南方電網(wǎng)架空線路因山火跳閘故障統(tǒng)計(jì)分析

周恩澤，龔博，劉淑琴，向諄，史曉楨，黃道春，陳鑫

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣東 廣州510080；2.南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，廣東 廣州510663；3.武漢大學(xué) 電氣與自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢430072)

我國的發(fā)電能源和負(fù)荷中心分布不平衡[1-2]，需要大容量、遠(yuǎn)距離傳輸電能。近年來，我國超特高壓電網(wǎng)發(fā)展十分迅速，輸電線路走廊緊張問題日益凸顯[3]。為了避開人口密集的工業(yè)區(qū)以及城市居民區(qū)，架空線路的架設(shè)位置一般選擇在植被茂密、人煙較少的山區(qū)田地。當(dāng)架空輸電線路下方茂密的植被發(fā)生火災(zāi)，劇烈燃燒的植被火會(huì)大幅度地降低輸電線路間隙絕緣強(qiáng)度，甚至引發(fā)導(dǎo)線相間以及導(dǎo)線對(duì)地的擊穿事故，每年各電壓等級(jí)輸電線路由于植被火災(zāi)害引發(fā)的線路跳閘事故時(shí)有發(fā)生[4]。國家電網(wǎng)220 kV及以上電壓等級(jí)輸電線路在2014年春季就有47條次受山火影響而緊急停運(yùn)，213條次退出重合閘，南方電網(wǎng)轄區(qū)的云南、廣西、廣東、海南、貴州等地每年森林火災(zāi)次數(shù)占全國80%以上[5]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，南方電網(wǎng)2015—2019年輸電線路因山火災(zāi)害跳閘總數(shù)為304次，其中重合閘成功126次，僅占比41.4%。

文獻(xiàn)[6]以南方電網(wǎng)轄區(qū)內(nèi)2006—2010年的線路因山火跳閘事故為研究對(duì)象，分析地理位置、山火事故等因素對(duì)跳閘事故的影響。文獻(xiàn)[7]從線路電壓等級(jí)、故障時(shí)間分布、故障相分布等方面對(duì)南方電網(wǎng)2010年1—4月因山火引發(fā)的220 kV及以上電壓等級(jí)輸電線路跳閘情況進(jìn)行分析。文獻(xiàn)[8]以2009—2014年南方電網(wǎng)轄區(qū)500 kV及以上電壓等級(jí)輸電線路因山火跳閘狀況的數(shù)據(jù)為統(tǒng)計(jì)對(duì)象，分析典型事故過程序列及地形地貌等因素對(duì)線路因山火跳閘的影響。文獻(xiàn)[9]分別從時(shí)間和空間2個(gè)維度對(duì)南方電網(wǎng)2000—2015年山火跳閘事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分布規(guī)律分析，在此基礎(chǔ)上初步識(shí)別和劃分南方五省輸電線路因山火跳閘事故高發(fā)的重災(zāi)區(qū)。通過總結(jié)發(fā)現(xiàn)，目前已有不同年份南方電網(wǎng)輸電線路因山火跳閘事故的規(guī)律分析[10]，但沒有進(jìn)一步將跳閘事故頻率和影響線路絕緣水平降低的因素關(guān)聯(lián)起來，并且缺少易引發(fā)線路因山火跳閘的高風(fēng)險(xiǎn)植被類型的統(tǒng)計(jì)與分析。

本文根據(jù)南方電網(wǎng)各省級(jí)電網(wǎng)運(yùn)維單位及超高壓公司提供的數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)2015—2020年南方電網(wǎng)轄區(qū)內(nèi)110 kV及以上電壓等級(jí)共計(jì)377次交直流輸電線路因山火跳閘事故，通過分析輸電線路因山火跳閘故障的時(shí)空分布規(guī)律，找出輸電線路因山火跳閘的主要原因、誘發(fā)因素的時(shí)空分布規(guī)律和高風(fēng)險(xiǎn)植被類型，為山火風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警和調(diào)度方式提供參考，減小山火對(duì)輸電線路造成的影響。

1 山火跳閘時(shí)空分布規(guī)律統(tǒng)計(jì)

