電力氣象災(zāi)害時(shí)空分布特征及其影響分析

甘肅省環(huán)縣氣象局 宋亞男，王娟，李巧霞

作為城市的經(jīng)濟(jì)命脈，電網(wǎng)是城市可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。在現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展中，我國(guó)輸電線路的建設(shè)技術(shù)也在不斷發(fā)展。如電線電路的長(zhǎng)度和擴(kuò)張容量也在不斷增加，對(duì)整個(gè)電網(wǎng)的安全性和穩(wěn)定性也帶來(lái)了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。如何在惡劣的氣候環(huán)境下保證電網(wǎng)的穩(wěn)定質(zhì)量，成為了電力部門的關(guān)注重點(diǎn)。為了有效應(yīng)對(duì)電網(wǎng)的安全事故問(wèn)題，要積極采用科學(xué)的管控措施來(lái)減少和規(guī)避電力風(fēng)險(xiǎn)，盡可能保證電力系統(tǒng)的生產(chǎn)質(zhì)量。

一、相關(guān)概念簡(jiǎn)述

（一）氣象災(zāi)害時(shí)空分布特點(diǎn)的價(jià)值

一些研究表示，通過(guò)分析電力氣象災(zāi)害分布圖可以分析電力災(zāi)害的時(shí)空特點(diǎn)，并結(jié)合其災(zāi)害情況對(duì)時(shí)空分布進(jìn)行詳細(xì)分析。一些研究表明，可結(jié)合電網(wǎng)絕緣強(qiáng)度和雷電的頻繁情況給出危險(xiǎn)雷電分布圖，并基于雷電的分布情況提出防雷配置的基本原則和方法。也有理論表示，可基于電網(wǎng)的電力負(fù)荷來(lái)考慮氣象因子的特點(diǎn)和作用，但是大多人對(duì)電網(wǎng)的災(zāi)害分布和頻次認(rèn)識(shí)不足，無(wú)法結(jié)合地域情況分析氣象災(zāi)害和其時(shí)空分布特點(diǎn)，總結(jié)相應(yīng)的災(zāi)害特點(diǎn)和分布規(guī)律，無(wú)法對(duì)電網(wǎng)災(zāi)害的問(wèn)題提出針對(duì)性的參考。

（二）簡(jiǎn)述氣象災(zāi)害及其特點(diǎn)

氣象災(zāi)害對(duì)電網(wǎng)生產(chǎn)的影響包括雷擊、污閃、外力破壞以及風(fēng)害等。結(jié)合電網(wǎng)的生產(chǎn)特點(diǎn)來(lái)看，因?yàn)闅庀蟓h(huán)境具有周期性和波動(dòng)性特點(diǎn)，在一些氣候變化的大環(huán)境下，一些惡劣天氣和極端事件的發(fā)生概率增加，而裸露在外界環(huán)境的架空輸電線路和變電設(shè)備也存在一些問(wèn)題，導(dǎo)致其安全運(yùn)行受氣象環(huán)境影響。

從概念上來(lái)看，氣象災(zāi)害的作用表現(xiàn)為大氣環(huán)境對(duì)輸電線路釋放能量，直接導(dǎo)致電氣故障，可導(dǎo)致線路強(qiáng)迫停運(yùn)或者是大范圍停電。如常見的臺(tái)風(fēng)吹斷桿塔、閃絡(luò)跳閘、雷電擊穿絕緣設(shè)備等。對(duì)氣象的微觀積累要素進(jìn)行分析可知，不同的氣象環(huán)境對(duì)輸變電設(shè)備的絕緣結(jié)構(gòu)、磨損老化以及結(jié)構(gòu)應(yīng)力等都有影響?？赏ㄟ^(guò)相對(duì)濕度、風(fēng)速以及氣壓、大氣污染等作用觀察在氣象災(zāi)害影響下的變化規(guī)律和特點(diǎn)，可研究氣象災(zāi)害的實(shí)際特點(diǎn)，結(jié)合一些特殊的機(jī)理模型全面掌握氣象對(duì)輸電線路的作用和規(guī)律，進(jìn)而為后期風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警管理、災(zāi)害的在線故障預(yù)測(cè)等做好鋪墊工作，最終保證輸電線路的運(yùn)行安全和穩(wěn)定。

