输电线路运行安全影响因素分析及防治措施_胡毅.doc
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1、第 40 卷 第 11 期: 3491-3499 2014 年 11 月 30 日 DOI: 10.13336/j.1003-6520.hve.2014.11.027 高电压技术 High Voltage Engineering Vol.40, No.11: 3491-3499 November 30, 2014 0 输电线路运行安全影响因素分析及防治措施 胡 毅 ,刘 凯 ,吴 田 ,刘 艳 ,苏梓铭 ( 1.中国电力科学研究院,武汉 430074; 2. 国网湖北省电力公司,武汉 430077) 摘 要 :输电线 路覆盖区域广阔,特别是超、特高压线路输电距离长且有的重要通道密集布置多回线路
2、,沿途气 象、地理环境复杂,在极端气候条件下线路跳闸对电网的运行安全可能产生严重的影响。为了分析线路运行安全 影响因素及防治措施,在统计近年来高压输电线路跳闸率和运行故障的基础上,分析雷击、冰害、山火、风偏、 污闪等主要故障形式及其特点,在此基础上提出了针对性的防治措施,在总结线路运维技术和需求的基础上提出 了今后的研究思路和发展方向。分析表明雷击仍然是影响线路运行安全的重要因素,而山火和冰害引发跳闸有增 加的趋势,污闪跳闸则得到了 有效的控制。针对不同跳闸给出了具体的防治措施,如山火故障,需要从通道规划、 巡防、监测、预警、预判、应急运行等多种措施着手,减少山火对线路安全运行的影响。有必要在
3、运维大数据综 合分析、自动化检测装置和机械化检修设备、多种监测方式相结合的一体化监测系统和输电线路一体化运维体系 等方面开展研究,使感知监测、状态分析、检修维护形成一个互动、整体、高效、智能化的运维体系。 关键词 :输电线路;运行安全;山火;雷击;污闪;覆冰;防治措施;跳闸率 Analysis of Influential Factors on Operation Safety of Transmission Line and Countermeasures HU Yi , LIU Kai , WU Tian , LIU Yan , SU Ziming (1. China Electric P
4、ower Research Institute, Wuhan 430074, China; 2. State Grid Hubei Province Power Company, Wuhan 430077, China) Abstract: Because of the wide coverage and long distance of transmission lines, especially EHV and UHV transmission lines, meteorological and geographical environments of line corridor are
5、complex. In particular, several important lines may arrange in the same right-of-way, so line trips can seriously impair the safe operation of the power grid in extreme weather conditions. Based on statistics data of the tripping rate and operation failure of high voltage transmission lines in recen
6、t years, the main characteristics and regular patterns of the influencing factors were investigated and summarized from two aspects of external environment and line internal causes, and the corresponding prevention measures were put forward. Based on investigation topics on reducing the operation fa
7、ults and improving the level of operation & mainten- ance of lines, the research topics and development trends were presented. Results show that the ma in faults affecting the safe operation of the transmission lines are lightning stroke, icing, forest fires, monsoon, and pollution flashovers, etc.
8、Lightning stroke is still a principal factor affecting the operation safety of lines, while transmission lines trips caused by forest fires and icing disasters have a tendency to increase and pollution flashover is under control. Furthermore, some prevention measures were presented for different typ
