在簡述影響我國電網(wǎng)安全運(yùn)行主要因素的基礎(chǔ)上，對我國氣候環(huán)境的態(tài)勢和輸變電設(shè)備自身故障可能持續(xù)的狀況進(jìn)行了分析，強(qiáng)調(diào)建立以降低復(fù)雜氣候環(huán)境和設(shè)備自身故障引發(fā)電網(wǎng)大面積停電的事故率為目標(biāo)的第一道防線的重要性。
從2003年8、9月份，美、加、英等國電網(wǎng)相繼發(fā)生的災(zāi)難性大停電和2005年5月25日莫斯科市大部分地區(qū)及附近25個(gè)城市發(fā)生的大面積斷電事故顯示，雖然有先進(jìn)的控制系統(tǒng)、高級的運(yùn)行應(yīng)用軟件，但老化和陳舊的輸變電裝備仍導(dǎo)致電網(wǎng)工作在危險(xiǎn)狀態(tài)。我國1999～2004 年的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，不僅復(fù)雜氣候環(huán)境是造成我國電網(wǎng)大面積停電事故的主要因素之一，而且輸變電設(shè)備自身故障造成的電網(wǎng)事故呈逐年增加的趨勢，兩者已構(gòu)成危及我國電網(wǎng)安全的主要隱患因素。但目前對電網(wǎng)存在問題的分析和研究，更多的是強(qiáng)調(diào)電網(wǎng)自身運(yùn)行的可靠性問題，而對防止復(fù)雜氣候環(huán)境和設(shè)備自身故障導(dǎo)致大面積跳閘事故的安全技術(shù)的深入研究還沒有引起足夠的重視。為此，本文著重分析復(fù)雜氣候環(huán)境和設(shè)備自身故障威脅我國電網(wǎng)安全的持續(xù)性，進(jìn)而強(qiáng)調(diào)研究和建立防止電網(wǎng)大面積停電事故第一道防線的緊迫性。
1 影響我國電網(wǎng)安全的主要因素分析
影響電網(wǎng)安全的起因復(fù)雜多變，如復(fù)雜氣候環(huán)境、電力設(shè)備的絕緣老化、自然災(zāi)害、違章操作、外力破壞等。在2004年的電網(wǎng)事故中，自然災(zāi)害造成的有14起，設(shè)備故障造成的有29起，人員責(zé)任造成的有6起，其它原因造成的有5起。從近4年來的故障起因分類比較（圖1）[1]可以看出，顯然自然災(zāi)害和設(shè)備故障是主要的，但可以通過不斷深入的研究來找到降低事故率的安全技術(shù)措施，而其他起因卻具有偶然性。
1.1 復(fù)雜氣候環(huán)境
自然災(zāi)害是歷來危害電網(wǎng)安全運(yùn)行的主要因素之一，其中包括雷害、臺風(fēng)、泥石流等不可抗拒的因素，這里僅對可以從加強(qiáng)科學(xué)研究來找到大幅度降低事故率的復(fù)雜氣候環(huán)境因素進(jìn)行分析。
通常，所謂復(fù)雜氣候環(huán)境主要包括低氣壓（高海拔）、污穢、覆冰雪、酸雨酸霧、高濕度等因素的不同組合?，F(xiàn)有的研究結(jié)果表明：在非高海拔地區(qū)，絕緣子串因污染而引起的跳閘事故居多，但最近10年來酸性濕沉降又加劇了污閃的頻度，當(dāng)酸性濕沉降的PH≤3～4時(shí)，對絕緣子的閃絡(luò)電壓有顯著影響（圖2）；在高海拔地區(qū)，氣壓、空氣密度和濕度三個(gè)參數(shù)總的效應(yīng)，使空氣間隙的放電電壓和清潔絕緣子的閃絡(luò)電壓，隨著海拔高度增加而降低(圖3)；絕緣子串的污閃電壓隨海拔高度增加而下降(圖4)；不僅高海拔高濕度寒冷地區(qū)輸電線路常發(fā)生冰閃跳閘、導(dǎo)線舞動(dòng)和倒桿事故，而且非高海拔地區(qū)海拔大于150m的山頂、山埡口處的微地形、微氣候條件使輸電線路覆冰，也同樣會引起大范圍冰閃跳閘事故(圖5)；各種覆冰絕緣子在融冰期存在最低閃絡(luò)電壓，若絕緣子覆冰前已被污染，覆冰區(qū)酸性沉降的酸度越大（PH小于5.6），引發(fā)閃絡(luò)跳閘的概率就越大（圖6）；；如果氣壓、污穢、覆冰、酸性濕沉降共存，多因素綜合環(huán)境使絕緣子串閃絡(luò)電壓下降的程度將越嚴(yán)重（圖7）。
