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1、考虑气候灾害的架空线路停运模型文献综述摘要：本文介绍了架空线路停运的研究背景。架空线路停运建模的主要方法；受雷击、冰 灾、台风等气候灾害影响的架空线路停运建模的建模方法；受气候灾害影响的架空线路停 运建模的国内外研究现状。 Abstract: This paper introduces background of the research about the outage of overhead line .The main modeling methods about the outage of Overhead line, the main modeling methods about t
2、he outage of Overhead line when influenced by climate disasters such as typhoon, lightning and ice disaster, and the research status at home and abroad about the overhead line outage modeling influenced by climate disasters. 关键词：停运模型，气候灾害，架空线路 Keywords: outage model, climate disasters, overhead line
3、架空线路是电网的基本组成部分，由于其分布范围广，常面临各种不同地理环境和气 候环境的影响，当不利条件及组合足以导致线路故障时，就会影响线路的安全运行，严重 时甚至会形成大面积停电事故。近年来，国外发生的大面积停电事故有的就起缘于线路故 障。架空线路故障严重影响电力系统供电安全性和连续性，深入研究和分析架空线路停运 的特点和机理，对于提高架空线路安全运行水平十分重要。 近年来越来越频繁的气候异常，外界环境的影响已成为架空线路最重要的停运因素之 一。由于恶劣气候引起的架空线路停运率的增加，使得整个系统发生故障的可能性急剧增 加，此时的可靠性评估若不考虑恶劣气候对电力系统的影响，评估结果将会偏乐观，
4、将会 给系统的规划和运行带来错误指导。经验表明，自然灾害及恶劣天气条件下元件发生故障 的可能性将大大增加，由于电力系统输配电线路长期处在复杂的天气环境中，其故障的发 生受恶劣天气变化的影响很大，因此，元件的原始参数如故障率、维修率等是其所处天气 状态的函数。恶劣天气出现的概率虽然不高，但在恶劣天气条件下元件发生故障的机会明 显增加，并且对元件产生巨大的破坏作用，是输电网和配电网发生多种故障的可能性急剧 增加。因此，在电力系统架空线路停运模型中考虑环境因素对停运的影响十分必要。 一、受气候灾害影响的架空线路停运模型的研究背景 在实际电力系统运行过程中，导致元件停运的因素有很多，大致可以分为4类：
5、（1） 元件不正常运行时引起元件保护装置的动作；（2）元件本身的故障，例如制造缺陷、部件 老化、设备发热、绝缘损坏等；（3）外界环境，例如雷击、雨雪、鸟害、兽害、山林火灾、 风害、洪水、地震等；（4）人为误操作以及元件保护误动作。近年来越来越频繁的气候异 常，外界环境的影响已成为架空线路最重要的停运因素之一。由于恶劣气候引起的架空线 路停运率的增加，使得整个系统发生故障的可能性急剧增加，此时的可靠性评估若不考虑 恶劣气候对电力系统的影响，评估结果将会偏乐观，将会给系统的规划和运行带来错误指 导。以前的大量统计、研究表明，所有线路跳闸分析原因，仍以气候条件引起的跳闸的比 例最大。在恶劣气候条件下
