防御變電設備故障引發電網停電事故的分析

高家川+李明偉

摘 要：中國經濟的持續高速發展需要更進一步加快電網建設的步伐。2011年，建設與發展特高壓等大容量、高效率、遠距離先進輸電技術已經明確寫入國家“十二五”規劃綱要，特高壓輸電已經上升為國家戰略。安全、優質和經濟供電是智能電網建設與運行的3大要素，其中以安全供電最為重要。在經濟發達體國家和新經濟增長體大國，由于電網覆蓋面越來越廣大，且結構越來越復雜，加上供電可靠性要求越來越高，一旦發生大面積停電事故，將對各自國家的國民經濟發展、人民正常生活乃至國家安全穩定造成難以估量的損失。然而，引發電網大面積停電事故發生的源頭主要是輸變電設備（輸電線路和變電設備）故障，它是構建電網的主體。我國在實施“西電東送、南北互供、全國聯網”及其建設特高壓輸電網的中長期戰略中，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電網大面積停電事故的挑戰性難題。

關鍵詞：變電設備；故障；電網停電事故

在高速發展的現代社會中，一旦電網發生重大事故將會引起大面積的停電，不僅會給國民經濟的穩步發展帶來嚴重影響，而且會對人民生活乃至社會公共安全造成重大損失，因此電網是大中城市運行和國民經濟發展的命脈，世界發達與高速發展中國家都高度重視電網的安全運行。從近20年國內外發生的電網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突發性停電事故的基礎研究，并從引發電網大面積事故的源頭上建立第1道防御系統，才能大幅度減少因大面積停電給國民經濟帶來的嚴重損失。我國在實施"西電東送、南北互供、全國聯網"及其建設特高壓電網的中長期戰略中，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絕緣潛伏性和突發性故障機理、狀態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所需的電氣設備狀態監測、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

根據國內外的統計，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。目前的發展趨勢是試圖建立一個物理意義清晰而又與氣象參數、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。目前國內外對冰閃、污閃機理的研究都還處于探索階段。在冰閃數學模型和預測數學模型方面，加拿大和我國都取得了一定的進展。

根據我國500kV交流線路和前蘇聯330～1150kV交流線路的運行統計，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與過電壓在線監測系統聯網對雷電過電壓進行多系統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絕緣損傷的預測方法。為使試驗結果具有重復性、再現性和規律性，國內外研究輸電線路故障機理等的發展趨勢是采用以人工氣候室為主、自然環境現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學模型。目前我國不僅有能力模擬復雜氣候環境的大型（Φ7.8m×11.6m）多功能人工氣候室，而且中國電科院、國網電科院、南方電網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生發展機理和特征信息獲取與識別等的能力。

2 變電設備內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境中，反應設備各種潛伏性缺陷和內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測裝置。由于對故障發展規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絕緣時效老化的發展規律及機理的基礎研究，在國內外都還處于起步階段。對于新型的納米有機薄膜介質和以添加劑提高油紙絕緣的抗老化性能的研究，目前國內外都還處于探索性研究階段。無論是未來新型的還是現用的介質材料和絕緣新結構，都必須研究其老化的機理、故障發生發展的物理過程及其規律，尋找剩余壽命預測和運行狀態監測的各種特征信息。因此，除通過物理模擬或工業模型的大量試驗和仿真研究以外，尚需做真型內絕緣結構試驗研究，構建內絕緣老化或故障發生發展的數學物理模型，建立運行狀態預測的理論及方法。這一些目前國內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突發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事故的發生發展進行有效的預警與處置的理論及方法的研究，是電力行業和公共安全的迫切需求，它既是國內外研究的熱點，也是一個具有挑戰性的難題，比如現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等都是挑戰性的難題。目前國內外研究的重點是多傳感器及其信息融合技術，以在線監測為基礎、可靠性與經濟性為中心的狀態維修理論及方法，特別是建立各種典型故障物理模型、工業模型和真實模型，對故障產生的機理、種類、位置、危險性程度進行大量的理論分析，建立大型的樣本數據庫，并引入現代數學方法等，以便為建立智能化的在線預警系統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、神經網絡、分形等一系列現代數學理論與方法，而且還涉及現代網絡與通信技術。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，電力是現代城市群、新農村建設及全社會經濟運行的總開關，電力系統發生大面積停電造成的重大突發性災害事故，不僅會給國民經濟發展帶來重大影響，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性事故防御的理論體系，在引發輸變電裝備故障的特征信息的提取與識別、監測與診斷、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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