防御變電設備故障引發(fā)電網(wǎng)停電事故的分析

高家川+李明偉

摘 要：中國經(jīng)濟的持續(xù)高速發(fā)展需要更進一步加快電網(wǎng)建設的步伐。2011年，建設與發(fā)展特高壓等大容量、高效率、遠距離先進輸電技術已經(jīng)明確寫入國家“十二五”規(guī)劃綱要，特高壓輸電已經(jīng)上升為國家戰(zhàn)略。安全、優(yōu)質(zhì)和經(jīng)濟供電是智能電網(wǎng)建設與運行的3大要素，其中以安全供電最為重要。在經(jīng)濟發(fā)達體國家和新經(jīng)濟增長體大國，由于電網(wǎng)覆蓋面越來越廣大，且結構越來越復雜，加上供電可靠性要求越來越高，一旦發(fā)生大面積停電事故，將對各自國家的國民經(jīng)濟發(fā)展、人民正常生活乃至國家安全穩(wěn)定造成難以估量的損失。然而，引發(fā)電網(wǎng)大面積停電事故發(fā)生的源頭主要是輸變電設備（輸電線路和變電設備）故障，它是構建電網(wǎng)的主體。我國在實施“西電東送、南北互供、全國聯(lián)網(wǎng)”及其建設特高壓輸電網(wǎng)的中長期戰(zhàn)略中，亟待研究從工程技術層面無法解決的因輸變電裝備故障引發(fā)電網(wǎng)大面積停電事故的挑戰(zhàn)性難題。

關鍵詞：變電設備；故障；電網(wǎng)停電事故

在高速發(fā)展的現(xiàn)代社會中，一旦電網(wǎng)發(fā)生重大事故將會引起大面積的停電，不僅會給國民經(jīng)濟的穩(wěn)步發(fā)展帶來嚴重影響，而且會對人民生活乃至社會公共安全造成重大損失，因此電網(wǎng)是大中城市運行和國民經(jīng)濟發(fā)展的命脈，世界發(fā)達與高速發(fā)展中國家都高度重視電網(wǎng)的安全運行。從近20年國內(nèi)外發(fā)生的電網(wǎng)大面積停電事故來看，只有高度重視輸變電裝備故障導致電網(wǎng)突發(fā)性停電事故的基礎研究，并從引發(fā)電網(wǎng)大面積事故的源頭上建立第1道防御系統(tǒng)，才能大幅度減少因大面積停電給國民經(jīng)濟帶來的嚴重損失。我國在實施"西電東送、南北互供、全國聯(lián)網(wǎng)"及其建設特高壓電網(wǎng)的中長期戰(zhàn)略中，從工程技術需求層面上存在許多亟待解決的相關科學和技術問題。為此，2009年國家立項了"防御輸變電裝備故障導致電網(wǎng)停電事故的基礎研究"重點基礎研究計劃（973計劃）項目，該文就項目的總體思路、主要內(nèi)容、課題設置和研究進展等相關情況進行介紹，重點針對如何開展變電設備內(nèi)絕緣潛伏性和突發(fā)性故障機理、狀態(tài)評估理論與方法的研究進行深入探討，為最終建立智能電網(wǎng)所需的電氣設備狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷和預測預警等關鍵技術提供基礎理論支撐。

1 輸電線路故障的機理及特征信息的獲取、識別與預測預防

根據(jù)國內(nèi)外的統(tǒng)計，造成輸電線路常見故障的主要原因是線路（導線、地線、桿塔）覆冰、絕緣子覆冰、積污和雷擊。自20世紀50年代以來，國內(nèi)外都相繼開展了輸電線路導線（地線）覆冰機理、觀測、抗冰、融冰技術等方面的研究。已提出了20多種由雨凇、霧凇形成的經(jīng)驗模型和計算公式，但沒有一個計算模型被證明是具有通用性的。目前的發(fā)展趨勢是試圖建立一個物理意義清晰而又與氣象參數(shù)、地理條件、海拔高度等相關的能預測導線上形成雨凇、霧凇或混合凇的數(shù)學物理模型。

由于覆冰絕緣子的放電過程和影響因素（覆冰前的污穢狀況、海拔高度、覆冰狀態(tài)等）比污穢放電更為復雜，加之需要人工氣候室，因此對其研究的難度就更大。目前國內(nèi)外對冰閃、污閃機理的研究都還處于探索階段。在冰閃數(shù)學模型和預測數(shù)學模型方面，加拿大和我國都取得了一定的進展。

