雷击-自然灾害对配电网的影响因素分析报告

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自然灾害对配电网的影响因素分析报告

一、研究背景 .................................................................................................................. 2 二、自然灾害对我国电力系统的影响 ............................................................................... 2

2.1 冰雪灾害对配电网的影响 .................................................................................... 2

2.1.1 冰雪灾害的概况 ........................................................................................ 2 2.1.2 冰雪灾害影响配电网运行的原因 ............................................................... 3 2.1.3 建立线路停运模型 .................................................................................... 4 2.1.4 应对冰雪灾害的措施 ................................................................................. 6 2.2 地震灾害对配电网的影响 ................................................................................... 7

2.2.1 地震灾害概况 ........................................................................................... 7 2.2.2 地震灾害影响配电网运行的原因 ............................................................... 7 2.2.3 建立元件损坏模型 .................................................................................... 8 2.2.4 应对地震灾害的措施 .............................................................................. 10 2.3 台风灾害对配电网的影响 .................................................................................. 11

2.3.1 台风灾害概况 .......................................................................................... 11 2.3.2 台风灾害影响配电网运行的原因 .............................................................. 11 2.3.3 应对台风灾害的措施 .............................................................................. 12 2.4 雷电灾害对配电网的影响 ................................................................................. 13

2.4.1 雷电灾害概况 ......................................................................................... 13 2.4.2 雷电灾害影响配电网运行的原因 ............................................................. 13 2.4.3 应对雷电灾害的措施 .............................................................................. 15 2.5 其他自然灾害对配电网的影响 .......................................................................... 18

2.5.1 洪涝灾害 ................................................................................................ 18 2.5.2 污闪灾害 ................................................................................................ 20 2.5.3 磁暴灾害 ................................................................................................ 21

三、建立自然灾害对配电网的影响的评价指标 ............................................................... 22

3.1 基于直觉模糊粗糙集的配电网灾害实时评估方法 ............................................... 22

3.1.1 监测数据的采集 ...................................................................................... 22 3.1.2 数据的直觉模糊化处理 ........................................................................... 23 3.1.3 数据的属性约简 ...................................................................................... 23 3.1.4 灾害的实时评估流程 ............................................................................... 24 3.2 基于层次分析法建立自然灾害对配电网运行影响的综合评估模型 ...................... 25

3.2.1 评价指标体系的构建 ............................................................................... 25 3.2.2 评价指标的数学定义 .............................................................................. 26 3.2.3 评价指标权重计算 .................................................................................. 28 3.3 防御自然灾害的对策 ........................................................................................ 29

3.3.1 各类灾害对配电网影响的差异性 ............................................................. 29 3.3.2 针对各类灾害的不同解决方案 ................................................................ 30 3.3.3 防御灾害的措施 ..................................................................................... 32

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一、研究背景

作为能源供应的重要组成部分，电网的发展模式面临重大抉择，其目标是提供可靠、清洁、经济的电力。随着经济和技术的不断发展，国外电力行业和研究机构积极开展了一系列创新性的探索与实践，智能电网成为全球电力工业应对未来挑战的共同选择，而智能配电网是智能电网的重要组成部分。

无论是传统配电网还是智能配电网，优质可靠供电都是关键目标之一。受技术条件限制，传统配电网很难实现灾害条件下的电力持续稳定供应，只能依赖事后抢修的被动防御模式，在全球气候变化导致自然灾害频发的大背景下，配电网亟需发展主动型灾害防御技术，减少灾害导致的重大损失。另一方面，随着智能配电网概念的提出及相关技术的发展，配电网已经具备了向主动型灾害防御方向发展的理论基础和技术条件，尤其是灾害条件下对社会生命线的供电保障能力成为一个重要选项。

