防御变电设备故障引发电网停电事故的分析
高家川+李明伟
摘 要：中国经济的持续高速发展需要更进一步加快电网建设的步伐。2011年，建设与发展特高压等大容量、高效率、远距离先进输电技术已经明确写入国家“十二五”规划纲要，特高压输电已经上升为国家战略。安全、优质和经济供电是智能电网建设与运行的3大要素，其中以安全供电最为重要。在经济发达体国家和新经济增长体大国，由于电网覆盖面越来越广大，且结构越来越复杂，加上供电可靠性要求越来越高，一旦发生大面积停电事故，将对各自国家的国民经济发展、人民正常生活乃至国家安全稳定造成难以估量的损失。然而，引发电网大面积停电事故发生的源头主要是输变电设备（输电线路和变电设备）故障，它是构建电网的主体。我国在实施“西电东送、南北互供、全国联网”及其建设特高压输电网的中长期战略中，亟待研究从工程技术层面无法解决的因输变电装备故障引发电网大面积停电事故的挑战性难题。
关键词：变电设备；故障；电网停电事故
在高速发展的现代社会中，一旦电网发生重大事故将会引起大面积的停电，不仅会给国民经济的稳步发展带来严重影响，而且会对人民生活乃至社会公共安全造成重大损失，因此电网是大中城市运行和国民经济发展的命脉，世界发达与高速发展中国家都高度重视电网的安全运行。从近20年国内外发生的电网大面积停电事故来看，只有高度重视输变电装备故障导致电网突发性停电事故的基础研究，并从引发电网大面积事故的源头上建立第1道防御系统，才能大幅度减少因大面积停电给国民经济带来的严重损失。我国在实施"西电东送、南北互供、全国联网"及其建设特高压电网的中长期战略中，从工程技术需求层面上存在许多亟待解决的相关科学和技术问题。为此，2009年国家立项了"防御输变电装备故障导致电网停电事故的基础研究"重点基础研究计划（973计划）项目，该文就项目的总体思路、主要内容、课题设置和研究进展等相关情况进行介绍，重点针对如何开展变电设备内绝缘潜伏性和突发性故障机理、状态评估理论与方法的研究进行深入探讨，为最终建立智能电网所需的电气设备状态监测、故障诊断和预测预警等关键技术提供基础理论支撑。
1 输电线路故障的机理及特征信息的获取、识别与预测预防
根据国内外的统计，造成输电线路常见故障的主要原因是线路（导线、地线、杆塔）覆冰、绝缘子覆冰、积污和雷击。自20世纪50年代以来，国内外都相继开展了输电线路导线（地线）覆冰机理、观测、抗冰、融冰技术等方面的研究。已提出了20多种由雨凇、雾凇形成的经验模型和计算公式，但没有一个计算模型被证明是具有通用性的。目前的发展趋势是试图建立一个物理意义清晰而又与气象参数、地理条件、海拔高度等相关的能预测导线上形成雨凇、雾凇或混合凇的数学物理模型。
由于覆冰绝缘子的放电过程和影响因素（覆冰前的污秽状况、海拔高度、覆冰状态等）比污秽放电更为复杂，加之需要人工气候室，因此对其研究的难度就更大。目前国内外对冰闪、污闪机理的研究都还处于探索阶段。在冰闪数学模型和预测数学模型方面，加拿大和我国都取得了一定的进展。
根据我国500kV交流线路和前苏联330～1150kV交流线路的运行统计，造成超特高压输电线路跳闸的重要原因是雷电绕击。国外不仅非常重视对雷电过电压的实时监测、在线识别及定位的研究，探索将气象和电力GPS与过电压在线监测系统联网对雷电过电压进行多系统定位的一种新的防雷理论及方法，同时也在探索雷电波入侵变电站时对变电设备内绝缘损伤的预测方法。为使试验结果具有重复性、再现性和规律性，国内外研究输电线路故障机理等的发展趋势是采用以人工气候室为主、自然环境现场为辅的试验研究与理论分析及仿真相结合的综合研究技术路线。