影响我国电网安全运行的主要因素及态势分析 _知识百科

　在简述影响我国电网安全运行主要因素的基础上，对我国气候环境的态势和输变电设备自身故障可能持续的状况进行了分析，强调建立以降低复杂气候环境和设备自身故障引发电网大面积停电的事故率为目标的第一道防线的重要性。从2003年8、9月份，美、加、英等国电网相继发生的灾难性大停电和2005年5月25日莫斯科市大部分地区及附近25个城市发生的大面积断电事故显示，虽然有先进的控制系统、高级的运行应用软件，但老化和陈旧的输变电装备仍导致电网工作在危险状态。我国1999～2004 年的统计结果表明，不仅复杂气候环境是造成我国电网大面积停电事故的主要因素之一，而且输变电设备自身故障造成的电网事故呈逐年增加的趋势，两者已构成危及我国电网安全的主要隐患因素。但目前对电网存在问题的分析和研究，更多的是强调电网自身运行的可靠性问题，而对防止复杂气候环境和设备自身故障导致大面积跳闸事故的安全技术的深入研究还没有引起足够的重视。为此，本文着重分析复杂气候环境和设备自身故障威胁我国电网安全的持续性，进而强调研究和建立防止电网大面积停电事故第一道防线的紧迫性。 1　影响我国电网安全的主要因素分析影响电网安全的起因复杂多变，如复杂气候环境、电力设备的绝缘老化、自然灾害、违章操作、外力破坏等。在2004年的电网事故中，自然灾害造成的有14起，设备故障造成的有29起，人员责任造成的有6起，其它原因造成的有5起。从近4年来的故障起因分类比较（图1）[1]可以看出，显然自然灾害和设备故障是主要的，但可以通过不断深入的研究来找到降低事故率的安全技术措施，而其他起因却具有偶然性。 1.1　复杂气候环境自然灾害是历来危害电网安全运行的主要因素之一，其中包括雷害、台风、泥石流等不可抗拒的因素，这里仅对可以从加强科学研究来找到大幅度降低事故率的复杂气候环境因素进行分析。通常，所谓复杂气候环境主要包括低气压（高海拔）、污秽、覆冰雪、酸雨酸雾、高湿度等因素的不同组合。现有的研究结果表明：在非高海拔地区，绝缘子串因污染而引起的跳闸事故居多，但最近10年来酸性湿沉降又加剧了污闪的频度，当酸性湿沉降的PH≤3～4时，对绝缘子的闪络电压有显著影响（图2）；在高海拔地区，气压、空气密度和湿度三个参数总的效应，使空气间隙的放电电压和清洁绝缘子的闪络电压，随着海拔高度增加而降低(图3)；绝缘子串的污闪电压随海拔高度增加而下降(图4)；不仅高海拔高湿度寒冷地区输电线路常发生冰闪跳闸、导线舞动和倒杆事故，而且非高海拔地区海拔大于150m的山顶、山垭口处的微地形、微气候条件使输电线路覆冰，也同样会引起大范围冰闪跳闸事故(图5)；各种覆冰绝缘子在融冰期存在最低闪络电压，若绝缘子覆冰前已被污染，覆冰区酸性沉降的酸度越大（PH小于5.6），引发闪络跳闸的概率就越大（图6）；；如果气压、污秽、覆冰、酸性湿沉降共存，多因素综合环境使绝缘子串闪络电压下降的程度将越严重（图7）。在1990年和2001年，东北、华北、河南电网等大面积“污闪”事故中，覆冰雪和酸雾是诱发闪络的直接因素；2004年12月～2005年2月，华中电网因覆冰雪使输电线路跳闸97条次，湖南境内7条500kV线路4条跳闸，现场实测覆冰导电率最高达300μs/cm2以上，冰闪杆塔80%处于3级及以上污区。从近10余年来，三次大面积停电事故分析可以看出，使外绝缘电气强度下降的气候因素是多种综合，并且酸性湿沉降和覆冰雪是直接诱发“污闪”的主要原因。因此， 2004年架空线路整体可靠性水平比2003年有所降低，特别是气候因素成为导致500kV架空线路非计划停运的第一位因素[2] 。