极端恶劣气候条件下配电系统的可靠性分析

山西农业大学工程技术学院毕业论文 1 极端恶劣气候条件下配电系统的可靠性分析极端恶劣气候条件下配电系统的可靠性分析 摘要摘要 不同的气候环境下 电力系统的可靠性水平及电网的运行能力不同 恶劣性气候时设备所承受的物理压力要比正常气候条件下大得多 恶劣气候包括 暴雨 覆冰 飓风 雷电等 传统未考虑气候因素的可靠性评估 其可靠性指标 结果误差较大 可能会影响运行规划人员的决策分析 考虑到极端恶劣气候的因 素 采用两状态气候模型 分析某配电系统可靠性水平 以保证可靠性分析的客 观实际性 说明其现实意义 2008年1月 我国华中 华南等地区遭受了严重的冰雪灾害 湖南省电网在此 次冰冻事故中受灾尤为严重 为此 中国电力科学研究院组织了专家考察组赴湖 南省进行了实地调研 作为此次调研的总结 文章论述了湖南电网覆冰闪络 倒 塔 断线 变电设备受灾等情况 并总结了冰灾中采取的措施 对湖南电网受灾 原因的分析表明 罕见气象条件是本次电网大面积受灾的主要原因 在湖南电网 冰灾事故中 覆冰程度大大超出设计容许范围 需要合理提高输电线路防覆冰设 防标准 同时防冰闪的外绝缘设计以及变电站的防冰技术也有待加强 关键词 极端恶劣气候 气候模型 配电系统 复杂大电网 防冰设计 孙涛 极端恶劣气候条件下配电系统的可靠性分析 2 ExtremeExtreme weatherweather conditions conditions distributiondistribution systemsystem reliabilityreliability analysisanalysis ABSTRACT Under different climate and environment power system reliability standards and operational capabilities of the different power grids Inclement weather when the equipment of the physical pressure to bear than the much larger under normal weather conditions Adverse weather conditions including heavy rain ice hurricanes lightning and so on Tradition does not take into account the reliability of assessment of climatic factors indicators of the reliability of the results of errors may affect the operation of the planning staff of the decision making analysis Taking into account the extreme weather factors a two state climate model analysis of a certain level of distribution system reliability in order to ensure the reliability of the analysis of objective reality and its practical significance In January 2008 major disaster caused by icing and snowing happened in some regions of Central China and South China and in this severe icing and snowing disaster Hunan power grid is particularly suffered For this reason an expert group of China Electric Power Research Institute CEPRI is organized and went to Hunan province for field investigation As a summary of this investigation in this paper the failure conditions such as flashover caused by icing collapse of 山西农业大学工程技术学院毕业论文 3 summary of this investigation in this paper the failure conditions such as flashover caused by icing collapse of towers conductor breakage and damage of transformation equipments are described and the countermeasures adopted in this icing and snowing