摘 要

Abstract 2

第1章 绪论 1

1.1选题背景、目的与意义 1

1.2输电线路风灾情况简述 1

1.3输电线路跳闸原因统计 3

1.3.1 风偏跳闸 4

1.3.2 雷击跳闸 5

1.3.3 山火跳闸 6

1.3.4 漂浮物导致的跳闸 6

1.3.5鸟害导致的跳闸 6

1.4台风灾害损失统计 7

1.5国内外研究现状综述 8

1.6本文主要研究内容 11

第2章 输电线路风偏跳闸可能性建模 13

2.1风偏放电机理 13

2.2悬垂绝缘子串风偏角计算 14

2.3台风风场模拟 17

2.3.1 蒙特卡洛模拟 17

2.3.2 Batts模型 17

2.4输电线路风偏跳闸概率预测 18

2.5本章小结 19

第3章 输电线路跳闸防范措施 21

3.1 防风偏措施 21

3.2 防雷措施 21

3.3 走廊山火防治措施 22

3.4漂浮物防治措施 22

3.5 整改鸟害线路 23

3.6本章小结 23

第4章 台风灾害下输电线路风偏跳闸算例 24

4.1台风“天鸽” 24

4.2基于蒙特卡洛法的风偏跳闸概率计算 26

4.2.1 Matlab对风速风向随机抽样 26

4.2.2风偏跳闸概率计算 28

4.3验算 30

4.4本章小结 32

第5章 结论与展望 33

5.1结论 33

5.2展望 33

致 谢 35

参考文献 36

附录A Matlab代码及结果 41

附A1 七级风圈内风偏跳闸概率 41

附A2 十级风圈内风偏跳闸概率 42

附A3 十二级风圈内风偏跳闸概率 43

附录B 本科阶段发表的论文及参加的科研项目 44

摘 要

全球各地的电力系统都遭受着风灾的困扰，风灾较为常见且破坏力较大的一种形式即为台风。许多沿海城市都遭受着较为严重的台风灾害，台风导致的电力系统输电线路跳闸故障时有发生，因此，输电线路在台风灾害下的跳闸风险评估日益重要。

本文通过总结现有文献发现，学者们对雷击引起的输电线路跳闸的研究已经比较成熟，但结合沿海地区台风灾害的环境针对输电线路风偏跳闸的研究较少。并且通过收集台风灾害下输电线路跳闸原因的占比统计数据发现，在台风侵袭下，风偏是导致输电线路跳闸的重要原因。本文首先总结了一些国内外典型台风案例，归纳了输电线路跳闸的主要原因，并总结了前人在相关领域的研究成果，然后结合输电线路风偏跳闸的机理，提出了用蒙特卡洛法对台风风速进行随机抽样从而进行输电线路风偏跳闸的等可能性建模，然后针对输电线路跳闸的原因提出了相应的防范措施，接着以台风“天鸽 ”作为算例，分析了珠海市220kV输电线路在台风“天鸽”的不同风圈内跳闸的概率，并验证了结果的可行性，最后对台风灾害下输电线路跳闸风险评估的未来发展进行了展望。

关键词：台风灾害；输电线路；跳闸；风偏；蒙特卡洛

Abstract

The power system around the world is plagued by wind disasters. Typhoon is a common and destructive form. Many coastal cities are suffering from many serious typhoons, and the trip failures of power transmission lines caused by typhoon have occurred frequently. Therefore, the risk assessment of the tripping of the transmission lines under typhoon disaster is becoming more and more important.

In this paper, by summarizing the existing literature, it can be found that the research on the transmission line tripping caused by lightning strikes is relatively mature, but the research on the windage yaw trip of the transmission lines with the environment of the typhoon disaster in the coastal areas is less. And by collecting the statistical data of the cause of the transmission line trip under typhoon disaster, it is found that under the attack of the typhoon, the wind deviation is the important reasons for the transmission line tripping. This paper first summarizes some typical typhoon cases at home and abroad, sums up the main reasons of the transmission line trip, and summarizes the previous research results in the related fields. Then, combined with the mechanism of wind bias tripping of transmission lines, this paper proposes a Monte Carlo method for random sampling of typhoon wind speed and equal possibility modeling for wind tunnel trip. Next, correlating with the reasons of the transmission line trip, corresponding precautions for the risk assessment of the transmission line trip under the typhoon disaster is predicted. Then, taking "Hato" as an example, the probability of the tripping failure of the 220kV transmission line in the typhoon "Hato" in Zhuhai is analyzed, and the feasibility of the result is verified. Finally, the future development of transmission line risk assessment under typhoon disaster is forecasted.

