防御變電設備故障引發(fā)電網(wǎng)停電事故的分析

陳 鵬 袁曉松

濮陽龍源電力集團有限公司

防御變電設備故障引發(fā)電網(wǎng)停電事故的分析

陳 鵬 袁曉松

濮陽龍源電力集團有限公司

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(shù)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(jié)構(gòu)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(gòu)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(shù)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。

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(shù)需求層面上存在許多亟待解決的相關(guān)科學和技術(shù)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(guān)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(guān)鍵技術(shù)提供基礎理論支撐。

一、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(shù)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(guān)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。

二、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(jié)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)試驗研究，構(gòu)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。

三、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(shù)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(shù)，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(guān)鍵技術(shù)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(shù)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(shù)。因此，需要借助利用多學科交叉融合開展大量的基礎研究。

四、結(jié)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(guān)，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(guān)鍵技術(shù)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(guān)鍵科學技術(shù)問題上將有所突破。

［1］ 劉富元，柳云祥，李紅巖，呂霞. 變電設備狀態(tài)檢測技術(shù)存在的問題及解決方法［J］. 電子技術(shù)與軟件工程. 2016（16）