中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：隨著“雙碳”目標(biāo)的提出，構(gòu)建風(fēng)光新能源迅速發(fā)展的新型電力系統(tǒng)成為國家戰(zhàn)略。目前，新型電力系統(tǒng)受覆冰、山火、雷擊等外部災(zāi)害影響嚴(yán)重，新型電力系統(tǒng)外部災(zāi)害防治技術(shù)研究迫在眉睫。本文分析了幾種典型新型電力系統(tǒng)外部災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，探討了特高壓地線覆冰、特高壓輸電線路附近山火、配網(wǎng)雷擊、風(fēng)機(jī)覆冰與雷擊、光伏防災(zāi)以及儲(chǔ)能電池火災(zāi)幾類新型電力系統(tǒng)外部災(zāi)害問題及相應(yīng)災(zāi)害防治技術(shù)研究現(xiàn)狀，展望了新型電力系統(tǒng)外部災(zāi)害防治技術(shù)未來發(fā)展趨勢(shì)，以期為新型電力系統(tǒng)外部災(zāi)害防治提供研究思路。歡迎品讀。
新型電力系統(tǒng)源網(wǎng)設(shè)備典型外部災(zāi)害防治挑戰(zhàn)與展望
陸佳政，皮新宇，朱思國，歐陽億，張華玉，周特軍，謝鵬康，蔣凌峰，黃清軍，陳寶輝
（國網(wǎng)湖南省電力有限公司防災(zāi)減災(zāi)中心(電網(wǎng)防災(zāi)減災(zāi)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)）
1 研究背景
2020年9月，習(xí)近平總書記提出了“雙碳”國家戰(zhàn)略目標(biāo)，構(gòu)建適應(yīng)大規(guī)模風(fēng)、光可再生能源消納的新型電力系統(tǒng)成為國家重大戰(zhàn)略。
1）風(fēng)光新能源裝機(jī)占比將高達(dá)50%以上，以支撐2030年12億千瓦以上的風(fēng)光裝機(jī)；
2）承擔(dān)風(fēng)光新能源輸送的特高壓與直接承擔(dān)新能源消納的配電網(wǎng)將迅速發(fā)展；
3）為克服新能源波動(dòng)，需配置風(fēng)電、太陽能裝機(jī)容量5%~15%的儲(chǔ)能。
隨著新型電力系統(tǒng)規(guī)模不斷地?cái)U(kuò)大，電網(wǎng)外部災(zāi)害對(duì)其影響也逐漸變得不可忽視。
2 研究意義
目前110~500 kV電網(wǎng)輸變電設(shè)備防冰、防火、防雷等災(zāi)害問題經(jīng)過長期的研究已具備一些較好的解決辦法。然而，過去的電網(wǎng)防災(zāi)減災(zāi)方法已無法滿足新型電力系統(tǒng)中特高壓、配電網(wǎng)、風(fēng)光太陽能、儲(chǔ)能等防災(zāi)需求。同時(shí)，伴隨全球氣候變化，極端天氣較過去發(fā)生頻率更高，影響更大，因此有必要梳理、分析特高壓地線覆冰、輸電線路附近山火、配網(wǎng)雷擊、風(fēng)機(jī)覆冰與雷擊、光伏防災(zāi)以及儲(chǔ)能電池火災(zāi)等新型電力系統(tǒng)主要外部災(zāi)害問題，并對(duì)未來新型電力系統(tǒng)外部災(zāi)害防治技術(shù)發(fā)展進(jìn)行展望。
3 重點(diǎn)內(nèi)容
3.1 特高壓輸電線路地線防冰
特高壓輸電線路是大型新能源基地電能外送的重要通道，受災(zāi)害的影響和帶來的沖擊較傳統(tǒng)電網(wǎng)更為嚴(yán)重。但特高壓輸電線路輸送功率大、線路距離長，常常不可避免地需要穿越高海拔山區(qū)，極易發(fā)生嚴(yán)重覆冰，引起跳閘、斷線，嚴(yán)重危及電網(wǎng)安全。
冬季高負(fù)荷期間特高壓輸送功率大，線路停電融冰代價(jià)高昂，而線路不停電地線融冰仍存多項(xiàng)技術(shù)難點(diǎn)如：
1）融冰產(chǎn)生高靜電電壓影響融冰設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行，±800 kV直流線路地線融冰回路，送電瞬時(shí)地線對(duì)地最大瞬態(tài)靜電電壓達(dá)260 kV，30 s后地線對(duì)地靜電電壓仍高達(dá)30 kV。
