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影響我國電網安全運行的主要因素及態勢分析

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 　在簡述影響我國電網安全運行主要因素的基礎上 ， 對我國氣候環境的態勢和輸變電設備自身故障可能持續的狀況進行了分析 ， 強調建立以降低復雜氣候環境和設備自身故障引發電網大面積停電的事故率為目標的第一道防線的重要性 。  從2003年8、9月份 ， 美、加、英等國電網相繼發生的災難性大停電和2005年5月25日莫斯科市大部分地區及附近25個城市發生的大面積斷電事故顯示 ， 雖然有先進的控制系統、高級的運行應用軟件 ， 但老化和陳舊的輸變電裝備仍導致電網工作在危險狀態 。 我國1999～2004 年的統計結果表明 ， 不僅復雜氣候環境是造成我國電網大面積停電事故的主要因素之一 ， 而且輸變電設備自身故障造成的電網事故呈逐年增加的趨勢 ， 兩者已構成危及我國電網安全的主要隱患因素 。 但目前對電網存在問題的分析和研究 ， 更多的是強調電網自身運行的可靠性問題 ， 而對防止復雜氣候環境和設備自身故障導致大面積跳閘事故的安全技術的深入研究還沒有引起足夠的重視 。 為此 ， 本文著重分析復雜氣候環境和設備自身故障威脅我國電網安全的持續性 ， 進而強調研究和建立防止電網大面積停電事故第一道防線的緊迫性 。  1　影響我國電網安全的主要因素分析 影響電網安全的起因復雜多變 ， 如復雜氣候環境、電力設備的絕緣老化、自然災害、違章操作、外力破壞等 。 在2004年的電網事故中 ， 自然災害造成的有14起 ， 設備故障造成的有29起 ， 人員責任造成的有6起 ， 其它原因造成的有5起 。 從近4年來的故障起因分類比較（圖1）[1]可以看出 ， 顯然自然災害和設備故障是主要的 ， 但可以通過不斷深入的研究來找到降低事故率的安全技術措施 ， 而其他起因卻具有偶然性 。 1.1　復雜氣候環境自然災害是歷來危害電網安全運行的主要因素之一 ， 其中包括雷害、臺風、泥石流等不可抗拒的因素 ， 這里僅對可以從加強科學研究來找到大幅度降低事故率的復雜氣候環境因素進行分析 。 通常 ， 所謂復雜氣候環境主要包括低氣壓（高海拔）、污穢、覆冰雪、酸雨酸霧、高濕度等因素的不同組合 。 現有的研究結果表明：在非高海拔地區 ， 絕緣子串因污染而引起的跳閘事故居多 ， 但最近10年來酸性濕沉降又加劇了污閃的頻度 ， 當酸性濕沉降的PH≤3～4時 ， 對絕緣子的閃絡電壓有顯著影響（圖2）；在高海拔地區 ， 氣壓、空氣密度和濕度三個參數總的效應 ， 使空氣間隙的放電電壓和清潔絕緣子的閃絡電壓 ， 隨著海拔高度增加而降低(圖3)；絕緣子串的污閃電壓隨海拔高度增加而下降(圖4)；不僅高海拔高濕度寒冷地區輸電線路常發生冰閃跳閘、導線舞動和倒桿事故 ， 而且非高海拔地區海拔大于150m的山頂、山埡口處的微地形、微氣候條件使輸電線路覆冰 ， 也同樣會引起大范圍冰閃跳閘事故(圖5)；各種覆冰絕緣子在融冰期存在最低閃絡電壓 ， 若絕緣子覆冰前已被污染 ， 覆冰區酸性沉降的酸度越大（PH小于5.6） ， 引發閃絡跳閘的概率就越大（圖6）；；如果氣壓、污穢、覆冰、酸性濕沉降共存 ， 多因素綜合環境使絕緣子串閃絡電壓下降的程度將越嚴重（圖7） 。   在1990年和2001年 ， 東北、華北、河南電網等大面積“污閃”事故中 ， 覆冰雪和酸霧是誘發閃絡的直接因素；2004年12月～2005年2月 ， 華中電網因覆冰雪使輸電線路跳閘97條次 ， 湖南境內7條500kV線路4條跳閘 ， 現場實測覆冰導電率最高達300μs/cm2以上 ， 冰閃桿塔80%處于3級及以上污區 。 從近10余年來 ， 三次大面積停電事故分析可以看出 ， 使外絕緣電氣強度下降的氣候因素是多種綜合 ， 并且酸性濕沉降和覆冰雪是直接誘發“污閃”的主要原因 。 