防御變電設(shè)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(jì)的持續(xù)高速發(fā)展需要更進(jìn)一步加快電網(wǎng)建設(shè)的步伐。2011年，建設(shè)與發(fā)展特高壓等大容量、高效率、遠(yuǎn)距離先進(jìn)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(jì)供電是智能電網(wǎng)建設(shè)與運(yùn)行的3大要素，其中以安全供電最為重要。在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)體國家和新經(jīng)濟(jì)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(fù)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(duì)各自國家的國民經(jīng)濟(jì)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(shè)備（輸電線路和變電設(shè)備）故障，它是構(gòu)建電網(wǎng)的主體。我國在實(shí)施“西電東送、南北互供、全國聯(lián)網(wǎng)”及其建設(shè)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。

關(guān)鍵詞：變電設(shè)備；故障；電網(wǎng)停電事故

在高速發(fā)展的現(xiàn)代社會(huì)中，一旦電網(wǎng)發(fā)生重大事故將會(huì)引起大面積的停電，不僅會(huì)給國民經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)步發(fā)展帶來嚴(yán)重影響，而且會(huì)對(duì)人民生活乃至社會(huì)公共安全造成重大損失，因此電網(wǎng)是大中城市運(yùn)行和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的命脈，世界發(fā)達(dá)與高速發(fā)展中國家都高度重視電網(wǎng)的安全運(yùn)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(dǎo)致電網(wǎng)突發(fā)性停電事故的基礎(chǔ)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(jì)帶來的嚴(yán)重?fù)p失。我國在實(shí)施"西電東送、南北互供、全國聯(lián)網(wǎng)"及其建設(shè)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(xué)和技術(shù)問題。為此，2009年國家立項(xiàng)了"防御輸變電裝備故障導(dǎo)致電網(wǎng)停電事故的基礎(chǔ)研究"重點(diǎn)基礎(chǔ)研究計(jì)劃（973計(jì)劃）項(xiàng)目，該文就項(xiàng)目的總體思路、主要內(nèi)容、課題設(shè)置和研究進(jìn)展等相關(guān)情況進(jìn)行介紹，重點(diǎn)針對(duì)如何開展變電設(shè)備內(nèi)絕緣潛伏性和突發(fā)性故障機(jī)理、狀態(tài)評(píng)估理論與方法的研究進(jìn)行深入探討，為最終建立智能電網(wǎng)所需的電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷和預(yù)測預(yù)警等關(guān)鍵技術(shù)提供基礎(chǔ)理論支撐。

1 輸電線路故障的機(jī)理及特征信息的獲取、識(shí)別與預(yù)測預(yù)防

根據(jù)國內(nèi)外的統(tǒng)計(jì)，造成輸電線路常見故障的主要原因是線路（導(dǎo)線、地線、桿塔）覆冰、絕緣子覆冰、積污和雷擊。自20世紀(jì)50年代以來，國內(nèi)外都相繼開展了輸電線路導(dǎo)線（地線）覆冰機(jī)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(yàn)?zāi)Ｐ秃陀?jì)算公式，但沒有一個(gè)計(jì)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(gè)物理意義清晰而又與氣象參數(shù)、地理?xiàng)l件、海拔高度等相關(guān)的能預(yù)測導(dǎo)線上形成雨凇、霧凇或混合凇的數(shù)學(xué)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(fù)雜，加之需要人工氣候室，因此對(duì)其研究的難度就更大。目前國內(nèi)外對(duì)冰閃、污閃機(jī)理的研究都還處于探索階段。在冰閃數(shù)學(xué)模型和預(yù)測數(shù)學(xué)模型方面，加拿大和我國都取得了一定的進(jìn)展。