在1990年和2001年，東北、華北、河南電網(wǎng)等大面積“污閃”事故中，覆冰雪和酸霧是誘發(fā)閃絡(luò)的直接因素；2004年12月～2005年2月，華中電網(wǎng)因覆冰雪使輸電線路跳閘97條次，湖南境內(nèi)7條500kV線路4條跳閘，現(xiàn)場實(shí)測覆冰導(dǎo)電率最高達(dá)300μs/cm2以上，冰閃桿塔80%處于3級及以上污區(qū)。從近10余年來，三次大面積停電事故分析可以看出，使外絕緣電氣強(qiáng)度下降的氣候因素是多種綜合，并且酸性濕沉降和覆冰雪是直接誘發(fā)“污閃”的主要原因。因此，2004年架空線路整體可靠性水平比2003年有所降低，特別是氣候因素成為導(dǎo)致500kV架空線路非計(jì)劃停運(yùn)的第一位因素[2]。
為了提高大幅度降低復(fù)雜氣候環(huán)境使外絕緣電氣強(qiáng)度下降而引發(fā)大面積停電的事故率，必須系統(tǒng)開展復(fù)雜氣候環(huán)境下外絕緣放電機(jī)理和電氣特性的研究，為合理的絕緣選擇和防閃絡(luò)跳閘事故技術(shù)措施的選擇提供理論和技術(shù)支持。
1.2 設(shè)備自身故障
根據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國因輸變電設(shè)備造成的事故一直居高不下，1999年18起、2000年22起、2001年29起、2002年22起、2003年27起、2004年29起，均占當(dāng)年所有電網(wǎng)故障的一半或以上。2004年所發(fā)生次數(shù)最多的“220kV及以上發(fā)電廠、變電站全停”故障中，因設(shè)備故障而引起的故障就有21起，占所有這類故障情況的70%[1]。在12類主要的輸變電設(shè)備中[2]，2004年220、330kV變壓器的強(qiáng)迫停電率又有所升高，總體可靠性水平比2003年有所降低，而且造成220、500kV變壓器非計(jì)劃停運(yùn)的主要原因是產(chǎn)品的質(zhì)量不高，特別是主要部位的線圈。雖然斷路器整體可靠性水平比2003年有所提高，但造成斷路器非計(jì)劃停運(yùn)的重要原因是220kV級產(chǎn)品質(zhì)量不高，330、500kV級第一位原因是部件老化。
目前輸變電設(shè)備自身故障的特點(diǎn)表現(xiàn)為：①設(shè)備服役時(shí)間過長，設(shè)備老化嚴(yán)重，各種額定運(yùn)行指標(biāo)嚴(yán)重下降，不能及時(shí)更換，造成部分設(shè)備“帶病”運(yùn)行；②一些設(shè)備在設(shè)計(jì)過程或制造、安裝、調(diào)試過程中存在固有缺陷，留下安全隱患，在一定條件誘發(fā)下導(dǎo)致電網(wǎng)發(fā)生故障；③長時(shí)間滿負(fù)荷甚至過負(fù)荷運(yùn)行，檢修時(shí)間緊，往往給設(shè)備留下安全隱患。
為大幅度降低設(shè)備自身故障給電網(wǎng)安全運(yùn)行帶來的威脅，除提高制造水平和維修水平之外，要積極的開展設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測與故障診斷技術(shù)的研究和開發(fā)應(yīng)用，為實(shí)現(xiàn)以可靠性為中心的狀態(tài)維修提供決策支持。
2 復(fù)雜氣候環(huán)境對外絕緣的威脅仍將持續(xù)
我國山地丘陵約占43%，高原占26%，其中海拔在1km以上的山地和高原超過全國總面積的2/3。我國煤電資源94%分布在大別山—昆侖山一線以北1～3km高海拔地區(qū)，而85%的水電資源也處于云、貴、川、渝、陜、甘、寧、新等高海拔地區(qū)。因此，西電東送的超特高壓交直流線路都要通過高海拔地區(qū)，比如，貴廣±500kV直流線路貴州段最高海拔超過1.6km，小灣至廣東，向家壩至華中、華東的交直流超特高線路海拔最高3km左右。