主要研究输电线路导（地）线覆冰的形成过程和覆冰量预测理论及方法，新的抗冰融冰理论及方法，绝缘子冰闪和污闪放电的机理与物理过程，表征覆冰、积污程度和冰闪、污闪的特征信息并建立计算和预测的数学模型。目前我国不仅有能力模拟复杂气候环境的大型（Φ7.8m×11.6m）多功能人工气候室，而且中国电科院、国网电科院、南方电网公司技术中心等正在建设更大的人工气候室和特高压试验基地。此基础具备研究输电线路故障的发生发展机理和特征信息获取与识别等的能力。
2 变电设备内部故障的机理及特征信息获取、识别与预测预防
由于输变电设备处于强电磁场环境中，反应设备各种潜伏性缺陷和内绝缘老化的特征信息非常微弱，因而特征信息的提取至今仍是一个难题。到1998年，全球电力企业中只有4.3%的变电设备和0.4%的配电变压器设备安装了在线监测装置。由于对故障发展规律和机理的研究甚少，因而安装的设备装置的运行结果难以满足工程需要。对于变电设备各种潜伏性缺陷及内绝缘时效老化的发展规律及机理的基础研究，在国内外都还处于起步阶段。对于新型的纳米有机薄膜介质和以添加剂提高油纸绝缘的抗老化性能的研究，目前国内外都还处于探索性研究阶段。无论是未来新型的还是现用的介质材料和绝缘新结构，都必须研究其老化的机理、故障发生发展的物理过程及其规律，寻找剩余寿命预测和运行状态监测的各种特征信息。因此，除通过物理模拟或工业模型的大量试验和仿真研究以外，尚需做真型内绝缘结构试验研究，构建内绝缘老化或故障发生发展的数学物理模型，建立运行状态预测的理论及方法。这一些目前国内外也都还处于探索性研究阶段。
3 输变电装备故障导致电网突发性事故的预警与处置理论及方法
对输变电装备故障导致电网事故的发生发展进行有效的预警与处置的理论及方法的研究，是电力行业和公共安全的迫切需求，它既是国内外研究的热点，也是一个具有挑战性的难题，比如现场采集特征信息的各种传感器、强电磁场中的电磁兼容技术和后台对故障处置决策的专家系统等都是挑战性的难题。目前国内外研究的重点是多传感器及其信息融合技术，以在线监测为基础、可靠性与经济性为中心的状态维修理论及方法，特别是建立各种典型故障物理模型、工业模型和真实模型，对故障产生的机理、种类、位置、危险性程度进行大量的理论分析，建立大型的样本数据库，并引入现代数学方法等，以便为建立智能化的在线预警系统提供理论和关键技术支撑。对输电线路和变电设备故障的预警与处置是涉及多学科交叉的难题，不仅涉及传感器技术和小波分析、混沌、粗糙集、神经网络、分形等一系列现代数学理论与方法，而且还涉及现代网络与通信技术。因此，需要借助利用多学科交叉融合开展大量的基础研究。
4 结束语
综上所述，电力是现代城市群、新农村建设及全社会经济运行的总开关，电力系统发生大面积停电造成的重大突发性灾害事故，不仅会给国民经济发展带来重大影响，而且使社会公共秩序和正常生活秩序严重混乱。为此，应通过基础理论和关键技术的研究，建立输电线路和变电设备突发性事故防御的理论体系，在引发输变电装备故障的特征信息的提取与识别、监测与诊断、预警与处置等一些关键科学技术问题上将有所突破。
参考文献
[1]刘富元，柳云祥，李红岩，吕霞.变电设备状态检测技术存在的问题及解决方法[J].电子技术与软件工程.2016（16）
[2]王有元，龚森廉，廖瑞金，李剑，何志满.电力变压器油纸绝缘可靠性与老化特征参量间的相关性[J].高电压技术.2011（05）
[3]唐炬；防御输变电装备故障导致电网停电事故的基础研究[J]，中国基础科学.2013（06）
