输电线路运行状态预警和安全评估系统设计论文_韩文举

摘要：输电线路覆盖区域广阔，特别是超、特高压线路输电距离长且有的重要通道密集布置多回线路，沿途气象、地理环境复杂，在极端气候条件下线路跳闸对电网的运行安全可能产生严重的影响。本文分析了输电线路运行状态预警和安全评估系统设计。

关键词：输电线路运行；预警；安全评估系统

随着我国电力事业的发展，输电线路的运用安全性、可靠性已经大大提高，但仍然存在一些不可抗力因素，会给输电线路的运用稳定性带来危害。

一、输电线路线路的运行维护特点

1.环境特点。高压线路由于输送距离大，线路长，大多贯穿南北或东西，沿线经过地区的地形、地貌复杂，气候多变，气象条件恶劣，许多地区为事故多发区；加之途经的高海拔山区具有明显的立体气候特征，微地形、微气象条件复杂，在一个小范围内，由于地形变化，气候会有很大差异，从而给高压线路部分区段带来复杂的运行工况。

2.故障特点。（1）雷击故障。由于高压线路的本身绝缘水平很高，雷击避雷线或塔顶而发生反击闪络的可能性较低，但特高压输电线路杆塔高度高，导线上工作电压幅值很大，比较容易从导线上产生向上先导，相当于导线向上伸出的导电棒，从而引起避雷线屏蔽性能变差。使得雷云绕过避雷线，直击导线的概率将显著增加。理论分析和运行情况均表明，高压输电线路雷击跳闸的主要原因是避雷线屏蔽失效，雷电绕击导线造成的。（2）覆冰故障。特高压线路大多经过重冰区，其导线截面较大，导线分裂数较多，覆冰重量也会较大，因此覆冰超载事故、不均匀覆冰及不同期脱冰事故容易发生，特别是脱冰引起较大幅度的跳跃对特高压线路的影响更为严重。（3）污闪故障。特高压线路电压等级高，且线路路径长，途经不同类型污秽地区，加之近年来，我国大气环境日趋恶劣，大范围雾霾天气时有发生，使得特高压线路防污闪问题更加突出；对于重污区、冰区重叠地带，还有可能在融冰过程中引发冰闪。因此，高压线路绝缘子的防污闪特性提出了更高的可靠性要求。（4）按照故障的类型，输电线路发生的故障可分为单相接地、两相短路、两相接地、三相短路和三相接地等，其中单相接地故障至少占所有故障总数的90%。而输电线路发生故障的原因主要包括雷击、风害、鸟害和外力等。鸟害故障是指体型较大的鸟类在飞行、筑巢、叼物或排泄的过程中，短接空气间隙，导致输电导线与接地物体之间形成短路，从而形成电网的故障，通常发生于水和食物丰富的地区，其时间大多集中每年的7月~10月期间；外力故障是指由例如大型机械等其他各种外力引起的输电线路故障，通常发生于城乡结合部、闹市区、施工现场和高速公路等地。

3.检修特点。（1）对检修工器具要求高。高压架空线、杆塔、绝缘子、金具等结构尺寸大、载荷大，使得现有一般电压等级线路所用的检修工具在尺寸、承载能力、安全措施等方面无法胜任其检修作业要求，需要开发研制新的检修工器具或对现有检修工具进行结构改造。（2）绝缘子更换难度大。高压线路中，直线塔大多数采用V型合成绝缘子串，而且串型多、串身长，使得绝缘子串（片）的更换难度较一般电压等级线路要困难许多。解决此类问题需要研制安全、高效，可靠的垂直荷载转移方案和相应的配套工器具，保证水平载荷转移过程中不出现断线的情况；同时还须研制适用于V型悬垂串与耐张串长度的承力检修工器具，制订合理有效的作业顺序方案等。

二、输电线路运行状态预警和安全评估系统

1.制约因素根据故障分析可知，制约输电线路可靠性的主要因素由杆塔、绝缘子串、金具、导线和接地装置组成。（1）杆塔主要由铁塔和钢筋混凝土电杆组成，其制约因素主要包括杆塔的倾斜程度、表面完整度、铁件变形量、辅材变形量、螺栓坚固程度、电杆保护层完整度、电杆裂纹情况、拉线直径变化和拉线防

