架空線下樹木增長對安全的影響

萬教智，劉金虎，趙理勇，張 軍

（國網(wǎng)湖北省電力有限公司神農(nóng)架供電公司，湖北神農(nóng)架 442400）

1 故障分類及影響因素

1.1 樹閃故障的類別

當(dāng)架空輸電線路與樹木之間的空隙，因線下及兩側(cè)樹木過度生長而減小，甚至小于安全距離時，便會出現(xiàn)“樹閃”現(xiàn)象。根據(jù)引起的原因，樹閃故障大致可分為3種。

（1）在惡劣天氣影響下，如暴風(fēng)，雷雨天氣等，架空線路中的樹木容易發(fā)生折斷，飄浮到桿塔或?qū)Ь€上，短接絕緣子串，引發(fā)閃絡(luò)故障跳閘。在線路實(shí)際運(yùn)行中，這種情況的發(fā)生概率極小。

（2）在大風(fēng)情況下，線路導(dǎo)線和樹木都發(fā)生風(fēng)偏搖擺，擺幅較大且電力走廊外的樹木樹冠生長接近走廊的時候，線路就可能與電力走廊外的樹木之間發(fā)生樹閃故障。這種情況是由于樹木距線路邊線的距離不足，樹木及導(dǎo)線風(fēng)偏引起導(dǎo)線與樹木的凈空距離小于閃絡(luò)距離，引起線路跳閘。這種跳閘一般為瞬時性故障，自動重合閘重合成功的概率較高，對系統(tǒng)安全運(yùn)行的沖擊較小。這種情況主要是通過加大線路走廊植物的處理力度，擴(kuò)大兩邊線外樹木的砍伐的寬度。

（3）在大停電中經(jīng)常遇到的樹閃故障，是線路過熱導(dǎo)線弧垂增大而接近樹木導(dǎo)致的，如圖1所示。

在外界環(huán)境和線路輸送電能等因素的影響下，會使數(shù)電線路溫度升高，線路易被拉伸，使弧垂度增加，垂度由f1增加到f2。如果架空線路下的植被沒有定期進(jìn)行修剪，使高度達(dá)到H時，且植被與輸電線路之間的距離不超過d時，導(dǎo)線對植物發(fā)生閃絡(luò)放電，這種樹閃故障的條件見式（1）。

圖1 樹閃故障原理

這種類型的樹閃故障一般重合成功的概率較小，最容易誘發(fā)大面積停電事故。在架空線路正常工作的情況下，維護(hù)人員很難留意架空線路下是否會發(fā)生樹閃故障，再加上樹閃故障引發(fā)的跳閘現(xiàn)象屬于高阻接地故障，在排除行波故障測距裝置外，使用一般故障測距距離具有較大的誤差，短時間內(nèi)難以排查故障點(diǎn)。負(fù)責(zé)調(diào)度運(yùn)行的維護(hù)人員，通常會采用強(qiáng)送電達(dá)到恢復(fù)故障線路運(yùn)行的目的，這樣會使線路短暫的恢復(fù)運(yùn)行，但是會使導(dǎo)線輸出電能過多產(chǎn)生大量熱能，增加導(dǎo)線弧垂與樹木發(fā)生樹閃再次跳閘。如果此時再有故障線路的負(fù)荷轉(zhuǎn)移到正常運(yùn)行的線路上，就很有可能導(dǎo)致本來處于正常運(yùn)作的線路負(fù)荷工作，使弧垂度增加，線路過于接近樹木，就會增加樹閃故障的發(fā)生概率，引發(fā)連鎖效應(yīng)造成大規(guī)模的停電事故。如在21世紀(jì)初發(fā)生的美加大停電事故，最終通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，造成停電的罪魁禍?zhǔn)资羌芸站€路發(fā)生樹閃故障所引起的。但是奇怪的是發(fā)生樹閃故障中的線路并沒有超過額定功率，這就反應(yīng)出引發(fā)樹閃故障的主要原因還是樹木過高與架空線發(fā)生接觸所致，所以需要對高架線下高桿植物進(jìn)行高度管理。樹閃故障具有較大的危害性，本文對此類故障的主要研究目的是最大限度的降低其危害性。

1.2 對樹閃故障的主要影響因素的剖析

造成上述最后一類樹閃發(fā)生的主要原因是，植物高度與輸電線路下垂度所導(dǎo)致的，在架空線路正常工作的情況下，可將線路的弧垂表達(dá)為式（2）。

式中f——垂度

i——線電流

θ——線路所處的環(huán)境溫度

v——風(fēng)速

g——一個簡單的函數(shù)關(guān)系

式（2）能夠計算出最高環(huán)境溫度、額定載荷或過載和無風(fēng)等臨界條件下的最大垂度。從式（2）可以確定，如果導(dǎo)線的跨距保持不變，主要決定弧垂變化的因素主要是線路電流和線路運(yùn)行環(huán)境的溫度以及風(fēng)速等。

