青海電網(wǎng)山火分布及預(yù)防措施

蔣 玲，張永勝，董生成，王志惠 馬旭東，張成磊，馬志安，沈 潔

(1.國網(wǎng)青海省電力公司電力科學(xué)研究院，青海 西寧 810008；2.國網(wǎng)青海省電力公司，青海 西寧 810008；3.國網(wǎng)青海省電力公司海西供電公司，青海 西寧 817000)

0 引言

近年來，國內(nèi)外大大小小的山火事故發(fā)生不斷，給電力系統(tǒng)和國民經(jīng)濟(jì)造成了極其嚴(yán)重影響。如2019年四川涼山州木里縣森林由于雷擊樹木引發(fā)山火，2020年四川涼山州西昌市森林由于受特定風(fēng)力風(fēng)向作用導(dǎo)致電力故障再次引發(fā)山火，連續(xù)兩年的火災(zāi)事故造成了人力、物力及電網(wǎng)的巨大損失〔1,2〕。美國加州由于地中海氣候、豐富的森林資源及干旱高溫等特殊地理環(huán)境導(dǎo)致山火頻發(fā)，甚至導(dǎo)致加州電力出現(xiàn)數(shù)千兆瓦缺口〔3〕。又如2019年的澳洲山火燒到了2020年，毀壞面積巨大，甚至導(dǎo)致部分城鎮(zhèn)電力及通訊均中斷〔4,5〕。青海電網(wǎng)在2018年至2019年期間也發(fā)后發(fā)生三起因山火導(dǎo)致的線路跳閘故障。雖然自然環(huán)境無法改變，但對(duì)于電網(wǎng)而言，輸電線路路徑卻是可以盡量避免選擇在山火易發(fā)區(qū)域，如若無法完全避開，也可以根據(jù)路徑的實(shí)際情況采取必要的防范措施，這就需要根據(jù)地區(qū)山火等級(jí)情況進(jìn)行有針對(duì)性的規(guī)劃。因此，本文結(jié)合青海省植被分布情況、目前線路走廊山火隱患分布特征及有效火點(diǎn)密度等首度繪制了青海電網(wǎng)架空輸電線路山火分布圖，有利于今后輸電線路路徑的選擇及特殊時(shí)期運(yùn)維策略的制定。

1 引發(fā)青海山火的因素

山火具有明顯的季節(jié)、時(shí)段特點(diǎn)，與天氣狀況、地理環(huán)境、植被和人員活動(dòng)規(guī)律等有密切關(guān)系。一般認(rèn)為山火引起線路跳閘的故障機(jī)理是山火高溫燃燒造成熱空氣電游離 (山火燃燒溫度可達(dá)1 000 ℃以上, 而一般氣體明顯熱游離溫度為727 ℃)〔6〕,使輸電線導(dǎo)線空氣間隙絕緣強(qiáng)度降低并被擊穿而引發(fā)線路跳閘〔7,8〕。此外，據(jù)國內(nèi)外多年研究的結(jié)論，影響外絕緣強(qiáng)度的主要?dú)庀髤?shù)是氣壓、空氣密度和空氣濕度，這三個(gè)參數(shù)均隨海拔升高而有規(guī)律地降低〔9,10〕。青海電力所在的青藏高原，其獨(dú)特的地理自然環(huán)境對(duì)山火防治提出了更嚴(yán)苛的要求，即青海電網(wǎng)山火防治需考慮本地海拔、地形、氣候、植被分布等影響因素。

1.1 地形地貌

地形分布是決定輸電線路山火發(fā)生頻次的先決條件之一。青海地勢(shì)高聳且高差懸殊，全省平均海拔3 000米以上，最高點(diǎn)位于昆侖山的布喀達(dá)坂峰為海拔6 851米，最低點(diǎn)位于海東市民和縣馬場(chǎng)垣鄉(xiāng)境內(nèi)(青海省最東端)與甘肅交界處，海拔1 644米，海拔高差達(dá)5 207米〔11,12〕。全省地貌類型復(fù)雜多樣，有高聳挺拔的山脈、遼闊的高原、大小高度不等的盆地和緩起伏的丘陵以及寬展的谷地、幽深峽谷等〔13〕。丘陵谷地會(huì)因?yàn)闃淠?、森林雜布，輸電線路架設(shè)、人員活動(dòng)均較多，是輸電線路線下山火高發(fā)區(qū)域；平原地區(qū)，可能因農(nóng)作物燒荒而引起線下山火；高山地區(qū)相對(duì)來說人員活動(dòng)、輸電線路架設(shè)均較少，山火風(fēng)險(xiǎn)小。表1統(tǒng)計(jì)了青海省不同高度帶及地形比重。