disaster are summarized The analysis on the reason causing the damage in Hunan power grid shows that the rare meteorological condition is the principal cause of large area damage of Hunan power grid During this icing disaster of Hunan power grid the ice coating extent greatly exceeds the permissible limit considered in design thus it is necessary to reasonably fortify the standard against ice coating of transmission lines meanwhile the design of external insulation and the de icing technology for substations are to be enhanced KEY WORDS Extreme weather events Climate models Distribution System The complexity of large power grids Design of anti ice 孙涛 极端恶劣气候条件下配电系统的可靠性分析 4 目录目录 1 引言 5 2 湖南电网受灾情况 9 2 1 线路覆冰闪络跳闸 9 2 2 输电线路倒塔 断线统计 9 2 3 变电站受灾情况 10 2 4 网受灾原因分析 11 2 4 1 成此次事故的气象条件极其罕见 11 2 4 2 程度大大超出设计容许范围 12 2 4 3 备覆冰闪络分析 12 2 4 4 水电难以保障负荷中心和重要用户的供电 14 3 输电线路导线覆冰形成机理和模型的研究 14 3 1 国内外研究现状 14 3 2 建议研究的基础问题 15 3 3 覆冰导致输变电设备外绝缘故障的机理研究 16 3 3 1 国内外研究现状 16 3 3 2 建议研究的基础问题 16 4 两态气候模型 17 4 1 模型及其状态模拟 17 4 2 两状态气候模型下的配电系统可靠性指标 17 4 2 1 元件的可靠性模型 17 4 2 2 可靠性指标 18 4 3 评估算法 18 4 4 系统停运分析 18 4 4 1 基本公式 19 4 4 2 算例分析 21 5 电网覆冰灾害应急处理体系的研究 21 6 结论 22 致 谢 23 参考文献 24 山西农业大学工程技术学院毕业论文 5 1 1 引言引言 我国是输电线路覆冰较为严重的国家之一 最近30年来 大面积冰灾事故在全国 各地时有发生 继1974 1976年全国电力系统发生大面积冰灾事故后 1984年在全国 范围内又发生了大面积冰灾事故 特别是1996年初 福建省35 220kV线路因覆冰导致 倒杆断线200多处 2005年春节期间 在湖南 湖北以及重庆地区 由于连续大范围雨 雪天气 出现了50年来最严重的冰灾 17条供电线路陷于瘫痪 影响生产和生活长达 一个多月 3 6 2008年 一场国际上百年罕见的大面积覆冰影响了我国南方大部分地区的十几个 省 由于持续的雨雪冰冻天气 导致输电线路大面积覆冰 输电铁塔不堪重负倒塌断 线 电力设施遭到前所未有的破坏 供电线路大范围中断 给人民的生产生活造成了 巨大的灾害和损失 直接经济损失超过千亿元 针对我国的覆冰灾害情况 为减少输电线路覆冰事故的发生 有效保障电力系统 的安全运行 应加强探索输电线路覆冰机理 覆冰外绝缘故障机理 有效的防冰 除 冰方法 大电网覆冰在线监测与诊断方法 开展电网覆冰在线评估 预警与决策方法 等方面的研究 2008年1月10日以来 我国先后出现4次大范围雨雪冰冻天气 输变电设施覆冰覆 雪严重 遭受了不同程度的损害 线路跳闸和倒塔断线现象普遍 严重威胁电网安全 稳定运行 电网受损范围之大 数量之多 后果之严重实属罕见 其中尤以湖南电网 受灾最为严重 26 31 为了深入了解湖南电网冰灾情况 总结经验 为今后防冰抗灾提供依据 中国电 力科学研究院于2008年2月4日 9日对湖南电网遭受冰雪灾害的情况进行了实地调研 调查组考察了多个500kV 220kV变电站和输电线路 并同湖南省电力公司科技部 生 技部 超高压管理局 调通局 基建部 电力试研院等多家单位进行了座谈和交流 对湖南电网冰雪灾害事故进行了初步总结和分析 调查表明 湖南电网输电线路冰灾情况基本上可分为2个阶段 第一阶段以线路覆 冰闪络事故为主 主要发生在冰害初期和中期 随后进入第二阶段 以线路断线 倒 塔为主 在本次冰灾事故中 湖南电网变电站设备受灾情况主要表现为隔离开关故障 及设备外绝缘放电严重等 20 输电线路覆冰和积雪常会引起线路的跳闸 断线 倒杆 导线舞动 绝缘子闪络 孙涛 极端恶劣气候条件下配电系统的可靠性分析 6 和通信中断等事故 俄罗斯 加拿大 美国 日本 英国 芬兰 冰岛和我国都曾因 输电线路覆冰引发安全事故 带来了巨大的经济损失 因此冰雪灾害成为全世界许多 国家的电网面临的共同问题 22 