我国是一个幅员辽阔、地貌丰富的国家，各地区在经济发展、自然环境等方面都存在着较大的差异。改革开放以来，尤其是20世纪90年代以来我国经济快速发展，经济实力显著增强，但同时也存在着东部沿海地区和中西部落后地区经济差异明显的问题，中西部地区经济发展缓慢，与东区地区高速发展形成鲜明对比，区域的非均衡发展使这种差距在逐步扩大，东、中、西部地区产业结构、人均GDP等方面存在着不均衡的现象。其次，我国的自然灾害种类较多，发生频度远远高于世界平均频度，自然灾害造成的破坏程度和发生频度在地区间也存在较大差异，我国沿海、沿河和山前地带自然灾害发生的频度较高，而冰雪、地震、台风、洪涝等灾害对电网造成的破环较大。另外，各地区的地貌及河流情况、区域定位、发展政策、规划情况也存在着不同程度的差异。

受全球气候变化的影响，许多国家和地区的气候出现异常，自然灾害多发并发，由此造成的电力系统损失严重阻碍了经济社会的发展，影响了人们的正常生产生活。近十年来，各国研究者都对此进行了大量研究。由于冰灾、地震等灾害对中国电力系统造成了毁灭性的打击，相关的研究越来越受到人们的关注。

二、自然灾害对我国电力系统的影响

2.1 冰雪灾害对配电网的影响

2.1.1 冰雪灾害的概况

冰雪灾害通常包括冻雨(雨淞)、雾淞、湿雪等若干种常见形式。冻雨形成的原因在于地表和中低云层大气之间的温差。地表温度普遍较低，维持在0℃左右，而大气中低云层温度在0℃以上。云层中过冷雨滴一旦降到温度低于0℃的地面或物体上，立即冻结成冰。如冷雨滴长时间落在结了冰的物体表面上并不断积累，就会结成一条条冰柱，该现象也称为雨淞。雾淞是空气中水汽直接凝华，或过冷雾滴直接冻结在物体上的乳白色冰晶物，常呈毛茸茸的针状或表面起伏不平的粒状，多附在细长的物体或物体的迎风面上，有时结构较松脆，受震

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易塌落。雾淞生成于有雾而且气温在0℃以下天气。湿雪是云中的水汽向冰晶表面上凝华，更多的过冷水滴被“吸附”在冰晶上，冰晶逐渐增长，降落到地面便是雪花。当地面的温度在0℃ 以上，会使雪花来不及完全融化就落到了地面，于是形成“湿雪”。这种现象在气象学里叫“雨夹雪”。

2008 年，我国南方部分地区遭受特大雪灾，此次冰雪天气围广、降温幅度大、持续时间长，导致电网设施遭受严重破坏，电网陆续发生输电线路倒杆、倒塔、断线等情况，引起大围的电力供应中断，导致了交通阻塞、部分地区长时间停电等灾害性事故，给工农业生产和人民群众生活带来了严重影响。在这次罕见的冰雪灾害中，我国南方地区电网部分地区、地区、广区、和地区受灾严重，电网设施遭受了不同程度的损坏，影响了电网的正常运行和电力供应。据初步统计，截至 2008 年 2 月 26 日，南方地区电网累计因灾害而被迫停运的 10kV 及以上线路7 541 条，其中 110 kV 及以上线路 588 条；35 kV 及以上变电站停运 859 座，其中 110kV 及以上变电站270 座；已查明的 110 kV 及以上输电线路倒杆、倒塔及损坏合计 2686 基，断线 2576 处，电力通信光缆断线 106 条；受停电影响县市 90个，乡镇 1579个；灾害期间南方地区电网的电力缺额最大达14.82 GW。

冰雪灾害对电网的影响具有以下特点：

（1）冰雪灾害对电网运行设备影响大。部分变电设备支柱瓷瓶冰冻开裂，变压器、开关等注油设备滴漏加重，大风舞动使线路滑移、断线和瓷瓶撞碎，风偏、覆冰、融冰和大雾造成线路跳闸，部分线路倒塔或杆塔倾斜等灾害性事故均有发生。

（2）随着电网规模的逐渐扩大，冰雪灾害的影响也越来越大。冰雪灾害造成缺煤停机不断扩大，机组故障停运频繁，输电通道稳定受限，电力交易被迫减少，电力供应缺口不断加大，被迫加强需求侧管理和实施拉闸限电措施，人民生产生活受到影响。

