中国储能网讯：随着“双碳”目标的提出，构建风光新能源迅速发展的新型电力系统成为国家战略。目前，新型电力系统受覆冰、山火、雷击等外部灾害影响严重，新型电力系统外部灾害防治技术研究迫在眉睫。本文分析了几种典型新型电力系统外部灾害风险，探讨了特高压地线覆冰、特高压输电线路附近山火、配网雷击、风机覆冰与雷击、光伏防灾以及储能电池火灾几类新型电力系统外部灾害问题及相应灾害防治技术研究现状，展望了新型电力系统外部灾害防治技术未来发展趋势，以期为新型电力系统外部灾害防治提供研究思路。欢迎品读。

新型电力系统源网设备典型外部灾害防治挑战与展望

陆佳政，皮新宇，朱思国，欧阳亿，张华玉，周特军，谢鹏康，蒋凌峰，黄清军，陈宝辉

（国网湖南省电力有限公司防灾减灾中心(电网防灾减灾全国重点实验室)）

  1 研究背景

  2020年9月，习近平总书记提出了“双碳”国家战略目标，构建适应大规模风、光可再生能源消纳的新型电力系统成为国家重大战略。

  1）风光新能源装机占比将高达50%以上，以支撑2030年12亿千瓦以上的风光装机；

  2）承担风光新能源输送的特高压与直接承担新能源消纳的配电网将迅速发展；

  3）为克服新能源波动，需配置风电、太阳能装机容量5%~15%的储能。

  随着新型电力系统规模不断地扩大，电网外部灾害对其影响也逐渐变得不可忽视。

  2 研究意义 

  目前110~500 kV电网输变电设备防冰、防火、防雷等灾害问题经过长期的研究已具备一些较好的解决办法。然而，过去的电网防灾减灾方法已无法满足新型电力系统中特高压、配电网、风光太阳能、储能等防灾需求。同时，伴随全球气候变化，极端天气较过去发生频率更高，影响更大，因此有必要梳理、分析特高压地线覆冰、输电线路附近山火、配网雷击、风机覆冰与雷击、光伏防灾以及储能电池火灾等新型电力系统主要外部灾害问题，并对未来新型电力系统外部灾害防治技术发展进行展望。

  3 重点内容 

  3.1 特高压输电线路地线防冰

  特高压输电线路是大型新能源基地电能外送的重要通道，受灾害的影响和带来的冲击较传统电网更为严重。但特高压输电线路输送功率大、线路距离长，常常不可避免地需要穿越高海拔山区，极易发生严重覆冰，引起跳闸、断线，严重危及电网安全。

  冬季高负荷期间特高压输送功率大，线路停电融冰代价高昂，而线路不停电地线融冰仍存多项技术难点如：

  1）融冰产生高静电电压影响融冰设备安全稳定运行，±800 kV直流线路地线融冰回路，送电瞬时地线对地最大瞬态静电电压达260 kV，30 s后地线对地静电电压仍高达30 kV。

  2）特高压地线线径大，所处位置高、风速大，融冰电流选取过大易损坏地线，选取过小难以融冰，融冰电流值选取困难。

  3）特高压线路覆冰段多位于高海拔山区，地线易覆冰，冬季需融冰操作次数多。现有融冰装置自动化程度低，甚至需要临时接线，不具备远控功能，需人员现场操作，融冰效率低，在大范围覆冰情况下，人员难以抵达，设备运维困难，融冰准备时间长，影响融冰实施，对特高压地线融冰装置操作便利性提出更高要求。

2022年1月±800kV宾金线受冰害期间覆冰情况

  3.2 特高压输电线路防山火

  我国山火频发，年均多达7万处。特高压输电线路走廊通道长，常伴有附近植被茂密、杂草丛生，当遭遇持续干燥天气，易爆发山火，山火引发植被燃烧产生的带电粒子和灰烬颗粒等物质均会导致空气绝缘程度大幅下降，易造成特高压输电线路跳闸停电。山火已成为破坏电网安全稳定运行和电力稳定供应的主要灾害之一。目前为应对山火对电网造成的危害，两项主要的防灾技术为山火监测预警技术和直升机山火防治技术。

  1）山火监测预警技术

  及时发现与处置初发山火是减少山火对输电线路跳闸影响最重要的手段。输电线路分布广且大多位于地形复杂的山区，相较于飞机、无人机巡航以及人工实地观测等传统手段，利用遥感卫星监测山火具有监测范围广、成本低、时效性高、数据获取迅速且不受复杂地形地貌影响的优势，在输电线路山火监测中应用广泛。

  2）直升机山火防治技术

  快速灭火是阻止线路山火跳闸的最有效手段，直升机飞行快、灭火快，人员不直接与火场接触，成为更理想的山火灭火方式。

山火引发输电线路跳闸

  3.3 配网线路雷击防治

  配电网为用户供电，同时承担分布式风光新能源消纳，具有电能配送、源荷平衡等多项核心功能，运行可靠性十分重要。近年来，全球气候异常变化，自然灾害频发，而配网线路大部分无避雷线，导致配网线路闪络事故频发，引发跳闸停电、绝缘子损坏。新型电力系统对供电稳定性提出了更高的要求，配网防雷技术得到进一步关注。