二、案例資料分析

氣象研究表示，造成電力氣象災(zāi)害的因素較多，其中包括高溫、雷電以及冰災(zāi)等，這些都有可能引發(fā)電力輸送問(wèn)題。因?yàn)楸鶠?zāi)和高溫的影響范圍大、波及面廣，電力氣象災(zāi)害問(wèn)題也十分嚴(yán)重，因此可能會(huì)加重電網(wǎng)的大面積受損。如湖南省的電網(wǎng)因?yàn)楸鶅鎏鞖庥绊懯艿絿?yán)重破壞，在2008年，湖南省電網(wǎng)除湘西、湘北地區(qū)都出現(xiàn)了停運(yùn)問(wèn)題，連續(xù)的惡劣天氣對(duì)電網(wǎng)的生產(chǎn)和運(yùn)行帶來(lái)了嚴(yán)重的影響，也威脅了人們的生活和社會(huì)的穩(wěn)定。此外，因?yàn)槌掷m(xù)的高溫影響，一些地區(qū)可能出現(xiàn)嚴(yán)重的高溫天氣，一方面會(huì)導(dǎo)致用電負(fù)荷增加，導(dǎo)致電力系統(tǒng)波動(dòng)，另一方面高溫天氣也會(huì)對(duì)電力電纜造成影響，電力單位要及時(shí)調(diào)整電網(wǎng)體系，預(yù)防用電過(guò)量的問(wèn)題。本文結(jié)合電力冰凍和高溫災(zāi)害進(jìn)行分析，對(duì)高溫、冰凍災(zāi)害的失控分布特點(diǎn)以及電力影響問(wèn)題進(jìn)行分析，以降低自然災(zāi)害。

（一）資料來(lái)源

本次研究選取A地96個(gè)氣象站在1987-2017年的逐日覆冰、冰凍日數(shù)等資料，統(tǒng)計(jì)月平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫進(jìn)行分析，所有的資料都來(lái)源于當(dāng)?shù)貧庀髾n案館。

（二）標(biāo)準(zhǔn)冰厚計(jì)算分析

可結(jié)合電線的覆冰，按照其厚度分為霧凇、混合凝結(jié)、雨凇、濕雪等，在實(shí)際的研究中為了體現(xiàn)氣象資料的可比性，可見觀冰站的資料更換成0.9 g/cm 3的標(biāo)準(zhǔn)冰，測(cè)量時(shí)需要根據(jù)實(shí)際測(cè)覆冰的長(zhǎng)短來(lái)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)的冰厚。

（三）分析冰凍災(zāi)害的時(shí)空分布特點(diǎn)

結(jié)合A地不同時(shí)間段的覆冰厚度變化可知，A地平均冰凍日對(duì)比，最長(zhǎng)時(shí)間可達(dá)6.8d，北部地區(qū)平均時(shí)間小于2d，而南部地區(qū)的冰凍時(shí)間約為6-9d。可結(jié)合觀測(cè)站點(diǎn)的冰凍積累日進(jìn)行分析，一般累積冰凍日的最大值為東部，超過(guò)了360d，此外，在東南部部分地區(qū)有200d、210d、215d，這些地區(qū)都是容易發(fā)生電力災(zāi)害的地區(qū)。整體而言，可結(jié)合當(dāng)?shù)刈畲蟾脖目臻g分布可知，當(dāng)?shù)貐^(qū)域整體呈現(xiàn)出地理冰厚度北部比南部厚、山地比丘陵厚等特點(diǎn)。