26 我国是输电线路覆冰严重的国家之一 线路冰害事故发生的概率居世界前列 据 不完全统计 从1954年12月到2006年底 中国各地6kV及以上电压等级的电网 包括输 电线路和变电站 发生过1000多起各种各样的覆冰灾害 其中35kV及以上规模电网发生 并引起电网严重故障的覆冰灾害就有86 起以上 2004年 220kV及以上线路覆冰 冰 闪和舞动跳闸共53次 占线路总跳闸次数的4 2005年 220kV及以上线路共发生覆冰舞动跳闸98 起 占总跳闸数的7 19 其中 500kV 线路跳闸29 起 覆冰舞动主要发生在湖南 贵州 辽宁 湖北地区 330kV和 500kV电网形成以后 电网覆冰灾害呈快速上升趋势 已严重影响到电网的安全稳定运 行 26 2008年1月 我国南方的冰雪灾害超出了气象部门的预测 再次给国民经济和社会 生活带来了巨大的损失 受灾人口达1亿多 直接经济损失超过1100 亿元 电网的损 害尤其严重 因此分析各国电网的覆冰防治方案 研究防冰技术的进展情况 对我国 电力部门防止和控制冰灾 提高电网的运行可靠性具有重要实际意义 防覆冰方法是在覆冰物体覆冰前采取各种有效技术措施使各种形式的冰在覆冰物 体上无法积覆 或者即使积覆 其总的覆冰荷载也能控制在物体可承受的范围内 目 前用于输电线路防覆冰的方法主要有热力防冰和被动防冰法 3 4 1 热力防冰法目前已发展了多种技术 1989年由Gajda研制的激光 1983年由 Kwor等人研制的微波和1992 1993年由Berry等人研制的无线电波 由于需要强幅电磁 波束 应用于输电线路防冰十分困难 目前 只有铁磁材料可用于输电线路防冰 工 程应用中已实现的铁磁材料防覆冰方法有多种形式 日本的Yasui 等人研制的电阻性 铁磁线 国网武汉高压研究院与首钢冶金研究院研制的低居里磁热线和低居里磁防冰 套筒等的防冰效果比较明显 为了使铁磁材料防覆冰不只局限于局部线段 以下问题 仍待解决 3 首先 要降能量消耗 铁磁材料防覆冰需要1 10 kW m2的功率 其次 防冰效果有待提高 该方法即使达到100 的效率 也只在覆冰初期或只对局部导线产 生有效的防冰效果 第三 要降低使用成本 为此 法国 美国等相继开展了新型导 线的研究 并取得了初步成果 17 18 山西农业大学工程技术学院毕业论文 7 2 被动防冰不能阻止冰的形成 但有助于限制冰灾 例如 Admirat Yasui等 人使用的平衡锤技术可防止导线旋转 Goia和Chirita采用的在给定过负载件下允许导 线升降技术可减小倒杆塔的几率或防止倒杆塔事故发生 并有助于确保冰灾事故后线 路迅速恢复送电 有些被动方法 如规则间隔环等 能加速导线覆冰的脱落 但常常 只能在局部有效 利用憎水性和憎冰性涂料达到防覆冰的目的是被动方法之一 胡小 华等人采用过渡金属复合氧化物吸光颜料制备了在实验室条件下减缓铝线表面结冰的 防覆冰涂料 涂料防冰是通过减少水和冰与导线的附着力来防止结冰 与其他方法相 比在工程上简单易行 方便控制 成本较低 是防止覆冰的极具潜力的可行途径 现 有的氟塑料 硅橡胶等憎水涂料有较好的防水性能 在绝缘子表面涂覆半导体RTV 涂 层 可减缓冰的形成和减少覆冰量 但现有的防冰涂料并不能从根本上防止冰的形成 而只有在足够的辐射下才能生效 在气温低 水雾呈过冷却的情况下 防冰效果较差 4 我国许多高压输电线路处于冷暖气流交汇区 加之江河纵横 地形和气候都较为 复杂 很大一部分架空输电线路处于低温 高湿度的微气象区环境下 线路易发生严 重的覆冰灾害 目前线路覆冰的发现主要还是靠人工巡检 高压和超高压输电线路分 布的区域地形复杂 环境恶劣 使得巡线工作非常艰苦 在覆冰严重区域安装覆冰实 时综合监测系统有如下优点 在覆冰严重山区可取代建立高造价的观冰站 掌握 沿线导线温度 倾角 弧垂 气象条件 线路走廊的视频情况 能在覆冰初期及时发现 给运行单位处理覆冰事故提供依据 能极大地提高设备运行可靠性 长期积累沿线 导线温度 倾角 弧垂 气象条件 能为输电线路设计提供依据 能在夏季高峰负荷 期间为线路输送容量动态定额发挥很大作用 线路走廊的视频监测平时也是防止外 力破坏的很好措施 20 在国外 俄 加 美 日 英 芬兰和冰岛等国的科研人员对导线覆冰及舞动现 象进行了大量研究 在导线覆冰的机理 导线覆冰荷载等领域取得了大量研究成果 国内海康雷鸟信息技术有限公司提出了采用弧垂实时监测 线路图像实时监视和小型 气象站相结合的综合方法来实时监测架空线路覆冰的方案 利用先进的数字视频压缩 技术 低功耗技术 GPRS无线通信技术 将现场图像信息传输到监控中心的服务器上 从而实现对输电线路全天候监测 可以对线路覆冰形成的气象条件 覆冰形成过程和 覆冰的严重程度进行全过程的实时监测 金源电气有限公司和西安交通大学电气工程 孙涛 极端恶劣气候条件下配电系统的可靠性分析 8 学院黄新波等建立了导线覆冰厚度和导线弧垂变化的力学模型 设计了应变片式压力 传感器的安装结构 研制了XFBM x输电线路覆冰在线监测系统 21 在覆冰监测的技术路线上 最常采用的是导线的倾角 弧垂分析 线路覆冰时最明 显的是导线弧垂的增加 美国USI POWER公司生产的Power Donut2 电力环 以及国内海 康雷鸟公司生产的温度 倾角测量球通过实时直接测量导线温度和导线倾角计算导线弧 