架空輸電線路森林火險評估及監(jiān)測的研究應(yīng)用現(xiàn)狀

楊森霖, 楊長青, 梅吉明, 唐小智

1.四川省林業(yè)勘察設(shè)計研究院, 四川 成都 610000；

2.四川電力設(shè)計咨詢有限責(zé)任公司, 四川 成都610041

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，電網(wǎng)建設(shè)的步伐不斷加快，大量的遠(yuǎn)距離高壓輸電線路采取跨越林區(qū)的方式走線，其覆蓋范圍已經(jīng)延伸到了地理位置偏遠(yuǎn)、地勢復(fù)雜多樣的高山地區(qū)。越來越多的高壓架空輸電線路穿過地勢起伏較大的山谷叢林，也會經(jīng)過林區(qū)等森林資源豐富的地帶，在其建設(shè)階段，施工不規(guī)范用火、施工人員吸煙，在其運(yùn)行階段，由于樹木生長差異產(chǎn)生的風(fēng)偏放電、極端氣候產(chǎn)生雷電弧等因素均可能引燃枯枝落葉，帶來森林火災(zāi)隱患。為避免由重大火險引發(fā)的生命和經(jīng)濟(jì)損失，大量的森林火險研究圍繞著輸電線路展開。

到目前為止，國內(nèi)外專家已經(jīng)就森林火災(zāi)對輸電線路造成的災(zāi)害進(jìn)行了大量研究，內(nèi)容主要包括森林火災(zāi)下的跳閘機(jī)理分析、間隙放電和擊穿原理等研究。例如，王浩東等[1]通過對輸電線路典型的森林火災(zāi)事件分析，闡述了線路的森林火災(zāi)跳閘類型，研究了森林火災(zāi)引發(fā)導(dǎo)線對地放電原因，提出建立和完善由于森林火災(zāi)引發(fā)的輸電線路跳閘等事故的應(yīng)急處理預(yù)案措施。陸佳政等[2]針對高溫下的線路絕緣性能進(jìn)行了分析論述，闡述了森林火災(zāi)發(fā)生時候由于空氣絕緣性能降低，導(dǎo)致導(dǎo)線間隙和火焰頂端被擊穿造成線路跳閘，在這種情況上很大程度不能重合閘成功，給電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來了很大隱患。上述研究聚焦于森林火災(zāi)對輸電線路造成的潛在影響，有利于輸電線路完善在森林火災(zāi)爆發(fā)下的穩(wěn)定運(yùn)行，減少損失。但隨著現(xiàn)階段林區(qū)森林資源的豐富，線下樹木的可燃性提升，輸電線路本身已經(jīng)成為森林火災(zāi)的導(dǎo)火索之一，如何降低輸電線路引發(fā)森林火災(zāi)的概率已經(jīng)成為現(xiàn)今森林火災(zāi)與輸電線路研究的重心。

本文就近年來的輸電線路森林火險相關(guān)研究，梳理介紹了輸電線路森林火災(zāi)風(fēng)險評估及區(qū)劃、輸電線路森林火災(zāi)在線監(jiān)測技術(shù)，綜合分析了其火險評估應(yīng)用及研究現(xiàn)狀，具體闡述了其在線監(jiān)測技術(shù)的原理及優(yōu)劣勢，并展望了架空輸電線路森林火災(zāi)防控研究的發(fā)展趨勢。

1 輸電線路森林火災(zāi)風(fēng)險評估及區(qū)劃研究現(xiàn)狀

輸電線路的森林火災(zāi)風(fēng)險評估，是運(yùn)用輸電線路系統(tǒng)風(fēng)險分析的方法，結(jié)合森林火災(zāi)的特點(diǎn)，綜合評估森林火災(zāi)對輸電線路造成的風(fēng)險，并以此劃分森林火災(zāi)風(fēng)險等級。根據(jù)結(jié)果制定相應(yīng)的火災(zāi)風(fēng)險控制策略，辨識輸電線路運(yùn)行中的火災(zāi)隱患環(huán)節(jié)，從而降低輸電線路的森林火災(zāi)的風(fēng)險水平，提高系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。

1.1 基于時空特征的輸電線路森林火災(zāi)風(fēng)險評估模型

森林火災(zāi)的時間及空間特性較強(qiáng)[3]。建設(shè)于不同地理、環(huán)境條件下的輸電線路，遭遇森林火災(zāi)的概率不同；同一條輸電線在不同時間段的森林火災(zāi)隱患程度也不相同[4]。以既往氣象數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合輸電線路建設(shè)地的歷史森林火情，可以研究得到基于時空特性的風(fēng)險評估模型[5]。

