行道树和甘蔗燃烧引起。

图4 架空线路因山火跳闸植被类型统计Fig.4 Vegetation type statistics of transmission line tripping caused by mountain fires

输电线路因山火导致的跳闸事故涉及的可燃物种类主要为杂树、杂草、松树、杉树以及桉树。单一植被如灌木和乔木，由于燃烧时难以形成火焰高度高且烟尘浓度大的的树冠火，较少造成输电线路跳闸。而茅草、芭茅、蕨类等杂草在冬春两季状态均较为干枯，极易引燃并且进一步蔓延形成地表火，并通过线路通道内的灌木、乔木等阶梯性可燃物向上燃烧形成树冠火，进而引发输电线路跳闸。因此，杂草和树木等多种类型混合的植被分布更容易形成大面积山火，从而引发输电线路跳闸事故。

单一的植被类型如农田或草地燃烧时难以形成连续性蔓延山火，较少造成输电线路跳闸次数[19]。多种植被类型混合的林地最容易引发山火跳闸，其中以松树、桉树、杉树为代表。松树、桉树、杉树在两广和云贵地区均有广泛分布，其特点为枝叶含油量高且燃点低，一旦燃烧起来容易引发大面积树冠火。同时也有少数因甘蔗、荔枝等果树引发的山火跳闸事故，因此在重点研究松树、桉树、杉树等典型树木的同时，也要考虑果树等其他植被导致的山火跳闸现象[20-21]。

根据森林火灾燃烧部位、性质和危害程度，可将森林火灾分为地表火、树冠火和地下火3类。其中，地表火和树冠火均为连续性蔓延山火，是造成线路跳闸最主要的火灾类型。树冠火火焰前沿高度可达到树木高度的2～3倍。有时可形成充分发展的对流柱，产生数量巨大的飞火(飞行距离200～300 m)，最高树冠火羽流温度超过1 330 ℃，持续时间低于30 s[22]。高强度树冠火条件下，火焰能够包裹输电导线，在合适的临界距离，树冠端部和导线端部间形成电子崩，在大量高速随机运动的飞火颗粒以及烟尘颗粒的促发下形成流注通道，产生放电。易导致山火灾害的木本植物主要有以下特点：树木树龄多为3～21年(3年以上居多)；胸径0.02～0.45 m(0.1 m以上居多)；树高2.0～23.0 m(5.0～10.0 m居多)。形成的山火类型主要为地表火、树冠火、冲冠火或地表火后转为树冠火。输电线路下的松树、杉树和桉树等高大植被易发生树冠火。

2.4 重合闸成功率统计分析

山火造成输电线路跳闸的典型特征是重合闸成功率低，表2统计了在不同因素下的重合闸成功动作情况。在辖区分布上，贵州电网、云南电网、海南电网辖区内因山火跳闸故障的重合闸成功率分别为20%、30.4%、31.1%，均低于50%，相较于广西电网、广东电网，这3个省份的地形山地更多；超高压输电公司主要为直流线路，重合闸成功率为30.8%，低于辖区平均值(42.3%)。随着海拔的上升，重合闸成功率呈明显下降的趋势，当事故地点的海拔高于1 500 m时，重合闸成率仅有24.7%。坡度30°～44°时的重合闸成功率最低，仅为37.9%；坡度太高时，树木的密度会下降，坡度太低时不利于火焰的蔓延，因此在运检过程中需要重点关注30°～44°坡度的区域。植被类型因素方面，林地引起的山火跳闸重合闸成功率最低，为35.9%。