垂 均可测量线路负荷变化时由于导线发热造成的弧垂变化 也可测量由于导线覆冰 导线重量增加造成的弧垂变化 美国The Valley GroupInc 公司生产的CAT21 西安交 通大学和金源公司的装置是通过测量导线应力计算弧垂的实时监测装置 视频监控装 置是随着电子技术的进步发展起来的新技术 已在电厂和变电站的监控中得到了广泛 应用 目前也已在线路监控中发挥作用 20 22 现有监测装置虽然已有应用 但仍未大面积推广应用 究其原因 存在测量技术 理论计算和工程造价3方面问题 通过导线倾角与导线重量之间的关系来计算导线覆冰 重量 其过程相当复杂 需要考虑导线本身长度随温度的变化 杆塔相对高度 档距 风荷等因素 目前架空导线在工程计算上常忽略其刚度而视为柔索 这样导线就可用 悬链线或抛物线方程来计算 而且在悬链方程中 冰荷 风荷 导线温度被认为是均 匀分布的 因此存在计算误差 对于500kV 及以上多分裂导线 其刚度不能忽略 特 别是在绝缘子线夹附近 而倾角传感器常安装在线夹附近 因此从该处的倾角计算导 线覆冰重量将存在较大误差 通过绝缘子金具或导线应力大小测量覆冰重量更为直接 因为根据受力情况可以直接判断铁塔的可靠性 目前在应力测量方面应变片使用特别广泛 将应变片粘贴到各种弹性敏感元件上 可构成测量位移 加速度 力 力矩 压力等参数的电阻应变式传感器 其主要优点 是 传感器结构简单 使用方便 性能稳定可靠 灵敏度较高 测量速度快 适合静 态和动态测量等 但由于应变片依靠微弱的电阻变化量来反映构件的应变 存在非线 性和温度 零位漂移等因素 需要精密的电桥测量电路 在输电线路上 存在极为不 利的影响因素 强大的交变电磁场将在应变片的引线上产生较高的感应电压 绝 缘子金具尺寸狭小 桥路或电路补偿构建困难 这些因素造成测试结果产生的误差更 加严重 无论通过导线倾角计算覆冰重量 还是通过应力计算覆冰重量 均会遇到风 荷 导线舞动及微振的问题 因此在倾角测量数据和应力测量数据中均有静态变量和 动态干扰 需要采取数学分析方法将二者区分开 此外 在具体计算中需要考虑直线 山西农业大学工程技术学院毕业论文 9 绝缘子的倾角和多级直线塔联立求解 实际中考虑到经济问题可能仅在个别杆塔上安 装传感器 因此又存在优化传感器安装地点 根据最少的监测量精确计算覆冰重量的 问题 在求得覆冰重量之后 则存在根据气象条件和导线热力学方程的问题 在现有 监测系统中 上述问题多被简化处理 应研究的主要内容如下 研究适用于输电线路 特别是超高压输电线路电磁场环境中的新型应力测量技术 更加准确地测量绝缘子串 承受的拉力 以及相应的抗干扰技术 研究更加符合实际的 包括多杆塔 导线刚性 风荷 导线舞动及微振因素的数学方程及其求解方法 研究传感器优化安装计算方法 降低工程造价 结合输电线路导线覆冰的形成机理和模型研究成果 研究覆冰趋势预 测方法和可靠性评估方法 下面主要介绍湖南电网覆冰灾害的主要情况以及两态气候条件下配电系统的可靠 性分析 在传统可靠性分析的基础上 考虑了极端恶劣气候因素 采用两状态气候模 型评估某配电系统可靠性水平 说明考虑气候因素对配电系统可靠性的影响有着重大 的现实意义 2 2 湖南电网受灾情况湖南电网受灾情况 2 1 线路覆冰闪络跳闸 初步统计表明 发生冰闪的500 kV 线路有28条 占500 kV 线路总数的 87 5 220 kV 和110 kV线路覆冰闪络超过百条 1月13日 22日 覆冰闪络以220 kV 和110kV线路为主 1月23日500kV线路开始发生冰闪 大面积覆冰闪络主要发生在1月 28日以前 2 2 输电线路倒塔 断线统计 根据湖南电网公司资料 2月5日以前 全省33条500 kV线路跳闸89条次 倒塔断 线14条 174基 断地线停运3条 全省246条220 kV线路中 倒塔断线42条 185基 断线或受损停运32条 110kV线路跳闸2000多条次 倒塔61条 247基 见表1 冰灾给 电网造成的直接经济损失超过16亿元 线路倒塔典型情况如图1所示 表1 湖南电网线路受损情况统计 电压等级 kV线路条数冰闪条数跳闸条次断线条数倒塔基数 孙涛 极端恶劣气候条件下配电系统的可靠性分析 10 500 220 110 33 246 28 100 100 89 2000 14 42 61 174 185 247 图1 1 输电线路由于覆冰严重发生倒塔 2 3 变电站受灾情况 在本次冰害事故中 湖南电网变电站受灾严重 发生多起变电站母线停运或全站 停运事故 表2为2月5日前全省电网变电站在此次冰害中的事故情况统计 可以看出 500 kV 变电站在此次冰害事故中受灾最为严重 表2 2 湖南电网停运变电站统计 电压等级 kV变电站数停运变电站数 停运变电站所占 百分比 500 220 110 35 12 85 389 433 6 32 87 181 50 37 6 22 4 41 8 湖南电网变电站设备受灾情况主要表现为 隔离开关故障 设备外绝缘放电严重 1 隔离开关故障 在此次事故中 几乎所有变电站的隔离开关动静触头以及传动系统均被冰冻卡死 无法进行正常的分合闸操作 见图2 在线路倒塔或断线的故障情况下 隔离开关故障 造成线路维修施工延迟或无法进行 山西农业大学工程技术学院毕业论文 11 图2 2 隔离开关冰冻卡死 2 设备外绝缘放电严重 