結(jié)合電力生產(chǎn)而言，當(dāng)?shù)?0年內(nèi)平均最大覆冰的厚度小于5mm，若排除極端天氣影響以及氣候影響，電力氣象的自然災(zāi)害發(fā)生率不高。若平均最大覆冰厚度達(dá)到25-30mm，發(fā)生電力氣象災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)較大，覆冰在15-25mm區(qū)間，發(fā)生電力氣象災(zāi)害較為頻繁。從整個(gè)覆冰的空間分布、平均冰凍日的空間分布以及最低氣溫分布情況來(lái)看，一般最大覆冰厚度超過(guò)25mm的地區(qū)更容易發(fā)生電力災(zāi)害問(wèn)題?？山Y(jié)合湖南省最大覆冰的空間分布情況，平均冰凍日數(shù)的空間分布特點(diǎn)來(lái)確定災(zāi)害問(wèn)題。

（四）探討高溫災(zāi)害的時(shí)空分布特征

通過(guò)科學(xué)的研究分析方法，可宏觀掌握氣象災(zāi)害對(duì)輸電線路的影響，因?yàn)闅庀鬄?zāi)害具有時(shí)空分布規(guī)律，可結(jié)合輸電線路故障事件的時(shí)空分布特征以及氣象和線路的關(guān)系，科學(xué)分析線路的基本特征，降低氣象災(zāi)害對(duì)生產(chǎn)的影響。

首先，收集A地1998年-2018年近三十年的平均最高氣溫資料進(jìn)行對(duì)比統(tǒng)計(jì)，其中在6-8月的平均氣溫最高，而在A地北部地區(qū)的7月，平均氣溫在34℃以上的環(huán)境較長(zhǎng)，一般夏季體感舒適溫度在23-28攝氏度，氣象學(xué)家表示氣溫在35攝氏度可稱之為高溫天氣，而7月的平均氣溫較高，因此設(shè)置在34攝氏度，且容易發(fā)生電力氣象災(zāi)害問(wèn)題。整體而言，A地的北部地區(qū)更容易發(fā)生電力氣象災(zāi)害問(wèn)題。而東部的平均氣溫低于33攝氏度，因此發(fā)生電力高溫氣象災(zāi)害的可能性不大。

其次，分析高溫災(zāi)害對(duì)電力的影響。夏季高溫會(huì)影響電力負(fù)荷的效果，在連續(xù)的高溫、用電攀升的環(huán)境下，A地的最高氣溫可能會(huì)到35℃或超過(guò)這個(gè)臨界值，這也會(huì)增加供電設(shè)備、電力供應(yīng)的生產(chǎn)難度。整體而言，若電力線路發(fā)生過(guò)載問(wèn)題會(huì)直接威脅電網(wǎng)的運(yùn)行穩(wěn)定性，一般可能會(huì)導(dǎo)致頻繁跳閘，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致變壓器過(guò)熱燒毀，直接引發(fā)主電力設(shè)備生產(chǎn)問(wèn)題。在無(wú)法正常供電的環(huán)境下，夏季的氣溫不斷攀升也會(huì)導(dǎo)致電力負(fù)荷加大，若高溫天氣的電力線路超過(guò)限定符合值可能會(huì)使電力設(shè)備的壽命縮短，或引發(fā)火災(zāi)。

三、結(jié)論

近年來(lái)，我國(guó)電網(wǎng)建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，電網(wǎng)資源的生產(chǎn)模式和地域跨度也不斷增加，考慮到氣象災(zāi)害對(duì)電力非計(jì)劃停運(yùn)的影響，建議結(jié)合氣象災(zāi)害的特點(diǎn)，總結(jié)其時(shí)空分布特征和影響，進(jìn)而做好風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防和管控。本次研究以A地為研究對(duì)象，分析冰凍和高溫災(zāi)害的時(shí)空分布特征對(duì)電力生產(chǎn)的影響，可得出以下結(jié)論；第一，A地平均最大覆冰厚度超過(guò)25mm的地區(qū)容易引發(fā)電力冰凍災(zāi)害問(wèn)題。第二，電力冰凍的災(zāi)害形成或與自然災(zāi)害的形成溫度、降水以及相對(duì)濕度等因素有關(guān)。若平均氣溫接近于0攝氏度便可能有降水問(wèn)題發(fā)生，而相對(duì)濕度在80%時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致電覆冰等問(wèn)題，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致電力設(shè)施垮塌，對(duì)整個(gè)電力生產(chǎn)運(yùn)行帶來(lái)災(zāi)難性的影響。第三，夏季高溫也會(huì)影響電力負(fù)荷的生產(chǎn)效能，若平均最高氣溫超過(guò)34攝氏度，會(huì)直接對(duì)供電設(shè)備以及電網(wǎng)安全、電力供應(yīng)造成影響。

