劉明軍，邵周策，上官帖，童軍心，周龍武，羅 毅，龔 澤，王曉冀

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輸電線路山火故障風(fēng)險評估模型及評估方法研究

劉明軍1，邵周策2，上官帖1，童軍心1，周龍武1，羅 毅2，龔 澤2，王曉冀2

(1.國網(wǎng)江西省電力科學(xué)研究院，江西 南昌 330096；2.華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

輸電線路山火故障與輸電線路運行時的氣象條件、人為因素等密切相關(guān)，近年來輸電線路山火故障逐年增加。建立了輸電線路山火故障跳閘風(fēng)險評估模型，該模型包括輸電線路走廊山火發(fā)生概率模型和山火條件下輸電線路故障模型兩部分。應(yīng)用該模型，可以根據(jù)宏觀氣象條件預(yù)測山火引起的輸電線路故障概率?？梢栽谏交鸢l(fā)生后，根據(jù)山火的蔓延模型預(yù)測輸電線路山火故障風(fēng)險隨時間的變化情況?？梢愿鶕?jù)輸電走廊及其附近的植被情況，計算火源點與輸電線路山火故障風(fēng)險之間的關(guān)系，并制定輸電線路山火故障等級分布圖。研究成果可用于制定輸電線路山火故障預(yù)案和防災(zāi)減災(zāi)措施。

風(fēng)險評估；風(fēng)險指標；山火；輸電線路山火故障；火源點

0 引言

隨著我國輸電網(wǎng)的迅速發(fā)展，輸電線路經(jīng)常要穿過山嶺地帶，極易受到各類自然災(zāi)害和氣象條件的威脅[1-3]。統(tǒng)計顯示，山火、燒荒引起的線路故障跳閘停電、停運事件有逐年增多的趨勢。以江西省為例，2010年到2014年輸電線路附件共發(fā)生山火333次[4]，2014年僅一月份山火故障就多達10起。這些事故在給人民生活生產(chǎn)造成損失和困擾的同時，也對電網(wǎng)的正常穩(wěn)定運行帶來了新的挑戰(zhàn)。對各種氣象災(zāi)害對輸電線路故障影響和措施的研究已被逐漸重視[5-9]，但目前鮮有針對山火引起的輸電線路故障的風(fēng)險評估研究。因此，針對不同運行條件的輸電線路，評估輸電線路的山火故障風(fēng)險水平，對輸電線路的安全穩(wěn)定運行和降低停電停運損失有著重要意義。

國內(nèi)外研究大多集中在對現(xiàn)有電網(wǎng)山火故障的歷史數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、分析并提出對策?；蛘邔ι交鹨疠旊娋€路跳閘的機理和特點的研究[10-12]，結(jié)果表明輸電線路的山火故障跳閘主要是由于火焰引起的溫度、導(dǎo)電率改變以及灰燼煙霧的共同作用，致使間隙絕緣水平急劇降低，從而發(fā)生擊穿跳閘。還有一部分學(xué)者對山火的監(jiān)測預(yù)警技術(shù)在電網(wǎng)中的應(yīng)用進行研究[13-14]，現(xiàn)有的監(jiān)測手段主要有大范圍的衛(wèi)星遙感監(jiān)測技術(shù)和小范圍的傳感器監(jiān)測技術(shù)。但均沒有涉及到對山火導(dǎo)致的輸電線路故障概率預(yù)測、評估故障風(fēng)險水平的研究。

本文引入模糊判別方法，結(jié)合氣象條件計算山火發(fā)生概率，繼而建立山火條件下輸電線路的故障概率模型，得到山火造成的輸電線路故障概率。同時結(jié)合山火蔓延模型得到線路周圍區(qū)域不同火源點起火對線路故障的影響，綜合形成輸電線路的山火故障風(fēng)險評估模型。根據(jù)該方法可以對未來可能的山火引起的輸電線路故障跳閘進行提前預(yù)警和合理的應(yīng)對措施。

1 ?輸電線路山火故障風(fēng)險評估模型

評估輸電線路山火故障風(fēng)險需考慮未來氣象條件、輸電線路山地地形以及桿塔線路自身情況等因素。同時，初始火源點不同，其火場蔓延范圍將覆蓋不同的輸電線路區(qū)段，對輸電線路的影響程度也不相同。本文遵循概率性評估準則，來評估輸電線路的山火情況下的故障風(fēng)險。

1.1 輸電線路山火條件下的故障概率

根據(jù)大量山火情況下輸電線路發(fā)生故障跳閘事件的統(tǒng)計分析，山火發(fā)生時線路故障的主要是由空氣間隙擊穿造成。山火發(fā)生時輸電線路故障跳閘事件可以視為一個條件概率事件，即