因此 ， 2004年架空線路整體可靠性水平比2003年有所降低 ， 特別是氣候因素成為導致500kV架空線路非計劃停運的第一位因素[2] 。 為了提高大幅度降低復雜氣候環境使外絕緣電氣強度下降而引發大面積停電的事故率 ， 必須系統開展復雜氣候環境下外絕緣放電機理和電氣特性的研究 ， 為合理的絕緣選擇和防閃絡跳閘事故技術措施的選擇提供理論和技術支持 。 1.2　設備自身故障根據統計 ， 我國因輸變電設備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 ， 均占當年所有電網故障的一半或以上 。 2004年所發生次數最多的“220kV及以上發電廠、變電站全停”故障中 ， 因設備故障而引起的故障就有21起 ， 占所有這類故障情況的70%[1] 。 在12類主要的輸變電設備中[2] ， 2004年220、330kV變壓器的強迫停電率又有所升高 ， 總體可靠性水平比2003年有所降低 ， 而且造成220、500kV變壓器非計劃停運的主要原因是產品的質量不高 ， 特別是主要部位的線圈 。 雖然斷路器整體可靠性水平比2003年有所提高 ， 但造成斷路器非計劃停運的重要原因是220kV級產品質量不高 ， 330、500kV級第一位原因是部件老化 。 目前輸變電設備自身故障的特點表現為：①設備服役時間過長 ， 設備老化嚴重 ， 各種額定運行指標嚴重下降 ， 不能及時更換 ， 造成部分設備“帶病”運行；②一些設備在設計過程或制造、安裝、調試過程中存在固有缺陷 ， 留下安全隱患 ， 在一定條件誘發下導致電網發生故障；③長時間滿負荷甚至過負荷運行 ， 檢修時間緊 ， 往往給設備留下安全隱患 。 為大幅度降低設備自身故障給電網安全運行帶來的威脅 ， 除提高制造水平和維修水平之外 ， 要積極的開展設備狀態在線監測與故障診斷技術的研究和開發應用 ， 為實現以可靠性為中心的狀態維修提供決策支持 。  2　復雜氣候環境對外絕緣的威脅仍將持續 我國山地丘陵約占43% ， 高原占26% ， 其中海拔在1km以上的山地和高原超過全國總面積的2/3 。 我國煤電資源94%分布在大別山—昆侖山一線以北1～3km高海拔地區 ， 而85%的水電資源也處于云、貴、川、渝、陜、甘、寧、新等高海拔地區 。 因此 ， 西電東送的超特高壓交直流線路都要通過高海拔地區 ， 比如 ， 貴廣±500kV直流線路貴州段最高海拔超過1.6km ， 小灣至廣東 ， 向家壩至華中、華東的交直流超特高線路海拔最高3km左右 。 一般認為 ， 大氣參數對外絕緣電氣強度的影響包含氣壓、溫度和濕度三個參數 。 氣壓的高低主要取決于海拔高度 ， 基本呈線性關系 。 氣溫的高低和濕度的大小雖然都與多種因素相關 ， 但在一定地區范圍內 ， 氣溫仍隨海拔增高而降低 ， 絕對濕度與海拔高度大致呈指數規律下降 。 雖然大多數國家以及IEC都推薦用相對空氣密度、絕對濕度來表征和研究大氣參數對外絕緣放電電壓的影響 ， 但現有的標準都僅供4000m以下外絕緣選擇參考 。 除大氣參數之外 ， 我國電網還受到3大氣候環境因素的威脅 。 2.1　大氣污染有加重的趨勢大氣環境的污染主要來自于貧困污染、現代化污染和溫室氣體排放 。 直接威脅電網安全的是地區環境污染 ， 即貧困污染和現代化污染 。 盡管我國采取了多種防污措施 ， 但全國大氣污染狀況變化仍然不大 ， 特別是城市空氣污染依然嚴重 。 2004年 ， 二氧化硫排放量為2254.9萬t ， 煙塵排放量為1095.0萬t ， 工業粉塵排放量為904.8萬t ， 二氧化硫和煙塵排放量仍呈上升態勢（表1） 。   雖然2004年全國城市空氣質量總體上與2003年變化不大 ， 但空氣質量達到二級標準城市的比例在下降 。 