为了提高大幅度降低复杂气候环境使外绝缘电气强度下降而引发大面积停电的事故率，必须系统开展复杂气候环境下外绝缘放电机理和电气特性的研究，为合理的绝缘选择和防闪络跳闸事故技术措施的选择提供理论和技术支持。 1.2　设备自身故障根据统计，我国因输变电设备造成的事故一直居高不下， 1999年18起、2000年22起、2001年29起、2002年22起、2003年27起、2004年29起，均占当年所有电网故障的一半或以上。 2004年所发生次数最多的“220kV及以上发电厂、变电站全停”故障中，因设备故障而引起的故障就有21起，占所有这类故障情况的70%[1] 。在12类主要的输变电设备中[2] ， 2004年220、330kV变压器的强迫停电率又有所升高，总体可靠性水平比2003年有所降低，而且造成220、500kV变压器非计划停运的主要原因是产品的质量不高，特别是主要部位的线圈。虽然断路器整体可靠性水平比2003年有所提高，但造成断路器非计划停运的重要原因是220kV级产品质量不高， 330、500kV级第一位原因是部件老化。目前输变电设备自身故障的特点表现为：①设备服役时间过长，设备老化严重，各种额定运行指标严重下降，不能及时更换，造成部分设备“带病”运行；②一些设备在设计过程或制造、安装、调试过程中存在固有缺陷，留下安全隐患，在一定条件诱发下导致电网发生故障；③长时间满负荷甚至过负荷运行，检修时间紧，往往给设备留下安全隐患。为大幅度降低设备自身故障给电网安全运行带来的威胁，除提高制造水平和维修水平之外，要积极的开展设备状态在线监测与故障诊断技术的研究和开发应用，为实现以可靠性为中心的状态维修提供决策支持。 2　复杂气候环境对外绝缘的威胁仍将持续我国山地丘陵约占43% ，高原占26% ，其中海拔在1km以上的山地和高原超过全国总面积的2/3 。我国煤电资源94%分布在大别山—昆仑山一线以北1～3km高海拔地区，而85%的水电资源也处于云、贵、川、渝、陕、甘、宁、新等高海拔地区。因此，西电东送的超特高压交直流线路都要通过高海拔地区，比如，贵广±500kV直流线路贵州段最高海拔超过1.6km ，小湾至广东，向家坝至华中、华东的交直流超特高线路海拔最高3km左右。一般认为，大气参数对外绝缘电气强度的影响包含气压、温度和湿度三个参数。气压的高低主要取决于海拔高度，基本呈线性关系。气温的高低和湿度的大小虽然都与多种因素相关，但在一定地区范围内，气温仍随海拔增高而降低，绝对湿度与海拔高度大致呈指数规律下降。虽然大多数国家以及IEC都推荐用相对空气密度、绝对湿度来表征和研究大气参数对外绝缘放电电压的影响，但现有的标准都仅供4000m以下外绝缘选择参考。除大气参数之外，我国电网还受到3大气候环境因素的威胁。 2.1　大气污染有加重的趋势大气环境的污染主要来自于贫困污染、现代化污染和温室气体排放。直接威胁电网安全的是地区环境污染，即贫困污染和现代化污染。尽管我国采取了多种防污措施，但全国大气污染状况变化仍然不大，特别是城市空气污染依然严重。 2004年，二氧化硫排放量为2254.9万t ，烟尘排放量为1095.0万t ，工业粉尘排放量为904.8万t ，二氧化硫和烟尘排放量仍呈上升态势（表1）。虽然2004年全国城市空气质量总体上与2003年变化不大，但空气质量达到二级标准城市的比例在下降。 