根據(jù)我國500kV交流線路和前蘇聯(lián)330～1150kV交流線路的運行統(tǒng)計，造成超特高壓輸電線路跳閘的重要原因是雷電繞擊。國外不僅非常重視對雷電過電壓的實時監(jiān)測、在線識別及定位的研究，探索將氣象和電力GPS與過電壓在線監(jiān)測系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)對雷電過電壓進行多系統(tǒng)定位的一種新的防雷理論及方法，同時也在探索雷電波入侵變電站時對變電設備內(nèi)絕緣損傷的預測方法。為使試驗結果具有重復性、再現(xiàn)性和規(guī)律性，國內(nèi)外研究輸電線路故障機理等的發(fā)展趨勢是采用以人工氣候室為主、自然環(huán)境現(xiàn)場為輔的試驗研究與理論分析及仿真相結合的綜合研究技術路線。主要研究輸電線路導（地）線覆冰的形成過程和覆冰量預測理論及方法，新的抗冰融冰理論及方法，絕緣子冰閃和污閃放電的機理與物理過程，表征覆冰、積污程度和冰閃、污閃的特征信息并建立計算和預測的數(shù)學模型。目前我國不僅有能力模擬復雜氣候環(huán)境的大型（Φ7.8m×11.6m）多功能人工氣候室，而且中國電科院、國網(wǎng)電科院、南方電網(wǎng)公司技術中心等正在建設更大的人工氣候室和特高壓試驗基地。此基礎具備研究輸電線路故障的發(fā)生發(fā)展機理和特征信息獲取與識別等的能力。

2 變電設備內(nèi)部故障的機理及特征信息獲取、識別與預測預防

由于輸變電設備處于強電磁場環(huán)境中，反應設備各種潛伏性缺陷和內(nèi)絕緣老化的特征信息非常微弱，因而特征信息的提取至今仍是一個難題。到1998年，全球電力企業(yè)中只有4.3%的變電設備和0.4%的配電變壓器設備安裝了在線監(jiān)測裝置。由于對故障發(fā)展規(guī)律和機理的研究甚少，因而安裝的設備裝置的運行結果難以滿足工程需要。對于變電設備各種潛伏性缺陷及內(nèi)絕緣時效老化的發(fā)展規(guī)律及機理的基礎研究，在國內(nèi)外都還處于起步階段。對于新型的納米有機薄膜介質(zhì)和以添加劑提高油紙絕緣的抗老化性能的研究，目前國內(nèi)外都還處于探索性研究階段。無論是未來新型的還是現(xiàn)用的介質(zhì)材料和絕緣新結構，都必須研究其老化的機理、故障發(fā)生發(fā)展的物理過程及其規(guī)律，尋找剩余壽命預測和運行狀態(tài)監(jiān)測的各種特征信息。因此，除通過物理模擬或工業(yè)模型的大量試驗和仿真研究以外，尚需做真型內(nèi)絕緣結構試驗研究，構建內(nèi)絕緣老化或故障發(fā)生發(fā)展的數(shù)學物理模型，建立運行狀態(tài)預測的理論及方法。這一些目前國內(nèi)外也都還處于探索性研究階段。

3 輸變電裝備故障導致電網(wǎng)突發(fā)性事故的預警與處置理論及方法

對輸變電裝備故障導致電網(wǎng)事故的發(fā)生發(fā)展進行有效的預警與處置的理論及方法的研究，是電力行業(yè)和公共安全的迫切需求，它既是國內(nèi)外研究的熱點，也是一個具有挑戰(zhàn)性的難題，比如現(xiàn)場采集特征信息的各種傳感器、強電磁場中的電磁兼容技術和后臺對故障處置決策的專家系統(tǒng)等都是挑戰(zhàn)性的難題。目前國內(nèi)外研究的重點是多傳感器及其信息融合技術，以在線監(jiān)測為基礎、可靠性與經(jīng)濟性為中心的狀態(tài)維修理論及方法，特別是建立各種典型故障物理模型、工業(yè)模型和真實模型，對故障產(chǎn)生的機理、種類、位置、危險性程度進行大量的理論分析，建立大型的樣本數(shù)據(jù)庫，并引入現(xiàn)代數(shù)學方法等，以便為建立智能化的在線預警系統(tǒng)提供理論和關鍵技術支撐。對輸電線路和變電設備故障的預警與處置是涉及多學科交叉的難題，不僅涉及傳感器技術和小波分析、混沌、粗糙集、神經(jīng)網(wǎng)絡、分形等一系列現(xiàn)代數(shù)學理論與方法，而且還涉及現(xiàn)代網(wǎng)絡與通信技術。因此，需要借助利用多學科交叉融合開展大量的基礎研究。

4 結束語

綜上所述，電力是現(xiàn)代城市群、新農(nóng)村建設及全社會經(jīng)濟運行的總開關，電力系統(tǒng)發(fā)生大面積停電造成的重大突發(fā)性災害事故，不僅會給國民經(jīng)濟發(fā)展帶來重大影響，而且使社會公共秩序和正常生活秩序嚴重混亂。為此，應通過基礎理論和關鍵技術的研究，建立輸電線路和變電設備突發(fā)性事故防御的理論體系，在引發(fā)輸變電裝備故障的特征信息的提取與識別、監(jiān)測與診斷、預警與處置等一些關鍵科學技術問題上將有所突破。

參考文獻

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