盗措施；（2）绝缘子串主要有瓷质绝缘子和合成绝缘子两种，其制约因素主要包括表面清洁度、爬电比距、零值率、钢角松动情况；（3）金具是输电线路中的

需要经常更换的原件，直接影响输电线路的日常运行。其制约因素主要有金具的生锈、磨损、强度和松动情况；（4）导线是输电线路的主要组成部分，承担着传输电能的主要任务，其制约因素主要有断股数量、绞线生锈、弧垂偏差、导地线连接和强度；（5）接地装置主要由基本防护装置、地质状态和接地电阻等组成，是输电线路检修较少的设备，其制约线路可靠性的因素主要有金属生锈、地质状

态、接地电阻、防护措施和接地铺设等情况。

2.评估方法。基于运行可靠性的制约因素和评估标准的分析，本文引入了故障树分析法，对输电线路运行状态的可靠性进行评估。（1）评估模型。在具体评估过程中，本文使用最小割集理论将所有指标归纳为28个最小割集，每个割集都具有3种状态，即良好、注意和不良状态。同时，这些割集也可称为底事件，而杆塔、绝缘子和金具等设备因素就是二级事件，被评估输电线路运行状态的可靠性是顶事件。本文建立了相应的数学模型，制约因素中的杆塔设备、绝缘子串、金具、导线和接地装置因素分别用X、Y、Z、R和S表示，其底事件分别用xi(1≤i≤10)、yi(1≤i≤4)、zi(1≤i≤4)、ri(1≤i≤5)和si(1≤i≤5)表示，所有事件之间的关系如图1所示。

图1输电线路运行状态的故障数模型

（2）计算方法。为了定量计算输电线路运行状态可靠性的概率，本文首先计算底事件发生的概率，通过最小割集法，增加按照经验手册得到的权重系数，对底事件概率的计算结果进行一系列的组合计算，即可计算得到顶事件的概率。设故障树是T，其故障事件由等事件组成。令表示故障事件的集合，在这个集合中，只有所有的故障事件同时发生，则顶事件才可能发生；否则，顶事件不可能发生。此时，集合V就是故障数T的一个割集。如果去掉任何一个事件，集合V不再是割集，则集合V就是故障树的最小割集。其中，当1≤i≤n时，故障事件xi的取值如下式所示：

用Φ(x)表示顶事件的结构函数，则

其取值如下式所示：

其中，如果故障树的底事件之间只存在或运算或者与运算，则顶事件的结构函数Φ(x)是单调结构的函数。设C1,C2,?,Cn是故障树T的所有最小割集，则其结构函数的计算公式如下：

这里使用下行法求解故障树的最小割集，其基本原理是使用不同的逻辑符号，表示顶事件以下的所有事件，即如果顶事件向下是或运算，则将这些事件放置到不同行中；如果是与运算，则放置到同一行，不断进行这样的运算，直至计算到底事件停止。这样就可以计算得到模型的最小割集C。一般来说，该评估模型的最小割集C可以表示为

则其模型的失效概率计算公式为

使用式（5）计算可知，因为模型有28个底事件，则其拥有228-1=268435455个相，而且底事件的概率存在如下关系：

其中，是模型状态概率的最大值，是模型状态概率的最小值。由式（6）可知，当故障树模型的状态类型增加时，系统状态概率的计算过程就变得非常困难，所以在具体计算过程中，对于可靠性较好的线路部件，其概率的最大值即为，通常直接被用作模型的状态概率，这样不仅符合施工的设计要求，而且减小了模型计算的复杂度，节省施工人员的计算资源，而这种计算方法叫做最小割集上界算法。

本文分析了引起输电线路的多种故障，从中提取了制约其可靠性的主要因素，在此基础上，通过引入故障树分析法，利用最小割集理论建立了故障树模型，并给出了相应的模型计算方法，形成了一个输电线路运行状态可靠性的评估系统。

参考文献：

[1]蔡浩.特高压输电线路运行维护技术的研究现状分析[J].湖北电力，2018，35（6）：1-6.

[2]敬建.1000 kV交流特高压输电线路防雷问题研究[D].成都：西华大学，2018.

论文作者:韩文举

论文发表刊物:《中国电业》2019年 22期

论文发表时间:2020/4/15

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