极端冰雪灾害对电力系统运行影响的综合评估吴富杰

吴富杰

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摘要：冰雪等极端气象事件可影响电力系统运行，甚至破坏输变电设备。电力系统智能化调度决策和安全防御体系需要预知气象事件，并对其影响做出量化评估。分析冰雪灾害侵袭电网的过程特点，设计冰雪灾害下电力系统运行模拟程序框架，开发了初步的冰雪气象条件下电力系统运行的模拟程序。提出一种综合评价方法来评价气象事件对电网的影响，从稳定性、安全性和经济性3方面进行考虑，并采用层次分析法(analytichierarchyprocess，AHP)对各层面的影响进行综合评估。将所述方法用于冰雪灾害侵袭电网的各个典型阶段的综合评估。仿真结果表明该方法可量化极端冰雪气象事件对电网影响的程度和趋势。

关键词：极端冰雪灾害；电力系统；运行影响；综合评估

绝大多数电力设备暴露于外界，极端冰雪灾害侵袭电网过程中，可能造成短路、闪络、断线等电气扰动；输电走廊的破坏会改变电力输送路径，导致运行方式变化，影响系统的安全稳定运行。智能调度决策和安全防御系统需要预知气象事件并对其进行综合评估，从而评价冰雪灾害等极端气象事件对电力系统运行的影响。电力系统安全稳定评估、停电防御系统设计和各种自然灾害的影响一直是国际电力界研究的热点，但电网安全分析与冰雪灾害等极端气象事件的研究基本呈割裂状态，并没有建立统一的仿真、分析和评估体系。基于现场实测数据对覆冰模型以及影响覆冰的各种因素进行了分析。提出了导线覆冰的热平衡方程，并分析导线覆冰与外界温度等因素的关系。基于热平衡方程研究了直流融冰电流与冰面温度的关系，总结了影响融冰的各种因素。强调了应该针对传统防御系统进行改进以考虑极端气象事件的影响。提出了冰雪灾害下电网安全评估的理论框架和气象–电气混合仿真的概念，并针对简化模型初步编程实现。

1.冰雪灾害侵袭电网过程的特点分析

不同类型气象事件的成因、侵袭电网的物理过程各不相同，而且严重程度不一的气象事件对电网造成的物理破坏和安全稳定威胁差别也很大。气象事件对电力系统运行的影响通常为渐变过程，短则几分钟，长则几天。应针对气象事件对电网影响进程进行综合评估，把握气象事件影响电网的衍变过程，评估不同严重程度的灾害对电网影响的差异，为电网灾害防御提供参考。

冰雪、冻雨气象事件对电力系统运行影响的时间尺度为几小时至几天，为渐进累积过程。在严重冰雪灾害气象条件下，线路、杆塔、绝缘子等主设备覆冰逐渐增加，机械部件受力逐渐增大，线路受风面积增大，绝缘子绝缘水平降低，系统主设备的安全水平逐渐降低。绝缘子覆冰到一定程度，开始出现闪络跳闸；线路、杆塔持续覆冰增加最终会导致机械部件受力超过限值而发生断线、倒塔。闪络跳闸、线路断线会改变系统潮流分布、导致停电和输电阻塞。长时间持续的冰雪灾害又会恶化交通运输条件，威胁火电厂煤炭的及时供应和电力的充足供给。

因此，极端冰雪灾害会在绝缘、机械受力等方面影响主设备安全运行，在运行方式方面影响安全稳定水平，又会在一次能源供给方面影响电力生产，对电力系统运行的影响为长时间尺度、多物理参量的复杂过程。

2.冰雪气象条件下电力系统运行的模拟系统

冰雪灾害的物理过程极其复杂，很难用数学模型精确描述。可以从其与电网机械、电气作用关系入手进行简化，建立数学模型。冰雪灾害侵袭电网具有明显的累积特性，对电网影响取决于前一段时间内的交互作用过程。考虑外部冰雪灾害的影响，建立电力系统运行模拟数学模型，由微分–代数方程组来近似描述：

式中：x和y分别为冰雪事件的状态量和代数量；W和V分别为描述冰雪动态的微分方程组和代数方程组；z和h分别为电力系统状态量和代数量；F和G分别为描述电力系统动态的微分方程组和代数方程组。冰雪灾害下电力系统运行模拟建模中，F和G通常不显含x和y，而是通过其达到临界值后引发闪络跳闸和断线来体现冰雪灾害对电网的影响。

3.冰雪灾害给电力输电线路造成的损害

首先，存在于输电线路上的冰块容易被风吹动，由于输电线路上的冰块并不能均匀的分布，形状也各部相同，如果风向站位正好与冰块角度一致，输电电路就会被风吹动。其次，冰块引起闪络。覆盖在输电线路闪的冰块很容易引起闪络，虽然不会破坏输电线路，但却会给输电线路绝缘子带来较大负面影响，弱化其绝缘性能。同时，闪络发生以后，并没有起到消除冰块的作用，输电线路的重量也没有减轻。再者，导线在接地以后发生短路。由于冰块过重，导线因承受不了重量势必会出现弧度不断增大的情况，达到一定弯度以后线路就会与地面相接触，进而造成短路。最后，输电线路结构被损坏。尽管输电线路自身有一定张力，然而，在被冰块覆盖以后，线路张力会不断增加，加之输电线路原本缺乏平衡性，在达到一定距离以后，张力也会对达到极限，如果没有及时调整杆塔，便会出现输电线路崩断的情况，更会因冲击荷载致使电杆倒地甚至发生连锁反应，严重的导致整个输电线路倒杆。

4.电力系统防冰雪灾害设计策略

4.1优化输电线路设计标准

现阶段，我国大部分输电线路都可以很好的应对各种天气，唯一美中不足的就是对抗暴风雪的冲击中还存在一些缺陷，特别是南方地区的输电线路，面对异常冰雪天气依然会出现线路损毁的情况，因此，这就需要优化输电线路设计标准，不断提升输电材料性能，增加输电线路抗击风雪的能力。同时，在设计输电电力的过程中，还要做好抗击冰雪天气的防护工作，建立健全抵御冰雪灾害天气的标准，做好电网设计标准与改革工作，结合以往电网线路在冰雪天气中所出现的问题，做好输电线路覆冰总结，适当调整电力的覆冰能力，不保证输电线路能够安全稳定运行。

4.2应用防止输电线路覆冰技术

为防止输电线路覆冰过重，导致大面积停电，电力企业还需要将防覆冰技术应用其中，如热力融冰、短路融冰以及过电流融冰。同时，电力企业也要做好直接融化冰雪的设备，这样不仅可以将冰雪直接去除，还可以减少除冰雪设备对输电线路自身的威胁，利用这样的技术也可以大大提升输电线路安全性。

结语：

随着人们对生活品质要求的提高，人们对电能的需求也在增多，如果电力系统发生故障将国家带来不可估量的损失。尽管我国输变电技术已经达到了世界先进水平，但也要认识到冰雪灾害给电力系统所造成的影响，针对这种情况，就需要做好电力系统防范冰雪灾害的对策，联系我国实际情况，提出可行措施。由于风雪天气对电力线路破坏较大，因此，一定要了解冰雪天气成因，以及给电力系统所带来的损害，只有这样才能使所提出的措施更加有效，真正做好防范覆冰处理的工作。

参考文献：

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