2004年监测的342个城市中，空气质量为三级的城市有141个，高达41.2% ，比2003年增加9.7个百分点；劣于三级的城市仍有69个，占20.2%；达标城市的人口占统计城市人口的33.1% ，比2003年还减少3.3个百分点；人口超过百万的特大型、超大型城市空气中主要污染物二氧化碳和颗粒物超标比例最高，空气质量达标比例低（图8）。颗粒物仍是影响空气质量的首要污染物， 46.8%的城市颗粒物超过二级标准，比2003年增加1.2个百分点（图9）。 2004年污染物较重的城市主要分布在山西、内蒙古、辽宁、河南、湖南、四川及西北各省（自治区）。 2004年，二氧化硫污染物严重的城市主要分布在山西、河北、河南、湖南、湖北、云南、内蒙古、甘肃、贵州、广西、四川、重庆等省、自治区、直辖市。年均浓度达到国家二级标准（0.06mg/m3）的城市占74.3% ，与2003年持平；超过国家三级标准（0.10mg/m3）的城市占统计城市的9.1% ，比2003年降低3个百分点（图10）。二氧化硫污染控制区内，二氧化硫年均浓度达到二级标准的城市占40.6% ，超过二级标准的城市占59.4% ，其中19个城市超过三级标准，占29.7% 。酸雨控制区内，二氧化硫年均浓度达到二级标准的城市占69.4% ，超过三级标准的城市占7.2%（图11）。 113个大气污染防治重点城市中， 51个城市空气质量为三级，占45.1%；29个城市空气质量劣于三级，占25.7% 。 47个全国环境保护重点城市中， 21个城市空气质量为三级；6个城市劣于三级标准，空气污染严重（图12）。 2.2 酸性湿沉降加剧2004年出现酸雨的城市比例比2003年增加了2.1个百分点；降水年均pH值≤5.6的城市比例上升了4个百分点，其中pH值小于4.5的城市比例增加了2个百分点；酸雨频率超过80%的城市比例上升了1.6个百分点（图13、14）。降水年均pH值低、酸雨频率高的城市比例均比2003年增加，表明2004年度酸雨污染较2003年加重。从表2、3可知，酸雨控制区112个城市中，降水年均pH值范围在3.05（湖南吉首市）~ 7.26（湖南郴州市）范围，其中出现酸雨的城市101个，占90.2%：降水年均pH值小于或等于5.6的城市有83个，占74.1% ，比2003年增加3.4个百分点；降水年均pH值小于4.5的城市比例上升了6.4个百分点，广东的韶关和湖南的长沙、常德、吉首年均pH值低于4.0 。酸雨频率大于40%的城市67个，占59.8% ，比2003年增加6.1个百分点。酸雨控制区内酸雨污染范围基本稳定，但污染程度进一步加重。 2004年降水年均pH值小于5.6（酸雨）的城市主要分布在华中、西南、华东和华南地区：华中酸雨区污染最为严重，降水年均pH值（≤5.6）为酸雨的城市为58.3% ，酸雨频率大于80％的城市比例达21.4%；湖南和江西是华中酸雨区酸雨污染最严重的区域；华南酸雨区主要分布在广东以珠江三角洲为中心的东南部和广西东部，降水年均pH值小于5.6的城市比例为58.9% ，与2003年相比，酸雨污染加重；西南酸雨区以四川的宜宾、南充、贵州的遵义和重庆为中心，降水年均pH值小于5.6的城市比例为49.0%；华东酸雨区分布范围较广，覆盖江苏省南部、浙江全省、福建沿海地区和上海，高酸雨频率（≥80%）和高酸度降水（pH值≤5.6）的城市比例仅次于华中酸雨区，分别为21.0%和14.6%；北方的北京，天津，秦皇岛和承德，山西的侯马，辽宁的大连、丹东、锦州、阜新、铁岭、葫芦岛，吉林的图门，陕西的渭南和商洛，甘肃的金昌降水年均pH值小于5.6 。 2004年，全国527个市（县）降水的年均pH值范围为3.05（湖南省吉首市）~8.20（甘肃省嘉峪关市）。