式中：P表示山火造成的輸電線路故障的概率；()表示發(fā)生山火的概率；(|)表示輸電線路在山火條件下出現(xiàn)故障的概率。

在山火條件下，擊穿概率接近正態(tài)分布[13]，其概率密度函數(shù)可表示為

式中：為實際電壓；均值等于(50%的擊穿電壓)，?等于，表示變異系數(shù)。

由于電場間隙和擊穿電壓的不同，可以是2%~8%不等，通常取2%[16]。山火條件下電場間隙分布更不均勻，故取變異系數(shù)為4%。則擊穿概率如式(3)所示。

也即

(4)

(6)

式中：為火線強度；為可燃物發(fā)熱量；FC為可燃物消耗量。獲得火線強度之后，可以根據(jù)紛·韋格爾經(jīng)驗公式計算溫升D：

(8)

式中，為距離地面的高度。這樣式(5)中的空氣相對密度可以由式(9)、式(10)計算。

(10)

除了大氣條件的改變之外，山火燃燒植被將產(chǎn)生大量濃煙，包含大量飛灰，炭黑以及灰燼和木屑等長條狀、大尺寸顆粒。在火焰條件下和正?？諝庵校w粒觸發(fā)放電的特性具有明顯區(qū)別，在山火中灰燼觸發(fā)間隙放電具有倍增效應(yīng)，這使得氣隙的絕緣強度發(fā)生劇烈下降，擊穿電壓最多可以下降到原來的10%[19]。考慮到山地植被情況復(fù)雜，而不同植被，不同風(fēng)速、風(fēng)向都將影響濃煙對擊穿電壓的影響程度。因此這里引入濃煙校正系數(shù)r，并令其等于1/10，即

綜上所述，修正后間隙的工頻擊穿電壓為

(12)

1.2 基于模糊判別法的山火概率計算

模糊綜合判別法是對某事物受多個因素影響時，做出合理綜合考慮的綜合判別，可以用權(quán)重代表每個因素對事物判別重要程度的差別。

選擇若干對火災(zāi)發(fā)生有影響的因子，根據(jù)歷史的山火故障信息，考慮到火災(zāi)多為農(nóng)民、百姓在農(nóng)耕燒荒、節(jié)日祭祖時引發(fā)，選定因子集為

按照《全國森林火險天氣等級》和《森林火險氣象等級》規(guī)范，可以將火險評判等級劃分為5級，并進行區(qū)域林火概率量化[20]，具體值參見表1。

表1 火險等級劃分

決策判別集表示為

根據(jù)火險評判等級與因子量值是正相關(guān)還是負相關(guān)，繼而選擇戒下型或戒上型隸屬函數(shù)原型式來表征各因子與決策判別量之間的隸屬關(guān)系，如式(13)和式(14)所示。

(13)

(1)?將得到的各因子測量統(tǒng)計數(shù)據(jù)按照自然斷點法形成若干因子區(qū)間，統(tǒng)計一段時間內(nèi)每個因子區(qū)間中存在的因子個數(shù)。

(2)?統(tǒng)計各區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)山火的次數(shù)并除以相應(yīng)的因子數(shù)，計算出該區(qū)間內(nèi)的山火發(fā)生概率。

(3)?對火險概率歸一化處理。畫出每個影響因子進行歸一化后的分布圖并以此求解待定系數(shù)，，?？梢缘玫矫咳战邓?0.1 mm)、最高氣溫、相對濕度、日平均風(fēng)速(0.1 m/s)、人為因子(月)的隸屬函數(shù)原型式分別如式(15)~式(19)所示。

(16)

(17)

(19)

將各因子對火險決策判別集的隸屬度記作：

綜上所述，隸屬函數(shù)R、T、H、W、K就能按照各自對應(yīng)的原型式在每個火險等級相應(yīng)的區(qū)域林火概率的最大值和最小值計算關(guān)鍵截域來計算，基于文獻[18]建立了各因子隸屬函數(shù)表，具體詳見表2?？紤]到各因子的影響程度不同，由專家打分法確定權(quán)重后可得

為了評估需要，取對應(yīng)火險等級下區(qū)域林火概率的最大值作為山火發(fā)生概率()。在實際應(yīng)用中，可以用該模型在應(yīng)用地區(qū)運行一段時間，再根據(jù)每一級火險著火的天數(shù)除以每一級火險的天數(shù)，得到該等級火險發(fā)生山火的概率。

