DOI : 10.13336/j.1003-6520.hve.2014.11.027
输电线路运行安全影响因素分析及防治措施
毅 1,2，刘 凯 1，吴 田 1，刘 艳 1，苏梓铭 1
胡 （1.中国电力科学研究院，武汉 430074；2. 国网湖北省电力公司，武汉 430077）
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。为了分析线路运行安全 影响因素及防治措施，在统计近年来高压输电线路跳闸率和运行故障的基础上，分析雷击、冰害、山火、风偏、 污闪等主要故障形式及其特点，在此基础上提出了针对性的防治措施，在总结线路运维技术和需求的基础上提出 了今后的研究思路和发展方向。分析表明雷击仍然是影响线路运行安全的重要因素，而山火和冰害引发跳闸有增 加的趋势，污闪跳闸则得到了有效的控制。针对不同跳闸给出了具体的防治措施，如山火故障，需要从通道规划、 巡防、监测、预警、预判、应急运行等多种措施着手，减少山火对线路安全运行的影响。有必要在运维大数据综 合分析、自动化检测装置和机械化检修设备、多种监测方式相结合的一体化监测系统和输电线路一体化运维体系 等方面开展研究，使感知监测、状态
分析、检修维护形成一个互动、整体、高效、智能化的运维体系。 关键词：输电线路；运行安全；山火；雷击；污闪；覆冰；防治措施；跳闸率
Analysis of Influential Factors on Operation Safety of Transmission Line
and Countermeasures
HU Yi 1,2, LIU Kai 1, WU Tian 1, LIU Y an 1, SU Zim i ng 1
(1. China Electric Power Rearch Institute, Wuhan 430074, C hina;
2. State Grid Hubei Province Power Company, Wuhan 430077, China)
Abstract ：Becau of the wide coverage and long distance of transmission lines, especially EHV and UHV transmission lines, meteorological and geographical environments of line corridor are complex. In particular, veral important lines may arrange in the same right-of-way, so line trips can riously impair the safe operation of the power grid in extreme weather conditions. Bad on statistics data of the tripping rate and operation failure of high voltage transmission lines in recent years, the main characteristics and regular patterns of the influencing factors were investigated and summarized from two aspects of external environment and line internal caus, and the correspondi
ng prevention measures were put forward. Bad on investigation topics on reducing the operation faults and improving the level of operation & mainten- ance of lines, the rearch topics and development trends were prented. Results show that the main faults affecting the safe operation of the transmission lines are lightning stroke, icing, forest fires, monsoon, and pollution flashovers, etc . Lightning stroke is still a principal factor affecting the operation safety of lines, while transmission lines trips caud by forest fires and icing disasters have a tendency to increa and pollution flashover is under control. Furthermore, some prevention measures were prented for different types of trips. As for mountain fire induced failures, channel planning, scouts, monitoring, early warning and forecasting, emergency operation, and other measures should be comprehensively applied to reduce fire effects on safety of lines operation. It is necessary to enhance following rearch works: the opera- tional big data comprehensive analysis, automation of detection device and mechanization of maintenance equipment, fusion of multiple monitoring methods to an integrative monitoring and operational system of transmission line, so as to make the n condition monitoring, condition analysis, maintenance to form an interactive, integrated, efficient, and in- telligent system of operations.