一般認(rèn)為，大氣參數(shù)對外絕緣電氣強(qiáng)度的影響包含氣壓、溫度和濕度三個(gè)參數(shù)。氣壓的高低主要取決于海拔高度，基本呈線性關(guān)系。氣溫的高低和濕度的大小雖然都與多種因素相關(guān)，但在一定地區(qū)范圍內(nèi)，氣溫仍隨海拔增高而降低，絕對濕度與海拔高度大致呈指數(shù)規(guī)律下降。雖然大多數(shù)國家以及IEC都推薦用相對空氣密度、絕對濕度來表征和研究大氣參數(shù)對外絕緣放電電壓的影響，但現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)都僅供4000m以下外絕緣選擇參考。除大氣參數(shù)之外，我國電網(wǎng)還受到3大氣候環(huán)境因素的威脅。
2.1 大氣污染有加重的趨勢
大氣環(huán)境的污染主要來自于貧困污染、現(xiàn)代化污染和溫室氣體排放。直接威脅電網(wǎng)安全的是地區(qū)環(huán)境污染，即貧困污染和現(xiàn)代化污染。盡管我國采取了多種防污措施，但全國大氣污染狀況變化仍然不大，特別是城市空氣污染依然嚴(yán)重。
2004年，二氧化硫排放量為2254.9萬t，煙塵排放量為1095.0萬t，工業(yè)粉塵排放量為904.8萬t，二氧化硫和煙塵排放量仍呈上升態(tài)勢（表1）。
雖然2004年全國城市空氣質(zhì)量總體上與2003年變化不大，但空氣質(zhì)量達(dá)到二級標(biāo)準(zhǔn)城市的比例在下降。2004年監(jiān)測的342個(gè)城市中，空氣質(zhì)量為三級的城市有141個(gè)，高達(dá)41.2%，比2003年增加9.7個(gè)百分點(diǎn)；劣于三級的城市仍有69個(gè)，占20.2%；達(dá)標(biāo)城市的人口占統(tǒng)計(jì)城市人口的33.1%，比2003年還減少3.3個(gè)百分點(diǎn)；人口超過百萬的特大型、超大型城市空氣中主要污染物二氧化碳和顆粒物超標(biāo)比例最高，空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)比例低（圖8）。
顆粒物仍是影響空氣質(zhì)量的首要污染物， 46.8%的城市顆粒物超過二級標(biāo)準(zhǔn)，比2003年增加1.2個(gè)百分點(diǎn)（圖9）。2004年污染物較重的城市主要分布在山西、內(nèi)蒙古、遼寧、河南、湖南、四川及西北各?。ㄗ灾螀^(qū)）。
2004年，二氧化硫污染物嚴(yán)重的城市主要分布在山西、河北、河南、湖南、湖北、云南、內(nèi)蒙古、甘肅、貴州、廣西、四川、重慶等省、自治區(qū)、直轄市。年均濃度達(dá)到國家二級標(biāo)準(zhǔn)（0.06mg/m3）的城市占74.3%，與2003年持平；超過國家三級標(biāo)準(zhǔn)（0.10mg/m3）的城市占統(tǒng)計(jì)城市的9.1%，比2003年降低3個(gè)百分點(diǎn)（圖10）。
二氧化硫污染控制區(qū)內(nèi)，二氧化硫年均濃度達(dá)到二級標(biāo)準(zhǔn)的城市占40.6%，超過二級標(biāo)準(zhǔn)的城市占59.4%，其中19個(gè)城市超過三級標(biāo)準(zhǔn)，占29.7%。酸雨控制區(qū)內(nèi)，二氧化硫年均濃度達(dá)到二級標(biāo)準(zhǔn)的城市占69.4%，超過三級標(biāo)準(zhǔn)的城市占7.2%（圖11）。
113個(gè)大氣污染防治重點(diǎn)城市中，51個(gè)城市空氣質(zhì)量為三級，占45.1%；29個(gè)城市空氣質(zhì)量劣于三級，占25.7%。47個(gè)全國環(huán)境保護(hù)重點(diǎn)城市中，21個(gè)城市空氣質(zhì)量為三級；6個(gè)城市劣于三級標(biāo)準(zhǔn)，空氣污染嚴(yán)重（圖12）。