9、es of trips. As for mountain fire induced failures, channel planning, scouts, monitoring, early warning and forecasting, emergency operation, and other measures should be comprehensively applied to reduce fire effects on safety of lines operation. It is necessary to enhance following research works:
10、 the opera- tional big data comprehensive analysis, automation of detection device and mechanization of maintenance equipment, fusion of multiple monitoring methods to an integrative monitoring and operational system of transmission line, so as to make the sense condition monitoring, condition analy
11、sis, maintenance to form an interactive, integrated, efficient, and in- telligent system of operations. Key words: transmission line; operation safety; forest fire; lightning; pollution flashover; icing; prevention measures; trip rate 路已达到 75.5 万 km,直流输电线路 1.44 万 km, 近年来,随着我国电网加快建设,各电压等级 其中 500 kV 线
12、路 10.34 万 km, 750 kV 线路 1.27 万 的输电线路快速发展,以国家电网系统为例,截至 km,在建在运特高压线路长度超过 1 万 km。由于 1,2 1 1 1 1 3492 高电压技术 2014, 40(11) 输电线路覆盖区域广阔,特别是超、特高压线路输 电距离长,沿途气象、地理环境复杂,遭遇极端气 候侵袭的概率较大 。特别是有的重要输电通道常 密集布置多条超、特高压线路,在极端气候条件下 可能出现多回线路同时跳闸。 影响输电线路安全运 行的 主要故障分别有雷 击、冰害、山火、风偏、污闪、鸟害等 。多年来, 通过针对上述故障的一系列防治措施的实施,其中 有的故障已呈明显
13、的下降趋势。但随着 运行环境和 影响因素的变化,有的线路故障却有增长的趋势, 有的隐患目前尚未导致故障发生,但需要及早加以 分析以防范可能导致的危害。从近年来的统计分析 来看,山火 、冰害 导致的线路故障有增长的 趋势,雷击故障仍是线路运行的主要故障之一 , 在部分飑线风多发区域,风偏放电故障仍不时发 生 ,大面积的雾霾天气对输电线路可能产生的 影响也需要加以分析并予以防范 。防止因线路 故障导致的电网事故特别是大面积停电事故,依然 是线路运维工作的重中之重。因此,需结合线路运 行情况,分析主要故障 的特点、机理及规律,并探 讨相关的防治措施。 1 故障类型 1.1 山火 近年来,部分地区山火
14、频发,对线路安全运行 带来严重威胁。如南方电网在 2010-01 2010-03 期 间 220 kV 和 500 kV 线路分别发生山火跳闸 68 条次 和 60 条次,其中单相故障占比为 70.3%,山火引起 的单相跳闸的重合闸成功率为 52%,而引起的多相 跳闸的重合闸成功率仅为 36.7%。又如 2014 年 1 月, 受干燥少雨气候影响,湖南、湖北、江西、四川、 福建等地频发山火, 500 kV 及以上电压的输电线路 走廊共发生山火 223 起,造成线路跳闸或紧急停运 达 67 条次,重合闸退出 63 条次,其中特高压直流 线路走廊附近的一次山火状态如图 1 所示。各地输 电线路山火
15、故障频发的原因: 1)随着电网的发展, 线路途经植被茂密区域的数量增多; 2)在冬季干燥 季节和春季祭奠时节,由植被环境、气候和风俗引 发的山火发生概率有所增加。 线路间隙在山火条件下的放 电具有较大的分 散性,主要是由于山火的温度、烟尘的浓度、烟火 混合区的高度、烟尘颗粒的导电性等参数的分散性 较大。目前对输电线路山 火放电有多种机理分析模 图 1 800 kV 直流线路走廊附近的山火情况 Fig.1 Forest fires conditions near 800 kV DC transmission line corridors 型,包括热游离模型、空气密度模型、电导率模型、 流注型模型