熊小伏等[6]以時間的維度統(tǒng)計了輸電線路經(jīng)過地區(qū)的氣象數(shù)據(jù),分別使用空氣間隙擊穿理論、森林火險氣象等級計算出輸電線路在森林火災(zāi)條件下的故障可能以及森林火災(zāi)的發(fā)生概率。這不但形成了基于時空特點(diǎn)的輸電線路風(fēng)險評估模型，還以此驗(yàn)證了該模型的有效性。此外，熊小伏等人還對兩條輸電線路運(yùn)行情況進(jìn)行深入分析，并根據(jù)結(jié)果提出了相應(yīng)的降低風(fēng)險措施。分析表明：首先，春季期間（尤其4月）此輸電線路森林火災(zāi)發(fā)生概率大，具有明顯的時空分布特征。其次，利用森林火險氣象參數(shù)建立起來的輸電線路評估模型，適用于該輸電線路通道的部分火災(zāi)風(fēng)險評估。

四川涼山州重要負(fù)荷的輸電線路重要性不言而喻，曾勇等[7]不但建立該地區(qū)的森林火險等級評估模型，還劃分了火險氣象等級。該研究首先以森林火災(zāi)的時空特性為依托，統(tǒng)計地區(qū)氣象參數(shù)、指數(shù)，確定地區(qū)森林火險氣象指數(shù)。然后以輸電線路經(jīng)過的縣市的春季火險氣象等級，最終確定基本時間單位（日）的火險評估等級。研究結(jié)果證明該火險評估等級與該地區(qū)的森林火災(zāi)實(shí)際發(fā)生次數(shù)在時空特征上達(dá)成一致，其風(fēng)險評估模型能豐富涼山州輸電線路風(fēng)險評估理論。

1.2 輸電線路森林火災(zāi)風(fēng)險分布區(qū)劃

輸電線路的火災(zāi)風(fēng)險分布區(qū)劃，涉及多地區(qū)多歷史因素，仍然具有較強(qiáng)的時空特性。劃分方法以及劃分標(biāo)準(zhǔn)的科學(xué)化是將來輸電線路防火研究的關(guān)鍵。

森林火災(zāi)個體情況的分析以及該地區(qū)的地理信息數(shù)據(jù)分析，是輸電線路森林火災(zāi)區(qū)劃的重要依據(jù)。阮羚等[8]以土壤、地形、水文情況等因素為基礎(chǔ)指標(biāo)，利用分析出來的湖北省的火情個體特征，對不同的火災(zāi)損害程度設(shè)定相應(yīng)權(quán)重，繪制出湖北省輸電線路的森林火災(zāi)風(fēng)險區(qū)劃圖，這是一種對輸電線路森林火災(zāi)風(fēng)險評估的新嘗試。

國內(nèi)學(xué)者[9]通過分析森林火災(zāi)的隱患因素，整理歷史火情及火情分布的地理位置，結(jié)合災(zāi)后損失情況、災(zāi)情發(fā)生頻率來使森林火災(zāi)風(fēng)險程度數(shù)據(jù)化。最后利用氣象信息中的干旱值對災(zāi)情進(jìn)行風(fēng)險程度的校準(zhǔn)，以此制作了動態(tài)的森林火災(zāi)風(fēng)險分布圖。這也是對森林火災(zāi)風(fēng)險等級LEC法（又稱格雷厄姆·金尼方法）的一種改進(jìn)[10]。該研究重點(diǎn)采集地區(qū)歷史森林火情資料，結(jié)合地區(qū)內(nèi)易發(fā)生森林火災(zāi)地點(diǎn)以及地形特征，將該地區(qū)具有森林火災(zāi)隱患的地點(diǎn)分別賦予L、E、C分值，利用三值相乘得到森林火災(zāi)風(fēng)險值R（注意，該公式并未考慮氣象因素），如此，響應(yīng)的風(fēng)險情況自然區(qū)劃出森林火災(zāi)分布情況。最后，以該地區(qū)的干旱情況來調(diào)節(jié)森林火災(zāi)的風(fēng)險分布，不僅實(shí)現(xiàn)了分布的動態(tài)變化，更能使其更加精確。