2）特高壓地線線徑大，所處位置高、風(fēng)速大，融冰電流選取過大易損壞地線，選取過小難以融冰，融冰電流值選取困難。
3）特高壓線路覆冰段多位于高海拔山區(qū)，地線易覆冰，冬季需融冰操作次數(shù)多?，F(xiàn)有融冰裝置自動(dòng)化程度低，甚至需要臨時(shí)接線，不具備遠(yuǎn)控功能，需人員現(xiàn)場(chǎng)操作，融冰效率低，在大范圍覆冰情況下，人員難以抵達(dá)，設(shè)備運(yùn)維困難，融冰準(zhǔn)備時(shí)間長，影響融冰實(shí)施，對(duì)特高壓地線融冰裝置操作便利性提出更高要求。
2022年1月±800kV賓金線受冰害期間覆冰情況
3.2 特高壓輸電線路防山火
我國山火頻發(fā)，年均多達(dá)7萬處。特高壓輸電線路走廊通道長，常伴有附近植被茂密、雜草叢生，當(dāng)遭遇持續(xù)干燥天氣，易爆發(fā)山火，山火引發(fā)植被燃燒產(chǎn)生的帶電粒子和灰燼顆粒等物質(zhì)均會(huì)導(dǎo)致空氣絕緣程度大幅下降，易造成特高壓輸電線路跳閘停電。山火已成為破壞電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行和電力穩(wěn)定供應(yīng)的主要災(zāi)害之一。目前為應(yīng)對(duì)山火對(duì)電網(wǎng)造成的危害，兩項(xiàng)主要的防災(zāi)技術(shù)為山火監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)和直升機(jī)山火防治技術(shù)。
1）山火監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)
及時(shí)發(fā)現(xiàn)與處置初發(fā)山火是減少山火對(duì)輸電線路跳閘影響最重要的手段。輸電線路分布廣且大多位于地形復(fù)雜的山區(qū)，相較于飛機(jī)、無人機(jī)巡航以及人工實(shí)地觀測(cè)等傳統(tǒng)手段，利用遙感衛(wèi)星監(jiān)測(cè)山火具有監(jiān)測(cè)范圍廣、成本低、時(shí)效性高、數(shù)據(jù)獲取迅速且不受復(fù)雜地形地貌影響的優(yōu)勢(shì)，在輸電線路山火監(jiān)測(cè)中應(yīng)用廣泛。
2）直升機(jī)山火防治技術(shù)
快速滅火是阻止線路山火跳閘的最有效手段，直升機(jī)飛行快、滅火快，人員不直接與火場(chǎng)接觸，成為更理想的山火滅火方式。
山火引發(fā)輸電線路跳閘
3.3 配網(wǎng)線路雷擊防治
配電網(wǎng)為用戶供電，同時(shí)承擔(dān)分布式風(fēng)光新能源消納，具有電能配送、源荷平衡等多項(xiàng)核心功能，運(yùn)行可靠性十分重要。近年來，全球氣候異常變化，自然災(zāi)害頻發(fā)，而配網(wǎng)線路大部分無避雷線，導(dǎo)致配網(wǎng)線路閃絡(luò)事故頻發(fā)，引發(fā)跳閘停電、絕緣子損壞。新型電力系統(tǒng)對(duì)供電穩(wěn)定性提出了更高的要求，配網(wǎng)防雷技術(shù)得到進(jìn)一步關(guān)注。
防雷措施方面，為降低配電網(wǎng)雷擊故障率，國內(nèi)外相繼提出了降低接地電阻、增加線路絕緣強(qiáng)度等方法，但仍存在防雷效果有限、經(jīng)濟(jì)性差等問題。
配網(wǎng)絕緣子雷擊閃絡(luò)
3.4 風(fēng)機(jī)葉片雷擊和覆冰防治
我國風(fēng)力資源儲(chǔ)備豐富，陸上和海上風(fēng)電資源超過1000 GW，風(fēng)力發(fā)電將成為替代化石能源發(fā)電的中堅(jiān)力量。但風(fēng)電新能源系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中存在兩大突出問題：1）風(fēng)電機(jī)組多位于空曠的平原、沿海和高寒山區(qū)，隨著風(fēng)電機(jī)組高度和葉片長度逐漸增加，風(fēng)機(jī)葉片雷擊損壞事故頻發(fā)；2）風(fēng)力發(fā)電機(jī)常處于高濕、低溫的工況下運(yùn)行，風(fēng)機(jī)葉片覆冰損壞、停運(yùn)事故頻發(fā)。