Key words: typhoon disaster; transmission line; tripping; windage yaw; Monte Carlo

第1章 绪论

1.1选题背景、目的与意义

电能作为应用最为广泛的二次能源之一，对整个社会的发展和运作都起到了至关重要的作用，随着电能的普及和经济科技的不断发展，人们对电能的需求度越来越高，输电线路的正常运行也成了一大重点。输电线路作为电力系统向用户提供电能的媒介，是维持整个电力系统正常运行的重要环节之一。输电线路具有点多、面广、且长期裸露在野外^[1,2]的特点，其安全稳定运行与该输电线路所处的气候环境条件密切相关。近些年来台风灾害不仅发生得越来越频繁，而且其等级也越来越高，给整个社会的安全和经济带来了严重的影响，台风灾害给输电线路带来的危害也变得越来越大。输电线路健康运行关系到社会及国民经济的健康发展，但每次台风灾害均会给输电线路带来不同程度的影响。中国位于西太平洋，受台风影响较为严重，东南沿海地区更容易受到台风灾害的侵袭，广东、海南、台湾、浙江等省份是台风登陆最多的地区。其中登陆中国的台风平均每年约9个^[3]，台风中心最大风速大于32.7m/s（十二级以上）的台风个数每年平均达到3个以上。根据文献[4]数据统计，在电力系统中，导致输电线路跳闸的主要原因分别有：雷击、冰冻灾害、外力破坏（主要是漂浮物）、鸟害、风偏等，而在中国受台风灾害严重的东南沿海地区，受强台风影响严重的2013年，风偏导致的输电线路跳闸概率高达11.4%，可见台风灾害下输电线路风偏跳闸的概率较大。除此之外，台风侵袭下漂浮物对电力系统输电线路的影响也在日益上升，漂浮物导致的输电线路跳闸故障占总跳闸故障数的比例也越来越高，因此，研究台风灾害侵袭下输电线路风偏跳闸和漂浮物跳闸风险评估，制定合理、有效的措施，尽可能地降低台风灾害对电力系统输电线路的威胁，具有重大的理论与现实意义。

本文列举了全球范围内典型的电力系统受台风灾害影响的案例，统计了近年来电力系统输电线路跳闸情况并对跳闸原因进行了分析，阐述了输电线路风偏跳闸的评估方法并列举了相应模型，结合某一具体台风案例和具体城市进行了输电线路风偏跳闸算例分析，对天风灾害下输电线路跳闸故障的严重性评估方法进行了概述，提出了各个导致输电线路跳闸的主要原因相应的防范措施，并对电力系统在台风灾害下风偏跳闸风险评估这一尚在发展中的研究方向进行了展望。

1.2输电线路风灾情况简述

全球多地的输电线路都面临着强风灾害的威胁^[5-7]，而地形地貌复杂多样的中国又是遭受风灾最为严重的地区之一。根据电力系统的相关统计数据显示，风灾对电力系统输电线路安全稳定运行的影响表现为：大风导致输电杆塔受损、大风导致电线吹落甚至吹断、导致跳线或悬垂绝缘子串因风偏放电、漂浮物（包括风筝、塑料大棚、薄膜、包装袋、广告牌等质量较轻、易被风吹起的物质）导致输电线路或杆塔放电等。

第一种形式的风灾就是台风，一般发生在热带和亚热带沿海地区，破坏力极强。电力系统脆弱性的大小取决于经受的天气与气候变化的特征、量值和变化速率以及该系统的敏感性与适应能力^[8]，某电力系统脆弱性越大，则该系统在极端事件下更容易产生不利影响，在灾害天气下，该系统产生灾害的程度越大。近些年来，随着全球变暖^[9-11]，热带气旋（包括台风）不仅发生的频率越来越高，而且其等级也越来越高，给整个社会经济和电力系统带来了严重的影响，给输电线路带来的危害也变得越来越大。对电力系统而言^[12]，台风轻则造成输电线路在强风作用下晃动而发生放电，导致输电线路跳闸，重则吹断电线和杆塔，损坏变电站，使得电力系统修复的难度和时间均增大。