6、线路的故障率明显增加，因此在架空线路停运建模中考虑恶劣 气候的影响是十分必要的。影响架空线路停运的气候因素有很多，雷击，台风，树障，冰 灾，暴雨，盐雾腐蚀等。 可导致线路倒杆、雷击闪络、短路、断线及额定输送容量下降, 使输电元件故障率增大, 而恶劣的气候条件还可阻止或延迟元件的修复过程,使输电元件可 用率下降。在我国，全国联网格局已基本形成，电力系统的复杂性明显增加，安全运行特 性日渐复杂，变化中的电力系统更易受到各种灾变的破坏。近些年国内外对自然灾害的统 计表明，随着人类生态环境的变化，这些因素将有增无减，并会更频繁、更多样、更剧烈 地出现在我们周围。我国又是各种自然灾害频繁发生的地域，自然
7、灾害对电力系统造成的破坏也十分严重。 2005 年 9 月 26 日清晨，我国海南省遭受第 18 号台风“达维”袭击，对海南电力设备造 成了严重破坏，最终系统全部瓦解，导致罕见的全省范围大停电，经济损失多达 116 亿元， 损毁架空线路 336.8 公里2，可以说台风直接导致了这次海南电网的大面积停电。 2008 年 1 月中旬以来，我国南方大部分地区遭遇 50 年不遇的低温、雨雪和冰冻灾害， 持续极端恶劣气候给南方的电网造成很大的破坏，主要影响到贵州、湖南、湖北、江西、 安徽、广西、江苏、广东北部等。在全国范围内造成了 36740 条 10kV 及以上电力线路、 2016 座 35kV 及以
8、上变电站停运，10kV 及以上杆塔倒塌及损坏 310321 基，导致 3348 多万 户(约 1.1 亿人口)断电，直接经济损失达 1516.5 亿元。波及范围达 14 省，570 个县的用户 受到影响。 发生在 1988 年 4 月 18 日 8：08 的 Hydro-Qubec 系统的大停电最初由积雪和冻雨引起 绝缘子污闪影响了 Arnaud 变电站的三相设备，导致保护将这个变电站所有 765kV 线路隔 离，随即引起了一系列系统解列。2003 年 9 月，意大利因为雷击导致的大停电事故使 5600 万人的生活受到影响。2009 年 11 月，巴西、巴拉圭遭受暴风雨袭击，引发电力事故造成
9、5000 万用户生活受到影响。2005 年 5 月，高温天气引起的变压器过热而起火爆炸，使俄罗 斯莫斯科 1000 万人的生活受到影响，直接经济损失超过 10 亿美元1。 除此之外，根据世界各国电网故障的历史记录可知，影响较大的几次恶劣气候还有： （1）1972 年 1 月美国东北部两条 500Kv 线路故障，暴风雪持续 48h，最大覆冰厚度 9mm，造成 British columbia 地区大面积停电；（2）1998 年 1 月美加发生有记录以来最大 一次暴风雪，五大湖区 90%用户电力中断，直到当年 10 月才完全恢复；（3）1999 年 12 月发生在法国的恶劣气候造成 500Kv 线
10、路停运 38 条，350 万用户电力中断；（4）2005 年 1 月瑞典的暴风雪气候最大风速达到 46m/s，瑞典南部 65 万人电力中断3。 二、架空线路停运建模的研究 文献3提出了运行可靠性评估算法，该算法分析了线路潮流、母线电压、系统频率等 实时运行条件对元件停运概率的影响，建立了实时运行条件的元件停运模型。 文献6对现有文献中故障率的定义进行了分类和分析，论证了泊松过程停运模型中的 故障率和马儿可夫过程停运模型中状态转移速率中间的关系，并给出了时变故障率下的马 儿可夫过程建模的条件和建模方法。 文献7以架空线路为例，用模糊变量表示难以用统计数据得到的线路故障率，利用人 工经验给出故障率
11、的隶属度函数，然后基于随机过程和可信性理论，建立线路的状态模糊 概率的计算方法，进一步提出了采用可信性的模糊模拟来计算线路风险指标期望值、乐观/ 悲观值的方法，用于在线风险决策。 文献4构建了一种高压架空线路可靠性综合监测和管理系统的框架，介绍了线路故障 主要影响因素识别的方法，提出了各主要影响因素的模糊分类判据，考虑了线路终端故障， 最后建立了计及主要地理环境气象等 7 个主要影响因素的架空线路可靠性评估模型。 文献8通过利用 IEEE 对天气分类方法，建立了一种基于两种天气状态和三种天气状 态且考虑元件运行、停运和检修三种状态的可靠性评估数学模型，采用马尔科夫方法推导 并给出了故障率和故障