（3）冰雪灾害等灾害性气候出现的频率虽然不高，但是灾害持续时间较长，每次造成的影响与损失巨大。2008年1月，在雨雪冰冻天气持续侵袭下，我国南方部分省份经历了百年一遇的罕见冰冻灾害，造成的直接经济损失达到1110亿元，电力系统的直接经济损失超过300亿元。

2.1.2 冰雪灾害影响配电网运行的原因

冰雪灾害造成电网的输变电设备严重覆冰导致导线、地线舞动和绝缘子串冰闪；导线、地线断线；地线窜动、绝缘子、金具及杆塔损坏、倒塔等事故。导线结冰后更容易舞动，舞动一般发生在结冰过程中，而闪络一般发生在融冰的过程中。综上所述，冰雪灾害对电网的影响主要集中在倒塔断线与冰闪跳闸两大方面。

（1）输电线路倒塔原因分析

覆冰的影响因素一般主要包括气温、风速风向、空气中或云电过冷却水滴直径、空气中液态水含量，这些因素的不同组合确定了导线覆冰的形状、密度及厚度。而输电线路产生覆冰的气象条件为：①气温及设备表面温度达到0℃以下；②空气相对湿度在85%以上；③风速大于lm/s。

造成冰灾倒塔的直接原因，由于持续的低温使导线表面的覆冰无法融化，间断的雨雪使导线表面的覆冰越来越厚，覆冰厚度远远超出铁塔设计允许承受能力所致。而导地线覆冰引起的过大纵向不平衡力，则是铁塔倒塔破坏的最主要原因。

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线路实际荷载过大引发断线和倒塔，线路覆冰后，产生的过荷载从方向可分为垂直荷载、水平荷载和纵向荷载。导线、杆塔覆冰的重量会增加所有支持结构和金具的垂直负载；覆冰也会使导线受风面积增大，此时杆塔所受的水平荷载也随之增加，线路因此可能发生横向倒塔事故；因为输电线路相邻各档之间距离、高度不同，使导线在覆冰时引起纵向静力不平衡，产生纵向荷载。当覆冰不均匀、自行脱落或被击落时，导线的悬挂点处会产生很大的纵向冲击荷载，可造成导线或地线从压接管抽出，或者外层铝股断裂，钢芯抽出，或整根线拉断，如果导线拉断脱落，则最终的不平衡冲击荷载和两相邻档之间的残余荷载就会大大增加，发生顺线倒杆事故。

同时，不均匀覆冰导致导线舞动使电力设备损坏，输电线路不仅承受其自重、覆冰等静荷载，而且还要承受风产生的动荷载。在一定条件下，覆冰导线受稳态横向风作用，可能引起大幅低频振动，即舞动。导线舞动会使相邻悬垂串产生剧烈摆动，两端导线力也有显著变化，将引起差频荷载，从而导致金具损坏，导线断股，相间短路，杆塔倾斜或倒塌等严重事故。

（2）冰闪跳闸原因分析

绝缘子发生冰闪的主要原因有：①空气及绝缘子表面污秽中存在的电解质使冰闪易于发生。纯冰的绝缘电阻很高，但由于覆冰中存在的电解质增大了冰水的电导率。由于冰闪发生前南方各地有一段干旱期，空气质量较差，雨淞时大气中的污秽伴随冻雨沉积在绝缘子表面形成覆冰，降低了绝缘子的耐压水平。②绝缘子串覆冰过厚会明显减小爬距使冰闪电压降低。当绝缘子覆冰过厚完全形成冰柱时，绝缘子串爬距大大减少，耐压水平显著降低。

通过对以往重大冰灾的调查发现，直线串发生闪络较多，耐串、V 型串发生闪络较少。说明绝缘子串型对冰闪有一定的影响。其原因一是耐串和V型串上冰凌不容易桥接伞间间隙；二是该类串型本身自洁效果好，串上积污量少；三是该类串型上难以形成贯通性水膜。