Key words ：transmission line; operation safety; forest fire; lightning; pollution flashover; icing; prevention measures; t rip rate
2013 年底，110(66) kV 及以上电压等级交流输电线 路已达到 75.5 万 km ，直流输电线路 1.44 万 km ， 其中 500 kV 线路 10.34 万 km ，750 kV 线路 1.27 万 km ，在建在运特高压线路长度超过 1 万 km 。由于
0 引言
近年来，随着我国电网加快建设，各电压等级 的输电线路快速发展，以国家电网系统为例，截至
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输电线路覆盖区域广阔，特别是超、特高压线路输 电距离长，沿途气象、地理环境复杂，遭遇极端气 候侵袭的概率较大[1-3]
。特别是有的重要输电通道常 密集布置多条超、特高压线路，在极端气候条件下 可能出现多回线路同时跳闸。
影响输电线路安全运行的主要故障分别有雷
击、冰害、山火、风偏、污闪、鸟害等[1,3]神奇的笔
。多年来， 通过针对上述故障的一系列防治措施的实施，其中 有的故障已呈明显的下降趋势。但随着运行环境和 影响因素的变化，有的线路故障却有增长的趋势， 有的隐患目前尚未导致故障发生，但需要及早加以 分析以防范可能导致的危害。从近年来的统计分析 来看，山火
[4-8]
、冰害
[9-13]
导致的线路故障有增长的
艺术家英文趋势，雷击故障仍是线路运行的主要故障之一[14-21]
，
在部分飑线风多发区域，风偏放电故障仍不时发 生[22-27]，大面积的雾霾天气对输电线路可能产生的 影响也需要加以分析并予以防范[28-31]。防止因线路 故障导致的电网事故特别是大面积停电事故，依然 是线路运维工作的重中之重。因此，需结合线路运 行情况，分析主要故障的特点、机理及规律，并探 讨相关的防治措施。
图 1 ±800 kV 直流线路走廊附近的山火情况 Fig.1 Forest fires conditions near ±800 kV DC transmissi on
line c o rri dors
型，包括热游离模型、空气密度模型、电导率模型、
流注型模型等[4-5]
，上述模型大多从一个方面来分析 山火放电的机理。实际上，山火放电往往是上述多 种影响因素共同作用的结果。从国内外模拟山火放 电的大量试验来看，山火高温导致了线路间隙中空 气密度降低，
而燃烧时会产生大量粒径在 0.2~5 μm 的烟尘颗粒，其主要成分包括有机碳、元素碳和钾 离子等，烟尘颗粒导电率高，烟道在高电场的作用 下易激发电子崩，而高温和空气密度的下降又促进 了电子崩和流注的发展，使间隙的击穿电压下降， 导致线路间隙发生击穿。山火故障一般具有以下 特点：
1) 重合闸成功率低，输电线路发生跳闸时，重 合闸时间一般约为 1 s ，因山火高温和烟尘浓度会持 续一定的时间，多在几十 s 以上，在这一时间段中 线路间隙的绝缘强度大幅降低，因此线路运行电压 或重合闸产生的操作过电压都可能将间隙再次击 穿。如果火势掠过后烟尘变得稀薄，间隙绝缘强度 可迅速自恢复，强送成功率较高。
2) 山火放电距离较长，一般来说，空气间隙中 的放电多发生在带电体与接地体的最短路径之间， 但由于山火的火焰和烟尘形成的通道绝缘强度大幅 降低，因此放电常不沿导线−杆塔间隙或绝缘子串 发生，而是沿距离较长的烟火通道发生。
1 故障类型
1.1 山火
近年来，部分地区山火频发，对线路安全运行 带来严重威胁。如南方电网在 2010-01—2010-03 期 间 220 kV 和 500 kV 线路分别发生山火跳闸 68 条次 和 60 条次，其中单相故障占比为 70.3%，山火引
