輸變電設備運行及防災技術現狀分析與發展趨勢研究

李朋，錢文姝

（1.國網陜西省電力公司，陜西西安 710048；2.國網陜西省電力公司 電力科學研究院，陜西西安 710100）

隨著電力需求的不斷增長，輸變電設備運行與防災技術成為保障電力系統可靠運行的關鍵?？茖W信息技術的發展與完善，為合理進行輸變電設備的運行與維護提供了有力的技術支撐，進而保障電力系統的安全有效運行和可靠供電[1-2]。近年來，雨雪冰凍、強風、雷暴、大風寒潮等極端天氣頻繁發生，對電網設備造成了嚴重的危害，這些特大自然災害已經逐漸成為引發大面積停電的重要原因之一[3-4]。

本文在總結輸變電設備運行與防災技術國內外研究現狀的基礎上，對其發展趨勢和重點發展方向進行了預測。

1 輸變電設備運行及防災技術國內外研究現狀分析

輸變電設備運行及防災技術主要包括帶電檢測與在線監測技術、試驗與檢修技術、電網防災措施及應用技術等子領域，如圖1所示。

圖1 輸變電設備運行及防災技術的主要內容Fig.1 Main contents of power transmission equipment operation and disaster prevention technology

1）帶電檢測與在線監測技術。帶電檢測與在線監測技術是狀態檢修的基礎[5-6]。輸變電設備在線監測的發展主要經歷帶電測試、各專用測試設備向數字化過渡以及微機化智能監測這3個階段，已取得了一定的研究成果。國外在線監測技術的研究相較國內要早一些。目前輸電線路在線監測技術方面已經有復合絕緣子缺陷在線監測系統、輸電線路覆冰在線監測系統和輸電線路視頻監控等投入電網的實際運行中。而變電站設備在線監測技術方面則體現在高壓開關設備、電力變壓器、避雷器以及高壓互感器在電網中的應用。

2）試驗與檢修技術領域。在試驗與檢修領域，國外的設備狀態檢修發展相對較早。加拿大魁北克水電公司開發的在線狀態監視系統可實現不停機就知曉水電機組的運行狀態；美國電力科學研究院利用先進的分析軟件以及測量技術，對多家電廠的設備進行在線監測與故障分析，明確運行狀態后計劃設備維護與檢修；歐洲多數國家也從狀態檢修的方向進行輸變電設備檢修體制改革。

我國在電力設備狀態檢修方面的工作目前尚處于初步階段。長期以來，我國電力系統采用預防性試驗和定期檢修來判斷輸變電設備的運行狀態和健康等級，常常會對尚未發生缺陷的設備停運檢修甚至更換設備，進而造成巨大的浪費。與此同時，定期維修也會存在一定的“維修不足”。

3）電網防災措施及應用技術。雷電災害研究主要包括雷電監測和雷電防護兩方面。在雷電監測方面，美國科學家Martin A Uman和E Philip Krider實現了現代雷電遙測定位技術，并建立了覆蓋全國的國家雷電監測網。我國繼美國之后成為第2個擁有雷電定位技術自主知識產權的國家。目前雷電在線監測主要包含以下兩點：一是雷電定位系統，二是雷電流在線監測系統。目前我國已經在30個省建立了雷電定位系統，形成了覆蓋全國電網的雷電監測網，但在雷電流幅值和波形等方面仍存在一定誤差和雷電信號漏識別等問題。在雷電防護方面我國取得了一定的成果，但在防雷設計方法和措施效果評估方法上仍存在雷電基礎參數缺乏、防雷設計和分析方法不夠完善以及雷電屏蔽模擬試驗技術有待發展等基礎關鍵問題亟待進一步深入研究。

在電網冰災監測及防護方面，我國研發了輸電線路覆冰在線監測系統并投入實際應用。電網防冰雪災害的重要技術手段是融冰和除冰。其中電網輸電線路融冰研究包括交流融冰技術、直流融冰技術、可調電容串聯補償式交流融冰技術。除冰技術主要指輸變電設備除冰技術[7-10]。

2 輸變電設備運行及防災技術發展趨勢研究

2.1 停電防御框架向自然災害預警的擴展

停電防御框架向自然災害預警擴展示意圖如圖2所示。目前的停電防御系統只能對內部電氣量進行采集和相關處理，卻無法融合反映環境條件的氣象、地質等信息，不能實時準確地預警故障的影響，更不能在大停電后進行自適應恢復與控制。近年來頻發的極端自然災害充分反映了將停電防御框架向自然災害預警延伸的必要性[11-12]。