变电站设备外绝缘覆冰放电严重 据不完全统计 由覆冰导致的闪络事故就有9起 见图3 图3 3 设备覆冰造成放电严重 1月21日 云田变4台500kV 电流互感器发生冰闪爆炸 见图4 1月23 日 该 6 SF 站500kV避雷器也发生冰闪 郴州局朝阳变220kV母线支柱瓷瓶覆冰闪络 同时由于母 线冰柱脱落造成了3次站内相间短路事故 此外 州局4个220kV变电站由于终端塔架和 站内门型塔倒塌造成站内设备损坏 孙涛 极端恶劣气候条件下配电系统的可靠性分析 12 图4 4 电流互感器冰闪爆炸 6 SF 2 4 网受灾原因分析 2 4 1 成此次事故的气象条件极其罕见 从2008 年1 月12 日开始 湖南南部地区遭遇冰冻 持续时间长达22 d 48 个县 市经历了当地有气象记录以来最长的连续冰冻灾害 湖南省气象中心对此次冰冻雨雪 天气过程的综合评估为 此次雨雪冰冻天气过程 综合强度指标堪称新中国成立以来 最强 1 地面温度长时间低于0 易产生强冰冻现象 至1 月28 日 长沙已连续半 个多月日平均气温接近或低于0 创历史同期最低 2 降水条件有利 相对湿度高 今年西南暖湿气流超强 与东北气流长时间在 上空交汇 湖南降水日数为1951 年以来历史同期最多值 具备持续性雨凇天气产生的 降水条件 3 近地面形成了有利于雨凇形成的逆温层 西南和华中地区处在 华南静止锋 及 昆明准静止锋 锋面覆盖下 本次大气层自上而下形成了冰晶层 暖层和冷层 从冰晶层掉下来的雪花通过暖层时融化成雨滴 进入靠近地面的冷气层时雨滴又迅速 冷却 成为过冷却雨滴 与导线碰撞时冻结 形成雨凇 2 4 2 程度大大超出设计容许范围 根据现场调查和分析 出现倒塔断线事故的原因是输电线路发生超过设计标准的 覆冰 舞动 我国中东部地区输电线路覆冰设计标准大多为10mm 局部提高标准后为 15mm 这次电网受损严重的地区 覆冰厚度普遍超过30mm 很多地区达到50mm以上 使得铁塔 导线的荷载和承受的应力大大超过设计标准 导致倒塔断线 同时 由于 导线表面覆冰 使其具有了较适合的空气动力 容易在大风中发生大幅度舞动 最终 造成塔材脱落 导线断线 铁塔解体 因此 事故的主要原因在于历史罕见的极端天 气使线路覆冰值大大超过了设计标准值 以复兴 沙坪I回500kV线路为例 线路位于湘中地区 全线属丘陵地貌 海拔高 度均在350m以下 该线全长85km 采用4 LGJ 300 40导线 GJ 80地线 全线设计覆 冰取15mm 1月12日开始 由于严重覆冰造成4基倒塔 1基铁塔损坏 根据气象台站资 料及沿线走访当地居民 线路所经区域在1954年前后曾发生过较严重覆冰 电力覆冰 山西农业大学工程技术学院毕业论文 13 均在20 27 mm 但以后再没有出现过类似的冰冻 根据倒塔现场导线覆冰取样数据 159号杆塔处覆冰达50 17mm 远大于设计覆冰值l5mm 超过了导地线和铁塔的设计承 受能力 造成导地线断线和铁塔压垮或自倒 LGJ 300 40导线覆冰15mm时重量为 27 31N m 覆冰30mm时重量为559 8N m 覆冰60mm 时为1 136 2N m 也就是说杆塔所 承受的导线垂直力大大超过了设计值 已达到设计值的4 2倍 2 4 3 备覆冰闪络分析 输变电设备覆冰闪络可能发生在覆冰期 也可能发生在融冰期 覆冰闪络电压和 覆冰类型 覆冰厚度 表面污秽度以及融冰水电导率 绝缘子串悬挂方式等因素有关 1 不同覆冰类型对冰闪特性的影响 覆冰有3 种类型 雾凇 雨凇和混合凇 已有 的试验结果和运行经验表明 在其它条件基本相同的情况下 覆冰类型为雨凇时对 线路的危害最大 绝缘子串的闪络电压也最低 从国内线路的冰闪调查情况看 发生 冰闪的线路覆冰类型绝大部分为雨凇和混合凇 因此 为工程需要 同时也考虑到线 路最恶劣的情况 覆冰试验研究一般都以雨凇覆冰类型为对象 而由本次覆冰外形和 密度等参数可以看出 本次事故的覆冰类型即为雨凇 2 覆冰量 覆冰厚度 对冰闪特性的影响 各个研究机构的试验结果表明 覆冰 量影响冰闪电压 覆冰量越大 覆冰越厚 冰闪电压越低 当绝缘子串表面被冰柱完 全桥接时 冰闪电压最低 在本次事故中 绝缘子串覆冰大多呈现冰柱桥接状态 因 此很容易发生覆冰闪络 3 覆冰绝缘子表面污秽度与冰水电导率对冰闪电压的影响 绝缘子覆冰试验中 绝缘子表面污秽度与冰水电导率对试验结果影响很大 加拿大 美国 中国等国的试 验数据表明 随绝缘子表面污秽度和冰水电导率的增加 覆冰闪络电压明显下降 根 据现场少量取样测量 线路覆冰水电导率小于50 S cm 但现场绝缘子污秽很重 图5 为500kV湘云线玻璃绝缘子的表面积污情况 显然大量冰闪与绝缘子表面污秽密切相关 4 绝缘子串悬挂型式对冰闪电压的影响 在相同覆冰条件下 不同悬挂类型的 绝缘子串其冰闪电压也不同 在同样试验条件下 V 型串和耐张串的冰闪电压要高 于 I 型串 这是由于前2 种悬挂方式使得绝缘子结冰后很难沿面形成冰桥 爬电距 孙涛 极端恶劣气候条件下配电系统的可靠性分析 14 离受覆冰影响较小 同时融冰时也很难形成贯通性水膜 因此 防止冰闪首先要防止 绝缘子串冰桥短接 这主要从串型上来考虑 对于我国架空输电线路 推荐在线路覆 冰区设计时采用 V 型和耐张串 以防止冰桥在绝缘子串表面形成短接 迄今为止 高压线路 V 