沙尘暴的电力题解

       ■本网记者　段贵恒

　　２００７年２月２８日凌晨，一列由新疆乌鲁木齐开往阿克苏的旅客列车，行至南疆线珍珠泉至红山渠之间，突遇特大沙尘暴，造成１０节车厢脱轨、人员重大伤亡、南疆线被迫中断行车。据监测，当时最大风力达到了１３级。
　　出事的地点正是新疆最大的风力发电场———达坂城风电场所在地。肆虐的狂风中，吐鲁番电网和达坂城风电场运行稳定，地区供电正常。安全抵御特大沙尘暴袭击的原因，则是新疆电网一年前针对类似灾害天气的“题解”。
　　２００６年４月９日，新疆吐鲁番地区出现罕见的特强沙尘暴天气，风口风力超过１２级，瞬间最大风速达到５１米／秒。受其影响，新疆电网２２０千伏红托线等４条线路相继跳闸，新疆电网与哈密电网解列运行。
　　在此后的一年时间里，新疆电网先后投入数百万元资金，有针对性地对新疆电网，特别是吐鲁番电网托克逊风口、三十里风区和百里风区的输变电设施进行运行维护和防风技术改造。最终，这次改造得到了“回报”。
　　然而，沙尘暴的突发性和不可预测性最终决定：当它到来时，电力系统也不能幸免于难。那么，当今极端灾害天气日益增多的不确定情况下，沙尘暴对电力系统的影响又该如何破题？

　　沙尘暴的活跃与趋缓

　　“沙尘暴是一种天气现象。”中国气象局国家气候中心首席专家、研究员张德二解释说，强大的气旋和低压系统，造成了气流负荷和气流上升的运动，上升气流会把地面疏松的沙尘物质送到上空，再随着涡旋不断移动，把沙尘从原地搬到另外一个地方。沙尘天气一般分为浮尘、扬沙和沙尘暴三种情况，并以风速和能见度作为区分三者的标准。
　　２０世纪９０年代起，我国北方进入沙尘暴活动相对活跃时期，并多次出现影响长江流域的强沙尘暴。最近发生的一次是，２００７年４月２日，受西北偏北气流引导，北方沙尘南下空袭“长三角”，使得上海遭遇了７年以来最为严重的浮沉天气，“申城”笼罩着一片灰黄色的“尘幕”。
　　除此之外，北方的沙尘暴不断向西南部蔓延，使重庆、三峡库区以及与川、黔、湘相连的广大地区被“尘雾”笼罩，能见度不足４００米，白昼似黄昏。
　　沙尘暴是否能够被制止？对此，张德二认为，沙尘暴属于自然现象，自古有之。它是低压系统运动造成的，人类既没有能力去制止它，也没有办法完全把它消灭掉，我们要做的是减少沙尘暴的危害。
　　根据有关部门的研究，最近５０多年的气象记录分析表明，我国每年沙尘暴发生次数的统计曲线，呈现出一个波动起伏的变化，但总体上是一个逐渐下降的趋势。尤其是从气候明显增暖的１９８５年以来，温度增暖的同时，沙尘暴发生的次数和沙尘暴出现的天数都呈下降趋势。
　　比较具有说服力的是，截至今年６月４日，被看作沙尘暴频发地的内蒙古自治区出现了６次沙尘暴天气、２次大风扬沙天气，比上世纪９０年代以来当地春季发生沙尘暴平均次数（１０次）少了４次。
       但专家预言，鉴于未来极端灾害天气事件增多的态势，不排除较强冷空气配合下出现强沙尘暴的可能性。而事实上，沙尘暴对电力系统的影响已经频频发生了。

　　沙气腾腾　电力遭劫
　　沙尘暴影响电力安全供应的事件，在世界各地屡有发生。
　　２０世纪７０年代埃及的Ｋｈａｍａｓｓｉｎｅ地区，春季沙尘暴频发，造成５００千伏和２００千伏输电线路跳闸率比其他地区同一时期高很多。
　　２０世纪８０年代末，埃及和沙特阿拉伯发生了多起沙尘天气，造成高压线路短路跳闸，大面积停电的事故。
　　２００６年２月１２日，受晨露和沙尘的影响，导致高压线路绝缘体短路，悉尼南部和北部地区断电，约三万名居民失去电力供应。
　　２００８年５月２６日，蒙古国中东部和西部戈壁地区出现沙尘暴天气，东部一些地区的能见度降到１０米至２０米，个别地区风速每秒达４０米。沙尘暴严重损毁了蒙古国东部地区居民住宅以及通讯和电力设施。沙尘暴导致高压线路受损，东方省和苏赫巴托尔省断电。
　　在我国，尽管沙尘暴的发生发展呈总体减少的趋势，但近年来，沙尘暴对电力系统的破坏仍不容忽视。２００７年３月２４日开始，一场席卷我国北方大部分地区的强沙尘暴从内蒙古中西部和吉林西部开始蔓延。
　　之后，沙尘暴造成宁夏平罗县部分地区供电中断，甘肃民勤县等地小学生停课。同一时刻，内蒙古二连浩特市全市停水８小时，城区大面积停电达１６小时，部分网络中断１０余小时，由于电线短路，电视、电脑、冰箱等家用电器损失严重。
　　时间更近的２００８年５月２日，甘肃河西、白银等地区突遭罕见强沙尘暴和雷雨袭击，席卷沙石的强风肆虐河西，金昌地区瞬间风力达１０级，河西堡等山口地区风力高达１２级，武威地区也遭受了９级强沙尘暴袭击。
　　接踵而至的雷雨天气让灾情雪上加霜，金昌电网倒塔断线，多条输、配电线路跳闸。武威地区所辖输、配电线路及农网、大用户专线不同程度发生跳闸，损失负荷１５万千瓦，损失电量约６０万千瓦时。这些只是近年来我国西北地区遭受沙尘暴袭击的部分缩影。
　　除了沙尘暴以不可档之势推倒铁塔、折断线路之外，沙尘暴对输电稳定性和输电质量的影响，也正在越来越多地引起专家学者的关注。