1.1 時(shí)間分布規(guī)律

南方電網(wǎng)2015—2019年架空線路因山火跳閘月度分布統(tǒng)計(jì)如圖1所示。由圖1可知，南方電網(wǎng)架空線路因山火跳閘時(shí)間分布具有較強(qiáng)的季節(jié)性特點(diǎn)。每年進(jìn)入2月后，山火導(dǎo)致的輸電線路跳閘事故急劇增多，初春的2—4月是跳閘事故的頻發(fā)時(shí)期。每年該時(shí)間段適逢氣候干燥時(shí)期，植被含水率不高，干枯且易被點(diǎn)燃，因此極易引發(fā)大面積山火災(zāi)害。同時(shí)2—4月內(nèi)冬春季燒荒、春節(jié)慶典及清明祭祖等用火行為頻發(fā)，因此每年該時(shí)期內(nèi)人為用火引發(fā)的山火也占很大比例。在這3個(gè)月出現(xiàn)的山火災(zāi)害具有過火面積大、影響范圍廣等特點(diǎn)，往往會(huì)導(dǎo)致同一條輸電線路上相鄰的多個(gè)桿塔或者相鄰輸電線路均發(fā)生跳閘事故，甚至?xí)霈F(xiàn)同一線路的同一桿塔在短時(shí)間內(nèi)多次跳閘的現(xiàn)象。因此每年進(jìn)入2月后需要針對(duì)輸電線路走廊山火災(zāi)害進(jìn)行重點(diǎn)預(yù)防。

圖1 2015—2019年架空線路因山火跳閘次數(shù)月度分布統(tǒng)計(jì)Fig.1 Monthly distribution statistics of transmission line tripping caused by mountain fires from 2015 to 2019

按日期統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，2月跳閘事故發(fā)生日期在小年、春節(jié)、元宵節(jié)等傳統(tǒng)節(jié)日的次數(shù)為12次，占2月跳閘總數(shù)的14.6%；4月跳閘事故發(fā)生日期在清明節(jié)前后的次數(shù)高達(dá)29次，占4月跳閘總數(shù)的43.3%。

架空線路因山火跳閘按時(shí)段分布統(tǒng)計(jì)如圖2所示，可以看出架空線路因山火跳閘發(fā)生時(shí)段主要集中在12：00—16:00。因山火導(dǎo)致的輸電線路跳閘事故易發(fā)生在全天日照最充足且氣溫最高的時(shí)候，相較于中午和下午而言，晚上和凌晨山火跳閘事故發(fā)生的概率較小。

圖2 架空線路因山火跳閘時(shí)段分布統(tǒng)計(jì)Fig.2 Time distribution statistics of transmission line tripping caused by mountain fires

1.2 空間分布規(guī)律

2015—2020年南方電網(wǎng)各轄區(qū)因山火跳閘數(shù)量分布統(tǒng)計(jì)為：云南88次，貴州68次，廣西59次，廣東73次，海南54次，另外超高壓公司35次(占比9.3%)。各省級(jí)電網(wǎng)因山火跳閘數(shù)量均在50次及以上，云南電網(wǎng)山火跳閘數(shù)量最多，占南方電網(wǎng)轄區(qū)總數(shù)的23.3%。云南省地形為山地高原地形，山地面積占云南省國土面積的88.64%，山地林區(qū)發(fā)生的山火更容易引發(fā)輸電線路跳閘[11]。

以廣東電網(wǎng)為例：清遠(yuǎn)供電局和韶關(guān)供電局輸電線路因山火跳閘次數(shù)分別為28次和26次，各占比38.4%和35.6%；其次為河源市供電局，因山火跳閘次數(shù)為9次，占比12.3%。這3個(gè)市均在粵北地區(qū)，地勢較高，地形主要為山地丘陵，平原、臺(tái)地面積僅占20%，而且植被茂盛，因此易發(fā)生大面積森林火災(zāi)。對(duì)廣東電網(wǎng)清遠(yuǎn)供電局因山火跳閘事故的具體線路統(tǒng)計(jì)分析表明，陽旗甲乙線、七楊線、太楊線、浸七線等線路的跳閘次數(shù)遠(yuǎn)高于其他線路。

綜上分析可知，輸電線路因山火跳閘事故主要集中在某些線路走廊的特定區(qū)段內(nèi)，輸電線路因山火跳閘事故時(shí)間也集中于某一具體時(shí)間段內(nèi)。因此，需要對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)特定線路在山火跳閘事故易發(fā)生的時(shí)間段內(nèi)加強(qiáng)監(jiān)督管理。

