山火預(yù)警技術(shù)在輸電線路的應(yīng)用現(xiàn)狀

藍(lán)慶仕

摘 要：山火會(huì)導(dǎo)致輸電線路跳閘，在輸電線路中檢測(cè)山火具有重要的意義和必要性?，F(xiàn)在進(jìn)行山火監(jiān)測(cè)的方法有衛(wèi)星遙感山火監(jiān)測(cè)技術(shù)和傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)技術(shù)兩種，兒子分析了各種山火預(yù)警方法和各自的算法，并比較了各種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，由于山火的歷史數(shù)據(jù)較少，輸電線路的監(jiān)測(cè)環(huán)境又比較惡劣，所以要要注重預(yù)警模型和相應(yīng)的算法的配合，山火預(yù)警技術(shù)要適應(yīng)于輸電線路的運(yùn)行環(huán)境，最后總結(jié)了在輸電線路中應(yīng)用山火預(yù)警技術(shù)中的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：山火預(yù)警；輸電線路；應(yīng)用現(xiàn)狀

中圖分類號(hào)：TM726 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2016）29-0047-02

我國的電網(wǎng)容易受到自然災(zāi)害的影響，山火便是其中之一。現(xiàn)在很多的輸電線路架設(shè)在高山竣嶺，這些地區(qū)由于地形較高、氣侯條件復(fù)雜所以容易引發(fā)山火，容易使輸電線路跳閘，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)將鐵塔燒毀，引起電力事故。如果輸電線發(fā)生跳閘，重合閘時(shí)間較短，但山火的持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng)，有的長(zhǎng)則十幾分鐘，如果輸電線路中發(fā)生山火跳閘，重合閘就失去了作用。輸電線路在引發(fā)山火時(shí)會(huì)引起閃絡(luò)，這主要是由空氣熱游離、空氣密度低、電導(dǎo)率增大以及顆粒受到碰撞等原因造成的。

1 山火導(dǎo)致輸電線路跳閘的原理

武漢大學(xué)進(jìn)行試驗(yàn)，將木垛點(diǎn)點(diǎn)燃當(dāng)作山火的火源，用導(dǎo)線--板間隙進(jìn)行輸電線路的模擬，對(duì)山火引起輸電線路跳閘的規(guī)律進(jìn)行分析；國外一些國家如澳大利亞、美國、日本、韓國等也針對(duì)輸電線路在山火條件下的閃絡(luò)性進(jìn)行了研究，各個(gè)研究結(jié)果之間分歧較大。如果發(fā)生山火現(xiàn)象，輸電線路的擊穿電壓降低，線路的絕緣程度也迅速下降，導(dǎo)致火焰的溫度與電子、固體顆粒發(fā)生作用，從而發(fā)生線路跳閘?？偨Y(jié)起來山火引起輸電線路閃絡(luò)的原因主要有以下幾個(gè)方面。

1.1 空氣的熱游離

發(fā)生山火時(shí)山焰的溫度高達(dá)1 000 ℃以上，空氣在這樣的高溫下就會(huì)發(fā)生熱游離，地面游離出帶電粒子，導(dǎo)線的表面游離子，地面的電荷隨著火苗向高處發(fā)展，濃煙和微粒使空氣的絕緣性變差，空氣被擊穿后輸電線路和地面產(chǎn)生放電。

1.2 空氣密度下降

如果輸電線路發(fā)生山火，空氣的密度會(huì)大幅度降低，周圍的低氣壓使電線—地面的擊穿電壓降低，空氣被擊穿后輸電線路就會(huì)對(duì)地面放電。

1.3 電導(dǎo)率增大

發(fā)生山火時(shí)灌木和喬木會(huì)因?yàn)槿紵舭l(fā)出一些水份，這些水份中摻雜著很多鹽郭，也會(huì)有較多的煙塵微粒，使空氣的絕緣性能變差，空氣極易被擊穿，產(chǎn)生放電。