2 輸電線路森林火災(zāi)監(jiān)測研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

森林火災(zāi)在線監(jiān)測因?yàn)槌杀炯捌占皟?yōu)勢，大多采用地面、空中巡護(hù)，以及瞭望塔的觀測[11]。但這類傳統(tǒng)的監(jiān)測手段視野有限，錯誤判斷較多，經(jīng)濟(jì)成本較大?？萍嫉陌l(fā)展帶來了新的在線監(jiān)測方法，如衛(wèi)星遙感技術(shù)、激光雷達(dá)監(jiān)測技術(shù)及無線傳感技術(shù)，它們在森林火災(zāi)的在線監(jiān)測研究及應(yīng)用中不斷被更新、完善[12]。

2.1 衛(wèi)星遙感技術(shù)

使用衛(wèi)星手段進(jìn)行觀察探測，一直都是監(jiān)測活動的首要選擇。因?yàn)樗^測面積大、對數(shù)據(jù)的收集與傳送速度快。更重要的是，林區(qū)復(fù)雜地形造成的觀測障礙在衛(wèi)星技術(shù)面前迎刃而解[13-14]。這一系列優(yōu)勢讓利用衛(wèi)星對森林火災(zāi)進(jìn)行監(jiān)測的成為輸電線路森林防火的重要手段?，F(xiàn)階段能運(yùn)用于輸電線路森林防火的衛(wèi)星平臺不少，但以風(fēng)云系列衛(wèi)星為基礎(chǔ)的研究還不成熟，大多以NOAA和EOS系列衛(wèi)星為主進(jìn)行對輸電線路的森林防火在線監(jiān)測研究及應(yīng)用[14]。

與氣象部門合作，已經(jīng)成為如今廣電系統(tǒng)的森林防火探索方向。電網(wǎng)系統(tǒng)利用從氣象部門得到的衛(wèi)星遙感森林火災(zāi)數(shù)據(jù)，經(jīng)過GIS手段分析和處理后，能迅速、精準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)對輸電線路走廊的森林火災(zāi)監(jiān)測，一旦發(fā)生火情，相關(guān)部門可以快速作出有效應(yīng)對。其中，廣西電網(wǎng)與氣象單位合作開發(fā)的輸電線路通道森林火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)。成為較成功的應(yīng)用案例，自運(yùn)用以來，已預(yù)警輸電線路森林火災(zāi)事件數(shù)次[15]。

然而，我們也要看到衛(wèi)星遙感技術(shù)的劣勢?？蛇\(yùn)用于輸電線路在線監(jiān)測的衛(wèi)星影像精度不夠，且與周圍環(huán)境成正相關(guān)關(guān)系；紅外探測器等受大氣環(huán)境影響較大，觀測界面會出現(xiàn)假熱點(diǎn)現(xiàn)象；衛(wèi)星在過境過程中并不能24小時進(jìn)行監(jiān)測。這些都是限制衛(wèi)星遙感技術(shù)應(yīng)用于輸電線路森林防火監(jiān)測的重要因素。

2.2 激光雷達(dá)監(jiān)測技術(shù)

從探測器發(fā)射出的激光在火災(zāi)產(chǎn)生的煙霧顆粒阻礙下，其前行與反射的方向及能量將發(fā)生變化，這種變化能夠被探測器所接受并分析，最終得到相應(yīng)數(shù)據(jù)，這就是現(xiàn)階段激光雷達(dá)技術(shù)在森林防火當(dāng)中的運(yùn)用原理。

陳錫陽等[16]有研究人員曾對激光雷達(dá)的森林火災(zāi)監(jiān)測有效性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，利用林區(qū)道路模擬輸電線路線下通道，分別設(shè)置260、360、460及560 m的待觀測點(diǎn)，點(diǎn)燃林木后，使用激光雷達(dá)系統(tǒng)在線監(jiān)測其產(chǎn)生的煙霧，研究結(jié)果顯示系統(tǒng)成功預(yù)警了各待觀測點(diǎn)的火情。還有研究人員以陳錫陽等的研究為對象，加大了待觀測點(diǎn)距離，達(dá)到約2 000 m，激光雷達(dá)在距待觀測點(diǎn)50 m處成功觀測到火情信息，這證明了激光雷達(dá)系統(tǒng)仍能對較長距離的火情進(jìn)行有效監(jiān)測。另外，該研究以現(xiàn)場試驗(yàn)情況為依據(jù)，確定了該研究條件下激光雷達(dá)系統(tǒng)監(jiān)測的最佳定點(diǎn)位置，此研究結(jié)果為日后的輸電線路激光雷達(dá)定點(diǎn)位置方案提供了參考依據(jù)?？傮w來說，上述研究都充分表現(xiàn)出激光雷達(dá)系統(tǒng)應(yīng)用于輸電線路森林防火的潛力。