2 架空線路因山火跳閘影響因素分析

2.1 海拔高度影響分析

根據(jù)我國多級(jí)地勢特征，選取500 m、1 000 m、1 500 m、3 000 m和5 000 m作為海拔分區(qū)指標(biāo)，將地形劃分為丘陵、低山、中山、高山和極高山。同時(shí)參考中國1∶106數(shù)字地貌分類系統(tǒng)的海拔分級(jí)方案[12]，以最大限度突出指標(biāo)的地理意義，確定本文的海拔分區(qū)方式，見表1。

表1 海拔分區(qū)方式Tab.1 Altitude divisions

廣東北部地區(qū)的山地為南嶺的重要組成部分，海拔在1 000～1 500 m[13]，東南地區(qū)廣泛分布著海拔高度100～500 m的丘陵地形，雷州半島和粵東的陸豐為海拔高度100 m以下的臺(tái)地地形。廣西的山地主要以海拔高于800 m的中等高度山脈為主，海拔在200～400 m的丘陵占全省面積的10.3%[12]。通過海拔高度可以將云南省地形分為3個(gè)梯層，第1、2、3梯層整體海拔分別為3 000～4 000 m、2 300～2 600 m、1 200～1 400 m[14]。貴州省地貌主要為高原山地，全省平均海拔約1 100 m[15]，整體呈現(xiàn)西高東低的態(tài)勢，通過海拔高度可以分為3級(jí)階梯，第1級(jí)階梯平均海拔高度高于1 500 m，第2級(jí)階梯平均海拔高度800～1 500 m，第3級(jí)階梯平均海拔高度低于800 m。海南省以海南島為例，平均海拔高度120 m，山脈的海拔高度大多在500～800 m，并且以丘陵和低山地形為主[16]。

架空輸電線路因山火跳閘海拔分布統(tǒng)計(jì)如圖3所示。在有海拔記錄的277次山火跳閘事故中，156次發(fā)生在海拔500 m以下，占比56.3%。主要原因是南方電網(wǎng)所轄五省區(qū)的地形以低海拔的平原和丘陵為主，且輸電線路架設(shè)的通道也主要集中在低海拔地區(qū)。山火跳閘事故發(fā)生次數(shù)第2位的海拔段在1 500～3 500 m。通過對(duì)云南、貴州的林型分布海拔調(diào)查可知，在1 500 m以上的山地內(nèi)，落葉闊葉林、針闊混交林、針葉林以及草甸依然廣泛分布，并且其中以針闊混交林和針葉林為主，這2種植被極易引發(fā)山火，進(jìn)而導(dǎo)致輸電線路跳閘事故。

圖3 架空輸電線路因山火跳閘海拔分布統(tǒng)計(jì)Fig.3 Statistics on altitude distribution of transmission line tripping caused by mountain fires

2.2 地面坡度影響分析

坡度對(duì)山火跳閘影響主要體現(xiàn)在對(duì)局部火焰特征的影響，一般坡度增加10%，山火傳播速度增大1倍。2015—2020年，在有坡度統(tǒng)計(jì)的共320次山火引發(fā)的輸電線路跳閘事故中，地形坡度在30°以下的數(shù)量最多，共231次，占比72.2%，在整體上與南方電網(wǎng)轄區(qū)內(nèi)五省區(qū)的坡度分布一致。通過進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)可知：坡度范圍在10°～20°內(nèi)，因山火跳閘數(shù)量較少，為67次，占比20.9%；坡度范圍在0°～10°內(nèi)，因山火跳閘數(shù)量最多，共84次，占比26.2%；坡度范圍在30°～60°內(nèi)，因山火跳閘數(shù)量為78次，占比24.4%。其主要原因在于南方電網(wǎng)轄區(qū)內(nèi)五省區(qū)地形地貌以平原和坡度較緩的丘陵為主。坡度范圍在60°～90°內(nèi)，因山火跳閘數(shù)量為11次，占比3.4%，并且這些山火跳閘事故均發(fā)生在云南電網(wǎng)麗江市供電局。麗江市位于青藏高原南部、橫斷山脈向云貴高原北部云嶺山脈過渡的銜接地段，市內(nèi)地形地貌復(fù)雜多樣，坡度變化也較多，較陡的山體坡度可達(dá)70°以上。