冰闪引发线路跳闸，加剧了导线覆冰。根据冰灾期间线路运行情况的记录，线路绝缘子严重覆冰后首先发生冰闪跳闸，重合闸不成功导致线路停运，线路停运后更加剧了导线的覆冰，继而发生倒塔及断线。

当运行线路导线的负荷电流足够大时，导线产生的焦耳热使其表面温度维持在0℃以上时，不易产生覆冰。当线路停运后，由于导线停止发热，在持续低温雨雪天气作用下其表面的覆冰就会加强，最后导致线路冰荷载过大发生断线及倒塔。

2.1.3 建立线路停运模型

1. 故障率模型

（1）覆冰厚度对故障率影响

采用模糊语言所指定的模糊规则主要是根据 2008年电网遭受冰灾的工程实际并结合电网运行人员的经验得出的，下同。定义模糊语言变量EB表示线路的覆冰厚度并作为输入变量。其模糊词集定义为：

TB???0.3B;约0.5B;约1.1B;约1.5B;约2.0B;约2.5B;约3.0B;?4.0B?其中B为线路的设计冰厚，该输入变量共有8个语言值。 同时定义模糊输出变量E?的模糊词集为：

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E??约1;约6?102;约4?103;约1?104;约2?104;约5?104;?1?105?（2） 融冰机对故障率影响

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应急措施是指采取各种措施降低突发事件发生的可能性以及突发事件发生后采取各种措施减小事件造成的损失，包括故障前应急措施和故障后应急措施。冰灾气候下的输电线路覆冰时的电网加固，融冰机的使用以及各种除冰措施实施等都属于故障前应急措施，可以不同程度的提高电网的抗冰灾能力。

将计及直流融冰机对电网风险的影响。直流融冰机工作原理是通过对线路覆冰的实时监测，当冰厚达到一定值时（通常小于线路的设计冰厚如 10mm），启动融冰机，线路上直流电流产生热量应大于导线散热和融冰热量之和使线路的覆冰融化。通常线路的覆冰未达到设计冰厚前由于融冰机的投入线路的覆冰已全部融化，然后这一过程中存在较多不确定性，主要体现在以下几点：Ⅰ. 覆冰实时监测系统的可靠性和灵敏度，Ⅱ. 线路所处的实时运行环境（包括温度，风速等因素）与融冰机额定参数的差异性，Ⅲ. 多条线路同时覆冰时电力运行人员的决策。另外由于融冰机装置投资较大，在电网中未能大围使用，因而在少数大面积极端恶劣的冰灾气候下，由于融冰机配置不足，多条线路覆冰迅速增长到较大的冰厚，此时最小融冰电流大于最大容许融冰电流时，无法对线路进行融冰，从而出现线路冰闪和断线的情况。

2.线路的多点停运模型

在调查和分析 2008 年电网在冰灾气候下的受损情况时，可以发现，覆冰严重超过电网的设计标准，多数线路不止一处故障，严重的甚至有几十处故障，并且由于覆冰导致杆塔受损，同塔双回或多回线路同时停运，即共因停运。

为了方便的模拟恶劣气候下线路可能发生多点故障的情形，可将线路可以看成按照档距分为的 n 段线路的串联。设?i是各段的故障率， li是各分段的长度，每一分段的可用率和不可用度为Pi ，Qi，因此整条线路的等效不可用率为：

nQ?1??Pi

i?1若设线路故障为事件B，分段线路i故障为事件Ai，则有 P(B)=Q，P(Ai)=Qi，

P(BAi)?1；则由贝叶斯公式可得：

P(AiB)?P(BAi)?P(Ai)P(B)?Qi1??Pii?1n

若假设各分段的故障率和修复率都相同，则每分段的可用率和不可用率也相同，从而其后验概率也相同，即在已知线路故障情况下，每分段发生故障的概率也相同。若定义随机变量?表示线路故障点数，则?服从二项分布，该线路故障点数按下式进行计算：

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