表2 各因子隸屬函數(shù)

1.3 山火蔓延模型及算法

山火的發(fā)生可以分布在線路途經(jīng)區(qū)域的任意某點，而經(jīng)過一定時間山火蔓延不到輸電線路附近，此時討論輸電線路因山火發(fā)生故障顯然是沒有意義的。因此根據(jù)實際情況，本文引入山火蔓延情況的計算，用以評估山地的時空條件對輸電線路山火風(fēng)險的影響。

山地林火蔓延是一種多組相可燃物在各種氣象條件和地形條件作用下燃燒和蔓延的極其繁雜的行為[22]。人們依據(jù)現(xiàn)實中和實驗中的觀察，提取一些要素，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型?，F(xiàn)在各國都有研究或使用不同的林火模型[23]。在中國，王正非林火蔓延模型是使用較為普遍的。但每個數(shù)學(xué)模型都有自身的適用范圍，當模型的假設(shè)條件不成立時，就會產(chǎn)生極大誤差。

針對王正非模型僅對上坡和風(fēng)向為上坡兩種情況有效的缺點，文獻[24]計及風(fēng)向和坡度的影響獲得了上坡、下坡、左平坡、右平坡、風(fēng)方向的5個蔓延計算方程。且輸入量少，容易獲取。因此本文采取毛賢敏等人修正后的王正非林火模型。王正非林火模型如式(22)所示。

式中：0是初始蔓延速度；K表示可燃物配置格局更正系數(shù)；K表示風(fēng)力更正系數(shù)；表示地形坡度更正系數(shù)，表示地形坡度角。

式(22)僅適用于上坡且風(fēng)向為上坡方向，而風(fēng)與地形各種組合情況下的方程組為

(24)

(25)

(27)

式(23)~式(27)分別為上坡、下坡、左平坡、右平坡、風(fēng)方向的蔓延速度表達式。式中，為上坡方向按順時針轉(zhuǎn)到風(fēng)向時所旋轉(zhuǎn)的角度。

山火蔓延算法有多種，對于不同的數(shù)據(jù)格式和計算方法，其算法的復(fù)雜度和精確度不同。例如邊界插值算法，邊界外延算法，迷宮算法，元胞自動機算法等。由于簡便、容易實現(xiàn)等原因，本文采取邊界差值算法。

邊界插值算法是一種基于柵格數(shù)據(jù)的算法，利用插值法形成火場邊界。由于火場的植被條件、地形、風(fēng)速、風(fēng)向等條件不同，每一點著火后，向周圍不同方向的蔓延速度不同。邊界插值算法只計算從初始著火點算起的8個方向，分別為正北、東北、正東、東南、正南、西南、正西、西北。每個方向上每次只計算初始火源點到該方向上的下一個柵格，其他柵格忽略不計，給定山火蔓延的時間就可以得到8個方向上最終蔓延到的8個邊界點。以正北方向為例，從初始著火點向正北方向計算，每個柵格向正北方向蔓延的速度不同，視在每個柵格內(nèi)蔓延速度不變，一次計算一個柵格，直到計算至給定時間為止，得到火場向正北方向蔓延的邊界點，其他方向上的蔓延計算同理。根據(jù)這8個邊界點，進行插值計算即可得到火災(zāi)蔓延邊界，并在實際地形圖上進行重合顯示就可以獲得整個火場的蔓延形狀和覆蓋區(qū)域。

2 ?輸電線路山火故障風(fēng)險量化評估方法

2.1 輸電線路山火故障風(fēng)險量化指標

基于上述評估模型，本文引入了輸電線路山火故障風(fēng)險指標P和火源點故障風(fēng)險指標P來量化輸電線路的山火故障風(fēng)險。

(1)?輸電線路山火故障風(fēng)險指標P，表示山火導(dǎo)致的輸電線路故障停運概率，用于評估在當前或未來氣象條件下輸電線路各個區(qū)段可能由于發(fā)生山火引起跳閘的概率。

(2)?火源點故障風(fēng)險指標P，用于評估不同火源點、山地植被分布對輸電線路故障停運的影響，或者評估當山火發(fā)生后火災(zāi)蔓延對輸電線路故障停運的影響。