表1 青海省不同高度帶及地形比重統(tǒng)計(jì)表

由上表可以發(fā)現(xiàn)，省境內(nèi)海拔3 000 m以上地域占72%，2 000 m以下地區(qū)只占0.1%。山地面積占全省總面積的一半以上，海拔3 000 m以上的山地占全省總面積的五分之二以上。

1.2 氣候分布

青海省深居內(nèi)陸，遠(yuǎn)離海洋，雖處在暖溫帶維度，但由于受高原地形阻隔，降水稀少，形成以寒冷、干旱、多風(fēng)為特點(diǎn)的高原大陸性氣候〔14〕?？紤]植被燃燒與溫度分布、降水分布直接相關(guān)，青海省在此兩方面的特征為：

(1)氣溫普遍較低，地區(qū)差異顯著，垂直變換明顯

全省年平均氣溫-5.6 ℃～8.9 ℃。海拔高度不同，各地氣溫差異很大，如青海東部平均海拔2 500 m以下，年均氣溫3 ℃～9 ℃，成為全省的暖區(qū)〔15,16〕。西北部柴達(dá)木盆地、共和盆地等，平均海拔3 000 m左右，年均溫2 ℃～5 ℃，成為全省的次暖區(qū)；海拔4 700 m以上的青南高原可可西里、東昆侖山地、祁連山地等，年均溫-4 ℃以下，成為全省冷區(qū)，其他區(qū)域年均溫在2 ℃左右，成為全省次冷區(qū)〔17〕。

(2)降水量少，且地域差異大，季節(jié)變化明顯

全省年平均降水量15.0 mm～750 mm，降水量總體呈現(xiàn)東多西少南多北少格局〔18〕。降水量季節(jié)變化明顯，巴顏喀拉山以北降水量集中于5～9月，以南集中于6～9月，此間降水量約占半年的一半以上；東部農(nóng)業(yè)區(qū)近40 %的降水量集中于7月、8月，11月至翌年3月的降水量僅占全年的1 %～5 %〔18〕。

1.3 植被情況

依據(jù)青海省政府信息與政務(wù)公開辦公室發(fā)布的地理和自然狀況信息顯示〔19〕：全省林地總面積1 096萬公頃，占全省國土面積的15.3 %。森林面積452萬公頃，森林覆蓋率達(dá)到6.3 %，,現(xiàn)有森林公園23處、總面積54萬公頃，其中國家級(jí)森林公園7處、面積29萬公頃，省級(jí)森林公園16處、面積25萬公頃。全省草地面積4 193.33萬公頃。國家級(jí)良種基地4個(gè)，面積0.11萬公頃。全省濕地面積814.36萬公頃，占全國濕地總面積的15.19 %，濕地面積居全國第一。有高等被子植物1.2萬種；

全省植被分布點(diǎn)多面廣，輸電線路山火防治不僅要考慮植被分布和類型，還需配合森林草原設(shè)防等級(jí)防范由線路故障等引起的火災(zāi)隱患。

2 青海電網(wǎng)輸電線路山火隱患

2.1 青海電網(wǎng)架空輸電線路山火隱患點(diǎn)分析

統(tǒng)計(jì)青海電網(wǎng)近5年內(nèi)，110 kV及以上架空輸電線路共發(fā)生山火事故7起，其中跳閘3起，引發(fā)山火的主要植被是雜草、灌木叢。故障信息見表2。

表2 青海電力系統(tǒng)110 kV及以上輸電線路走廊山火故障信息表

分析近5年山火故障跳閘事件，總結(jié)青海電力系統(tǒng)山火故障特征如下：

(1)山火跳閘一般發(fā)生在2月～4月，屬于冬季植被枯萎時(shí)節(jié)，大量的茅草、灌木等人為火源(燒荒、祭祀)著火，進(jìn)而形成大范圍山火。