起 的单相跳闸的重合闸成功率为 52%，而引起的多相 跳闸的重合闸成功率仅为 36.7%。又如 2014 年 1 月， 受干燥少雨气候影响，湖南、湖北、江西、四川、 福建等地频发山火，500 kV 及以上电压的输电线路 走廊共发生山火 223 起，造成线路跳闸或紧急停运 达 67 条次，重合闸退出 63 条次，其中特高压直流 线路走廊附近的一次山火状态如图 1 所示。各地输 电线路山火故障频发的原因：1）随着电网的发展， 线路途经植被茂密区域的数量增多；2）在冬季干燥 季节和春季祭奠时节，由植被环境、气候和风俗引 发的山火发生概率有所增加。
线路间隙在山火条件下的放电具有较大的分 散性，主要是由于山火的温度、烟尘的浓度、烟火 混合区的高度、烟尘颗粒的导电性等参数的分散性 较大。目前对输电线路山火放电有多种机理分析模
3) 特定的气候、地理和植被环境确立了山火的 发展趋势，若山火发生时的风力强，空气对流可大 幅抬升火焰的高度和烈度，朝向线路的风向及顺风 的坡地易促成贯通导线与地面的烟火通道，线下的 乔木高度可减小间隙距离，芦苇、秸秆等燃烧的尘
胡毅，刘凯，吴田，等：输电线路运行安全影响因素分析及防治措施3493 粒呈尖端状，在高电场中易畸变电场并激发放电，
这些都是影响山火放电发展趋势的重要因素。针对
山火故障，需要从通道规划、巡防、监测、
预警、预判、应急运行等多种措施着手，减少山火
对线路安全运行的影响。具体而言在如下4 个方面：
1）在山火易发、多发通道内避免多条线路密集布置，
减少山火引发多条线路同时跳闸的概率。2）对山火
易发段和危险点实行特巡和重点控制，对周边的易
燃植物进行清理。3）建立监测体系，及早发现，提
前预警预判，当山火发生并蔓延时，通过专用仪器
仪表，量化测量火焰高度、火焰温度、烟尘粒子浓
度等，分析放电发生的概率，为选择运行对策提供
技术依据。4）制定应对方案，结合山火状况和发展
趋势，采取不同的应对方式。对仅有地表浅火焰、
线路下无较高较密植被的山火且烟尘淡薄，线路可
继续正常运行；对仅有地表浅火焰、线路下植被低
矮、烟尘较浓的山火，直流线路可降压运行；对火
焰较高、线路下有高密植被、易形成高浓度烟尘通
道的山火，可主动转移负荷，改变运行方式。
1.2 冰害
图2
Fig.2
输电线路严重覆冰导致导线对地放电及杆塔倒塔
Transmission line conductor flashover to ground and
Tower collapsing by heavy icing
成高电导率的水膜，从而降低冰闪电压。轻覆冰时
的冰闪机理及过程与污闪相似，增大爬电距离和线
路污秽的清扫是防止轻覆冰闪络的有效措施，如在
塔头间隙尺寸允许时增加绝缘子片数和串长，在雨
雪冰冻天气前清扫。重覆冰条件下绝缘子闪络与冰
柱形状、冰凌桥接程度密切相关，其放电电弧沿冰
柱及冰凌桥接面直接发展。一般来说，覆冰厚度随
线路所处区域的海拔高度增加，而低温冰冻天气的
持续时间是覆冰厚度的主要影响因素。为提高绝缘
子冰闪电压，可采用不同伞径绝缘子间插的方式、
采用V 型串和倒V 串等布置、双联串应增大串间距，
防止冰凌直接桥接，试验表明其50％闪络电压得到
了一定程度的提高[11-12]。
导线舞动是由于偏心覆冰改变了导线截面特
征，在风的激励下产生的驰振不稳定现象，试验表
明：随着覆冰厚度的增加，覆冰导线的起舞阀值降
低，发生舞动的概率增大。在运行中也发现，尽管
某些线路覆冰厚度并不突出，但迎风面冰厚背风面
冰薄，不均匀性突出，在风速、风向、偏心覆冰、
线路等参数的组合可满足起舞条件时，依然可发生
导线的舞动。
近年来，输电线路覆冰舞动造成的跳闸故障多