2.2 酸性濕沉降加劇
2004年出現(xiàn)酸雨的城市比例比2003年增加了2.1個(gè)百分點(diǎn)；降水年均pH值≤5.6的城市比例上升了4個(gè)百分點(diǎn)，其中pH值小于4.5的城市比例增加了2個(gè)百分點(diǎn)；酸雨頻率超過80%的城市比例上升了1.6個(gè)百分點(diǎn)（圖13、14）。降水年均pH值低、酸雨頻率高的城市比例均比2003年增加，表明2004年度酸雨污染較2003年加重。
從表2、3可知，酸雨控制區(qū)112個(gè)城市中，降水年均pH值范圍在3.05（湖南吉首市）~ 7.26（湖南郴州市）范圍，其中出現(xiàn)酸雨的城市101個(gè)，占90.2%：降水年均pH值小于或等于5.6的城市有83個(gè)，占74.1%，比2003年增加3.4個(gè)百分點(diǎn)；降水年均pH值小于4.5的城市比例上升了6.4個(gè)百分點(diǎn)，廣東的韶關(guān)和湖南的長沙、常德、吉首年均pH值低于4.0。酸雨頻率大于40%的城市67個(gè)，占59.8%，比2003年增加6.1個(gè)百分點(diǎn)。酸雨控制區(qū)內(nèi)酸雨污染范圍基本穩(wěn)定，但污染程度進(jìn)一步加重。
2004年降水年均pH值小于5.6（酸雨）的城市主要分布在華中、西南、華東和華南地區(qū)：華中酸雨區(qū)污染最為嚴(yán)重，降水年均pH值（≤5.6）為酸雨的城市為58.3%，酸雨頻率大于80％的城市比例達(dá)21.4%；湖南和江西是華中酸雨區(qū)酸雨污染最嚴(yán)重的區(qū)域；華南酸雨區(qū)主要分布在廣東以珠江三角洲為中心的東南部和廣西東部，降水年均pH值小于5.6的城市比例為58.9%，與2003年相比，酸雨污染加重；西南酸雨區(qū)以四川的宜賓、南充、貴州的遵義和重慶為中心，降水年均pH值小于5.6的城市比例為49.0%；華東酸雨區(qū)分布范圍較廣，覆蓋江蘇省南部、浙江全省、福建沿海地區(qū)和上海，高酸雨頻率（≥80%）和高酸度降水（pH值≤5.6）的城市比例僅次于華中酸雨區(qū)，分別為21.0%和14.6%；北方的北京，天津，秦皇島和承德，山西的侯馬，遼寧的大連、丹東、錦州、阜新、鐵嶺、葫蘆島，吉林的圖門，陜西的渭南和商洛，甘肅的金昌降水年均pH值小于5.6。
2004年，全國527個(gè)市（縣）降水的年均pH值范圍為3.05（湖南省吉首市）~8.20（甘肅省嘉峪關(guān)市）。出現(xiàn)酸雨的城市298個(gè)，占統(tǒng)計(jì)城市的56.5%。降水年均pH值小于5.6的城市218個(gè)，占統(tǒng)計(jì)城市的41.4%，其中湖南省長沙、常德、吉首，廣東省韶關(guān)，江西省高安降水年均pH值小于4.0，降水酸度較強(qiáng)；酸雨頻率大于40%的城市占統(tǒng)計(jì)城市的30.1%，其中湖南省常德，江西德興，浙江麗水、安吉、開化酸雨頻率為100%。
2.3 覆冰雪引發(fā)線路跳閘事故時(shí)有發(fā)生
我國是覆冰嚴(yán)重的國家之一，高寒地區(qū)的覆冰天數(shù)平均超過40~60天，如黃河上游、金沙江河谷、川渝黔鄂相鄰的山區(qū)等，輸電線路覆冰厚度一般為20~40mm，有的高達(dá)80~100mm。貴州、云南、四川、重慶等西部海拔較高的地區(qū)以霧?。芏刃∮?.6g/cm3）為主，而湖南、湖北、山西、河南和華東等平原地區(qū)以雨?。芏?.87~0.92g/cm3）為主；由于地形和氣象條件的影響，高海拔地區(qū)和平原地區(qū)海拔大于150m的山頂、山埡口處也常出現(xiàn)持續(xù)時(shí)間很長的混合?。芏?.67~0.878g/cm3）。