1.4 顆粒間觸碰放電

發(fā)生山火時(shí)植被燃燒，在強(qiáng)電場(chǎng)中漂浮著已碳化的灰燼。帶電顆粒受到高溫和電荷的雙重作用，火焰引起化學(xué)電郭，熱游離產(chǎn)生電荷，一起集中到放電通道中產(chǎn)生電弧，空氣被擊穿。2 衛(wèi)生遙感技術(shù)

一般進(jìn)行山火監(jiān)測(cè)時(shí)，監(jiān)測(cè)人員在眺望塔進(jìn)行觀測(cè)，并結(jié)合飛機(jī)巡航和砍伐輸電線路的隔離帶的方式，雖然控制了火熱的擴(kuò)散，但是掌握的火情數(shù)據(jù)不精確，監(jiān)測(cè)成本較高，觀測(cè)范圍和次數(shù)也有限，無法及時(shí)實(shí)施應(yīng)對(duì)措施。隨著相關(guān)研究和技術(shù)的發(fā)展，根據(jù)山火監(jiān)測(cè)的監(jiān)測(cè)范圍，山火預(yù)警可以分為兩種，一種是衛(wèi)星遙感技術(shù)，這種技術(shù)是廣域的；另一種是傳感器監(jiān)測(cè)技術(shù)，這種技術(shù)是局域的。

2.1 衛(wèi)星遙感技術(shù)

衛(wèi)星遙感技術(shù)對(duì)山火的監(jiān)測(cè)范圍較廣泛，監(jiān)測(cè)的時(shí)間較短，數(shù)據(jù)的傳輸速度較快，宏觀監(jiān)測(cè)是其突出的優(yōu)點(diǎn)。一般來說黑體溫度越高，輻射波長(zhǎng)就與其呈反比。通過探測(cè)輻射波長(zhǎng)可以對(duì)物體的溫度進(jìn)行判斷。在衛(wèi)生或者飛行器上安裝紅外探測(cè)儀，進(jìn)行熱點(diǎn)監(jiān)測(cè)，用遙感技術(shù)來對(duì)山火進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)的算法有固定閾值法、上下文法、火點(diǎn)識(shí)別法等。但是衛(wèi)星上的紅外探測(cè)器容易受到環(huán)境的影響，這些環(huán)境因素包括角度、大氣層結(jié)構(gòu)、地形等，容易產(chǎn)生假熱點(diǎn)現(xiàn)象，產(chǎn)生錯(cuò)誤的判斷。為了提高監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的精確性，研究出了新的算法，如時(shí)域動(dòng)態(tài)法、光譜分析法等。

2.2 遙感探火的傳統(tǒng)算法

2.2.1 時(shí)域動(dòng)態(tài)分析法

此方法將信號(hào)的變化規(guī)律當(dāng)作基準(zhǔn)值，如果某個(gè)信號(hào)偏離了基準(zhǔn)值，就有可能是危險(xiǎn)信號(hào)。采用這種算法時(shí)數(shù)據(jù)要取自衛(wèi)星的歷史數(shù)據(jù)庫，從數(shù)據(jù)庫可以獲得數(shù)據(jù)期望值以及數(shù)據(jù)的變化范圍。

采用時(shí)域動(dòng)態(tài)分析法進(jìn)行計(jì)算時(shí)，通過公式可以判斷檢測(cè)值和歷史值的偏差程度。如果檢測(cè)值與歷史數(shù)據(jù)的偏差程度越大，說明該火點(diǎn)的溫度較高，發(fā)生火險(xiǎn)的機(jī)率越大，反之亦然。意大利的山火監(jiān)測(cè)應(yīng)用此算法，監(jiān)測(cè)效果較好。

2.2.2 火點(diǎn)識(shí)別算法

對(duì)森林火災(zāi)進(jìn)行探測(cè)，要找到溫度的異常點(diǎn)，從而得到達(dá)到火點(diǎn)的可能值。此方法以閾值為基準(zhǔn)值，通過對(duì)目標(biāo)點(diǎn)與背景像元間參數(shù)的類別方差與基準(zhǔn)值進(jìn)行比較，如果大于基準(zhǔn)值就可以認(rèn)為達(dá)到了火點(diǎn)。運(yùn)用火點(diǎn)識(shí)別算法，可以排除不同的環(huán)境對(duì)于火點(diǎn)識(shí)別結(jié)果的影響。

