華北電網(wǎng)輸電線路受山火影響特征分析

張 雷

（國網(wǎng)公司華北分部華北電力調(diào)控分中心，北京 100053）

0 引言

我國北方地區(qū)氣候干燥，春季大風(fēng)天氣頻繁，同時受社會生產(chǎn)生活用火習(xí)慣影響，春節(jié)、春耕、清明節(jié)、中元節(jié)、秋收以及秋后燒荒等時期，民間用火頻繁［1］。架空輸電線路走廊穿越人類活動頻繁的山區(qū)、平原時，受用火影響，線路走廊易發(fā)生大范圍山火［2］。線路走廊穿過地勢起伏復(fù)雜的山谷叢林時，林區(qū)山火對電網(wǎng)安全的威脅隨之加劇［3］。

華北電網(wǎng)涵蓋北京、天津、河北、山西、山東及內(nèi)蒙古自治區(qū)部分區(qū)域，架空輸電線路密集，同桿并架線路多。因能源結(jié)構(gòu)分布不均，華北電網(wǎng)形成了顯著的西電東送、北電南送，潮流大范圍轉(zhuǎn)移的特征。同時，區(qū)域內(nèi)太行山脈、燕山山脈的地理特點，使得華北電網(wǎng)輸電線路穿過高山峻嶺地帶，獨特的地形地貌、氣候條件極易引發(fā)山火［4］。

2013—2018 年，華北電網(wǎng)500 kV 及以上電壓等級輸電線路走廊范圍內(nèi)，共記錄發(fā)生火情166 次，且呈逐年上升趨勢。各年度火情分布情況如圖1 所示。

山火對輸電線路及電網(wǎng)運行影響嚴(yán)重，給電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行帶來極大威脅。目前對于華北電網(wǎng)較長時期、較大范圍內(nèi)山火對線路影響的分析較少，尚未將分析結(jié)果針對性應(yīng)用于指導(dǎo)生產(chǎn)和指揮故障異常處置，僅在發(fā)現(xiàn)火情后，采取通用的預(yù)控措施和處置方式，在電網(wǎng)方式預(yù)安排、潮流預(yù)控等方面仍有較大優(yōu)化空間。

圖1 各地區(qū)影響輸電線路火情數(shù)量統(tǒng)計

對近年來輸電線路受山火影響的分析，統(tǒng)計山火在時間、空間上的分布規(guī)律，探究可以降低山火對電網(wǎng)安全運行影響的預(yù)控措施，提供針對山火威脅更為主動的防控措施。

1 華北區(qū)域山火數(shù)據(jù)分析

1.1 時間分布特性

華北地區(qū)春季多干旱大風(fēng)天氣，為山火的發(fā)生及發(fā)展提供了適宜的客觀條件。同時，春季人民生產(chǎn)生活活動逐步增多，燒荒、祭祀、踏青等活動均可能在野外使用火源。如火源控制不當(dāng)，極易引發(fā)山火。

2013—2018 年按月統(tǒng)計，華北電網(wǎng)500 kV 及以上電壓等級輸電線路走廊發(fā)生火情數(shù)量如圖2 所示。明顯可見，每年3—4 月是全年火情高發(fā)期。綜合6 年來看，3 月份發(fā)生火情占全年比例為27%，4 月份發(fā)生火情占全年比例為46%，合計已達(dá)到全年火情數(shù)量的73%。而7—9 月沒有火情發(fā)生的記錄。

圖2 火情數(shù)量按月統(tǒng)計

1.2 空間分布特性

華北地區(qū)地理形式復(fù)雜多樣，大部分平原地區(qū)已開墾為農(nóng)田，而山林谷地植被茂密。不同地區(qū)地勢、地貌差異較大，發(fā)生山火的概率也有較大差別。2013—2018 年按地區(qū)統(tǒng)計，華北電網(wǎng)500 kV 及以上電壓等級輸電線路走廊發(fā)生火情數(shù)量如圖3 所示。

