輸電線路山火風險分布研究及應用

王 勝，王 飛

(國網湖北省電力公司檢修公司，湖北 武漢 430050)

0 引言

近年來，輸電線路因山火引起的跳閘、停運或降壓運行事件明顯增加。這一方面是因為植樹造林、退耕還林以及封山育林等保護措施的出臺，線路走廊附近植被密度和高度明顯增加，另一方面是受居民煉山燒荒、上墳祭祖等習俗的興盛以及各種極端天氣等因素的影響。2013年下半年，湖北地區(qū)持續(xù)天干物燥，降水量歷史同期最低，導致山火頻發(fā)。

由于輸電線路架設于戶外，線路走廊常通過植被茂密的林區(qū)、遍布茅草的山區(qū)和農田等山火高風險區(qū)域，山火對線路安全運行造成了嚴重威脅。超特高壓輸電線路走廊遠離城市，這種情況更加嚴重，500 kV輸電線路在山火下的工頻擊穿強度降低為純空氣間隙下的23%[1-3]，2013年冬季湖北電網發(fā)生了多起山火引起線路跳閘事件。

研究山火風險在時間和空間上的分布規(guī)律，為線路防范山火提供依據，但是由于影響山火發(fā)生的因素眾多，而且不同地區(qū)影響因素各異，建立有效的山火風險等級劃分方法和標準存在很大難度。目前我國已頒布雷區(qū)、污區(qū)、冰區(qū)、風區(qū)和舞動區(qū)域等級劃分相關標準，分布圖繪制方法也較為成熟[4-10]。但在山火風險等級劃分方面還處于起步階段。本文通過山火事故調研及理論分析，結合山火的發(fā)生頻率法，提出了確定線路走廊山火風險等級的改進LEC方法，并以湖北省為實例闡述了風險等級劃分的應用情況，結果表明風險等級劃分結果與實際情況吻合較好，在指導線路運維部門有針對性開展線路巡視、重點區(qū)段蹲守和山火現場監(jiān)控等工作方面發(fā)揮了重要作用。

1 發(fā)生頻率法

發(fā)生頻率法是線路特殊區(qū)域劃分的一種常用方法，即對實際線路歷史上曾發(fā)生的災害故障情況進行統計分析，依據發(fā)生頻率進行災害風險區(qū)域劃分。該方法一般用于舞動等特殊區(qū)域分布研究，受地區(qū)已建線路的規(guī)模及故障統計數據的準確性和完整性影響較大。但不適合于研究山火風險分布規(guī)律，原因是：

1）發(fā)生山火的次數遠多于山火引起線路故障的次數，采用發(fā)生頻率法將遺漏大量山火案例；

2）不同地區(qū)影響山火發(fā)生的因素各異，不能僅以山火發(fā)生次數來確定山火風險等級。湖北省以燒荒、祭祀等為引發(fā)山火的主要因素，發(fā)生如2009年2月澳大利亞大規(guī)模森林火災的可能性很小。因此在確定山火風險時要充分考慮引發(fā)山火因素的差異。

3）每年山火發(fā)生次數差異較大，這與每年降水量分布等氣象因素關系密切。而且，山火風險的時間特征也十分明顯。湖北省每年10月到次年4月為山火高發(fā)時段，尤其以春節(jié)期間和清明節(jié)前后尤為集中。

因此，本文提出研究山火風險等級的改進LEC法。通過調查區(qū)域內引起山火的主要因素及其時空分布規(guī)律，結合氣象條件，確定山火風險等級，繪制區(qū)域動態(tài)山火風險分布圖，方便運維人員使用。將山火歷史記錄作為案例來確定引發(fā)山火因素和等級分布情況的驗證。

2 湖北山火特點分析

2.1 起火原因分析

綜合分析湖北電網2000年以來山火跳閘和山火險情事件原因，發(fā)現起火點既與氣象條件和地理環(huán)境有關，又與人的活動有關[11]，具體表現為：

1）從山火發(fā)生的地理環(huán)境分析，湖北境內地貌類型多樣，山地、丘陵、崗地和平原兼?zhèn)洌降丶s占全省總面積55.5%，丘陵和崗地約占24.5%，平原湖區(qū)約占20%，山地面積比例超過一半，而山火或發(fā)生在平原地區(qū)的蘆葦蕩里，或發(fā)生在長滿茅草、灌木和易燃樹木的山區(qū)里，這與每年失火位置和次數的統計數據完全一致，比如，與江西交界的通山境內山脈連綿起伏，是全省最嚴重的山火重災區(qū)之一。在山區(qū)，一方面，由于近年來國家大力推行封山育林政策，許多林區(qū)都禁止砍伐，給電力部門開展輸電線路通道清理工作帶來了困難；另一方面，湖北林區(qū)內長有大量的松樹和杉樹，這些樹都含有油脂，極易燃燒，且樹林里常常鋪有厚厚的一層松針和落葉，旁邊還有大量枯黃的雜草，在天氣干燥的冬季很容易被點燃，而且一旦失火，火勢極容易迅速蔓延，很難控制。