表1 國內外輸變電設備運行及防災技術對比Tab.1 Comparison of the power transmission equipment operation and disaster prevention technology at home and abroad

圖2 停電防御框架向自然災害預警擴展示意圖Fig.2 Schematic of Extension of the blackout prevention framework to the natural disaster warning

在采集氣象、地質與地貌等環境信息的基礎上，考慮災害成因后建立災害引起的電力設備故障的概率模型以及電網相繼故障的風險評估模型，用以防御極端自然災害導致的大停電事故。采用在線修正的時空概率模型識別較大風險的潛在故障，預估各時間尺度的相繼故障風險并做出早期預警。

2.2 輸變電設備在線監測與檢修的融合

圖3為輸變電設備在線監測與檢修的融合示意圖，這是輸變電設備在線監測與檢修今后的發展趨勢。目前，電力系統的檢修方案一般在規定時間內對設備進行檢修而不考慮設備狀態是否正常，會導致正常的設備尚未發生缺陷就停運檢修甚至更換，與此同時也會由于試驗方法的不同導致一些缺陷未被發現而造成“維修不足”。

作為輸變電設備檢修的基礎，目前輸變電設備在線監測技術主要需克服以下問題：①需進一步改進和提升在線監測裝置和和關鍵技術，從而對輸變電運行狀態進行準確的采集以實現智能電網對網絡化交互；②需逐步形成完善的標準化監測體系，對其進行全面的統一與規范，提升其通用性的同時兼顧監測經濟性和實用性。

圖3 輸變電設備在線監測與檢修融合示意圖Fig.3 A sketch map of on-line monitoring and maintenance of transmission and transformation equipment

3 輸變電設備運行及防災技術重點研究方向

考慮自然災害的輸變電設備在線監測技術與風險評估、建立特高壓輸電走廊設備預警信息平臺、基于物聯網技術的輸變電設備智能監測與全壽命周期管理等3個方面是本領域發展的重點。

3.1 考慮自然災害的輸變電設備在線監測技術與風險評估

輸變電設備在線監測技術在考慮自然災害時需要拓展的信息包括：自然環境信息（氣象信息、地形信息和地質信息），電力設備的背景、健康狀態以及社會信息。

考慮自然災害的輸變電設備風險評估，需首先分析自然災害對電力設備故障率的影響。進而歸納各類自然災害對電力系統運行可靠性的影響，并對其引發電力系統設備故障的途徑進行分析，建立各有關環節的數學模型，提煉災害預警所需要的環境信息，從而將停電防御系統的信息采集范圍拓廣到宏觀與微觀的氣象信息與地質信息。通過采集氣象、地質與地貌等環境信息并結合外部背景信息、實時的運行工況，在線估算各類自然災害對電力設備故障率影響的時空分布。

3.2 特高壓輸電走廊設備預警信息平臺的建立

特高壓輸電線路具有輸送距離長，輸送容量大的特點。線路上任何位置的設備故障導致的線路停運，都將對送端和受端造成很大影響。交流線路發生故障，會對直流線路產生擾動。電網發生故障會導致直流換相失敗，故障切除不及時或者發生連鎖故障，電壓在一段時間內無法達到要求，會造成直流閉鎖。

因此需要在特高壓直流線路沿線裝配災害預警設施，對線路輸變電設備所處的氣象、地質等環境條件及設備本身的運行狀態進行監測和分析；同時更加規范特高壓直流輸電相關區域的管理與協調，對于可能存在的設備停運風險要實現沿線的預警信息共享，以便于各調度部門提前安排備用容量，確保本地供電。

3.3 基于物聯網技術的輸變電設備智能監測與全壽命周期管理

物聯網在智能電網中的應用可以實現電網信息的模型化、精細化與可視化，但其目前暫未應用到電網監管優化和設施運行等方面。輸變電設備物聯網是智能電網由系統智能化向輸變電設備智能化的延續，將對輸變電設備的信息、評估、監測以及管理等體系進行有序的規范。因此，后續可深入研究該技術在分析設計、運維優化、高級應用以及全壽命周期管理等方面的重點技術，進一步推動物聯網技術在智能電網中的應用與發展[13-15]。

4 結論

本文在對輸變電設備運行及防災技術國內外研究現狀進行分析的基礎上，對該技術的發展趨勢進行了預測，進而確定了考慮自然災害的輸變電設備在線監測技術與風險評估、特高壓輸電走廊設備預警信息平臺的建立、基于物聯網技術的輸變電設備智能監測與全壽命周期管理這3個方面的發展重點，對我國今后輸變電工程的建設以及防災減災工作具有一定的指導意義。

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