圖3 火情數(shù)量按地區(qū)統(tǒng)計

記錄數(shù)據(jù)顯示，山西中南部和冀北唐山、承德地區(qū)是山火火情高發(fā)區(qū)域，兩地山火火情數(shù)量占總體比例分別為47.6%和44.6%，天津、冀南地區(qū)占比均不足1%。

2 山火對電網(wǎng)影響的特點

2.1 線路重合成功概率低

當(dāng)輸電線路下方發(fā)生山火時，導(dǎo)線周圍空氣溫度升高，空氣密度下降，熱游離現(xiàn)象增加，另外，植物燃燒后產(chǎn)生大量無機(jī)鹽，極易誘發(fā)線路閃絡(luò)。此外，山火持續(xù)時間遠(yuǎn)大于線路重合閘時間，導(dǎo)線長期處于惡劣環(huán)境中，發(fā)生閃絡(luò)后，導(dǎo)線周圍游離粒子數(shù)量進(jìn)一步增加，環(huán)境更加惡化。因此，線路單相故障后，重合閘動作成功的概率非常低，故障相電壓難以恢復(fù)，甚至由單相故障轉(zhuǎn)化為相間故障。2013—2018 年，華北電網(wǎng)500 kV 及以上電壓等級輸電線路走廊發(fā)生火情數(shù)量及線路跳閘相別情況如表1所示。

由表1 可見，山火導(dǎo)致線路跳閘共計37 條次，其中最初為單相故障跳閘的有26 條次，占比70%，但單相故障重合成功的比例僅有22%，而相同線路采樣范圍內(nèi)，線路受雷擊跳閘重合成功的概率超過90%。

表1 線路跳閘相別分析 條次

線路單相故障重合成功后，短時間內(nèi)（通常不超過15 s）再次發(fā)生單相故障時，線路重合閘將被閉鎖，這是導(dǎo)致線路單相故障未重合的主要原因。受山火影響的線路單相故障，未重合概率較高，達(dá)到22%。實際運行中，發(fā)生過同一條線路在1 min 之內(nèi)連續(xù)發(fā)生3 次單相故障的情況。線路短時間內(nèi)多次重合，對電網(wǎng)帶來較大沖擊，同時也給開關(guān)設(shè)備帶來嚴(yán)峻的考驗。

可見，輸電線路因山火原因發(fā)生故障跳閘后，能夠重合成功的概率較低，且重合成功后短時間內(nèi)再次發(fā)生故障跳閘的概率較大。因此，為減少故障對電網(wǎng)的沖擊，降低開關(guān)等設(shè)備的損壞風(fēng)險，應(yīng)考慮適時退出線路單相重合閘。

2.2 對電網(wǎng)方式破壞程度大

華北電網(wǎng)整體網(wǎng)架結(jié)構(gòu)較為堅強(qiáng)，但部分地區(qū)仍存在較為脆弱的局部方式。如廠站間僅通過單回線路連接的方式較多，同名雙回線路多為同桿并架，山西500 kV 外送通道，特別是山西北部地區(qū)外送斷面長期重載等。由于山火覆蓋范圍較大，持續(xù)時間較長，對上述薄弱方式影響尤為突出，給電網(wǎng)安全運行帶來極大威脅。

華北電網(wǎng)與華中電網(wǎng)為交流同步電網(wǎng)，僅通過1 000 kV 長南Ⅰ線維持交流聯(lián)系，華北電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖4 所示。2013-04-13T17∶03∶00，1 000 kV 長南Ⅰ線因山火發(fā)生跳閘，單相故障重合不成功，造成華北與華中兩個區(qū)域電網(wǎng)解列。故障前華北送華中實時功率約2 200 MW，解列后華北電網(wǎng)頻率升至50.06 Hz，發(fā)生大范圍潮流轉(zhuǎn)移，山東電網(wǎng)受電斷面功率由3 500 MW 飆升至4 280 MW，嚴(yán)重超過3 800 MW 的穩(wěn)定極限。由于山火火勢較大，在跳閘14 h 后線路才恢復(fù)送電。