2 風(fēng)險因素

2.1 輸電線路弧垂

弧垂作為影響架空線路能否穩(wěn)定運(yùn)行的重要影響因素之一，如果輸電線路弧垂度過大，使線路與周圍的建筑、植物等物體距離過小，則會導(dǎo)致短路跳閘和風(fēng)偏放電等故障。如陽光照射、環(huán)境溫度、導(dǎo)線應(yīng)力等很多因素都在一定程度上影響弧垂程度。而其中導(dǎo)線應(yīng)力對弧垂具有重要的影響，在進(jìn)行架空線路施工的過程中，對導(dǎo)線的初始應(yīng)力已經(jīng)確定，所以在進(jìn)行運(yùn)算推導(dǎo)的過程中，只需要考慮導(dǎo)線的環(huán)境、符合等可能改變導(dǎo)線應(yīng)力的因素。

2.2 樹生長

隨著時間推移，輸電線路走廊內(nèi)植被與導(dǎo)線的距離會因樹木的生長而變化，當(dāng)輸電線路走廊內(nèi)植被與導(dǎo)線的距離小于安全距離時，極有可能造成樹閃故障，使輸電線路的穩(wěn)定運(yùn)行收到一定的影響。Chapman-Richards曲線是描述模擬樹高生長的著名模型，表達(dá)式為式（3）。

式中H（t）——樹高

t——樹齡

a，b，c——待定常數(shù)，主要反映對特定樹種和地點(diǎn)環(huán)境

林業(yè)研究表明，樹高不僅與樹齡有關(guān)，而且與氣象因子密切相關(guān)，尤其是降雨對樹木生長的影響最大。在不同區(qū)域中的氣象因子、樹種都有一定的影響。因此，基于Chapman Richards模型，考慮到適合于相應(yīng)區(qū)域的氣象因子的影響，能夠更加準(zhǔn)確的確定樹高。通過現(xiàn)有林業(yè)研究以及植物管理情況給出的資料，需要考慮3個因素。

（1）架空走廊下的植物通常不是定期修剪，而是直接砍伐。架空線路下的樹木普遍是在采伐周期之后的幼苗，不需要考慮修剪對樹高的影響。

（2）找出廊道中的優(yōu)勢樹種，深入研究樹木。

（3）降雨量和溫度等環(huán)境因素對樹高的影響。

通過上文的分析不難看出，樹高能夠表示為氣象因子和時間序列趨勢項(xiàng)隨機(jī)項(xiàng)兩部分的疊加。其中時間序列趨勢項(xiàng)由公式（3）表示，可將氣象因子表達(dá)為式（4）。

式中m——樹齡

Hcm——第m年樹高氣象生長量

c0——常數(shù)項(xiàng)

pcm-1——上年總降雨量

j——生長期中的月序號

n——生長期月數(shù)

pmj——第m年生長期內(nèi)第j月的降雨量

α0，αj——偏回歸系數(shù)

由于降雨對樹高生長具有一定的延后影響，通過式（4）也可以體現(xiàn)出降雨量上一年對樹高的影響。

由公式（3）和（4）得出，第 t年的樹高 H（t）為式（5）。

式中的偏回歸系數(shù)可借助回歸分析的方法進(jìn)行估計。

4 高架線下樹木增長解決方案

4.1 根源控制

架空線路下樹木屏障是采用砍伐無法根本解決的隱患，所以需要在線路選擇方面從根本上杜絕后患，積極的與當(dāng)?shù)卣畽C(jī)構(gòu)進(jìn)行聯(lián)系，做好電力安全的宣傳教育工作，避免在輸電通道內(nèi)種植過高的植物。

4.2 提高樹障隱患數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

為提高樹障隱患數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，將監(jiān)測分為短期精監(jiān)測與長期粗監(jiān)測：短期精監(jiān)測將在生長季節(jié)（每年2—6月）定期對架空線路下植物生長情況進(jìn)行測定，并確定優(yōu)勢樹種，同步利用小型氣候站對降雨量、空氣溫度、空氣濕度、光照強(qiáng)度、土壤溫度、土壤濕度、蒸發(fā)量等氣象因子進(jìn)行全天候現(xiàn)場監(jiān)測，進(jìn)而將獲取的樹木生長數(shù)據(jù)和氣候因子數(shù)據(jù)代入式（5），通過回歸擬合分析樹木短期生長模型；長期粗監(jiān)測將通過樹木胸徑與樹木生長關(guān)系的模型擬合，推斷樹木年齡，結(jié)合當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)，同樣擬合分析式（5）的各參數(shù)。以短期與長期相結(jié)合，精監(jiān)測與粗監(jiān)測相配合，完善架空線路走廊管理方案，并且有效減少管理架空線路走廊管理的經(jīng)費(fèi)。

5 結(jié)論

架空線路是電力系統(tǒng)的重要組成部分，擔(dān)負(fù)著遠(yuǎn)距離輸電的任務(wù)。高架線路大多位于山區(qū)和丘陵地區(qū)，環(huán)境極其復(fù)雜。由于通道內(nèi)樹木的過度生長，經(jīng)常發(fā)生導(dǎo)線跳閘，嚴(yán)重影響線路的安全運(yùn)行。通過對架空線與高桿樹木之間的關(guān)系進(jìn)行分析，確定主要影響因素，針對主要因素提出一系列的管理措施，以確保架空線路能夠安全穩(wěn)定的運(yùn)行。