(2)造成線路山火跳閘的主要原因在于線路周邊居民隱患意識(shí)不到位，上墳祭祀、盲目燒荒、燃放煙花爆竹等行為是引發(fā)山火的直接原因。

(3)線路走廊下方或附近易燃植被大規(guī)模燃燒后產(chǎn)生的火焰和濃煙(含草木灰)會(huì)造成線路高低壓端空氣間隙不足，進(jìn)而造成線路放電接地。

在防范輸電線路因山火而跳閘的同時(shí)，也需要重點(diǎn)防范因輸電線路本身缺陷或故障進(jìn)而引發(fā)線下森林草原火災(zāi)，考慮森林草原性質(zhì)及防護(hù)等級(jí)，梳理得出了青海電網(wǎng)架空輸電線路穿越森林草原隱患點(diǎn)50處，在山火圖繪制時(shí)需特別考慮。

結(jié)合青海電力系統(tǒng)山火故障統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)及結(jié)論，為準(zhǔn)確掌握架空線路山火防治重點(diǎn)區(qū)域，對(duì)距離架空輸電線路3千米范圍內(nèi)，存在零星祭祀、燒荒、燃放煙花等人為火源且附近有易燃植被覆蓋，可能因山火導(dǎo)致架空輸電線路運(yùn)行故障的地點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，最終梳理得出青海電網(wǎng)輸電線路走廊存在245個(gè)山火隱患點(diǎn)，其不同類型山火隱患點(diǎn)個(gè)數(shù)見表3,結(jié)果顯示祭祀活動(dòng)產(chǎn)生的隱患比重最大，其次是燒荒。

表3 青海電力系統(tǒng)110 kV及以上輸電線路走廊山火隱患點(diǎn)統(tǒng)計(jì)表

2.2 山火防控重點(diǎn)

歸類青海電網(wǎng)山火故障和輸電線路走廊山火隱患點(diǎn)，可總結(jié)如下山火防控重點(diǎn)：

(1)冬末春初，植被枯萎堆積，少雨干燥，氣溫上升，由季節(jié)氣候變化調(diào)整防山火力度。

(2)防范人為因素引起的山火隱患，如秋末冬初，天氣干燥多風(fēng)期間農(nóng)民燒荒，冬至、小年、春節(jié)、清明前后集中祭祀掃墓等。加強(qiáng)對(duì)統(tǒng)計(jì)線路重電區(qū)段的防山火力度，由山火隱患點(diǎn)調(diào)整防山火資源配置。

(3)做好人員活動(dòng)密集處的防山火宣傳工作。

3 山火分布圖繪制

結(jié)合青海電網(wǎng)地域特色，根據(jù)架空輸電線路山火分布圖繪制導(dǎo)則繪制青海電網(wǎng)輸電線路山火分布圖。具體過程是將火點(diǎn)密度分布圖代入輸電線路GIS圖作為底圖，疊加植被燃燒危害等級(jí)分布圖后得到輸電線路山火風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)圖，綜合山火隱患數(shù)據(jù)和輸電線路運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行修正得到成圖，繪制程序如圖1〔20〕。

圖1 架空線路山火圖繪制程序

架空輸電線路山火分布圖是山火風(fēng)險(xiǎn)劃分的最終結(jié)果，根據(jù)繪制導(dǎo)則確定青海電網(wǎng)的火點(diǎn)密度分級(jí)、植被燃燒危害分級(jí)以及山火風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)，最終成圖能清晰地展現(xiàn)青海各地區(qū)及架空線路所在位置的山火風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，為實(shí)現(xiàn)山火防治資源優(yōu)化配置和新建、改建架空輸電線路防山火規(guī)劃設(shè)計(jì)提供參考。

3.1 火點(diǎn)密度分布圖層

火點(diǎn)密度分布圖層原始數(shù)據(jù)為青海省近5年衛(wèi)星火點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和林業(yè)部門發(fā)布的火點(diǎn)數(shù)據(jù)及線路運(yùn)維人員上報(bào)的山火信息，如圖2所示。通過數(shù)據(jù)篩選刪除無效熱點(diǎn)，如一些常規(guī)熱源(磚廠、工業(yè)煙囪)、非火源引起的異常高溫點(diǎn)(建筑物反射、太陽耀斑)、不會(huì)引發(fā)山火的火源(部分農(nóng)民燒荒、焚燒秸稈)等，得到全省有效火點(diǎn)101個(gè)，其中海東和果洛等地較為集中。