近年来，台风^[13-21]对我国东南沿海地区造成了巨大损失，2006年8月10日，超强台风“桑美”^[17]在浙江省苍南县马站镇登陆，对受灾区域造成了严重的人员伤亡和经济损失，中国、菲律宾、马利安那群岛区域共造成了458人死亡，地区直接损失达111亿元。2014年7月18日，超强台风“威马逊”^[20]在广东省湛江市徐闻县登陆，最大风力达60m/s（十七级），给受灾区带来了巨大破坏。

在国外^[22-26]，2005年8月29日，“卡特里娜” ^[27,28]以台风中心时速63.9m/s在美国新奥尔良以东的海岸登陆，造成了严重的人员伤亡和经济损失，死亡人数高达千余人。2012年飓风“桑迪”^[19]袭击美国，导致超过800万电力用户用电中断，造成了高达500亿美元的经济损失，当地电力部门修复时间长达数月。

风灾的另一种形式就是强风或飑线风^[29,30]，在与输电线路走向有一定角度的强风作用下，绝缘子串向杆塔方向倾斜形成一定风偏角，导致绝缘子串底部的输电导线与塔身之间的空气间隙减小，当风速过大导致绝缘子串风偏角过大时，导线与塔身之间的空气间隙距离无法满足绝缘强度要求时就会发生风偏放电，造成线路跳闸。由于输电线路张力大，质量大，惯性大，因此，输电线路的悬垂绝缘子串一旦被强风吹至风偏角大于临界放电的风偏角后，恢复到风偏角较小的位置需要一定时间，这个时间往往超过重合闸自动重合时间，因此，输电线路因风偏发生跳闸后线路重合闸重合成功率较低，导致电力系统安全稳定运行遭受了一定影响。

通过以上资料可知，台风灾害下电力系统输电线路跳闸是导致电力系统供电可靠性降低、局部供电紧张的主要原因之一，而我国东南沿海地区受台风侵袭频率较高，给受灾地区的电力系统和经济带来了巨大损失。因此，研究台风灾害下电力系统输电线路跳闸的主要原因，并基于中国东南沿海台风灾害的现状进行输电线路风偏跳闸风险评估，将对受风灾严重地区的电力系统稳定运行具有一定的现实意义。

1.3输电线路跳闸原因统计

台风灾害下，输电线路风偏跳闸是影响受灾地区电力系统正常运行的主要原因之一。根据文献[31-33]数据显示，在2005-2010年间，受台风灾害严重的广东地区电力系统输电线路因台风导致的跳闸占总跳闸次数的13%，而在台风导致的总跳闸次数中，由于风偏导致的跳闸占35%，这几年中，2008年由于台风登陆数量和等级均较多，该年由于台风导致的输电线路跳闸次数高达140次，其中风偏跳闸占到了49%，对广东省电力系统输电线路的正常供电形成了巨大威胁。广东沿海35 kV及以上交流输电线路在2005-2010年间的台风风偏跳闸、台风跳闸总数和线路跳闸总数次数对比见图1.1。

图1.1 2005-2010年输电线路跳闸次数统计图

根据文献[4]统计， 2011-2013年，导致输电线路跳闸的主要原因及相应的百分比分别为：雷击占42. 6%、外力破坏占25.3%、鸟害占10. 4%、冰冻灾害占8. 0 %、风偏占4.5%等。2013年，公司系统输电线路线路跳闸的主要原因依次为：雷击（共606次，占46.3%）、外力破坏（共280次，占24. 4%）、风偏（共149次，占11. 4%）、鸟害（共145次，占11. 1%）和冰害（共68次，占5.2%）。其中漂浮物引起的跳闸属于外力破坏。

自2015年1月起，截至2015年11月底，广州供电局所辖电力系统500kV输电线路跳闸记录20次^[29]。其中，有7次为雷击，5次原因不明，4次为台风影响，3次为外力破坏，1次为设备本体故障。

2017年8月23日，在台风“天鸽”时期，广东电网35kV-500kV输电线路总的580次跳闸事故中，有35.34%的跳闸是由于漂浮物导致，24.48%的跳闸故障是由风偏导致。