2.2 輸電線路山火風(fēng)險量化評估方法

2.2.1 輸電線路山火故障風(fēng)險指標P計算

在進行輸電線路山火風(fēng)險評估時，先將輸電線路分為段，則第段輸電線路的山火故障概率P為

式中：P()表示線路第段的山火條件下故障概率；P越大則表示該第段線路受到山火影響導(dǎo)致故障的風(fēng)險越高。

首先根據(jù)線路附近地形高度數(shù)據(jù)以及未來評估日的氣象條件(如日降水量、日最高氣溫、日最小相對濕度、日平均風(fēng)速等)，按照1.2節(jié)所述山火概率計算模型和表2中的公式計算出輸電線路途經(jīng)山林區(qū)域的山火發(fā)生概率()。

然后按照1.1節(jié)所述模型，根據(jù)線路氣隙長度，通過估算或查表得到氣隙擊穿的工頻電壓，根據(jù)式(5)、式(6)、式(11)計算山火條件下的溫度、濕度、顆粒等參數(shù)變化影響的校正系數(shù)d、h、r，再按照式(12)校正工頻擊穿電壓得到，結(jié)合線路實際電壓代入式(3)計算線路各區(qū)段山火條件下故障概率P()

最后按照公式(28)計算P得出沿線山火故障概率分布。

2.2.2 火源點故障風(fēng)險指標P計算

根據(jù)線路周圍的地形數(shù)據(jù)和1.3節(jié)所述山火蔓延模型，計算在一定時間下，輸電線路周圍某個火源點起火蔓延后形成的火場，記錄輸電線路與火場重疊的部分，設(shè)輸電線路有段被火場覆蓋則

P越大，表示該火源點起火之后，輸電線路山火故障的概率越大，該火源點對輸電線路山火故障的影響程度越大。對線路附近的每個火源點都進行上述計算即可得到火源點風(fēng)險度分布。

綜上所述，輸電線路山火風(fēng)險評估的流程如圖1所示。

圖1 輸電線路山火風(fēng)險評估流程

3 ?算例測試及薄弱點分析

3.1 輸電線路山火故障風(fēng)險評估

本算例以江西電網(wǎng)某220?kV輸電線路某一個檔距為對象建模，線路架設(shè)在兩個山頭之間，塔高為11.5 m，線間距離為4.25 m，忽略絕緣子并令線路離地高度等于塔高，忽略輸電線路的下垂弧度。假設(shè)山地植被均勻分布。日期為4月份，天氣晴，氣溫19?℃，相對濕度30%，風(fēng)向為正北，風(fēng)速為3 m/s。每一個柵格代表邊長為5 m的正方形。

根據(jù)算例提供的日期、天氣、氣溫、相對濕度、風(fēng)速等信息，由2.2.1節(jié)所述P的計算方法計算得到本算例的火險等級為5級，取山火發(fā)生概率為11.31%。將兩個塔間的線路均勻分段，根據(jù)電壓等級為220?kV、線對地高度以及地面植被高度，計算線路各段故障概率P，將結(jié)果以灰度圖表示如圖2所示。

圖2 輸電線路山火風(fēng)險評估圖

從圖2中可以看出，輸電線路的山火故障高風(fēng)險段處于山頭位置，此時輸電線路離地面距離最近，而處于山谷上方的中間部分，山火對高空輸電線路不會產(chǎn)生影響。

3.2 輸電線路山火故障時空風(fēng)險評估

算例條件同3.1節(jié)。首先計算山火發(fā)生60?min時火源點故障風(fēng)險指標P。分別選擇點A(135，215)和B(155，215)為例進行計算。

首先根據(jù)1.3節(jié)所述模型進行火場蔓延計算，可以得到山火發(fā)生60?min時，火場分布如圖3所示?；鹪袋cA點并沒有蔓延到線路附近，不會對線路安全運行造成影響，此時評估結(jié)果可認為是0；而火源點B點山火發(fā)生60?min時則會覆蓋輸電線路，對線路運行造成較大影響。將線路被山火覆蓋區(qū)段的P帶入式(29)計算B點的火源點故障風(fēng)險指標P，就可以評估B火源點山火發(fā)生60?min時對線路山火故障的影響程度大小。

進一步將線路區(qū)域內(nèi)每一點都進行火場蔓延計算和火源點故障風(fēng)險指標P計算，忽略不會蔓延到輸電線路的火源點，其結(jié)果如圖4陰影部分所示。

圖3 不同火源點火場蔓延比較圖

圖4 60min火源點風(fēng)險劃分圖

由圖4可知在60?min內(nèi)，能對輸電線路造成影響的火源點的分布及其邊界，處于不同位置的火源點故障風(fēng)險指標值不同，并不是簡單按照離輸電線路越遠風(fēng)險越低的規(guī)律分布，風(fēng)向、地形等因素會對火場的蔓延情況造成影響，使得不同位置的初始火源點對輸電線路造成不同嚴重程度的影響。