圖2 衛(wèi)星火點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)+林業(yè)部門發(fā)布的林火監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

將得到的有效火點(diǎn)數(shù)據(jù)經(jīng)火點(diǎn)密度計(jì)算，利用ArcGIS軟件進(jìn)行克里金插值計(jì)算，得知全省火點(diǎn)密度分級(jí)為一級(jí)，表示無火點(diǎn)或火點(diǎn)極少，山火發(fā)生的可能性小，這與本地區(qū)地廣人稀且廣布濕地沼澤、無人區(qū)的特征相符合。

3.2 植被燃燒危害等級(jí)分布圖層

植被燃燒危害等級(jí)由各地植被類型與山火的關(guān)系確定。青海省全省分布的林地和疏林地按山系劃分時(shí)，分別屬于祁連山、西頃山、巴顏喀拉山、東昆侖山和唐古拉山5條山脈，各山系森林資源面積占全省森林資源面積比例如圖3所示，各山系植被類型及位置見表4所示〔21〕。

圖3 各山系森林資源面積占比圖

表4 各山系主要植被類型及分布位置

根據(jù)植被類型及位置與山火的關(guān)系，并考慮青海電網(wǎng)架空輸電線路穿越森林草原的50處隱患點(diǎn)，最終確定了青海省植被燃燒危害等級(jí)圖，如圖4所示。

圖4 青海電網(wǎng)植被燃燒危害等級(jí)圖

3.3 山火風(fēng)險(xiǎn)分布圖層

山火風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)原則上按照“植被燃燒危害等級(jí)與火點(diǎn)密度等級(jí)求平均后向上取整”的方式獲得，考慮全省無人區(qū)(如可可西里等區(qū)域)、祁連山脈、昆侖山脈等地火點(diǎn)密度低、植被燃燒危害等級(jí)較高，依據(jù)線路運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)將該類地區(qū)山火風(fēng)險(xiǎn)設(shè)為一級(jí)，但為保障輸電線路和森林資源安全，將穿越該類地區(qū)的線路周邊、鄉(xiāng)鎮(zhèn)府、公路、旅游景點(diǎn)、村莊、集中游牧點(diǎn)等區(qū)域5 km以內(nèi)地段設(shè)置為二級(jí)?？紤]水體具備天然的隔火帶作用，將非一級(jí)區(qū)域的水體邊緣劃分為一級(jí)，進(jìn)行等級(jí)過渡。

最終層圖結(jié)果顯示：

(1)青海省山火風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)最高為三級(jí)。

(2)西寧和海東火點(diǎn)密度較大、植被燃燒危害等級(jí)三級(jí)及以上片區(qū)較多，考慮人員活

紛繁、線路密集，將全境設(shè)為山火風(fēng)險(xiǎn)三級(jí)。

(3)對(duì)架空線路跨越五大山系森林且火點(diǎn)密度和植被燃燒危害等級(jí)較高或人員活動(dòng)較集中的少數(shù)地段(巴顏喀拉山系班瑪東南地區(qū)、通天河中游和下游、囊謙縣東南扎曲河下游地區(qū)、祁連縣北植被燃燒等級(jí)為四級(jí)地段、阿尼瑪卿山至龍羊峽水庫河流沿線附近、同仁縣及尖扎縣周邊、天峻縣沿布哈河下游至青海南山北糜地段)山火風(fēng)險(xiǎn)設(shè)為三級(jí)，柴達(dá)木盆地腹地、可可西里等無人區(qū)和各水體山火風(fēng)險(xiǎn)設(shè)為一級(jí)。

(4)其余地區(qū)山火風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)設(shè)為二級(jí)。

3.4 輸電線路走廊山火隱患點(diǎn)分布圖層

輸電線路走廊山火隱患點(diǎn)分布圖層是依據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和山火隱患數(shù)據(jù)對(duì)線路走廊通道的火災(zāi)隱患進(jìn)行分級(jí)，該圖層最終將用于對(duì)山火風(fēng)險(xiǎn)分布圖的修正。具體過程是在全省網(wǎng)架線路走廊，利用表2的山火跳閘故障數(shù)據(jù)、表3中245處具體的輸電線路走廊山火隱患點(diǎn)和統(tǒng)計(jì)得到的50處架空線路穿越森林草原隱患點(diǎn)進(jìn)行分析，依據(jù)山火隱患點(diǎn)所在隱患直徑、森林設(shè)防等級(jí)和線路穿越的實(shí)際情況對(duì)線路走廊山火隱患進(jìn)行分級(jí)。表5羅列了部分輸電線路走廊山火隱患點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