2004年監測的342個城市中 ， 空氣質量為三級的城市有141個 ， 高達41.2% ， 比2003年增加9.7個百分點；劣于三級的城市仍有69個 ， 占20.2%；達標城市的人口占統計城市人口的33.1% ， 比2003年還減少3.3個百分點；人口超過百萬的特大型、超大型城市空氣中主要污染物二氧化碳和顆粒物超標比例最高 ， 空氣質量達標比例低（圖8） 。  顆粒物仍是影響空氣質量的首要污染物 ， 46.8%的城市顆粒物超過二級標準 ， 比2003年增加1.2個百分點（圖9） 。 2004年污染物較重的城市主要分布在山西、內蒙古、遼寧、河南、湖南、四川及西北各?。ㄗ灾螀^） 。 2004年 ， 二氧化硫污染物嚴重的城市主要分布在山西、河北、河南、湖南、湖北、云南、內蒙古、甘肅、貴州、廣西、四川、重慶等省、自治區、直轄市 。 年均濃度達到國家二級標準（0.06mg/m3）的城市占74.3% ， 與2003年持平；超過國家三級標準（0.10mg/m3）的城市占統計城市的9.1% ， 比2003年降低3個百分點（圖10） 。 二氧化硫污染控制區內 ， 二氧化硫年均濃度達到二級標準的城市占40.6% ， 超過二級標準的城市占59.4% ， 其中19個城市超過三級標準 ， 占29.7% 。 酸雨控制區內 ， 二氧化硫年均濃度達到二級標準的城市占69.4% ， 超過三級標準的城市占7.2%（圖11） 。 113個大氣污染防治重點城市中 ， 51個城市空氣質量為三級 ， 占45.1%；29個城市空氣質量劣于三級 ， 占25.7% 。 47個全國環境保護重點城市中 ， 21個城市空氣質量為三級；6個城市劣于三級標準 ， 空氣污染嚴重（圖12） 。 2.2 酸性濕沉降加劇2004年出現酸雨的城市比例比2003年增加了2.1個百分點；降水年均pH值≤5.6的城市比例上升了4個百分點 ， 其中pH值小于4.5的城市比例增加了2個百分點；酸雨頻率超過80%的城市比例上升了1.6個百分點（圖13、14） 。 降水年均pH值低、酸雨頻率高的城市比例均比2003年增加 ， 表明2004年度酸雨污染較2003年加重 。  從表2、3可知 ， 酸雨控制區112個城市中 ， 降水年均pH值范圍在3.05（湖南吉首市）~ 7.26（湖南郴州市）范圍 ， 其中出現酸雨的城市101個 ， 占90.2%：降水年均pH值小于或等于5.6的城市有83個 ， 占74.1% ， 比2003年增加3.4個百分點；降水年均pH值小于4.5的城市比例上升了6.4個百分點 ， 廣東的韶關和湖南的長沙、常德、吉首年均pH值低于4.0 。 酸雨頻率大于40%的城市67個 ， 占59.8% ， 比2003年增加6.1個百分點 。 酸雨控制區內酸雨污染范圍基本穩定 ， 但污染程度進一步加重 。   2004年降水年均pH值小于5.6（酸雨）的城市主要分布在華中、西南、華東和華南地區：華中酸雨區污染最為嚴重 ， 降水年均pH值（≤5.6）為酸雨的城市為58.3% ， 酸雨頻率大于80％的城市比例達21.4%；湖南和江西是華中酸雨區酸雨污染最嚴重的區域；華南酸雨區主要分布在廣東以珠江三角洲為中心的東南部和廣西東部 ， 降水年均pH值小于5.6的城市比例為58.9% ， 與2003年相比 ， 酸雨污染加重；西南酸雨區以四川的宜賓、南充、貴州的遵義和重慶為中心 ， 降水年均pH值小于5.6的城市比例為49.0%；華東酸雨區分布范圍較廣 ， 覆蓋江蘇省南部、浙江全省、福建沿海地區和上海 ， 高酸雨頻率（≥80%）和高酸度降水（pH值≤5.6）的城市比例僅次于華中酸雨區 ， 分別為21.0%和14.6%；北方的北京 ， 天津 ， 秦皇島和承德 ， 山西的侯馬 ， 遼寧的大連、丹東、錦州、阜新、鐵嶺、葫蘆島 ， 吉林的圖門 ， 陜西的渭南和商洛 ， 甘肅的金昌降水年均pH值小于5.6 。 2004年 ， 全國527個市（縣）降水的年均pH值范圍為3.05（湖南省吉首市）~8.20（甘肅省嘉峪關市） 。 