16、等 ,上述模型大多从一个方面来分析 山火放电的机理。实际上,山火放电往往是上述多 种影响因素共同作用的结果。从国内外模拟山火放 电的大量试验来看,山火高温导致了线路间隙中空 气密度降低,而燃烧时会 产生大量粒径在 0.25 m 的烟尘颗粒,其主要成分包括有机碳、元素碳和钾 离子等,烟尘颗粒导电率高,烟道在高电场的作用 下易激发电子崩,而高温和空气密度的下降又促进 了电子崩和流注的发展,使间隙的击穿电压下降, 导致线路间隙发生击穿。山火故障一般具有以下 特点: 1) 重合闸成功率低,输电线路发生跳闸时,重 合闸时间一般约为 1 s,因山火高温和烟尘浓度会持 续一定的时间,多在几十 s 以上,在这
17、一时间段中 线路间隙的绝缘强度大幅降低,因此线路运行电压 或重合闸产生的操作过电压都可能将间隙再次击 穿。如果火势掠过后烟尘变得稀薄,间隙绝缘强度 可迅速自恢复,强送成功率较高。 2) 山火放电距离较长,一般来说,空气间隙中 的放电多发生在带电体与接地体的最短路径之间, 但由于山火的火焰和烟尘形成的通道绝缘强度大幅 降低,因此放电常不沿导线 杆塔间隙或绝缘子串 发生,而是沿距离较长的烟火通道发生。 3) 特定的气候、地理和植被环境确立了山火的 发展趋势,若山火发生时的风力强,空气对流可大 幅抬升火焰的高度和烈度,朝向线路的风向及顺风 的坡地易促成贯通导线与地面的烟火通道,线下的 乔木高度可减小
18、间隙距离 ,芦苇、秸秆等燃烧的尘 1-3 1,3 4-8 9-13 14-21 22-27 28-31 胡 毅,刘 凯,吴 田,等:输电线路运行安全影响因素分析及防治措施 粒呈尖端状,在高电场中易畸变电场并激发放电, 这些都是影响山火放电发展趋势的重要因素。 针对山火故障,需要从通道规划、巡防、监测、 预警、预判、应急运行等多种措施着手,减少山火 对线路安全运行的影响。具体而言在如下 4 个方面: 1)在山火易发、多发通道内避免多条线路密集布置, 3493 减少山火引发多条线路同时跳闸的概率。 2)对山火 易发段和危险点实行特巡和重点控制,对周边的易 燃植物进行清理。 )建立监测体系,及早发现
19、,提 3 前预警预判,当山火发生并蔓延时,通过专用仪器 仪表,量化测量火焰高度、火焰温度、烟尘粒子浓 度等,分析放电发生的概率,为选择运行对策提供 技术依据。 4)制定应对方案,结合山火状况和发展 趋势,采取不同的应对方式。对仅有地表浅火焰、 线路下无较高较密植被的山 火且烟尘淡薄,线路可 继续正常运行;对仅有地表浅火焰、线路下植被低 矮、烟尘较浓的山火,直流线路可降压运行;对火 焰较高、线路下有高密植被、易形成高浓度烟尘通 道的山火,可主动转移负荷,改变运行方式。 1.2 冰害 从 2005 年以来,冰雪灾害多次对电网安全运 行造成重大影响, 2006-01 2007-06,国网系统由 覆冰
20、造成 500 kV 线路跳闸 13 次,占总跳闸数的 8.84%,覆冰造成 500 kV 线路非计划停运 4 次,占 总停运次数的 11.11% 。特别是 2008 年的大 面积、 持续性覆冰造成了输电线路大范围冰闪、舞动、倒 塔、断线,据统计,国网系统由于覆冰引起 10110 kV 线路倒塔 14 万多基, 220 kV 及以上线路倒塔 1 500 多基, 707 座变电站停运 。近几年来,覆冰 灾害多次袭扰电网,仍是影响电网安全运行的主要 威胁之一。 2014 年,受持续的低温雨雪天气影响, 重庆、湖南、湖北、江西等地有 211 条 35 kV 及以 上输电线路出现覆冰,部分线路发生冰闪、
21、舞动, 有的线路出现了倒塔、断线等现象,如图 2 所示。 从冰闪机理来看,轻覆冰 条件下绝缘子的闪络 仍是冰污结合形成的闪络,与绝缘子表面积污、冰 电导率等密切相关,常在融冰期间发生冰闪,其放 电电弧沿绝缘子表面发展 。调查表明不少线路 覆冰前绝缘子表面已存一定污秽,覆冰过程中过冷 却水的电导率与当时的大气环境状态和参数相关, 影响冰闪特性的污秽实际上是表面已存污秽和覆冰 过程中湿污沉降的叠加。冰层中的导电离子会向表 面迁移,致使冰表面离子浓度最大,在融冰时则形 图 2 输电线路严重覆冰导致导线对地放电及杆塔倒塔 Fig.2 Transmission line conductor flasho
22、ver to ground and Tower collapsing by heavy icing 成高电导率的水膜,从而降低冰闪电压。轻覆冰时 的冰闪机理及过程与污闪相似,增大爬电距离和线 路污秽的清扫是防止轻覆冰闪络的有效措施,如在 塔头间隙尺寸允许时增加绝缘子片数和串长,在雨 雪冰冻天气前清扫。重覆冰条件下绝缘子闪络与冰 柱形状、冰凌桥接程度密切相关,其放电电弧沿冰 柱及冰凌桥接面直接发展。一般来说,覆冰厚度随 线路所处区域的海拔高度 增加,而低温冰冻天气的 持续时间是覆冰厚度的主要影响因素。为提高绝缘 子冰闪电压,可采用不同伞径绝缘子间插的方式、 采用 V 型串和倒 V 串等布置、双联
23、串应增大串间距, 防止冰凌直接桥接,试验表明其 50闪络电压得到 了一定程度的提高 。 导线舞动是由于偏心覆冰 改变了导线截面特 征,在风的激励下产生的驰振不稳定现象,试验表 明:随着覆冰厚度的增加,覆冰导线的起舞阀值降 低,发生舞动的概率增大。在运行中也发现,尽管 某些线路覆冰厚度并不突出,但迎风面冰厚背风面 冰薄,不均匀性突出,在风速、风向、 偏心覆冰、 线路等参数的组合可满足起舞条件时,依然可发生 导线的舞动。 近年来,输电线路覆冰舞动造成的跳闸故障多 次发生,特别是对于紧凑型线路,由于三相导线间 的间距较小,当舞动幅度增大致使相间距不足以耐 受运行电压时,就会发生相间放电。针对这一问题
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