2.2.3 三通道合成法

此法采用專用的圖像處理技術(shù)來合成三個(gè)通道數(shù)據(jù)，將將數(shù)據(jù)顯示在圖像上，這樣可以了解火情的情況。用紅、綠、藍(lán)三個(gè)顏色來代表三個(gè)通道，如鮮紅代表著火點(diǎn)，綠色代表植被，藍(lán)色代表水體。通過此法可以直接觀看地理信息，觀測(cè)火情更加方便快速，但是對(duì)火點(diǎn)的定位不太精確。

2.2.4 上下文火點(diǎn)識(shí)別法

上下文火點(diǎn)識(shí)別法首先進(jìn)行預(yù)處理，將圖像的像元分為六個(gè)類型，再用不同波段的數(shù)據(jù)信息來確認(rèn)火點(diǎn)。

2.3 衛(wèi)生遙感技術(shù)在我國的應(yīng)用

我國進(jìn)行山火監(jiān)測(cè)的衛(wèi)星有風(fēng)云系列、美國極地氣象衛(wèi)星、地球觀測(cè)衛(wèi)星和MODIS，包括過境時(shí)間各不相同的五顆衛(wèi)星。監(jiān)測(cè)人員接收處理過境圖像，可以為山火監(jiān)測(cè)提供火點(diǎn)信息。

2.3.1 NOAA監(jiān)測(cè)林火

NOAA是美國的第三代雙星系氣象衛(wèi)星，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的主要作用是進(jìn)行火災(zāi)監(jiān)測(cè)，對(duì)火點(diǎn)進(jìn)行定位，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來預(yù)測(cè)火險(xiǎn)的發(fā)生概率，并對(duì)火災(zāi)面積進(jìn)行估算。NOAA衛(wèi)星對(duì)地面的線性物體沒有敏感的分辨率，其最大優(yōu)點(diǎn)是較高的溫度分辨率。NOAA的兩個(gè)衛(wèi)星交替作業(yè)，一天內(nèi)可以對(duì)同一個(gè)地區(qū)進(jìn)行四次觀測(cè)。

2.3.2 地球觀測(cè)衛(wèi)星

地球觀測(cè)衛(wèi)星是近太陽同步接軌衛(wèi)星系統(tǒng)，在衛(wèi)星上有光學(xué)探測(cè)設(shè)備，設(shè)備有36個(gè)監(jiān)測(cè)通道。此衛(wèi)星可以很好的對(duì)地貌和地面的物體進(jìn)行顯示，地球觀測(cè)衛(wèi)星相對(duì)于其他衛(wèi)星遙感器，具有較好的森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)能力。

地球觀測(cè)衛(wèi)星和上面提到的NOAA衛(wèi)星的監(jiān)測(cè)速度都較快，監(jiān)測(cè)的面積較大，對(duì)于林火的面積可以有比較準(zhǔn)確的推測(cè)。其中NOAAR的監(jiān)測(cè)周期較短，監(jiān)測(cè)密度高，地球觀測(cè)衛(wèi)星還可以監(jiān)測(cè)地面的溫度和濕度。

2.4 在輸電線路中衛(wèi)生遙感技術(shù)的應(yīng)用

現(xiàn)在衛(wèi)星遙感技術(shù)進(jìn)行山火的監(jiān)測(cè)，已經(jīng)比較成熟了。運(yùn)用衛(wèi)星遙感技術(shù)，可以及時(shí)獲得山火點(diǎn)的GPS坐標(biāo)和火情信息，將衛(wèi)星遙感放到輸電GIS系統(tǒng)，可以對(duì)火點(diǎn)附近的輸電線路發(fā)出預(yù)警。