風(fēng)機(jī)葉片雷擊現(xiàn)象
風(fēng)機(jī)葉片覆冰
1）風(fēng)機(jī)葉片防雷技術(shù)
針對(duì)風(fēng)機(jī)葉片防雷問題，國內(nèi)外高校及研究機(jī)構(gòu)從旋轉(zhuǎn)風(fēng)機(jī)葉片雷擊接閃過程、接閃器失效機(jī)理和接閃器型式優(yōu)化等方面開展了相關(guān)研究。隨著海上風(fēng)電的迅速發(fā)展，海洋環(huán)境對(duì)風(fēng)機(jī)防雷系統(tǒng)的影響受到了更多學(xué)者的關(guān)注。
2）風(fēng)機(jī)葉片防冰技術(shù)
針對(duì)風(fēng)機(jī)葉片覆冰難題，國內(nèi)外學(xué)者主要圍繞覆冰預(yù)測(cè)和脫除冰方法兩方面開展了相關(guān)研究，取得了一定的成果。
風(fēng)機(jī)葉片覆冰預(yù)測(cè)主要分為葉片覆冰增長機(jī)理與覆冰厚度預(yù)測(cè)研究。與輸電線路不同，旋轉(zhuǎn)風(fēng)機(jī)葉片具有碰撞過冷水滴多、覆冰增長快、無凍雨也覆冰的特點(diǎn)。但是，現(xiàn)有覆冰預(yù)測(cè)模型大多是基于風(fēng)電集群角度，僅能滿足風(fēng)電場(chǎng)尺度下的電力調(diào)度需求，無法滿足業(yè)主對(duì)單臺(tái)風(fēng)機(jī)覆冰預(yù)測(cè)的實(shí)際需求。此外，海洋環(huán)境下風(fēng)機(jī)葉片的覆冰機(jī)理尚不清晰。
脫除冰方法方面，現(xiàn)有風(fēng)機(jī)葉片脫除冰方法主要分為熱力除冰、涂層除冰、機(jī)械除冰3類。熱力除冰技術(shù)分為氣熱除冰和電熱除冰：氣熱除冰指在葉片中安裝加熱和鼓風(fēng)裝置，利用熱氣在風(fēng)機(jī)葉片空腔中的流動(dòng)來傳遞熱量、融化冰層；電熱除冰指在葉片表面或蒙皮內(nèi)鋪貼電加熱裝置，通過電阻熱融化覆冰。涂層除冰技術(shù)重點(diǎn)考慮其疏水性和冰低黏附性兩方面。機(jī)械除冰技術(shù)指通過人工或機(jī)械對(duì)冰層結(jié)構(gòu)進(jìn)行破壞后通過高壓氣流或離心力去除覆冰，具有除冰效果快、環(huán)境污染小的特點(diǎn)，但通過機(jī)械方式去除覆冰易損壞葉片且高空作業(yè)危險(xiǎn)系數(shù)較高。
3.5 光伏防災(zāi)問題
隨著光伏從集中式為主向分布式并重發(fā)展，產(chǎn)業(yè)面臨的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)仍將持續(xù)加大，提升光伏新能源產(chǎn)業(yè)對(duì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的抵御能力，成為光伏新能源加速發(fā)展面臨的核心議題之一。
高溫、霧霾和覆雪冰凍等突發(fā)極端氣象災(zāi)害可能導(dǎo)致光伏新能源系統(tǒng)出力大幅下降，影響電力供需平衡，不僅直接影響工商業(yè)及居民用電，極端突發(fā)災(zāi)害也會(huì)使電網(wǎng)調(diào)度難以協(xié)調(diào)峰谷值，對(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行造成影響，甚至引發(fā)大規(guī)模停電。此外，氣象災(zāi)害還會(huì)導(dǎo)致光伏發(fā)電設(shè)備設(shè)施損毀，如臺(tái)風(fēng)帶來的極端風(fēng)速、突變風(fēng)向等可造成光伏支架和組件損毀，并對(duì)匯流箱、升壓站等造成危害；暴雨洪澇災(zāi)害可能導(dǎo)致光伏組件絕緣不良、設(shè)備短路等故障；高溫?zé)崂丝赡軐?dǎo)致光伏組件功率失效，影響關(guān)鍵部件壽命；雷電可對(duì)光伏組件、設(shè)備元器件、輸電線路、監(jiān)控設(shè)備等造成損害。
某光伏電站組件坍塌，2021年
3.6 鋰離子電池儲(chǔ)能防火