　　风沙带电进入纵深研究
　　资料显示，西北３３０千伏线路中相空气间隙，在工频电压下频频发生的无名闪络已成为困扰３３０千伏线路安全运行的一大疑难问题。
　　另据统计，近１０年来，仅我国甘肃省兰州供电局和白银供电局的３３０千伏线路就曾发生２０多次单相接地故障与事故。其中，仅有约３０％发生在边相，且大都能查出明确的故障或事故原因，而另外的７０％却集中发生在中相，且其原因几乎都无法查明，因为几乎都是在工频电压但空气湿度大或有沙尘暴等恶劣天气下发生的空气间隙闪络放电。
　　对于风沙带电机理，目前国内外大多数科学家认为，风沙电是由于不对称摩擦起电产生的。在吹沙过程中，不同尺度沙粒发生相对运动而碰撞摩擦，导致大粒子带正电荷，小粒子带负电荷。由于小粒子主要集中于沙尘暴的上层，因而沙尘暴上层带负电，而地面附近由于大粒子的大量存在而成为正电区域，从而在空间形成了电场。

　　近年来，一直针对这一领域开展研究的重庆大学司马文霞教授认为，由于沙尘暴不仅会造成空气的介电常数增大、电阻率减小、产生强烈的电场活动过程，从而改变输电铁塔塔头电场分布，而且国外研究人员通过实验研究发现，沙尘暴会使空气间隙的冲击放电电压降低，因而沙尘暴有可能是造成中相导线工频电压下空气间隙闪络放电的原因。
　　司马文霞告诉记者，在沙尘暴活动过程中，由于气流运动中沙尘颗粒之间以及沙尘颗粒与地床面之间的电荷交换使沙粒带上了电荷，造成空气的介电常数增大、电阻率减小、形成强烈的负极性电场，从而改变输电线路的电场分布，影响输电线路的相间及相对铁塔空气间隙和绝缘子放电特性，威胁着电力系统的外绝缘运行，进而影响到电力系统的可靠性。
　　一种更为直观易懂的解释是，沙尘会引起线路跳闸，降低供电可靠性；而沙尘暴过后，户外变电站的电力设备表面沉积大量的沙尘，若下小雨也可能会引起短路跳闸；同时，大量的沙尘经过超特高压输电线路时会带走导线周围由于电晕产生的电荷，造成额外的电能损耗。
　　沙尘暴的电力题解
　　如何有效应对极端沙尘暴天气对电力系统造成的危害和影响？作为一个成功抵御沙尘暴再次袭击的典型案例，新疆吐鲁番电业局的做法值得借鉴。
　　“４·９”风灾之后，吐鲁番电业局结合当地实际，制定了防风应急预案。预案中首先针对设备抗风能力进行评估，通过加强风区地段输电设备机械强度检测，及时更换不能满足技术性能要求的设备部件；其次，对风区输电线路导线、引流线、输电线路架空地线、杆体进行了防风改造。

　　资料显示，这些措施中，既包括对风沙带电机理分析后进行的针对绝缘子串等外绝缘放电特性的防护，如吐鲁番电网区域范围内２２０千伏输电线路更换１２９基４９７串绝缘子，也包括对输电电塔的防风加固，如加装了１５７基防风拉线以及３３３基防风钢板，大大提高了吐鲁番电网抵御自然灾害侵袭的能力，也使新疆电网安全稳定运行更加稳固。
　　身处河西走廊沙尘暴“策源地”的甘肃金昌电网，在今年特大强沙尘暴中遭受重创，甘肃省电力公司迅速启动的应急预案中，就包括紧急调整电网运行方式，倒换负荷，把对客户的影响降低到最小，同步进行抢修最后成功抵御了灾害天气。
　　“深入系统地研究沙尘暴环境对电力系统的影响，既有着重要的学术价值，又对‘西电东送’战略具有重要意义”。重庆大学司马文霞教授认为，随着我国“西电东送”战略的实施，西部地区丰富水电资源的开发，西电东送中南、中西通道都要经过高海拔和潮湿地区，北方及西部的沙尘暴蔓延到这些地区形成的沙尘湿雾，到底对超特高压输电空气间隙和绝缘子串的放电特性有何影响，已经是“西电东送”和西部电网发展极为关注的课题。
　　为此，司马文霞给出的答案是，电力部门应与气象部门密切配合，加强沙尘暴灾害预警监测；加强应急预案的培训和演练，提高应急处置能力；编制电力系统预防沙尘暴灾害知识手册，增强防灾减灾意识，减轻灾害造成的损失；设计输电线路时尽量避开沙尘暴频发的地区；对于沙尘高发地区的外绝缘设计适当放大绝缘裕度；加强沙尘对电力系统外绝缘影响的观测和研究。