圖4 華北電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

2015-04-17，府谷電廠唯一送出線路500 kV府忻Ⅱ線因山火（山西境內(nèi)）跳閘，造成府谷電廠全停，甩負(fù)荷1 200 MW，導(dǎo)致特高壓長南Ⅰ線功率瞬間波動超過800 MW。

2015-06-02T18∶15∶00—18∶26∶00，500 kV 大 房三回線因山火原因相繼跳閘。山西北部地區(qū)電源集中，大房三回線作為其外送斷面重要輸電通道，潮流長期重載。故障發(fā)生后，山西北部地區(qū)安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)正確動作，切除該地區(qū)2 臺600 MW 機(jī)組，特高壓長南Ⅰ線瞬間功率波動超過700 MW。后續(xù)處置過程中，降低山西送京津唐及河北南網(wǎng)計劃功率2 000 MW，并緊急通知京津唐及河北南網(wǎng)停備機(jī)組啟動并網(wǎng)。

2017-04-15 午后，唐山市境內(nèi)同時發(fā)生兩起山火火情，分別對500 kV 承姜雙回線和姜唐雙回線構(gòu)成嚴(yán)重威脅。根據(jù)相關(guān)規(guī)定，退出上述4 回線路單相重合閘。16 日夜間，500 kV 承姜Ⅱ線因山火跳閘。冀北唐承秦地區(qū)500 kV 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)如圖5 所示，承姜雙、姜唐雙是北電南送重要輸電通道，山火發(fā)生時，500 kV 姜太雙回線正處于停電計劃檢修階段。此時若因山火引發(fā)承姜雙、姜唐雙同時或先后跳閘，該地區(qū)500 kV 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)將被嚴(yán)重破壞，導(dǎo)致潮流大范圍轉(zhuǎn)移，甚至誘發(fā)電網(wǎng)穩(wěn)定問題。

圖5 唐承秦500 kV 網(wǎng)架

可見，山火災(zāi)害影響范圍廣，持續(xù)時間長，對同名線路或者處于相近走廊內(nèi)的非同名線路造成極大威脅，易導(dǎo)致雙回或多回線路短時間內(nèi)相繼跳閘，嚴(yán)重威脅電網(wǎng)安全運行。

2.3 對電網(wǎng)威脅時間長

2013-04-13T17∶00∶00 至2013-04-15T18∶00∶00的49 h 內(nèi)，特高壓1 000 kV 長南Ⅰ線76～79 號塔下方持續(xù)發(fā)生山火，造成長南Ⅰ線故障跳閘3 次，其中重合成功1 次，導(dǎo)致華北電網(wǎng)與華中電網(wǎng)解列2 次。

2013-05-13T12∶00∶00，特高壓1 000 kV 長南Ⅰ線42～52 號塔下方林地發(fā)生山火，油松燃燒產(chǎn)生大量濃煙，約3 h 后，長南Ⅰ線故障跳閘，華北電網(wǎng)與華中電網(wǎng)解列。隨后，山火向線路小號側(cè)蔓延，40～46號塔下方火勢兇猛，近區(qū)線路被濃煙籠罩。16 日上午風(fēng)力下降、火勢減小，09:00:00，長南Ⅰ線恢復(fù)送電。受山火影響，長南Ⅰ線停電時間接近70 h。

由于山火撲滅難度較大，特別是北方春季多大風(fēng)天氣，火借風(fēng)勢，火情極難控制。一旦山火發(fā)生，對輸電線路影響時間通常會超過12 h，導(dǎo)致電網(wǎng)長時間暴露在嚴(yán)重風(fēng)險之下。

3 山火影響下電網(wǎng)預(yù)控措施分析

3.1 停用線路重合閘

山火導(dǎo)致輸電線路故障跳閘后，重合成功概率較低，且在山火灼燒、濃煙籠罩的惡劣環(huán)境下，放電通道恢復(fù)條件差，易發(fā)生短時間內(nèi)連續(xù)多次跳閘的情況，給電網(wǎng)帶來多次沖擊，造成斷路器等設(shè)備頻繁開斷，使電網(wǎng)運行安全性和穩(wěn)定性大幅下降。因此，當(dāng)輸電線路受到山火影響時，應(yīng)結(jié)合電網(wǎng)實際情況，停用線路重合閘，充分做好線路故障停電的準(zhǔn)備，并在山火熄滅或遠(yuǎn)離后，及時將重合閘投入。