風(fēng)電和光伏出力具有波動(dòng)性、隨機(jī)性等特點(diǎn)，需配置大規(guī)模儲(chǔ)能。鋰離子電池儲(chǔ)能因具有能量密度高、建設(shè)周期短等優(yōu)點(diǎn)，發(fā)展迅速。然而儲(chǔ)能鋰離子電池在故障情況下易開閥，會(huì)溢出大量氫氣、一氧化碳等可燃?xì)怏w，易起火爆炸，近年全球發(fā)生電池儲(chǔ)能系統(tǒng)起火爆炸事故高達(dá)60余起，造成人員傷亡和重大財(cái)產(chǎn)損失。
鋰離子電池儲(chǔ)能防火存在3大難題：1）電池火為氣液復(fù)合燃燒，擴(kuò)散蔓延迅速，MWh級(jí)儲(chǔ)能電池火源功率高，快速滅火難；2）電池因故障熱失控后，可自發(fā)持續(xù)發(fā)生電化學(xué)產(chǎn)熱和產(chǎn)氣反應(yīng)，通過外部降溫不能有效降低電池內(nèi)部溫度中止化學(xué)反應(yīng)，防復(fù)燃難；3）電池?zé)崾Э禺a(chǎn)生氫氣、一氧化碳等可燃?xì)怏w，爆炸風(fēng)險(xiǎn)高，可燃?xì)怏w擴(kuò)散與濃度分布規(guī)律不清晰，不能高效排氣，防爆難。
某儲(chǔ)能站起火爆炸
4 結(jié)論
1）特高壓地線覆冰：目前特高壓直流線路不停電融冰已獲得突破，下一步亟需解決特高壓交流線路不停電地線融冰技術(shù)，其中如何攻克融冰回路防感應(yīng)電壓和抑制環(huán)流技術(shù)是重點(diǎn)。
2）特高壓輸電線路山火：發(fā)展衛(wèi)星遙感的廣域山火監(jiān)測(cè)技術(shù)是解決電網(wǎng)山火監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)；組建山火觀測(cè)系列星座、挖掘衛(wèi)星影像時(shí)空特征、研究短波紅外通道監(jiān)測(cè)技術(shù)、完善山火數(shù)據(jù)樣本庫優(yōu)化監(jiān)測(cè)模型，解決電網(wǎng)小面積山火識(shí)別問題是未來研究的重點(diǎn)。
3）配網(wǎng)雷擊：配網(wǎng)防雷絕緣子目前最主要的問題是硅橡膠老化嚴(yán)重，導(dǎo)致絕緣子壽命低，未來亟需開展防雷絕緣子表面硅橡膠材料的老化機(jī)理與抗老化配方研究，提升防雷絕緣子壽命至30年以上。
4）風(fēng)機(jī)葉片雷擊：葉片旋轉(zhuǎn)對(duì)接閃機(jī)制的影響尚不清晰。需要結(jié)合旋轉(zhuǎn)風(fēng)機(jī)葉片接閃失效機(jī)理和氣動(dòng)特性，針對(duì)性優(yōu)化葉片防雷裝置，提升葉片接閃能力。
5）風(fēng)機(jī)葉片覆冰：目前廣泛使用的4種融冰技術(shù)(氣熱、電熱、涂層、機(jī)械)均有一定限制，其中電熱融冰融冰效率最高，但如何同時(shí)解決其防雷問題是未來研究的重點(diǎn)。
6）海上風(fēng)電：海上風(fēng)機(jī)葉片尺寸更大，更易遭受雷擊，如何針對(duì)海洋環(huán)境對(duì)接閃系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化亟需進(jìn)一步研究。同時(shí)，海洋環(huán)境下風(fēng)機(jī)葉片的覆冰機(jī)理尚不清晰。冷空氣從陸地進(jìn)入近海海面后如何將水汽抬升至風(fēng)機(jī)葉片高度、高鹽水汽如何碰撞風(fēng)機(jī)葉片產(chǎn)生覆冰等關(guān)鍵問題亟待厘清。
7）光伏防災(zāi)：目前光伏新能源災(zāi)害主要有功率波動(dòng)、火災(zāi)、冰雪災(zāi)害、洪澇暴雨、灰塵等問題，需要研究準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)方法以及經(jīng)濟(jì)高效的滅火系統(tǒng)、自動(dòng)除冰雪等技術(shù)裝備。
8）鋰離子電池儲(chǔ)能火災(zāi)：未來需重點(diǎn)研究熱失控時(shí)可以自動(dòng)切斷電子回路的安全集流體材料、耐受溫度高的隔膜基材、不易著火的阻燃型安全電解液材料，從而開發(fā)本質(zhì)安全儲(chǔ)能電池。