次发生，特别是对于紧凑型线路，由于三相导线间
的间距较小，当舞动幅度增大致使相间距不足以耐
受运行电压时，就会发生相间放电。针对这一问题，
过去采取的措施包括加装相间间隔棒、双摆防舞器
等。从运行的效果来看，如果相间间隔棒在舞动期
间能有效承受持续性舞动冲击负荷而不损坏，则可
有效地防止发生相间放电[9-10]。但在运行中已多次
出现间隔棒在舞动中损坏，有的线路甚至多档多根
损坏，由于抑制舞动的间隔棒失去作用，致使发生
相间放电。从相间间隔棒的损坏部位来看，合成绝
缘杆均无损坏，损坏的基本都是连接金具。这是因从2005 年以来，冰雪灾害多次对电网安全运
行造成重大影响，2006-01—2007-06，国网系统由
覆冰造成500 kV 线路跳闸13 次，占总跳闸数的
8.84%，覆冰造成500 kV 线路非计划停运4 次，占
总停运次数的11.11%[9]。特别是2008 年的大面积、
持续性覆冰造成了输电线路大范围冰闪、舞动、倒
塔、断线，据统计，国网系统由于覆冰引起10~110
kV 线路倒塔14 万多基，220 kV 及以上线路倒塔1
500 多基，707 座变电站停运[10]。近几年来，覆冰
灾害多次袭扰电网，仍是影响电网安全运行的主要
威胁之一。2014 年，受持续的低温雨雪天气影响，
浮小麦重庆、湖南、湖北、江西等地有211 条35 kV 及以
上输电线路出现覆冰，部分线路发生冰闪、舞动，
有的线路出现了倒塔、断线等现象，如图2 所示。
从冰闪机理来看，轻覆冰条件下绝缘子的闪络仍
是冰污结合形成的闪络，与绝缘子表面积污、冰
电导率等密切相关，常在融冰期间发生冰闪，其放
电电弧沿绝缘子表面发展[11-12]。调查表明不少线路
覆冰前绝缘子表面已存一定污秽，覆冰过程中过冷
却水的电导率与当时的大气环境状态和参数相关，
影响冰闪特性的污秽实际上是表面已存污秽和覆冰
过程中湿污沉降的叠加。冰层中的导电离子会向表
面迁移，致使冰表面离子浓度最大，在融冰时则形
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为合成绝缘杆具有稳定的后屈曲功能，实验室的大挠度试验表明合成绝缘杆在大幅度弯曲变形后可迅速恢复，无永久性变形和机械性能的损坏和降低。而连接金具是刚性材料和结构，不会发生柔性变形，当舞动冲击力强度超过金具的应力破坏强度时，就会发生连接金具损坏、间隔棒脱开的现象。由于舞动形成的冲击载荷大，作用点集中，易造成间隔棒连接金具损坏。而且舞动持续时间越长，间隔棒金具损坏的数量相应增多。针对线路覆冰舞动造成的相间放电，可采取的防治措施[11-13]：1）应加强监测，由于舞动发生的必要条件之一是导线的不均匀覆冰，应结合运行数据，对舞动易于发生的
线路，在监测到不均匀覆冰增长后及时施加融冰措施，消除舞动发生的导因和条件；2）采用加强型相间间隔棒，针对连接金具这一薄弱点，通过采用高强度材料、增大设计强度、优化连接结构等方式明显提高间隔棒连接金具的机械强度，通过试验验证后定型采用，以便在舞动状况下充分发挥间隔棒的抑舞功能。1.3 雷击
据国网系统输电线路故障统计分析，2011 —2013 年3 a 间雷击引起线路跳闸数占总跳闸次数的比例依次达51.7%、49.3%和47.6%，雷击仍是线路跳闸的主要原因之一。雷击故障中共发生反击698 次、绕击1716 次。其中110~500 kV 交流线路绕击跳闸占雷击跳闸总次数的比例见表1。从表中可以发现，随着电压等级的增高，绕击跳闸占雷击跳闸的比例也相应增高。对于110~220 kV 线路，反击仍占有一定比例。但对于330~500 kV 线路，雷击跳闸主要由绕击造成。