2.3 植被因素影響分析

我國南方森林火災(zāi)發(fā)生的次數(shù)和頻率相較于我國北方地區(qū)而言明顯偏高，這與人口分布與地形特點(diǎn)有關(guān)。南方電網(wǎng)轄區(qū)內(nèi)五省區(qū)每年森林火災(zāi)總數(shù)占全國80%以上。我國南方地區(qū)和西南地區(qū)每年只有1個(gè)火險(xiǎn)期，一般為11月中旬至次年4月底。南方電網(wǎng)轄區(qū)內(nèi)五省區(qū)中包含了我國三大林區(qū)中的西南林區(qū)以及南方林區(qū)。

西南林區(qū)植被種類非常豐富。山地的植被類型以闊葉樹和針葉樹為主，針葉樹的代表樹種為云杉、冷杉、云南松[17]。南方林區(qū)由于氣候溫暖，雨量充足，植物生長狀態(tài)良好，樹種以熱帶和亞熱帶森林植被種類為主，最主要的植被杉木和馬尾松富含油脂。這些植被極易引發(fā)大規(guī)模且持續(xù)時(shí)間長的山火災(zāi)害，威脅輸電線路運(yùn)行安全[18]。

2015—2019年因山火原因造成輸電線路跳閘按植被類型統(tǒng)計(jì)如圖5所示。由圖4可知：山火跳閘次數(shù)最多的植被類型為林地，共168次；其次為灌木以及叢木樹，共29次；草地導(dǎo)致的山火跳閘事故共6次；農(nóng)田導(dǎo)致的山火跳閘事故共5次；其余2次山火跳閘事故分別由行道樹和甘蔗燃燒引起。

圖4 架空線路因山火跳閘植被類型統(tǒng)計(jì)Fig.4 Vegetation type statistics of transmission line tripping caused by mountain fires

輸電線路因山火導(dǎo)致的跳閘事故涉及的可燃物種類主要為雜樹、雜草、松樹、杉樹以及桉樹。單一植被如灌木和喬木，由于燃燒時(shí)難以形成火焰高度高且煙塵濃度大的的樹冠火，較少造成輸電線路跳閘。而茅草、芭茅、蕨類等雜草在冬春兩季狀態(tài)均較為干枯，極易引燃并且進(jìn)一步蔓延形成地表火，并通過線路通道內(nèi)的灌木、喬木等階梯性可燃物向上燃燒形成樹冠火，進(jìn)而引發(fā)輸電線路跳閘。因此，雜草和樹木等多種類型混合的植被分布更容易形成大面積山火，從而引發(fā)輸電線路跳閘事故。

單一的植被類型如農(nóng)田或草地燃燒時(shí)難以形成連續(xù)性蔓延山火，較少造成輸電線路跳閘次數(shù)[19]。多種植被類型混合的林地最容易引發(fā)山火跳閘，其中以松樹、桉樹、杉樹為代表。松樹、桉樹、杉樹在兩廣和云貴地區(qū)均有廣泛分布，其特點(diǎn)為枝葉含油量高且燃點(diǎn)低，一旦燃燒起來容易引發(fā)大面積樹冠火。同時(shí)也有少數(shù)因甘蔗、荔枝等果樹引發(fā)的山火跳閘事故，因此在重點(diǎn)研究松樹、桉樹、杉樹等典型樹木的同時(shí)，也要考慮果樹等其他植被導(dǎo)致的山火跳閘現(xiàn)象[20-21]。

根據(jù)森林火災(zāi)燃燒部位、性質(zhì)和危害程度，可將森林火災(zāi)分為地表火、樹冠火和地下火3類。其中，地表火和樹冠火均為連續(xù)性蔓延山火，是造成線路跳閘最主要的火災(zāi)類型。樹冠火火焰前沿高度可達(dá)到樹木高度的2～3倍。有時(shí)可形成充分發(fā)展的對(duì)流柱，產(chǎn)生數(shù)量巨大的飛火(飛行距離200～300 m)，最高樹冠火羽流溫度超過1 330 ℃，持續(xù)時(shí)間低于30 s[22]。高強(qiáng)度樹冠火條件下，火焰能夠包裹輸電導(dǎo)線，在合適的臨界距離，樹冠端部和導(dǎo)線端部間形成電子崩，在大量高速隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的飛火顆粒以及煙塵顆粒的促發(fā)下形成流注通道，產(chǎn)生放電。易導(dǎo)致山火災(zāi)害的木本植物主要有以下特點(diǎn)：樹木樹齡多為3～21年(3年以上居多)；胸徑0.02～0.45 m(0.1 m以上居多)；樹高2.0～23.0 m(5.0～10.0 m居多)。形成的山火類型主要為地表火、樹冠火、沖冠火或地表火后轉(zhuǎn)為樹冠火。輸電線路下的松樹、杉樹和桉樹等高大植被易發(fā)生樹冠火。