我國從1954年起至今，冰雪引起輸電線路絕緣子串冰閃跳閘、導(dǎo)線舞動(dòng)及倒桿斷線事故時(shí)有發(fā)生。2000年2月，昆明地區(qū)因覆冰雪使線路跳閘達(dá)140多條次；2001年12月，500kV葛雙Ⅱ回發(fā)生兩次B相因覆冰雪導(dǎo)致接地而引起跳閘事故；2003年2月，500kV陽準(zhǔn)線相繼發(fā)生兩次因冰閃引起的三相跳閘事故；2004年12月~2005年2月，我國華中、華東部分地區(qū)500kV線路局部線路覆冰厚度高達(dá)100mm，出現(xiàn)了大范圍的冰閃跳閘、導(dǎo)線舞動(dòng)和倒桿事故。從全國多變的氣候來看，覆冰雪仍將是導(dǎo)致電網(wǎng)事故的主要原因之一。
3 設(shè)備自身故障發(fā)生率仍會居高不下
近幾年來，隨著電力建設(shè)的加快和電力體制的改革，國內(nèi)外各種類型電力設(shè)備在電網(wǎng)中廣泛應(yīng)用，設(shè)備的制造水平參差不齊。有的設(shè)備在制造和安裝、調(diào)試過程中就存在固有的缺陷，而且電網(wǎng)覆蓋面積大，一些運(yùn)行環(huán)境惡劣的設(shè)備的檢修和巡視比較困難，初期故障得不到及時(shí)排除。由于設(shè)備投資大，一些陳舊的輸變電設(shè)備得不到更換，不僅絕緣已經(jīng)劣化，而且新舊設(shè)備間的絕緣配合不當(dāng)，使設(shè)備絕緣的老化進(jìn)一步加劇。惡劣的氣候環(huán)境和滿負(fù)荷帶病運(yùn)行也加速了設(shè)備絕緣水平的降低。總之，從我國輸變電設(shè)備現(xiàn)有的狀況看，其自身故障給電網(wǎng)安全運(yùn)行帶來的隱患還將持續(xù)下去。
在輸變電設(shè)備自身故障率仍然居高不下的態(tài)勢下，要繼續(xù)推廣以在線監(jiān)測與必要的離線試驗(yàn)相結(jié)合的狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)。與此同時(shí)，要系統(tǒng)而深入地研究輸變電設(shè)備在線監(jiān)測與故障診斷新技術(shù)，不斷總結(jié)和分析設(shè)備狀態(tài)診斷所積累的大量診斷數(shù)據(jù)，制定出各類輸變電設(shè)備的故障診斷標(biāo)準(zhǔn)和使用導(dǎo)則，以此為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)對輸變電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行在線評估及剩余壽命在線預(yù)測，建立狀態(tài)維修制，從而可以大幅度提高電網(wǎng)運(yùn)行的安全可靠性。
4 結(jié)束語
國內(nèi)外電網(wǎng)事故的統(tǒng)計(jì)都表明，復(fù)雜氣候環(huán)境和設(shè)備自身故障是引發(fā)電網(wǎng)大面積停電事故的主要起因。為此，通過對復(fù)雜環(huán)境中外絕緣放電機(jī)理和電氣特性的系統(tǒng)研究，采取有效的安全措施，可以大幅度降低復(fù)雜環(huán)境引起輸變電裝備外絕緣電氣強(qiáng)度下降而造成的電網(wǎng)大面積停電的事故率。通過對輸變電設(shè)備內(nèi)絕緣老化機(jī)理和在線監(jiān)測及故障診斷技術(shù)的系統(tǒng)研究，可以開發(fā)出高穩(wěn)定性和高度智能化的設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)，從而為以可靠性為中心的狀態(tài)維修技術(shù)提供技術(shù)支持。
總之，在我國特有的氣候環(huán)境和設(shè)備自身故障率居高不下的態(tài)勢下，從輸變電設(shè)備著手，研究并解決引發(fā)電網(wǎng)事故的兩個(gè)主要起因，建立防止電網(wǎng)大面積停電事故的第一道防線是非常必要的，特別是對于規(guī)劃建設(shè)的特高壓交直流輸電線路更是具有挑戰(zhàn)性的課題。
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