出現酸雨的城市298個 ， 占統計城市的56.5% 。 降水年均pH值小于5.6的城市218個 ， 占統計城市的41.4% ， 其中湖南省長沙、常德、吉首 ， 廣東省韶關 ， 江西省高安降水年均pH值小于4.0 ， 降水酸度較強；酸雨頻率大于40%的城市占統計城市的30.1% ， 其中湖南省常德 ， 江西德興 ， 浙江麗水、安吉、開化酸雨頻率為100% 。 2.3　覆冰雪引發線路跳閘事故時有發生我國是覆冰嚴重的國家之一 ， 高寒地區的覆冰天數平均超過40~60天 ， 如黃河上游、金沙江河谷、川渝黔鄂相鄰的山區等 ， 輸電線路覆冰厚度一般為20~40mm ， 有的高達80~100mm 。 貴州、云南、四川、重慶等西部海拔較高的地區以霧?。芏刃∮?.6g/cm3）為主 ， 而湖南、湖北、山西、河南和華東等平原地區以雨?。芏?.87~0.92g/cm3）為主；由于地形和氣象條件的影響 ， 高海拔地區和平原地區海拔大于150m的山頂、山埡口處也常出現持續時間很長的混合?。芏?.67~0.878g/cm3） 。 我國從1954年起至今 ， 冰雪引起輸電線路絕緣子串冰閃跳閘、導線舞動及倒桿斷線事故時有發生 。 2000年2月 ， 昆明地區因覆冰雪使線路跳閘達140多條次；2001年12月 ， 500kV葛雙Ⅱ回發生兩次B相因覆冰雪導致接地而引起跳閘事故；2003年2月 ， 500kV陽準線相繼發生兩次因冰閃引起的三相跳閘事故；2004年12月~2005年2月 ， 我國華中、華東部分地區500kV線路局部線路覆冰厚度高達100mm ， 出現了大范圍的冰閃跳閘、導線舞動和倒桿事故 。 從全國多變的氣候來看 ， 覆冰雪仍將是導致電網事故的主要原因之一 。  3　設備自身故障發生率仍會居高不下 近幾年來 ， 隨著電力建設的加快和電力體制的改革 ， 國內外各種類型電力設備在電網中廣泛應用 ， 設備的制造水平參差不齊 。 有的設備在制造和安裝、調試過程中就存在固有的缺陷 ， 而且電網覆蓋面積大 ， 一些運行環境惡劣的設備的檢修和巡視比較困難 ， 初期故障得不到及時排除 。 由于設備投資大 ， 一些陳舊的輸變電設備得不到更換 ， 不僅絕緣已經劣化 ， 而且新舊設備間的絕緣配合不當 ， 使設備絕緣的老化進一步加劇 。 惡劣的氣候環境和滿負荷帶病運行也加速了設備絕緣水平的降低 。 總之 ， 從我國輸變電設備現有的狀況看 ， 其自身故障給電網安全運行帶來的隱患還將持續下去 。 在輸變電設備自身故障率仍然居高不下的態勢下 ， 要繼續推廣以在線監測與必要的離線試驗相結合的狀態監測技術 。 與此同時 ， 要系統而深入地研究輸變電設備在線監測與故障診斷新技術 ， 不斷總結和分析設備狀態診斷所積累的大量診斷數據 ， 制定出各類輸變電設備的故障診斷標準和使用導則 ， 以此為基礎實現對輸變電設備運行狀態進行在線評估及剩余壽命在線預測 ， 建立狀態維修制 ， 從而可以大幅度提高電網運行的安全可靠性 。  4　結束語 國內外電網事故的統計都表明 ， 復雜氣候環境和設備自身故障是引發電網大面積停電事故的主要起因 。 為此 ， 通過對復雜環境中外絕緣放電機理和電氣特性的系統研究 ， 采取有效的安全措施 ， 可以大幅度降低復雜環境引起輸變電裝備外絕緣電氣強度下降而造成的電網大面積停電的事故率 。 通過對輸變電設備內絕緣老化機理和在線監測及故障診斷技術的系統研究 ， 可以開發出高穩定性和高度智能化的設備狀態在線監測及故障診斷系統 ， 從而為以可靠性為中心的狀態維修技術提供技術支持 。 總之 ， 在我國特有的氣候環境和設備自身故障率居高不下的態勢下 ， 從輸變電設備著手 ， 研究并解決引發電網事故的兩個主要起因 ， 建立防止電網大面積停電事故的第一道防線是非常必要的 ， 特別是對于規劃建設的特高壓交直流輸電線路更是具有挑戰性的課題 。