2.4 重合閘成功率統(tǒng)計(jì)分析

山火造成輸電線路跳閘的典型特征是重合閘成功率低，表2統(tǒng)計(jì)了在不同因素下的重合閘成功動(dòng)作情況。在轄區(qū)分布上，貴州電網(wǎng)、云南電網(wǎng)、海南電網(wǎng)轄區(qū)內(nèi)因山火跳閘故障的重合閘成功率分別為20%、30.4%、31.1%，均低于50%，相較于廣西電網(wǎng)、廣東電網(wǎng)，這3個(gè)省份的地形山地更多；超高壓輸電公司主要為直流線路，重合閘成功率為30.8%，低于轄區(qū)平均值(42.3%)。隨著海拔的上升，重合閘成功率呈明顯下降的趨勢，當(dāng)事故地點(diǎn)的海拔高于1 500 m時(shí)，重合閘成率僅有24.7%。坡度30°～44°時(shí)的重合閘成功率最低，僅為37.9%；坡度太高時(shí)，樹木的密度會(huì)下降，坡度太低時(shí)不利于火焰的蔓延，因此在運(yùn)檢過程中需要重點(diǎn)關(guān)注30°～44°坡度的區(qū)域。植被類型因素方面，林地引起的山火跳閘重合閘成功率最低，為35.9%。

表2 不同因素下的重合閘成功率Tab.2 Automatic reclosing success rate under different factors

3 防護(hù)措施及建議

電網(wǎng)防山火的措施主要是提高山火監(jiān)測精度、提前清理樹木和停電避火等[23]，目前輸電線路山火監(jiān)測告警精度可達(dá)90%以上，南方電網(wǎng)山火監(jiān)測預(yù)警中心成立后，在指導(dǎo)線路主動(dòng)停運(yùn)避火方面取得了一定的成效[24]。本文提出以下幾點(diǎn)建議：

a)90%以上的山火起因系人為造成[25]，需要加強(qiáng)對(duì)輸電線路附近居民的防火宣傳。

b)在每年的2—4月每日12：00—16：00，尤其是清明祭祖期間需要對(duì)山火進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控。

c)高海拔地區(qū)的山火更容易引起跳閘，需要重點(diǎn)關(guān)注地面坡度30°～44°的區(qū)域，以及多松木、桉木和杉木的區(qū)域。

d)在停運(yùn)避火轉(zhuǎn)移負(fù)荷時(shí)，需要考慮云南、貴州多山地和高海拔地區(qū)，輸電線路因山火跳閘重合閘率低。

4 結(jié)論

針對(duì)南方電網(wǎng)輸電線路受山火危害的問題，分析了南方電網(wǎng)轄區(qū)內(nèi)五省區(qū)輸電線路因山火跳閘的時(shí)空分布規(guī)律和影響因素，主要結(jié)論如下：

a)輸電線路走廊附近山火跳閘主要集中在某些線路的特定區(qū)段內(nèi)，跳閘時(shí)間段主要為12:00—16:00。

b)海拔500 m以下、地形坡度在30°以下，因山火跳閘事故發(fā)生的次數(shù)較多。

c)雜草和樹木等多種類型混合的植被分布更容易形成大面積山火，引發(fā)輸電線路跳閘事故。易引起輸電線路因山火跳閘的高風(fēng)險(xiǎn)植被為松樹、桉樹、杉樹、灌木和茅草。

d)云南、貴州等多山地、高海拔的地區(qū)，以及坡度在30°～44°之間的區(qū)域，輸電線路因山火跳閘重合閘成功率低于平均水平。

本文研究結(jié)論可為減少電網(wǎng)山火災(zāi)害、避免群發(fā)性山火災(zāi)害造成大面積停電提供參考。