2.3 無線傳感技術(shù)

在輸電線路通道附近布置無線傳感器，當(dāng)發(fā)生森林火災(zāi)時，可及時接收相關(guān)火情信息，這種方法稱為無線傳感監(jiān)測技術(shù)。探測器能夠清晰的感受到周圍火焰散發(fā)出的溫度、煙霧等物理信號，從而將此類信號轉(zhuǎn)換為信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測中心，以此來進(jìn)行森林火災(zāi)的預(yù)警。其中，探測器以不同的物理信號為依據(jù)，劃分出感溫、感煙等不同類別[12]。

傳感器對于火情信息數(shù)據(jù)的傳送主要依靠無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行。信息收集、無線網(wǎng)絡(luò)接收及處理三方面構(gòu)成了無線傳感監(jiān)測預(yù)警中心。其中，無線網(wǎng)絡(luò)接收的穩(wěn)定性越高、越迅速，信息的收集與處理就越及時。以實(shí)際情況來看，當(dāng)傳感器與預(yù)警中心距離較近時，可利用局域無線網(wǎng)充當(dāng)無線設(shè)備，可以發(fā)揮其靈活、多節(jié)點(diǎn)的特點(diǎn)，運(yùn)行成本也低；當(dāng)傳感器與預(yù)警中心距離較遠(yuǎn)時，需應(yīng)用電信、聯(lián)通、移動等運(yùn)營商充當(dāng)無線網(wǎng)絡(luò)的角色。

（1）無線傳輸網(wǎng)絡(luò)和地理信息的結(jié)合成為一種新技術(shù)的探索。廣泛分布在輸電線路周圍的傳感器負(fù)責(zé)進(jìn)行火情信息的收集，地理信息系統(tǒng)將傳感器收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行地理上的“配對”。如此一來，在及時發(fā)現(xiàn)火情的同時，還可以較為準(zhǔn)確的掌握火情發(fā)生的位置以及森林資源情況，為火情處理人員提供火點(diǎn)具體位置、隱患大小，方便滅火方案的布置與實(shí)施[17]。

（2）在林區(qū)中活動范圍廣、靈活的當(dāng)屬野生動物，而將無線傳感與野生動物相結(jié)合，也提供了一種動態(tài)的檢測方案。有研究人員表示，利用野兔等體型較小、移動性較大的動物搭載傳感器，對森林進(jìn)行火災(zāi)監(jiān)測，不但實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測范圍的廣度，也實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測器的靈活性，使無線傳感監(jiān)測對森林火災(zāi)將更加敏感。但缺點(diǎn)也很明顯，動物的易被捕食性以及其活動超出輸電線路的范圍都成為制約此方案的應(yīng)用環(huán)境[18]。

3 研究展望

（1）目前，氣象部門應(yīng)用于輸電線路的森林火災(zāi)風(fēng)險評估及區(qū)劃的氣象信息多數(shù)是由氣象模型模擬而來，很難實(shí)現(xiàn)氣象的實(shí)時性及準(zhǔn)確性，相對應(yīng)的評估及區(qū)劃自然準(zhǔn)確性要降低許多，更無法保障其實(shí)施性。另一方面，對于現(xiàn)階段的輸電線路森林火災(zāi)風(fēng)險評估及區(qū)劃來說，更多關(guān)注的是大范圍的森林火災(zāi)蔓延的速度和火強(qiáng)度，且研究主要集中于森林火災(zāi)條件下的輸電線路停運(yùn)機(jī)理。更重要的是，我們大多的森林火災(zāi)研究都是在災(zāi)情產(chǎn)生巨大的生活及經(jīng)濟(jì)威脅后，才針對具體的火災(zāi)情況、類型進(jìn)行相關(guān)研究。輸電線路更是如此，不同的林區(qū)，具有不同的森林資源、地形地貌，其樹種的易燃性及生長特性不同，災(zāi)后因?yàn)榈匦蔚孛伯a(chǎn)生的撲滅難度也不相同，如果套用大類型的風(fēng)險評估和區(qū)劃自然無法做到針對性和精準(zhǔn)性。

因此，運(yùn)用于輸電線路的第一手氣象數(shù)據(jù)信息并不能直接利用于森林防火研究，還需經(jīng)過一定的分析處理，才能成為可利用數(shù)據(jù)。今后的研究方向可以將森林火災(zāi)與衛(wèi)星大數(shù)據(jù)相結(jié)合，對風(fēng)險評估模型進(jìn)行完善。另外，為每一段輸電線路“量身定做”一套災(zāi)前預(yù)防及災(zāi)后應(yīng)急處置，應(yīng)該是未來的研究熱門。