表5 青海電網(wǎng)架空線路部分山火隱患分級(jí)統(tǒng)計(jì)表

3.5 山火分布圖成圖

在山火風(fēng)險(xiǎn)分布圖的基礎(chǔ)上，經(jīng)輸電線路走廊山火隱患點(diǎn)分布圖的修正和相應(yīng)平滑處理。山火分布圖劃分山火風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)由輕到重為一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)、四級(jí)區(qū)域，最終得到的青海電網(wǎng)架空輸電線路山火分布圖，不僅體現(xiàn)了當(dāng)前線路通道的山火隱患防范等級(jí)，也整體體現(xiàn)了全省的山火隱患分布，可為輸電線路防山火資源差異化配置和今后線路規(guī)劃提供參考依據(jù)，成圖如圖5所示。

圖5 青海電網(wǎng)架空輸電線路山火分布圖

3.6 山火圖的使用

(1)運(yùn)維單位對(duì)參照山火分布圖，逐基排查存在山火隱患風(fēng)險(xiǎn)的線路桿塔，并按照風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)高低逐步整改到位。

(2)運(yùn)維單位可根據(jù)山火分布圖對(duì)架空輸電線路采取分區(qū)域、分時(shí)段、有重點(diǎn)的差異化防范措施：對(duì)本地區(qū)防山火重點(diǎn)區(qū)段加強(qiáng)巡視力度并提前制定防控措施，對(duì)山火風(fēng)險(xiǎn)三級(jí)區(qū)域以及穿越林區(qū)四級(jí)風(fēng)險(xiǎn)線路區(qū)域，按照季節(jié)調(diào)整(縮短)巡視周期。

(3)新建線路宜避開山火易發(fā)區(qū)(如成片林區(qū)、竹林區(qū)、多墳區(qū)、人口密集區(qū)及農(nóng)耕習(xí)慣性燒荒區(qū)等)，無法避讓時(shí)，宜采用高跨設(shè)計(jì)，并適當(dāng)提高安全裕度；無法采用高跨設(shè)計(jì)時(shí)，重要輸電線路應(yīng)按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)開展通道清理；設(shè)計(jì)階段當(dāng)線路經(jīng)過線路山火風(fēng)險(xiǎn)三級(jí)區(qū)域時(shí)，應(yīng)適當(dāng)提高導(dǎo)線對(duì)地距離。

4 結(jié)論

輸電線路山火跳閘通常因輸電導(dǎo)線的電氣外絕緣遭山火破壞而導(dǎo)致放電產(chǎn)生，防山火工作是一項(xiàng)長期、艱巨的任務(wù)，需要排查到位、全面監(jiān)控、主動(dòng)防范、及時(shí)發(fā)現(xiàn)及時(shí)響應(yīng)、果斷處置，才能有效杜絕輸電線路山火跳閘。近幾年青海電網(wǎng)構(gòu)架不斷壯大，架設(shè)輸電線路覆蓋區(qū)域愈加廣闊。為應(yīng)對(duì)高海拔、獨(dú)特的高原山地氣候、紛繁對(duì)樣的地形地貌、星羅棋布的復(fù)雜植被和高頻次的人員活動(dòng)(燒荒、祭祀等)，依據(jù)青海地區(qū)衛(wèi)星監(jiān)測(cè)火點(diǎn)數(shù)據(jù)、本地區(qū)植被數(shù)據(jù)、架空線路山火隱患和運(yùn)行數(shù)據(jù)等，經(jīng)過綜合考慮滾動(dòng)制定青海電網(wǎng)架空線路山火分布圖。

架空線路山火分布圖是指導(dǎo)各運(yùn)維單位開展架空輸電線路山火防治工作的基礎(chǔ)，是實(shí)現(xiàn)山火防治資源優(yōu)化配置，提高青海電網(wǎng)山火防治水平的重要工具，可為新建、改建架空輸電線路防山火規(guī)劃設(shè)計(jì)的重要參考。