然后，計算設(shè)定山火發(fā)生為120?min時輸電線路山火故障風(fēng)險。結(jié)果如圖5陰影部分所示。

比較圖4和圖5，火源點故障風(fēng)險指標大小有明顯的分層，且火源點故障風(fēng)險指標分布也不盡相同。等高線越密集的部分表示山地地形越陡峭，對火焰蔓延速度的增益作用也越大，因此距離輸電線路較遠距離的火源點也能對輸電線路產(chǎn)生影響。由于風(fēng)向是正北，線路南面的火源點是順風(fēng)上坡，可以影響到線路的高風(fēng)險火源點分布更廣。此外，起火時間越長，對線路有影響的火源點范圍越大，但根據(jù)地形、風(fēng)速、風(fēng)向等條件其影響范圍形狀又有不同。因此本方法可以滿足不同時間標準下的火源點風(fēng)險評估，形成不同時間標準的風(fēng)險等級劃分圖，用以做出針對性防護工作，對線路山火防護具有指導(dǎo)作用。

圖5 120?min火源點風(fēng)險劃分圖

4 ?結(jié)語

本文引入了輸電線路山火故障風(fēng)險指標和火源點故障風(fēng)險指標的概念，結(jié)合氣象條件、地理條件以及線路自身情況，建立了輸電線路的山火故障風(fēng)險評估模型。模型輸入量為輸電線路途經(jīng)區(qū)域的宏觀氣象條件和地理條件，計算得出山火造成輸電線路故障概率及沿線分布，并對不同初始火源點對輸電線路故障的影響進行了量化風(fēng)險評估。

采用本文的評估方法，一方面可以從宏觀氣象條件對輸電線路進行山火故障風(fēng)險評估，預(yù)報線路出現(xiàn)山火故障的高危區(qū)段，并獲得可視化結(jié)果。由此可以針對高風(fēng)險部分采取相應(yīng)措施，提高線路抗山火水平。另一方面可以計算著火后火勢的蔓延覆蓋情況，得到火勢的重點撲救區(qū)域，以及線路是否受到影響或即將被山火覆蓋的故障集中區(qū)域，用以確定線路是否合理停運規(guī)避故障風(fēng)險。同時還能計算對線路故障有較高風(fēng)險的火源點區(qū)域，這對加強防火宣傳和線路巡視，針對性清理線路下方可燃物，制造相應(yīng)防火道有重要作用。本文所述評估方法從源頭和過程兩方面減少山火對電網(wǎng)運行的影響，為安全預(yù)案制定和事故處理對策提供了參考依據(jù)。

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(編輯 姜新麗)

Studyonmodelsandmethodsofriskassessmentoftransmissionlinefaultcausedbyfire

LIU Mingjun1, SHAO Zhouce2, SHANGGUAN Tie1, TONG Junxin1, ZHOU Longwu1, LUO Yi2, GONG Ze2, WANG Xiaoji2

(1. State Grid Jiangxi Electric Power Research Institute, Nanchang 330096, China; 2. College of Electrical and ElectronicEngineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

Transmission line fault that caused by fire is closely related to weather conditions, human behavior factors and so on. In recent years, transmission line fault is increasing year by year. This paper builds a risk assessment model of transmission line fault caused by fire. This model includes two sub models: the fire occurrence probability model of the area that transmission line pass through and the probability model of transmission line fault under the fire condition. Using this model can predict the probability of transmission line fire fault according to the macro-meteorological conditions. When the fire is spreading to the line, according to the spreading model of fire, this model can estimate the time-variant risk condition of the transmission line fault. Based on the geographic conditions and vegetation near the transmission line, this risk assessment model can calculate the relationship between the fire spots and the risk of transmission line fault, so as to make a fault level distribution maps of the transmission line fault. Results in this paper can be used to formulate contingency plans for transmission line fire fault and disaster prevention measures.

assessment; risk indicator; fire; transmission line fire fault; fire spots

10.7667/PSPC150844

2015-05-19；

2016-01-28

劉明軍(1983-)，男，博士，高級工程師，主要研究方向為輸變電設(shè)備狀態(tài)檢測及其故障風(fēng)險評估；E-mail:?lmj_hust@163.com 邵周策(1993-)，男，通信作者，碩士研究生，主要研究方向為電力系統(tǒng)風(fēng)險評估；E-mail:?szc11121@163.com 上官帖(1958-)，男，教授級高級工程師，主要研究方向為電力系統(tǒng)及其自動化。E-mail:?dky_shanggt@jx.sgcc. com.cn