2）從山火發(fā)生的氣象條件分析，冬季草木枯萎、天氣干燥，特別是2013年下半年，湖北地區(qū)持續(xù)天干物燥很少下雨，歷史上同期少見，長期的干燥天氣使地面上的茅草和枯枝敗葉等可燃物很少吸收到水分，加上空氣濕度小導致可燃物水分的蒸發(fā)，從而使蘆葦、茅草等易燃植物變得異常干燥，更加容易被燒荒、上墳燒香、放鞭等野火點燃，一個小小的煙頭可能引起一場大火。干燥的氣候條件正是2013年冬季山火頻發(fā)的重要原因之一。

3）從起火原因分析，湖北境內山火均由人為因素引起，如農民燒荒，上墳燒香點蠟燭，小孩玩火，亂扔煙頭等。在許多農村里，農田和山地里堆有大量的秸稈，為圖省事，許多農民往往采取火燒方式，火勢極易沿著長滿雜草的田埂向山上的林區(qū)蔓延。元宵墳前點蠟燭和清明時節(jié)上墳祭祖燒香是普遍的民風民俗，雖說那時已是萬物復蘇，但是冬季過后留下來的枯枝敗葉在晴朗的天氣里依然是危險的易燃物，上墳期間稍有大意就很容易將墳前的枯葉雜草點燃。

2.2 山火易發(fā)地段特點分析

從山火發(fā)生的地理位置看，山火均發(fā)生在平原地區(qū)的蘆葦蕩里或者是長滿茅草和灌木的山區(qū)里，江西交界的咸寧和黃石地區(qū)以及大別山山系的孝感和黃岡地區(qū)是山火頻發(fā)的重災區(qū)，山火的發(fā)生和火勢的發(fā)展與所處的地理環(huán)境具有很大的相關性，具體表現為：

1）在平原地區(qū)，湖北境內平原地區(qū)常有當地居民開發(fā)魚塘、藕塘等情況，近年來線路經過的地區(qū)出現一些無人管理的魚塘、湖泊、沼澤地的淺層水系生長了大量的蘆葦等水生植物，秋冬過后，蘆葦枯黃，加之天氣持續(xù)干燥，魚塘沼澤地區(qū)干涸，蘆葦等植物極易燃燒。蘆葦蕩周邊往往是農民的田地，農民燒荒時極易被從田埂蔓延過來的野火或者飛來的火星點燃。

2）在丘陵地區(qū)，隨著改革開放不斷深入，大量村鎮(zhèn)務工人員涌入城市建設之中，在家直接從事務農的通常為婦女和老人，勞動力嚴重不足，造成大量農田無人耕作，特別是原來丘陵地段的梯田荒廢后荒草叢生，一般都超過一人高，加之經濟建設發(fā)展，人民生活水平不斷提高，原先作為生火做飯的茅草、荊棘無人砍伐，每逢秋季、春節(jié)、清明時節(jié)，當地居民煉山燒荒、上墳祭祖、燃放煙花、孩童玩火等行為極易引起火災。

3）在山區(qū)，許多林區(qū)植被密度大，并且湖北的林區(qū)通常生長著許多極易燃燒的松樹和杉樹，成為山火發(fā)生的危險點。另一方面，在山火頻繁的山頭，因連年山火導致山表面覆蓋著密密麻麻的長茅草，并且這些山頭往往連接著農民的田地和茂密的森林，到了冬季，枯萎的茅草易于點燃，一旦起火，在風的助長下很容易迅速延展，極不易開展撲滅或控制工作。另外，山區(qū)特殊的氣象條件對火勢的蔓延方向和發(fā)展速度有很大的影響。在山體較大的山區(qū)，山谷交錯，復雜的地形伴隨著復雜的氣象條件，山火發(fā)展到山谷的拐角處可能由平緩突然變得迅猛；在坡勢較陡的地方，火勢向山頂發(fā)展的趨勢更為迅速，一方面熱浪沿坡上升，另一方面串起的火苗可直接將上方的植被點燃，火勢呈立體式發(fā)展。

2.3 山火多發(fā)時段分析

根據對湖北省山火發(fā)生情況統計分析，發(fā)現山火發(fā)生時段一般具有如下特點：

1）從一年的時間周期來看，山火多發(fā)生在每年10月1日至翌年4月30日止。在湖北區(qū)域，春節(jié)期間（1-2月）和清明節(jié)前后（3-4月）尤為集中。但2013年湖北地區(qū)持續(xù)干燥少雨，山火來的特別早，特別猛，10月份便進入山火頻發(fā)期。

2）從一天的時間周期來看，大部分山火發(fā)生在16∶00—19∶00，該時段環(huán)境干燥，并且正是人們進行戶外作業(yè)和活動的時間，易引起山火。根據農村習俗，農民們往往在黃昏期間清理田地，焚燒秸稈，形成人為火源；另外，此時間段正逢放學期間，農村孩子喜歡在田野里玩火，山火防范意識極其薄弱，形成火源危險點。