云南電網(wǎng)公司建立了系統(tǒng)的輸電線路監(jiān)測(cè)平臺(tái)，山火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將衛(wèi)星遙感和現(xiàn)場(chǎng)的在線監(jiān)測(cè)終端進(jìn)行組合。如果衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)出某一地區(qū)有發(fā)生山火的可能性，輸電線路的覆蓋輪廓圖上就會(huì)有紅色的預(yù)警燈顯示，可以看到山火的預(yù)警信息，如時(shí)間、經(jīng)緯度、線路、桿塔等，甚至于每個(gè)桿塔的覆冰數(shù)據(jù)都可以掌握。攝像終端可以看到桿塔的實(shí)際圖像，可以對(duì)輸電線路進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

云南的氣象臺(tái)和森林防火辦向云南電網(wǎng)提供森林防火數(shù)據(jù)，探測(cè)范圍可以達(dá)到半徑1.5 km，對(duì)于這個(gè)范圍內(nèi)的可疑熱點(diǎn)都可以探測(cè)到。預(yù)警系統(tǒng)發(fā)出山火預(yù)警信號(hào)。將警報(bào)信息傳送到后臺(tái)，工作人員根據(jù)數(shù)據(jù)可以對(duì)預(yù)警進(jìn)行判斷，并做出及時(shí)的應(yīng)對(duì)策略。

廣西電網(wǎng)也采用衛(wèi)星遙感系統(tǒng)對(duì)輸電線路的火險(xiǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)由南方衛(wèi)星遙感中心提供，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)具有很大的信息量，包括火情、水情、雪情等，可以對(duì)進(jìn)行溝通協(xié)調(diào)，以最快的速度來應(yīng)對(duì)火情故障，采用衛(wèi)星遙感技術(shù)已經(jīng)成功監(jiān)測(cè)了很多山火事件。

3 無線傳感技術(shù)

3.1 無線傳感器的探測(cè)量以及傳感器介紹

氣象會(huì)影響山火的發(fā)生，在林地地被物的含水率與森林火險(xiǎn)的等級(jí)有密切的關(guān)系，一般含水率越高，火險(xiǎn)等級(jí)就會(huì)越低。風(fēng)向和風(fēng)速也會(huì)影響林火的擴(kuò)散程度，降水量越大，對(duì)于降低火險(xiǎn)也越來有利。

以上這些氣象數(shù)據(jù)可以確定火災(zāi)的氣象指數(shù)、森林的火險(xiǎn)指數(shù)，并對(duì)火熱的蔓延范圍進(jìn)行預(yù)測(cè)。國外的山火研究機(jī)構(gòu)繪制了森林植被可燃性地圖，據(jù)此來指導(dǎo)當(dāng)?shù)氐纳交鸱乐巍?/p>

火災(zāi)探測(cè)器可以針對(duì)不同的火災(zāi)參數(shù)進(jìn)行探測(cè)，一般的火災(zāi)探測(cè)器有感溫式、感煙式、感光式、燃燒音、氣體式和圖像型六種。

3.2 基于局部傳感器的輸電線路山火監(jiān)測(cè)

傳感器的各種監(jiān)測(cè)方法如圖像識(shí)別、結(jié)合微氣象和紅外熱像儀、煙霧探測(cè)器和火焰探測(cè)器都具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。其中煙霧探測(cè)器的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)效果不明顯，紅外攝像技術(shù)可以精確的監(jiān)測(cè)山火。不論哪種方案都要有較強(qiáng)的電源支持，數(shù)據(jù)傳輸媒介要可靠，視頻傳輸要采用光纖通訊方式，現(xiàn)在的輸電線路山火監(jiān)測(cè)暫時(shí)還不能滿足以上需求。

4 結(jié) 語

通過以上對(duì)輸電線路山火預(yù)警技術(shù)的應(yīng)用介紹，該域的未來研究方向如下：要細(xì)化衛(wèi)星遙感探測(cè)的算法，要盡可能排除水洼和假熱點(diǎn)；要研究遠(yuǎn)距離和高精度的探測(cè)器，可以在火險(xiǎn)發(fā)生頻率的輸電桿塔上設(shè)置山火監(jiān)測(cè)終端；要繪制輸電線路的火險(xiǎn)分布圖，建立有效的特征數(shù)據(jù)庫。

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