（2）衛(wèi)星遙感監(jiān)測技術(shù)，會由于過境原因?qū)е聼o法實(shí)現(xiàn)24小時全程監(jiān)測，無法實(shí)時獲取維持時間短暫的火點(diǎn)。另外，受氣象因素及大氣干擾較大，在障礙物存在的情況下（如云層），無法得到近地面50 m內(nèi)的火情信息。此外，相關(guān)數(shù)據(jù)都必須由氣象部門或衛(wèi)星管理點(diǎn)提供，依賴性強(qiáng)且限制大。其次，傳感器布置在林區(qū)中，能源供給大多依靠自身所帶的蓄電池，這使得傳感器無法維持長時間的運(yùn)行，其使用率被電源所制約。另外，傳感器屬于較精密的設(shè)備，林區(qū)的不可控性也會對儀器造成損壞，影響其穩(wěn)定及準(zhǔn)確性，無論是野生動物對傳感器的損害還是高密度的植被對傳感器信號的阻擋都成為信息數(shù)據(jù)傳送的障礙。

對此，未來的電源問題是森林火災(zāi)在線監(jiān)測技術(shù)的難題，輸電線路森林火災(zāi)在線監(jiān)測系統(tǒng)部署在野外，利用現(xiàn)有太陽能蓄電池技術(shù)難于滿足紅外探測鏡頭、可見光攝像頭、氣象傳感器、煙霧傳感器等高能耗器件的長期開啟。因此，在未來加強(qiáng)能源供給和低功耗設(shè)計方面的研究，有利于完善系統(tǒng)的全天候?qū)崟r覆蓋。同時，根據(jù)監(jiān)測設(shè)備所在地具體情況，研究“就地供能”以及無線供電也是以后相關(guān)研究需要聚焦的地方。

（3）輸電線路的防火設(shè)計及施工措施研究。輸電線路的森林防火研究發(fā)展到今天，已經(jīng)具備極大的理論基礎(chǔ)和應(yīng)用前景。但需要明白的是，現(xiàn)有的防火研究大多集中于森林火災(zāi)發(fā)生前對輸電線路森林火災(zāi)的在線監(jiān)測及預(yù)警，或者是火災(zāi)發(fā)生后對輸電線路的應(yīng)急處置，對于輸電線路本身的防火設(shè)計及施工措施仍然缺乏，這不利于對輸電線路的災(zāi)前防范。

隨著多起森林火災(zāi)的突發(fā)，各地高度重視森林草原火災(zāi)的防控，架空輸電線路森林草原防火設(shè)計及施工措施的研究能從輸電線路本身入手，減少內(nèi)部的火災(zāi)隱患，這具有極大的社會意義與現(xiàn)實(shí)意義。進(jìn)行輸電線路線下植物的樹高生長研究，模擬出其樹高生長模型，以此來預(yù)測其樹高生長變化情況，為輸電線路線下通道的超高樹木的修剪或砍伐提供科學(xué)方案，有利于進(jìn)行對接近安全距離的植物展開隱患清理工作。另外，也可依據(jù)自然生長高度對輸電線的安全距離進(jìn)行科學(xué)設(shè)計，有效提高架空線路的運(yùn)行安全可靠性。另外，開展對輸電線塔基周圍的可燃物分析研究，得到其燃點(diǎn)、載量等數(shù)據(jù)，提前了解各塔基可燃物帶來的火災(zāi)隱患，可為塔基周圍可燃物的定期清理提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)于架空輸電線的相關(guān)研究，應(yīng)立足于森林和草原輸電線路火災(zāi)隱患防治工作，開展各地區(qū)架空輸電線路森林和草原防火設(shè)計及施工措施研究，以完善森林草原輸電線路火災(zāi)防控標(biāo)準(zhǔn)，提升森林草原輸電線路野外火源管控能力，健全森林火險監(jiān)測預(yù)警機(jī)制，確保不發(fā)生負(fù)有責(zé)任的重特大森林火災(zāi)。相信在未來，更多架空輸電線路的相關(guān)研究將與森林草原的火災(zāi)防控相結(jié)合，以此為森林草原的防控及火災(zāi)監(jiān)測預(yù)警打下堅實(shí)的科學(xué)理論基礎(chǔ)。