摘 要：中国经济的持续高速发展需要更进一步加快电网建设的步伐。2011年，建设与发展特高压等大容量、高效率、远距离先进输电技术已经明确写入国家“十二五”规划纲要，特高压输电已经上升为国家战略。安全、优质和经济供电是智能电网建设与运行的3大要素，其中以安全供电最为重要。在经济发达体国家和新经济增长体大国，由于电网覆盖面越来越广大，且结构越来越复杂，加上供电可靠性要求越来越高，一旦发生大面积停电事故，将对各自国家的国民经济发展、人民正常生活乃至国家安全稳定造成难以估量的损失。然而，引发电网大面积停电事故发生的源头主要是输变电设备（输电线路和变电设备）故障，它是构建电网的主体。我国在实施“西电东送、南北互供、全国联网”及其建设特高压输电网的中长期战略中，亟待研究从工程技术层面无法解决的因输变电装备故障引发电网大面积停电事故的挑战性难题。
关键词：变电设备；故障；电网停电事故
在高速发展的现代社会中，一旦电网发生重大事故将会引起大面积的停电，不仅会给国民经济的稳步发展带来严重影响，而且会对人民生活乃至社会公共安全造成重大损失，因此电网是大中城市运行和国民经济发展的命脉，世界发达与高速发展中国家都高度重视电网的安全运行。从近20年国内外发生的电网大面积停电事故来看，只有高度重视输变电装备故障导致电网突发性停电事故的基础研究，并从引发电网大面积事故的源头上建立第1道防御系统，才能大幅度减少因大面积停电给国民经济带来的严重损失。我国在实施"西电东送、南北互供、全国联网"及其建设特高压电网的中长期战略中，从工程技术需求层面上存在许多亟待解决的相关科学和技术问题。为此，2009年国家立项了"防御输变电装备故障导致电网停电事故的基础研究"重点基础研究计划（973计划）项目，该文就项目的总体思路、主要内容、课题设置和研究进展等相关情况进行介绍，重点针对如何开展变电设备内绝缘潜伏性和突发性故障机理、状态评估理论与方法的研究进行深入探讨，为最终建立智能电网所需的电气设备状态监测、故障诊断和预测预警等关键技术提供基础理论支撑。
1 输电线路故障的机理及特征信息的获取、识别与预测预防
根据国内外的统计，造成输电线路常见故障的主要原因是线路（导线、地线、杆塔）覆冰、绝缘子覆冰、积污和雷击。自20世纪50年代以来，国内外都相继开展了输电线路导线（地线）覆冰机理、观测、抗冰、融冰技术等方面的研究。已提出了20多种由雨凇、雾凇形成的经验模型和计算公式，但没有一个计算模型被证明是具有通用性的。目前的发展趋势是试图建立一个物理意义清晰而又与气象参数、地理条件、海拔高度等相关的能预测导线上形成雨凇、雾凇或混合凇的数学物理模型。
由于覆冰绝缘子的放电过程和影响因素（覆冰前的污秽状况、海拔高度、覆冰状态等）比污秽放电更为复杂，加之需要人工气候室，因此对其研究的难度就更大。目前国内外对冰闪、污闪机理的研究都还处于探索阶段。在冰闪数学模型和预测数学模型方面，加拿大和我国都取得了一定的进展。
根据我国500kV交流线路和前苏联330～1150kV交流线路的运行统计，造成超特高压输电线路跳闸的重要原因是雷电绕击。国外不仅非常重视对雷电过电压的实时监测、在线识别及定位的研究，探索将气象和电力GPS与过电压在线监测系统联网对雷电过电压进行多系统定位的一种新的防雷理论及方法，同时也在探索雷电波入侵变电站时对变电设备内绝缘损伤的预测方法。为使试验结果具有重复性、再现性和规律性，国内外研究输电线路故障机理等的发展趋势是采用以人工气候室为主、自然环境现场为辅的试验研究与理论分析及仿真相结合的综合研究技术路线。