雷电绕击率与避雷线保护角、杆塔高度及地面倾角密切相关[14-16]。当保护角变大时，地线对导线的屏蔽作用减弱，绕击区将加大。塔高增加时，地面屏蔽效应会减弱，绕击区变大。而随着地面坡度的增加，外侧暴露弧段将增加，这都将使绕击概率增加，从而增大绕击跳闸率。从运行经验来看，绕击与线路所处位置的局部地形密切相关，一般来说，当线路两侧地面倾斜角较大，如位于山顶、沿山脊走向时，由于线路两侧暴露弧段增大，两边相均可能遭受绕击。当线路一侧地面倾斜角较大，如沿山腰走向时，上边坡侧暴露弧段减小，下边坡侧暴露弧段增大，下坡侧边相易遭受绕击。避雷线和大地为导线提供屏蔽作用，由于局部地形和相对位置的不同，屏蔽作用也相应变化。直流输电线路还需考
表1
Table 1
110~500 kV 线路雷击跳闸中绕击占百分比
Shielding failure percentage of 110~500 kV line
lightning trips
年份110 kV220 kV 330 kV 500 kV
2011 年58.4% 76.1% 80% 95.1%
2012 年
2013 年
59.8%
62.3%
数字骂人74.1%
79.4%
83.3%
83.9%
93.6%
94.9%
虑线路的极性，由于雷云对地放电中约75%~90% 为负极性雷，直流输电线路的正极性导线在负极性雷作用下，易于产生上行先导，更易遭受雷击而发生闪络[17]。国家电网公司系统直流输电线路2012 年发生的10 次雷电闪络中有9 次发生在正极性导线，2013 年发生的16 次雷电闪络中有14 次发生在正极性导线。雷电闪络均由绕击引起。从运行数据来看，正极性导线具有明显的引雷效果，比负极性导线更易发生绕击。因此，应充分考虑地形对绕击的影响，重点布防山顶、山脊和坡度较大位置的线路，而直流输电线路正极性线路的绕击跳闸需采取针对性的措施。
雷电反击率与杆塔接地电阻密切相关，土壤电阻率越高，接地电阻越大，越易于发生雷电反击[18-21]。
对于特高压线路，由于其外绝缘配置水平高，雷击避雷线或者塔顶发生反击闪络的概率很小；故特高压线路防雷重点是防绕击。目前，特高压交流试验示范工程已运行超过5 a，没发生一起雷击跳闸，满足雷击跳闸率低于0.1 次/(100 k m·a)的设计指标。
为减少输电线路雷击故障，可以针对故障特征采取以下措施[1,21]：1）应做好基础数据的统计分析，根据每年的地闪密度分布、雷电流强度等雷电参数，结合线路结构和地形地貌等信息，分析研究与线路雷击故障之间的内在关系，结合历年运行数据，完善电网雷区分布图。2）对110~220 kV 线路，结合反击和绕击的实际运行数据，分析各易击段及易击杆的具体故障原因，对出现雷电反击故障的杆塔，应重点加强接地电阻的改造，在接地电阻改造困难时，可在导线下方装耦合地线或加装杆塔拉线。对出现雷电绕击的杆塔，应重点采取减小线路保护角，针对杆塔塔头附近的绕击加装侧向避雷针和可控避雷针等措施，必要时也可装设线路避雷器。3）对超高压、特高压线路，针对防雷电绕击这一重点，应将差异化防雷理念贯穿于规划、设计、运行等全过
胡 毅，刘 凯，吴 田，等：输电线路运行安全影响因素分析及防治措施
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程，结合沿线雷电活动情况，在路径选择、保护角 确定等方面综合考虑，力争在路径规划、杆塔设计 阶段就充分考虑线路的防绕击功能，避免把前期的 问题遗留到运行阶段，在运行阶段应只需对有少量
的特殊绕击点进行防雷改造。 1.4 强风
借款收条随着电网规模的增大以及极端气候的频发，输 电线路强风跳闸越来越多。据国家电网公司统计， 2004—2007 年 500 kV 输电线路共发生风偏跳闸 79
等恶劣气候的能力。
1.4.2 飓风或龙卷风造成线路倒塔