相關(guān)鏈接

電力是以電能作為動(dòng)力的能源。發(fā)明于19世紀(jì)70 年代，電力的發(fā)明和應(yīng)用掀起了第二次工業(yè)化高潮。成為人類歷史18世紀(jì)以來(lái)，世界發(fā)生的三次科技革命之一，從此科技改變了人們的生活。既是是當(dāng)今的互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代我們?nèi)匀粚?duì)電力有著持續(xù)增長(zhǎng)的需求，因?yàn)槲覀儼l(fā)明了電腦、家電等更多使用電力的產(chǎn)品。不可否認(rèn)新技術(shù)的不斷出現(xiàn)使得電力成為人們的必需品。20世紀(jì)出現(xiàn)的大規(guī)模電力系統(tǒng)是人類工程科學(xué)史上最重要的成就之一，是由發(fā)電、輸電、變電、配電和用電等環(huán)節(jié)組成的電力生產(chǎn)與消費(fèi)系統(tǒng)。

當(dāng)今是互聯(lián)網(wǎng)的時(shí)代，我們?nèi)匀粚?duì)電力有著持續(xù)增長(zhǎng)的需求，因?yàn)槲覀儼l(fā)明了電腦、家電等更多使用電力的產(chǎn)品。不可否認(rèn)新技術(shù)的不斷出現(xiàn)使得電力成為人們的必需品。

產(chǎn)生的方式主要有：火力發(fā)電(煤等可燃燒物)、太陽(yáng)能發(fā)電、大容量風(fēng)力發(fā)電技術(shù)、核能發(fā)電、氫能發(fā)電、水利發(fā)電等，21世紀(jì)能源科學(xué)將為人類文明再創(chuàng)輝煌。燃料電池燃料電池是將氫、天然氣、煤氣、甲醇、肼等燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的一類化學(xué)電源。生物質(zhì)能的高效和清潔利用技術(shù)生物質(zhì)能是以生物質(zhì)為載體的能量。

由于國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)由高速增長(zhǎng)期進(jìn)入平穩(wěn)增長(zhǎng)期，基建新增裝機(jī)規(guī)模將延續(xù)下降態(tài)勢(shì)，電力工程投資將進(jìn)一步放緩，新增電源裝機(jī)以清潔高效火電項(xiàng)目和清潔能源項(xiàng)目為主。

（2013年中國(guó)電力市場(chǎng)投資運(yùn)行態(tài)勢(shì)）中表示：火電方面，煤價(jià)的理性回歸將帶來(lái)煤電的進(jìn)一步融合，但火電投資仍將延續(xù)下滑態(tài)勢(shì)，下滑幅度或?qū)p小。由于火電與經(jīng)濟(jì)走勢(shì)密切相關(guān)，預(yù)測(cè)2013年火電項(xiàng)目投資仍將持續(xù)下滑。水電方面，隨著運(yùn)營(yíng)風(fēng)電收益率的下降，電企對(duì)風(fēng)電投資的動(dòng)力也在下降，預(yù)測(cè)2013年電源投資中有所增長(zhǎng)的將是水電投資。核電方面，隨著核電項(xiàng)目的重啟，2013年我國(guó)核電設(shè)備行業(yè)投資有望迎來(lái)新一輪增長(zhǎng)。

其他新能源方面，雖然國(guó)家支持新能源發(fā)展的產(chǎn)業(yè)政策將引發(fā)新一輪新能源發(fā)電投資熱潮，循環(huán)經(jīng)濟(jì)、節(jié)能環(huán)保和綠色低碳產(chǎn)業(yè)的發(fā)展空間將進(jìn)一步拓展，但由于近年來(lái)風(fēng)電、光伏、天然氣等新能源發(fā)展速度過(guò)快，市場(chǎng)已趨于飽和甚至過(guò)剩。