主要研究输电线路导（地）线覆冰的形成过程和覆冰量预测理论及方法，新的抗冰融冰理论及方法，绝缘子冰闪和污闪放电的机理与物理过程，表征覆冰、积污程度和冰闪、污闪的特征信息并建立计算和预测的数学模型。目前我国不仅有能力模拟复杂气候环境的大型（Φ7.8m×11.6m）多功能人工气候室，而且中国电科院、国网电科院、南方电网公司技术中心等正在建设更大的人工气候室和特高压试验基地。此基础具备研究输电线路故障的发生发展机理和特征信息获取与识别等的能力。
2 变电设备内部故障的机理及特征信息获取、识别与预测预防
由于输变电设备处于强电磁场环境中，反应设备各种潜伏性缺陷和内绝缘老化的特征信息非常微弱，因而特征信息的提取至今仍是一个难题。到1998年，全球电力企业中只有4.3%的变电设备和0.4%的配电变压器设备安装了在线监测装置。由于对故障发展规律和机理的研究甚少，因而安装的设备装置的运行结果难以满足工程需要。对于变电设备各种潜伏性缺陷及内绝缘时效老化的发展规律及机理的基础研究，在国内外都还处于起步阶段。对于新型的纳米有机薄膜介质和以添加剂提高油纸绝缘的抗老化性能的研究，目前国内外都还处于探索性研究阶段。无论是未来新型的还是现用的介质材料和绝缘新结构，都必须研究其老化的机理、故障发生发展的物理过程及其规律，寻找剩余寿命预测和运行状态监测的各种特征信息。因此，除通过物理模拟或工业模型的大量试验和仿真研究以外，尚需做真型内绝缘结构试验研究，构建内绝缘老化或故障发生发展的数学物理模型，建立运行状态预测的理论及方法。这一些目前国内外也都还处于探索性研究阶段。
3 输变电装备故障导致电网突发性事故的预警与处置理论及方法
对输变电装备故障导致电网事故的发生发展进行有效的预警与处置的理论及方法的研究，是电力行业和公共安全的迫切需求，它既是国内外研究的热点，也是一个具有挑战性的难题，比如现场采集特征信息的各种传感器、强电磁场中的电磁兼容技术和后台对故障处置决策的专家系统等都是挑战性的难题。目前国内外研究的重点是多传感器及其信息融合技术，以在线监测为基础、可靠性与经济性为中心的状态维修理论及方法，特别是建立各种典型故障物理模型、工业模型和真实模型，对故障产生的机理、种类、位置、危险性程度进行大量的理论分析，建立大型的样本数据库，并引入现代数学方法等，以便为建立智能化的在线预警系统提供理论和关键技术支撑。对输电线路和变电设备故障的预警与处置是涉及多学科交叉的难题，不仅涉及传感器技术和小波分析、混沌、粗糙集、神经网络、分形等一系列现代数学理论与方法，而且还涉及现代网络与通信技术。因此，需要借助利用多学科交叉融合开展大量的基础研究。
4 结束语
综上所述，电力是现代城市群、新农村建设及全社会经济运行的总开关，电力系统发生大面积停电造成的重大突发性灾害事故，不仅会给国民经济发展带来重大影响，而且使社会公共秩序和正常生活秩序严重混乱。为此，应通过基础理论和关键技术的研究，建立输电线路和变电设备突发性事故防御的理论体系，在引发输变电装备故障的特征信息的提取与识别、监测与诊断、预警与处置等一些关键科学技术问题上将有所突破。
参考文献
[1]刘富元，柳云祥，李红岩，吕霞.变电设备状态检测技术存在的问题及解决方法[J].电子技术与软件工程.2016（16）
[2]王有元，龚森廉，廖瑞金，李剑，何志满.电力变压器油纸绝缘可靠性与老化特征参量间的相关性[J].高电压技术.2011（05）
[3]唐炬；防御输变电装备故障导致电网停电事故的基础研究[J]，中国基础科学.2013（06）