2013 年曾多次发生飓风和龙卷风引起的线路 倒塔事故，如图 3 所示。飓风和龙卷风是在空旷平 坦地区由强烈的冷暖对流形成的强风，飓风风速沿 高度分布，龙卷风是一种向中心方向运动的气流。 飓风和龙卷风在距地面 40～60 m 处风速最大、破 坏力最强，一般飓风或龙卷风的最大瞬时风速可超 过 50 m/s ，风速超过线路设计标准，输电铁塔一旦 正面遭受飓风和龙卷风的侵袭，风灾倒塔事故就难
免发生[25]。
次，造成事故 53 次。2008-08-21 华北电网 500 kV 万顺 3 回线路风偏跳闸，损失功率 283 万 kW ，系 统频率低至 49.88 Hz ；9 月 17 日东北电网 500 kV 科沙双线风偏跳闸，东北电网低频至 49.64 Hz 运行 2 min 。2013 年，强风导致的线路跳闸明显增多， 国网系统 110~500 kV 线路共发生风害跳闸 196 次， 造成故障停运 117 次，对系统的安全稳定运行造成 较大影响。
1.4.1 飑线风引起风偏放电
飑线风是由高空冷空气与低空热空气强对流 形成的风带，飑线风大多发生在夏季 6~8 月，其瞬 时风速可>30 m/s ，阵发性强，常伴有雷雨和冰雹。 在强风作用下，导线沿风向会出现偏移，一方面造 成导线杆塔间距明显减小，使得间隙的放电电压降 低[22-24]
诗歌散文。另外，由于强风常伴有暴雨，暴雨会沿风 向形成定向性的水线，如果水线的定向与闪络路径 成同一方向, 产生颗粒触发放电，特别是酸雨条件 下触发放电的影响更明显，将使间隙的放电电压进
一步降低[24]。当空气间隙的绝缘强度不足以承受运 行电压时，便会发生间隙的击穿放电。
防止由飑线风引起的风偏放电，应从线路的规 划、设计、监测和运行维护等多方面着手进行防治：
1）在规划方面，对微气象区特征明显，飑线风频发
地带，重要线路的集中通道应尽量避开此类区域。
新建线路的设计应适当提高风偏校验水平，设防水
蜂胶的作用
平原则是在最大风速下不应发生风偏放电。2）在运
行监测方面，应通过塔上气象参数和风偏监测系统，
加强对飑线风发生时段、频率、风速、区域等数据
的收集，运行经验表明：当线路杆塔位于空旷风口 时，局地强风常明显高于气象部门所测数据，因此， 应充分掌握线路微地形、微气象情况，为该区域的
线路设计和运行提供基础数据。3）对风偏放电易发
线段采取包括加装重锤、改造跳线双挂点、改造绝
缘子串布置方式等防治措施，以增强线路抵御强风
图 3 飓风导致塔腿隔面以上折断
Fig.3 Tower legs broken by hurricane
在输电铁塔抗风设计方面，基于气象设计风速
的重现期和风速基准高度这两项重要参数的设定
上，我国设计规程中的规定值较国外偏低，如
110~330 kV 杆塔设计抗风基本平均风速较日本低 70%，500~750 kV 杆塔设计抗风基本平均风速较日
本低 48%，因此输电铁塔抗风设防基准偏低也是风
灾倒塔的重要因素之一。
为提高线路抗风灾能力，应结合气候、地形等
条件优化线路路径走向，实行差异化设计，合理确
定耐张段方案，采用高强度材料提高输电杆塔抗风
能力。在运行维护方面，应加强巡视和季节性特巡，
及时进行检修维护，同时应建立极端气候灾害后的
应急恢复和重建机制，为快速恢复供电提供保障。
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1.4.3 紧凑型线路的相间风偏故障 紧凑型线路杆
塔一般采用 V 型绝缘子串布置
方式，塔头间隙可不考虑风偏的影响，但大风条件
下由于档距中导线的不同期摆动，相间距离会减小，
在工作电压或操作过电压下也会出现相间闪络[26]
。 导线的位移与档距长度和风与导线的夹角密切相 关，在相同的风力作用下，夹角越大风的作用越明