型和耐张串还没有冰闪事故的报道 图5 5 绝缘子积污情况 5 绝缘子串覆冰闪络实例分析 交流输电线路发生了大面积覆冰闪络事故 例 如湖南500kV牌长I 线在1月20日 23日发生了5次冰闪事故 该段线路绝缘子配置为28 片 绝缘子结构高度155 mm 冰闪区域属于中等污秽区 绝缘子串覆冰严重 片间完 全被覆冰桥接 根据中国电力科学研究院研究结果 500kV交流I 型悬垂绝缘子串在重 冰区串长应大于5 13m 即需要同类型绝缘子33片 现有配置远不能满足要求 因此发 生了覆冰闪络 2 4 4 水电难以保障负荷中心和重要用户的供电 此次冰害暴露出局部区域配电系统分散管理而无法集中化运作的矛盾 遭遇紧急 状况时地方小水电不能保障负荷中心和重要用户的供电 以冰害严重的郴州地区为例 该区域与外网相联系5 回线 城烟线 蓉桐线 龙塘龙线 朝大线 朝线 均有倒塔 事故发生 郴州主网装机有东江电厂500MW 鲤鱼江电厂130 MW 小水电装机约 300MW 正常情况下郴州地区负荷约为400MW 在这次冰害事故中 与外网相连的线路 全部倒塔跳闸 而内部电源如鲤鱼江电厂无法自启动 东江电厂等水电出线全部倒塔 无法送出 使得这一地区供电恢复极其困难 这充分说明了小水电难以保障负荷中心 和重要用户的供电 需要进一步加强区域配电网的集中化运作管理 山西农业大学工程技术学院毕业论文 15 3 3 输电线路导线覆冰形成机理和模型的研究输电线路导线覆冰形成机理和模型的研究 3 1 国内外研究现状 覆冰往往因为导线截面形状改变以及线路冰 风荷载增加而导致高压输电线舞动 断线 倒塔 引起重大事故 迄今架空导线表面覆冰机理与防冰措施仍是未得到有效 解决的科学技术难题 受到国内外研究者和工程技术人员的广泛关注 加拿大还在覆 冰事故多发的魁北克省建立了用于导线覆冰机理和除冰技术研究的专门线路 4 架空 导线表面覆冰是受到众多环境 气象和物理因素影响的复杂过程 主要包括 1 气候和气象条件的不同会导致线路覆冰以雾凇 积雪 雨淞和结霜等不同形 式出现 其中雨淞 光滑透明的覆冰 因密度大 附着力强而危害最大 处理最困难 不同的覆冰形式具有不同物性 其中最重要的是密度 造成架空导线不同程度的附加 载荷和危害 覆冰本身物性的差异还会对覆冰形成过程的结冰速率 冰形以及融冰所 需能量等产生重要影响 加拿大魁北克大学的Farzaneh 等人分别采用交流和直流电流 融冰方法 对不同覆冰形状 密度和重量对所需电压的影响进行了实验研究 建立不 同类型覆冰完善准确的物性数据库 以及同气候和气象条件与覆冰类型的关系 是建 立准确的导线覆冰监测模型需要解决的关键技术问题 6 7 2 对于高压输电线路而言 除了电流产生的焦耳热效应对导线热平衡的影响外 不同电场强度对极性过冷水滴在导线附近的运动轨迹存在复杂的影响 进而影响到导 线覆冰的结构和冰形 研究表明 电场对导线覆冰的影响和电场强度有关 由于电场 的极化 电场强度越高 碰撞率越高 造成导线覆冰增加 冰的密度增大 但进一步 增加电场强度 极化变形水滴在临近导线时的火花放电现象会导致水滴的分裂 造成 平均冰密度的降低 当电场强度大于10kV cm 后 冰表面粗糙度增加 同时由于水滴 充电 离子风电子和离子轰击的影响 平均冰密度和覆冰量反而急剧减少 与过程本 身的复杂性相比 目前对架空导线的覆过程和预测模型研究仍基本采用基于平衡热力 学的能量分析方法 通过建立导线覆冰热力学能量平衡关系 获得导线表面结冰的判 据 冰厚计算式和冰重增长率等参数 这种零维模型并不能揭示覆冰过程的特性和细 节 不能体现相关作用因素的影响 仅是用于结果分析的 黑箱 仿真 更加深入的 研究则基于圆柱形 椭圆形和翼形覆冰模型等一维模型的分析方法 8 10 12 孙涛 极端恶劣气候条件下配电系统的可靠性分析 16 3 2 建议研究的基础问题 深入揭示架空导线覆冰机理 准确描述覆冰过程的分析模型 应该反映出环境 气候和大气因素对导线覆冰形式 冰形生长方式和结冰热物理过程的耦合影响和作用 机制 并能在复杂的物理和边界条件下对导线表面冰晶的凝固 熔融相变过程进行准确 的模拟 研究目标为 建立不同气候和气象条件下架空导线表面覆冰冰形的准确预测 模型 揭示相关作用因素对覆冰过程的影响机制 确定不同种类和冰形导线覆冰融化 的能量需求 以及不同融冰速率与能量消耗之间的关系 揭示导线的表面性质对覆冰 的影响机制 提出架空导线阻冰环和平衡锤的优化设计方案 3 3 覆冰导致输变电设备外绝缘故障的机理研究 3 3 1 国内外研究现状 覆冰等自然灾害导致输变电设备外绝缘闪络机理的研究始于污秽放电的研究 15 国内外对污闪机理及防污闪对策的研究已经持续了半个多世纪 主要集中在用电路模 型理论研究污秽绝缘子饱和受潮后的放电过程和闪络判据 近几年在电路模型基础上 结合放电过程中沿面电场分布的分析 将电路模型理论推进了一步 但仍是定性的研 究 因受试验条件的限制 针对超特高压输变电设备外绝缘的研究很少 特别是对外 绝缘覆冰或覆冰与污秽共存环境对放电物理过程的影响研究甚少 在实验室模拟试验 研究较多 在自然环境中试验研究较少 两者之间的差异尚不完全清楚 由于对外绝 缘污闪和冰闪的发生发展物理过程及其机理还处于不断探索阶段 至今尚未找到可有 效反映污染 覆冰条件下外绝缘放电过程和危险程度的在线监测特征量 使对外绝缘 