3.2 調(diào)整電網(wǎng)方式降低斷面潮流

當(dāng)輸電線路受到山火威脅時，應(yīng)盡快做好事故預(yù)想，特別是要考慮山火影響范圍內(nèi)同名線路故障跳閘的情況，提前調(diào)整電網(wǎng)方式，控制斷面潮流，做好最不利狀況下的事故預(yù)案。

在空間尺度做好電網(wǎng)故障處置預(yù)案的同時，還應(yīng)拉長時間尺度考慮山火影響。應(yīng)考慮線路長時間無法恢復(fù)送電狀況下，電網(wǎng)受到的影響，提前做好電力平衡、潮流極限控制、設(shè)備N-1 預(yù)控等相關(guān)措施。

3.3 優(yōu)化計劃檢修工作安排

根據(jù)對歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)的分析，相關(guān)部門應(yīng)做好年度、月度發(fā)輸變電設(shè)備計劃檢修安排。根據(jù)實際情況，盡量避免在每年3—4 月，安排山西中、南部地區(qū)，以及河北唐山、承德地區(qū)重要設(shè)備計劃檢修，防止在山火發(fā)生概率較高的時間、地區(qū)出現(xiàn)相對薄弱的電網(wǎng)方式。同時，上述地區(qū)包含了重要西電東送、北電南送輸電通道，若輸電線路受山火影響被迫停運，將使電網(wǎng)輸電能力降低，可能對受端電網(wǎng)的電力平衡產(chǎn)生較大影響。因此應(yīng)考慮在上述時間范圍內(nèi)，安排受端電網(wǎng)多留取旋轉(zhuǎn)備用容量。

3.4 加強(qiáng)線路巡檢與走廊清理

在每年2—3 月，輸電線路運維單位應(yīng)對山火易發(fā)地區(qū)內(nèi)的輸電線路走廊進(jìn)行巡線排查，對線下或附近堆放的易燃物品進(jìn)行清理，對過高樹木進(jìn)行修剪，在農(nóng)村地區(qū)加強(qiáng)燒荒等用火安全宣傳。在3—4月，應(yīng)加強(qiáng)線路巡查，做到對山火等異常風(fēng)險早發(fā)現(xiàn)、早匯報、早處置，盡可能降低山火對電網(wǎng)運行帶來的影響。

3.5 采用火情感知與預(yù)測技術(shù)

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，目前已經(jīng)可以通過衛(wèi)星遙感等手段，在山火發(fā)展之初即鎖定火情位置。衛(wèi)星遙感技術(shù)具有宏觀檢測的特點，可以對大面積的山林區(qū)域?qū)嵤┍O(jiān)測，并在短時間內(nèi)發(fā)現(xiàn)火災(zāi)疫情［5］。同時通過疊加氣象數(shù)據(jù)信息，預(yù)測火情的發(fā)展路徑。電力企業(yè)可以加強(qiáng)與氣象部門的合作，及時掌握山火發(fā)生、發(fā)展情況，做到未雨綢繆，從而提高電網(wǎng)安全性和穩(wěn)定性，提升電網(wǎng)運行、維護(hù)水平。

4 結(jié)語

基于對華北電網(wǎng)近6 年來山火火情記錄的分析，總結(jié)了華北區(qū)域山火發(fā)生的時間、空間規(guī)律。通過火情及輸電線路故障跳閘記錄的分析，展示了山火對500 kV 及以上電壓等級輸電線路造成影響的特點。最后，根據(jù)山火發(fā)生發(fā)展規(guī)律，以及對輸電線路影響的特點，提出了消除或減輕山火對電網(wǎng)造成不利危害的幾點措施，將“安全第一、預(yù)防為主”的電網(wǎng)治理原則細(xì)化、落實到日常工作之中。