12、平均持续时间等指标的计算公式。 文献10建立了计及不同气象等级和不同气象因素的架空线路故障率模型，提出一种 基于灰色模糊理论的多气象因素组合的架空线路风险分析方法。该方法将 8 种气象条件作 为评判因素，建立了包含 4 个评判等级的架空线路风险等级评判体系。 三、受雷击影响的架空线路停运建模的的研究 文献12针对10kv配电线路跳闸问题分析出主要原因是感应雷过电压。文中对配电线 路感应雷过电压产生机理进行了探讨，指出静电感应分量是配电线路感应雷过电压的主要构成部分，分析了感应雷过电压危害。通过对架空线路雷击静电感应过电压模型的求解， 给出了感应雷过电压的计算方法。介绍了电磁仿真软件PSCADE
13、MTDC在分析架空线路 雷电暂态过电压上的应用，分析了常用的防雷措施的作用，指出耐雷水平和雷击跳闸率是 反映线路防雷水平的重要指标。结合10kv东城线，采用电磁分析法、建立仿真模型，分析 该线路目前的防雷水平，研究影响线路耐雷水平和雷击跳闸率的因素，最后根据研究的结 果结合国内外研究成果，提出通过降低杆塔高度、加强线路绝缘、降低接地电阻、安装线 路避雷器、安装避雷线等措施来提高线路防雷水平。 文献13 考虑迎面上行先导对雷击的影响和高杆塔时发生“回头雷击”的情况，采用 变步长的方式来模拟下行雷电先导的下降，首次提出了适用超高压交流输电线路的雷电绕 击性能仿真计算模型，建立了计算500kv同杆双
14、回线路的反击耐雷水平的杆塔分布参数模型； 通过对500kv同杆双回线路的绕击耐雷性的深入研究，在考虑线路的实际气象条件狭隘，着 重研究了风速对绕击耐雷性能的影响，并将计算结果与绕击仿真模型的计算结果进行了分 析和比较。 四、受冰灾影响的架空线路停运建模的研究 文献9根据统计数据将恶劣气候条件下风力载荷、冰力载荷与架空线路停运率之间的 确定性模型模糊化，在此基础上加上线路潮流水平，构建风力载荷、冰力载荷和线路潮流 水平这三个输入变量的停运率模糊 if-then 规则和模糊推理系统；最后对模糊推理结果进行 解模糊化，得到元件停运率的精确值。根据线路元件受环境影响的条件相依停运率，分别 求解互联系统
15、区域发电可靠性的变化，并分析极端气候条件引起线路停运率变化对互联电 力系统可靠性的影响。 文献5建立了线路冰风荷载风险模型，即线路冰风荷载的时间相依可靠性模型，用于 计算吸纳了不可靠度与故障率，以反映输电系统群发性故障的风险与短期可靠性的共模故 障水平。进一步吧线路荷载划分为 5 个运行状态，给出线路的冰风荷载风险裕度。应用模 糊理论对线路的短期冰风荷载风险进行预测，并给出了时间尺度上的线路风险测度，为系 统运行人员提供极端冰灾天气时电力系统的预警信息。 五、受台风影响的架空线路停运建模的研究 根据文献11中的分析，在脉动风作用下，导线与输电塔形成复杂的动力耦联体系， 二者之间相互影响。我国1
16、10 500 kV 架空送电线路设计技术规程中，只对500 kV 线 路导、地线风荷载计算中用一个风荷载调整系数来笼统考虑导线的风振效应。加拿大、美 国与欧洲的一些国家的输电塔抗风设计规程均采用阵风影响因子来进行抗风设计。日本对 “输电塔线”体系的动力特性与风振响应进行了研究，其研究成果已反映到日本输电塔 抗风设计技术规程中。真实风场数据的采集和积累是风工程研究的一个基础工作，同时也 是各国抗风规范制定的基准。然而，我国在此方面的数据比较缺乏。风对于结构的作用， 除了考虑风速外，还有一个重要因素就是风向。近年来，世界上几个主要国家的抗风设计 规范中已经将设计风向作为一个主要因素导入到设计规范中。我国输电塔抗风的研究由于 风场的时程记录资料相当匮乏，积累现场实测资料是目前架空线路抗风研究的一个迫切需 要解决的问题。 六、结论 本文介绍了受气候灾害影响的停运建模的研究背景和意义。叙述了架空线路停运建模 的研究现状，受雷击灾害影响的架空线路停运建模的研究现状，受冰灾和台风影响的架空 线路停运的研究现状。简单介