运行安全状态的诊断 评估 状态维修决策与在线监测系统的研究及开发缺少基础理 论支持 因此 国内外采用了各种加强绝缘措施 含有机合成绝缘子 但闪络事故仍 不断发生 12 13 大量统计表明 大气污染和覆冰环境下输变电设备外绝缘沿面闪络的影响因素很 复杂 同时具有多发性和重复性的特点 尽管国内外从电路模型和电磁场理论方面对 外绝缘污闪和冰闪的机理及特性进行了大量的研究 但至今尚无统一和实用的数学模 型及有效的监测方法 特别是覆冰与污秽等多因素共同作用对闪络机理和特性影响的 研究尚处于探索性阶段 14 15 山西农业大学工程技术学院毕业论文 17 s N 时间 故障率 U F R 3 3 2 建议研究的基础问题 研究外绝缘覆冰和融化的规律 建立反映全过程 局部电弧发生及发展过程 热力 学特性 泄漏电流特性 的物理模型和判据 由于覆冰及融冰状态对沿面电场分布变化 的影响十分复杂 反映覆冰期或融冰期闪络过程的特征量难于提取 因此 必须以场 和路结合建模 采用现代数学物理方法进行分析 才能建立临界闪络的条件和判据 建议的主要研究内容为 输变电设备外绝缘的覆冰及融冰规律和表征影响放电过程的 特征量 输变电设备外绝缘交流冰闪的机理及特性和临界闪络条件及闪络判据 直流 冰闪的机理及特性和临界闪络条件及闪络判据 研究目标为 提出输变电设备外绝缘 覆冰及融冰规律 给出交直流覆冰放电机理及数学物理模型 提出表征输变电设备外 绝缘覆冰程度和预测冰闪的特征量 4 4 两态气候模型两态气候模型 4 1 模型及其状态模拟 一般情况下 我们可将气候环境分为正常气候和不利气候两种 对故障率几乎没有 影响的气候条件归于正常气候一类 而对故障率具有很大影响的气候条件 如雷雨 风 暴 雪冰等归于不利气候一类 1 2 正常气候与不利气候都是随机的 因此可用数学期望 来描述 见图1 图 1 天气对故障率的影响示意 N 为正常气候持续时间 S 为不利气候持续时间 4 2 两状态气候模型下的配电系统可靠性指标 4 2 1 元件的可靠性模型 对于配电变压器 架空线路 电缆 隔离开关 熔断器等元件均可采用三状态模 孙涛 极端恶劣气候条件下配电系统的可靠性分析 18 型模拟 如图 2 所示 U 正常运行状态 F 故障停运状态 R 计划停运状态 图2 元件的三状态模型 4 2 2 可靠性指标 评估元件的可靠性指标最基本的有三个 故障率 停运时间和年平均停运时间 在 本文两状态气候模型下的可靠性指标又可细分为 正常气候下的元件故障率 正常气候下的故障停运时间 r 不利气候下的元件故障率 不利气候下的故障停运时间 r 元件计划停运检修率 计划检修时间 r 4 3 评估算法 我们以最简单的双回配电线系统来分析气候因素对可靠性指标的影响 见图3 图 3 双回配电线系统 假设两条母线100 可靠 可将上述系统简化为图4 1 2 负荷 山西农业大学工程技术学院毕业论文 19 图4 简化模型 4 4 系统停运分析 在假设两条母线100 可靠的情况下 由最小割集原理知图4中1和2需发生故障检修 停运的重叠方可引起系统停运见图5 图5 系统停运分析 RF 1和2发生计划检修停运与故障停运的重叠 FF 1和2发生故障停运的重叠 4 4 1 基本公式 假设不利气候下仍能对线路进行故障维修和计划检修 1 1和2发生故障停运重叠 在此情况下气候对可靠性指标的影响可通过四种独立的情况来确定 a 初始故障发生在正常气候 第二次故障发生在正常气候 b 初始故障发生在正常气候 第二次故障发生在不利气候 c 初始故障发生在不利气候 第二次故障发生在正常气候 d 初始故障发生在不利气候 第二次故障发生在不利气候 对 a 求其故障率 4 1 2 1 121 1 21 r rN N r rN N SN N a 系统运行系统停运 FF RF 孙涛 极端恶劣气候条件下配电系统的可靠性分析 20 如果远小于 N 则 4 2 1 r 2121 rr SN N a 对 b 求其故障率 4 3 2 2 1 2 21 1 2 1 1 r rS S N r r rS S N r SN N b 对 c 求其故障率 4 4 2 2 1 21 1 2 1 r rN N r rN N NS S c 如果远小于 N 则 4 5 1 r 21 212 rr NS S c 对 d 求其故障率 4 6 2 2 1 21 1 2 1 r rS S r rS S NS S d 从而得故障重叠情况下负荷点故障率 4 7 dcbaFF 平均停运时间 4 8 21 12 rr rr rFF 年平均停运时间 4 9 FFFFRFr U 2 1和2发生检修停运与故障停运的重叠 在此情况下气候对可靠性指标的影响亦可用独立的四种情况来模拟 假设计划检 修在正常气候时开始 e 1计划检修时 2在正常气候时发生故障 f 1计划检修时 2在不利气候时发生故障 g 2计划检修时 1在正常气候时发生故障 h 2计划检修时 1在不利气候时发生故障 分别求其故障率 4 10 1 1 2 1 r rN N e 4 11 1 1 2 1 1 r rS S N f 4 12 2 2 1 2 r rN N g 4 13 2 2 1 2 2 r rS S N h 山西农业大学工程技术学院毕业论文 21 从而检修与故障重叠情况下负荷点的故障率 4 14 hgfeRF 年平均停运时间 4 15 2 