根據(jù)我國500kV交流線路和前蘇聯(lián)330～1150kV交流線路的運(yùn)行統(tǒng)計(jì)，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(duì)雷電過電壓的實(shí)時(shí)監(jiān)測、在線識(shí)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(duì)雷電過電壓進(jìn)行多系統(tǒng)定位的一種新的防雷理論及方法，同時(shí)也在探索雷電波入侵變電站時(shí)對(duì)變電設(shè)備內(nèi)絕緣損傷的預(yù)測方法。為使試驗(yàn)結(jié)果具有重復(fù)性、再現(xiàn)性和規(guī)律性，國內(nèi)外研究輸電線路故障機(jī)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(yàn)研究與理論分析及仿真相結(jié)合的綜合研究技術(shù)路線。主要研究輸電線路導(dǎo)（地）線覆冰的形成過程和覆冰量預(yù)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(jī)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(jì)算和預(yù)測的數(shù)學(xué)模型。目前我國不僅有能力模擬復(fù)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(shù)中心等正在建設(shè)更大的人工氣候室和特高壓試驗(yàn)基地。此基礎(chǔ)具備研究輸電線路故障的發(fā)生發(fā)展機(jī)理和特征信息獲取與識(shí)別等的能力。

2 變電設(shè)備內(nèi)部故障的機(jī)理及特征信息獲取、識(shí)別與預(yù)測預(yù)防

由于輸變電設(shè)備處于強(qiáng)電磁場環(huán)境中，反應(yīng)設(shè)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(gè)難題。到1998年，全球電力企業(yè)中只有4.3%的變電設(shè)備和0.4%的配電變壓器設(shè)備安裝了在線監(jiān)測裝置。由于對(duì)故障發(fā)展規(guī)律和機(jī)理的研究甚少，因而安裝的設(shè)備裝置的運(yùn)行結(jié)果難以滿足工程需要。對(duì)于變電設(shè)備各種潛伏性缺陷及內(nèi)絕緣時(shí)效老化的發(fā)展規(guī)律及機(jī)理的基礎(chǔ)研究，在國內(nèi)外都還處于起步階段。對(duì)于新型的納米有機(jī)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(jī)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(yù)測和運(yùn)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(yàn)和仿真研究以外，尚需做真型內(nèi)絕緣結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究，構(gòu)建內(nèi)絕緣老化或故障發(fā)生發(fā)展的數(shù)學(xué)物理模型，建立運(yùn)行狀態(tài)預(yù)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(dǎo)致電網(wǎng)突發(fā)性事故的預(yù)警與處置理論及方法

對(duì)輸變電裝備故障導(dǎo)致電網(wǎng)事故的發(fā)生發(fā)展進(jìn)行有效的預(yù)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(diǎn)，也是一個(gè)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(qiáng)電磁場中的電磁兼容技術(shù)和后臺(tái)對(duì)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(diǎn)是多傳感器及其信息融合技術(shù)，以在線監(jiān)測為基礎(chǔ)、可靠性與經(jīng)濟(jì)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(shí)模型，對(duì)故障產(chǎn)生的機(jī)理、種類、位置、危險(xiǎn)性程度進(jìn)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(xué)方法等，以便為建立智能化的在線預(yù)警系統(tǒng)提供理論和關(guān)鍵技術(shù)支撐。對(duì)輸電線路和變電設(shè)備故障的預(yù)警與處置是涉及多學(xué)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(luò)、分形等一系列現(xiàn)代數(shù)學(xué)理論與方法，而且還涉及現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)。因此，需要借助利用多學(xué)科交叉融合開展大量的基礎(chǔ)研究。

4 結(jié)束語

綜上所述，電力是現(xiàn)代城市群、新農(nóng)村建設(shè)及全社會(huì)經(jīng)濟(jì)運(yùn)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(zāi)害事故，不僅會(huì)給國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來重大影響，而且使社會(huì)公共秩序和正常生活秩序嚴(yán)重混亂。為此，應(yīng)通過基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)的研究，建立輸電線路和變電設(shè)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(shí)別、監(jiān)測與診斷、預(yù)警與處置等一些關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題上將有所突破。

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