3 基于改進LEC評價的山火風險評估方法

3.1 LEC方法

本文提出的山火風險評價方法，借鑒對危險源風險評價的LEC方法[12]（又稱格雷厄姆·金尼方法），使用工程化的處理思路，采用專家調查法調整相關參數，得到山火風險的定量值，如下式所示

式中：R為山火風險值；L為山火造成的最大可能的結果，取值如表1所示。

表1 后果嚴重程度表Tab.1 Severity of consequences

后果特別嚴重指的是影響重要輸電通道多條線路、跨區(qū)電網線路或特高壓線路運行；嚴重指影響500 kV線路運行；比較嚴重指影響220 kV及部分重要的110 kV線路運行；一般指影響部分非重要110 kV線路及110 kV以下等級線路運行。E為暴露時間，即為山火事件發(fā)生的頻率，取值從10分到0.5分，如表2所示。

表2 山火發(fā)生頻率分值表Tab.2 Value of occurrence frequency of forest fires

C為可能性，即為一旦發(fā)生山火，導致輸電線路發(fā)生故障跳閘的可能性，取值從10分到0.1分，如表3所示。

表3 山火引發(fā)線路跳閘可能性分值表Tab.3 Value of possibility of transmission line trip caused by forest fires

3.2 基于干旱指數的改進LEC方法

山火的發(fā)生不僅與可燃物、火源有關，還與火險天氣關系密切，干旱程度越高，山火風險越大。因此，在研究山火風險分布時，應考慮當前天氣的干旱程度。

根據世界氣象組織1980年的統計,各種應用的干旱指數有55種之多。本文選取2006年中國氣象局提出的《氣象干旱等級》（GB/T20481-2006）規(guī)定的綜合氣象干旱指數（CI）作為山火風險分布的校正因子[13,14]。

綜合氣象干旱指數CI是以標準化降水指數、相對濕潤指數和降水量為基礎建立的一種綜合指數,既反映短時間尺度和長時間尺度降水量，又反映短時間尺度水分虧欠情況，適合實時氣象干旱監(jiān)測。CI一般為負數，其值越小表明干旱越嚴重。CI計算公式為

式中：Z30、Z90分別為近30 d和近90 d的標準化降水指數；M30為近30 d的相對濕潤度指數；a、b、c為系數,一般分別取0.4、0.4和0.8。

修訂后的山火風險值為

根據山火風險值，按照由輕到重分為四個等級，分別為低風險、一般風險、中風險和高風險，如表4所示。

表4 山火風險程度表Tab.4 Risk level of forest fires

4 應用實例

按上述改進LEC方法，開展湖北某地區(qū)的山火風險分布研究。

首先，通過分析收集區(qū)域內植被、墳場、燒荒煉山點分布及歷史上發(fā)生的山火跳閘事件，結合當地地形地貌，對存在山火風險的區(qū)域確定L、E、C各項分值，再根據式1求出不考慮氣象情況的山火風險值R。然后按表4對應的風險程度得到山火風險分布，如圖1所示。

圖1 不考慮氣象情況的山火風險分布Fig.1 Risk distribution of forest fires risk withoutconsidering weather conditions

其次，通過獲取的綜合氣象干旱指數，對圖1的山火風險分布進行調整，實現山火風險分布的動態(tài)更新，對未來一段時間的山火風險進行預測。如在2013年6月，由于該區(qū)域降水豐富，CI值較小，因此2013年6月27日的山火風險分布如圖2所示，全區(qū)域山火風險都較低。

圖2 2013年6月27日山火風險分布Fig.2 Risk distribution of forest fires risk in June 27,2013

2013年12月18日山火風險分布如圖3所示，2013年下半年以來，該區(qū)域持續(xù)天干物燥很少下雨，CI值較大，因此圖中有較大片的高風險區(qū)域。

圖3 2013年12月18日山火風險分布Fig.3 Risk distribution of forest fires risk in December 18,2013

2013年下半年長期干燥天氣使蘆葦、茅草等易燃植物變得異常干燥，易被燒荒、上墳燒香、放鞭等野火點燃引發(fā)山火。經統計分析2013年12月該區(qū)域因山火造成的500 kV及以上等級輸電線路跳閘、停運或降壓運行（直流）事件，確定山火火點分布如圖4所示，共有11處，其中位于高風險區(qū)域的有7處。運行實例說明山火風險分布圖的準確性較高。

圖4 2013年12月山火火點分布Fig.4 Distribution of forest fires points in December,2013

考慮到該區(qū)域山火特點，結合山火風險分布圖，如在12月份對山火高風險區(qū)域下午14：00-19：00采取特巡、蹲守等措施，將可以有效遏制山火對輸電線路運行的威脅。

5 結論

本文采用改進LEC方法研究輸電線路山火風險分布特征，考慮了氣象條件對山火風險分布的影響。應用實例說明了本方法對區(qū)域內輸電線路山火風險的預測準確度高，效果好，為防范輸電線路山火故障、提高線路運維可靠性提供了技術保障。

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