根据数据统计，输电线路跳闸原因主要包括：风偏跳闸、雷击跳闸、山火跳闸、飞鸟导致的跳闸、外力破坏等。

对导致输电线路跳闸的几点主要原因，总体归纳如下。

1.3.1 风偏跳闸

风偏是指架空输电线受风力的作用偏离其垂直位置的现象，风偏包括跳线风偏、相间风偏以及绝缘子风偏三种形式^[34]。跳线风偏一般发生在转角塔和耐张杆塔上，以转角塔为例，当转角塔跳线受到大风影响时，跳线与转角塔塔身的距离缩短，当距离小于安全距离时，就可能形成跳线风偏放电现象；相间风偏是指在与输电线路走向呈一定夹角的强风作用下，不同相的导线之间距离减小至小于安全距离，从而发生输电线路相间风偏放电；绝缘子风偏一般发生在直线杆塔上，是造成风偏跳闸事故的最主要因素，这里的绝缘子串一般是指悬垂绝缘子串，绝缘子风偏角是指在风力作用下，悬垂绝缘子串相对于杆塔发生的倾斜角度，当强风作用于输电线路和绝缘子串上时，悬垂绝缘子串的风偏角就会增大，导致绝缘子串下端支撑的导线与杆塔之间的空气间隙减小，当此间隙小于一定值时，就会发生放电现象。

台风灾害下输电线路风偏跳闸的原因主要可以概括为以下几点：

（1）设计初期对设计风速取值的影响。目前我国对于输电线路抗风能力的设计规程规定^[35]为：距离地面10米的高度处30年内所达到的10分钟时间里平均最大风速值。一般情况下输电线路的水平和垂直档距均超过几百米，这类线路由于张力大，质量大，惯性大，很难瞬间被大风吹到偏离原来位置较远的地方，因此将基准风速作为这类输电线路的抗风设计值是较为可行的，但对于耐张杆塔和转角塔的跳线设计的中，由于跳线的长度一般都比较短（小于10米），质量较小，惯性也较小，在强风的作用下整段跳线都可能在短时间（远远小于10分钟）被吹动，从而引起输电线路的风偏跳闸。电杆塔以及输电线路的设计和施工都有自己的抗风能力^[36]，例如：500kV的输电线路设计的设计风速为30m/s，而对于易受台风灾害的地区来说，在台风侵袭下当地风速较高，当风速大于30m/s时，就可能导致风偏角过大，造成输电线路跳闸故障。

（2）杆塔类型的影响。由于在电力系统建设初期，我国经济实力较弱，设计经验不足，且对各个地区的恶劣天气统计数据缺乏，导致设计初期对耐张塔跳线和直线塔悬垂绝缘子串的设计不够合理，造成跳线过长或悬垂绝缘子串的结构不够稳定，或杆塔结构设计不够合理，使得输电线路易受强风的影响出现风偏跳闸故障。例如：广东省台山市铜鼓电厂220kV输电线路的出线一般是单回路线路，其中转角塔均为干字型转角塔^[37]，如果输电线路的转角较小，则当台风作用下，其中相跳线容易被吹动至与塔身距离较小的位置，引发跳线风偏，线路跳闸故障。

（3）绝缘子过轻。直线杆塔的悬垂绝缘子串底部与输电导线相连，在受强风影响时，绝缘子过轻会导致输电线路更容易被吹至偏离原来的位置。且近年来，为了绝缘子的维护方便，合成绝缘子^[35]的使用越来越频繁，而合成绝缘子的质量一般较轻，在输电线路发生风偏时绝缘子的摆动幅度更易变大。在2014年超强台风“威马逊”及“海鸥”期间^[38]，广西防城港网区的输电线路跳闸事故中，因风偏导致的输电线路跳闸次数占总跳闸数的58%，导致输电线路风偏跳闸占比如此之高的原因之一即为绝缘子质量过轻。

（4）建筑物、树木等裕度距离不足。导线与电杆塔、与下面建筑、树木之间裕度距离过小，在强风作用下，尤其是实在台风侵袭下，与输电导线一般高的树木来回摇摆，导致输电线路与树木之间的距离小于绝缘裕度，从而发生线路跳闸事故。因此，对档距中的树木等同样应该进行风偏校验。

1.3.2 雷击跳闸

雷击是造成输电线路跳闸的主要原因，主要归纳如下：

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