出现酸雨的城市298个，占统计城市的56.5% 。降水年均pH值小于5.6的城市218个，占统计城市的41.4% ，其中湖南省长沙、常德、吉首，广东省韶关，江西省高安降水年均pH值小于4.0 ，降水酸度较强；酸雨频率大于40%的城市占统计城市的30.1% ，其中湖南省常德，江西德兴，浙江丽水、安吉、开化酸雨频率为100% 。 2.3　覆冰雪引发线路跳闸事故时有发生我国是覆冰严重的国家之一，高寒地区的覆冰天数平均超过40~60天，如黄河上游、金沙江河谷、川渝黔鄂相邻的山区等，输电线路覆冰厚度一般为20~40mm ，有的高达80~100mm 。贵州、云南、四川、重庆等西部海拔较高的地区以雾凇（密度小于0.6g/cm3）为主，而湖南、湖北、山西、河南和华东等平原地区以雨凇（密度0.87~0.92g/cm3）为主；由于地形和气象条件的影响，高海拔地区和平原地区海拔大于150m的山顶、山垭口处也常出现持续时间很长的混合凇（密度0.67~0.878g/cm3）。我国从1954年起至今，冰雪引起输电线路绝缘子串冰闪跳闸、导线舞动及倒杆断线事故时有发生。 2000年2月，昆明地区因覆冰雪使线路跳闸达140多条次；2001年12月， 500kV葛双Ⅱ回发生两次B相因覆冰雪导致接地而引起跳闸事故；2003年2月， 500kV阳准线相继发生两次因冰闪引起的三相跳闸事故；2004年12月~2005年2月，我国华中、华东部分地区500kV线路局部线路覆冰厚度高达100mm ，出现了大范围的冰闪跳闸、导线舞动和倒杆事故。从全国多变的气候来看，覆冰雪仍将是导致电网事故的主要原因之一。 3　设备自身故障发生率仍会居高不下近几年来，随着电力建设的加快和电力体制的改革，国内外各种类型电力设备在电网中广泛应用，设备的制造水平参差不齐。有的设备在制造和安装、调试过程中就存在固有的缺陷，而且电网覆盖面积大，一些运行环境恶劣的设备的检修和巡视比较困难，初期故障得不到及时排除。由于设备投资大，一些陈旧的输变电设备得不到更换，不仅绝缘已经劣化，而且新旧设备间的绝缘配合不当，使设备绝缘的老化进一步加剧。恶劣的气候环境和满负荷带病运行也加速了设备绝缘水平的降低。总之，从我国输变电设备现有的状况看，其自身故障给电网安全运行带来的隐患还将持续下去。在输变电设备自身故障率仍然居高不下的态势下，要继续推广以在线监测与必要的离线试验相结合的状态监测技术。与此同时，要系统而深入地研究输变电设备在线监测与故障诊断新技术，不断总结和分析设备状态诊断所积累的大量诊断数据，制定出各类输变电设备的故障诊断标准和使用导则，以此为基础实现对输变电设备运行状态进行在线评估及剩余寿命在线预测，建立状态维修制，从而可以大幅度提高电网运行的安全可靠性。 4　结束语国内外电网事故的统计都表明，复杂气候环境和设备自身故障是引发电网大面积停电事故的主要起因。为此，通过对复杂环境中外绝缘放电机理和电气特性的系统研究，采取有效的安全措施，可以大幅度降低复杂环境引起输变电装备外绝缘电气强度下降而造成的电网大面积停电的事故率。通过对输变电设备内绝缘老化机理和在线监测及故障诊断技术的系统研究，可以开发出高稳定性和高度智能化的设备状态在线监测及故障诊断系统，从而为以可靠性为中心的状态维修技术提供技术支持。总之，在我国特有的气候环境和设备自身故障率居高不下的态势下，从输变电设备着手，研究并解决引发电网事故的两个主要起因，建立防止电网大面积停电事故的第一道防线是非常必要的，特别是对于规划建设的特高压交直流输电线路更是具有挑战性的课题。