21 1 2 2 1 1 r rr r r rr r U hgfeRF 平均停运时间 4 16 RFRFRF Ur 综合以上两种情况我们就可以得到考虑气候因素的负荷点可靠性指标 4 17 RFFFtotal 4 18 FFRFtotal UUU 4 19 totaltotaltotal Ur 4 4 2 算例分析 各元件可靠性指标如表1 表1 元件可靠性指标 次 年 次 年 次 年 hr h r hN hS 线路1 0 5401642001 线路2 0 53011042001 分别就考虑气候因素和忽略气候因素两种情况求负荷点可靠性指标见表2 表2 负荷点可靠性指标 次 年 total h total U h total r 单气候模型 4 1020 9 3 1088 2 13 3 两气候模型 3 1003 2 3 1007 7 48 3 由计算结果可以看到虽然两气候模型与单气候模型相比平均停运时间差不多少 但 故障率和年停运时间却要大很多 5 5 电网覆冰灾害应急处理体系的研究电网覆冰灾害应急处理体系的研究 建议研究的基础问题如下 1 电网覆冰灾害应急处理机制的研究 研究如何建立强有力的灾害应急处理指 挥机构 由中央有关部门和地方政府组成灾害应急处理指挥机构 负责协调指挥和对 外报告灾情 事故处理进展情况 灾害原因和恢复供电的时间 以稳定社会和安定民 心 当需要较长时间才能修复供电时 应急处理指挥机构应负责调动移动发电设备为 孙涛 极端恶劣气候条件下配电系统的可靠性分析 22 关键单位和高层建筑提供电源 研究如何形成切实负责的社会治安维持队伍 公安部 门 交通警察和企业事业单位的保安人员要紧急出动 负责维持停电地区的社会治安 处理由停电诱发的安全事件 研究如何形成灾害救助队伍 卫生 民政部门 社会慈 善机构和社会志愿者为需要紧急救助的人员提供救助 卫生部门要组织人力对食品卫 生进行检查 并组建临时医疗中心 为断电居民提供紧急救治等医疗服务 2 电网覆冰灾害抢修机制的研究 根据目前的电网运行检修管理体制 一个省 内只有一个500 kV运行检修公司 一旦电网出现大面积覆冰 运检公司就难于应付 为缩短抢修时间 应研究电网企业如何发扬团结协作的精神 快速征调无覆冰灾害地 区的运检人员支援抢修工作 形成抢修机制 3 发生电网覆冰事故时的多套应急处理预案的研究 包括多套电网运行方式预 案 可能发生的拉闸限电序列预案 电厂发电机组开停预案 抢修人员调配预案等 多年的实践证明 灾害发生时临时搞新的运行方式计算往往会延误抢修时机 6 6 结论结论 在传统可靠性分析的基础上 考虑了极端恶劣气候因素 采用两状态气候模型评 估某配电系统可靠性水平 说明考虑气候因素对配电系统可靠性的影响有着重大的现 实意义 忽略了气候条件的变化 用单气候模型和平均故障率来评估配电系统的可靠性 指标很难准确反映实际的可靠性水平 这是因为平均故障率仅仅是与正常气候故障率和 不利气候故障率都有关的一个统计量 并不能实际的表示元件的特性 因而掩盖了气候 等环境因素对可靠性指标的影响 提出的实用配电系统可靠性的评估方法 经实例验 证 该方法是有效的 该方法考虑了配电系统的各种实际情况 如 分支线保护 隔 离开关 分段断路器的配置 计划检修 备用电源的影响等 该方法根据各个元件对 可靠性指标的贡献和影响 可以指出网络的最薄弱环节 从而为工程人员采取相应的 增强措施提供了有益的参考 山西农业大学工程技术学院毕业论文 23 致 谢 四年的读书生活在这个季节即将划上一个句号 而于我的人生却只是一个逗号 我将面对又一次征程的开始 四年的求学生涯在师长 亲友的大力支持下 走得辛苦 却也收获满囊 在论文即将付梓之际 思绪万千 心情久久不能平静 伟人 名人为 我所崇拜 可是我更急切地要把我的敬意和赞美献给一位平凡的人 我的导师 我不 是您最出色的学生 而您却是我最尊敬的老师 您治学严谨 学识渊博 思想深邃 视野雄阔 为我营造了一种良好的精神氛围 授人以鱼不如授人以渔 置身其间 耳 濡目染 潜移默化 使我不仅接受了全新的思想观念 树立了宏伟的学术目标 领会 了基本的思考方式 从论文题目的选定到论文写作的指导 经由您悉心的点拨 再经思 考后的领悟 常常让我有 山重水复疑无路 柳暗花明又一村 感谢我的爸爸妈妈 焉得谖草 言树之背 养育之恩 无以回报 你们永远健康 快乐是我最大的心愿 在论文即将完成之际 我的心情无法平静 从开始进入课题到 论文的顺利完成 有多少可敬的师长 同学 朋友给了我无言的帮助 在这里请接受 我诚挚谢意 同时也感谢学院为我提供良好的做毕业设计的环境 最后再一次感谢所有在毕业设计中曾经帮助过我的良师益友和同学 以及在设计 中被我引用或参考的论著的作者 孙涛 极端恶劣气候条件下配电系统的可靠性分析 24 参考文献 1 杨莳百 戴景宸 孙启宏 电力系统可靠性分析基础及应用 M 北京 水利电力出版社 1986 316 2 郭永基 电力系统可靠性原理和应用 M 北京 清华大学出版社 1986 169 3 蒋兴良 易辉 输电线路覆冰及防护 M 北京 中国电力出版社 2002 4 胡小华 魏锡文 陈蓓 输电线路防覆冰涂料的研究进展 J 材料保护 2006 39 3 36 38 5 Druez J McComber P Field data on power line icing J Tr