  防雷措施方面，为降低配电网雷击故障率，国内外相继提出了降低接地电阻、增加线路绝缘强度等方法，但仍存在防雷效果有限、经济性差等问题。

配网绝缘子雷击闪络

  3.4 风机叶片雷击和覆冰防治

  我国风力资源储备丰富，陆上和海上风电资源超过1000 GW，风力发电将成为替代化石能源发电的中坚力量。但风电新能源系统实际运行中存在两大突出问题：1）风电机组多位于空旷的平原、沿海和高寒山区，随着风电机组高度和叶片长度逐渐增加，风机叶片雷击损坏事故频发；2）风力发电机常处于高湿、低温的工况下运行，风机叶片覆冰损坏、停运事故频发。

风机叶片雷击现象

风机叶片覆冰

  1）风机叶片防雷技术

  针对风机叶片防雷问题，国内外高校及研究机构从旋转风机叶片雷击接闪过程、接闪器失效机理和接闪器型式优化等方面开展了相关研究。随着海上风电的迅速发展，海洋环境对风机防雷系统的影响受到了更多学者的关注。

  2）风机叶片防冰技术

  针对风机叶片覆冰难题，国内外学者主要围绕覆冰预测和脱除冰方法两方面开展了相关研究，取得了一定的成果。

  风机叶片覆冰预测主要分为叶片覆冰增长机理与覆冰厚度预测研究。与输电线路不同，旋转风机叶片具有碰撞过冷水滴多、覆冰增长快、无冻雨也覆冰的特点。但是，现有覆冰预测模型大多是基于风电集群角度，仅能满足风电场尺度下的电力调度需求，无法满足业主对单台风机覆冰预测的实际需求。此外，海洋环境下风机叶片的覆冰机理尚不清晰。

  脱除冰方法方面，现有风机叶片脱除冰方法主要分为热力除冰、涂层除冰、机械除冰3类。热力除冰技术分为气热除冰和电热除冰：气热除冰指在叶片中安装加热和鼓风装置，利用热气在风机叶片空腔中的流动来传递热量、融化冰层；电热除冰指在叶片表面或蒙皮内铺贴电加热装置，通过电阻热融化覆冰。涂层除冰技术重点考虑其疏水性和冰低黏附性两方面。机械除冰技术指通过人工或机械对冰层结构进行破坏后通过高压气流或离心力去除覆冰，具有除冰效果快、环境污染小的特点，但通过机械方式去除覆冰易损坏叶片且高空作业危险系数较高。

  3.5 光伏防灾问题

  随着光伏从集中式为主向分布式并重发展，产业面临的灾害风险仍将持续加大，提升光伏新能源产业对灾害风险的抵御能力，成为光伏新能源加速发展面临的核心议题之一。

  高温、雾霾和覆雪冰冻等突发极端气象灾害可能导致光伏新能源系统出力大幅下降，影响电力供需平衡，不仅直接影响工商业及居民用电，极端突发灾害也会使电网调度难以协调峰谷值，对电网安全运行造成影响，甚至引发大规模停电。此外，气象灾害还会导致光伏发电设备设施损毁，如台风带来的极端风速、突变风向等可造成光伏支架和组件损毁，并对汇流箱、升压站等造成危害；暴雨洪涝灾害可能导致光伏组件绝缘不良、设备短路等故障；高温热浪可能导致光伏组件功率失效，影响关键部件寿命；雷电可对光伏组件、设备元器件、输电线路、监控设备等造成损害。

某光伏电站组件坍塌，2021年

  3.6 锂离子电池储能防火

  风电和光伏出力具有波动性、随机性等特点，需配置大规模储能。锂离子电池储能因具有能量密度高、建设周期短等优点，发展迅速。然而储能锂离子电池在故障情况下易开阀，会溢出大量氢气、一氧化碳等可燃气体，易起火爆炸，近年全球发生电池储能系统起火爆炸事故高达60余起，造成人员伤亡和重大财产损失。

  锂离子电池储能防火存在3大难题：1）电池火为气液复合燃烧，扩散蔓延迅速，MWh级储能电池火源功率高，快速灭火难；2）电池因故障热失控后，可自发持续发生电化学产热和产气反应，通过外部降温不能有效降低电池内部温度中止化学反应，防复燃难；3）电池热失控产生氢气、一氧化碳等可燃气体，爆炸风险高，可燃气体扩散与浓度分布规律不清晰，不能高效排气，防爆难。

某储能站起火爆炸

  4 结论  

  1）特高压地线覆冰：目前特高压直流线路不停电融冰已获得突破，下一步亟需解决特高压交流线路不停电地线融冰技术，其中如何攻克融冰回路防感应电压和抑制环流技术是重点。

  2）特高压输电线路山火：发展卫星遥感的广域山火监测技术是解决电网山火监测的重点；组建山火观测系列星座、挖掘卫星影像时空特征、研究短波红外通道监测技术、完善山火数据样本库优化监测模型，解决电网小面积山火识别问题是未来研究的重点。

  3）配网雷击：配网防雷绝缘子目前最主要的问题是硅橡胶老化严重，导致绝缘子寿命低，未来亟需开展防雷绝缘子表面硅橡胶材料的老化机理与抗老化配方研究，提升防雷绝缘子寿命至30年以上。

  4）风机叶片雷击：叶片旋转对接闪机制的影响尚不清晰。需要结合旋转风机叶片接闪失效机理和气动特性，针对性优化叶片防雷装置，提升叶片接闪能力。

  5）风机叶片覆冰：目前广泛使用的4种融冰技术(气热、电热、涂层、机械)均有一定限制，其中电热融冰融冰效率最高，但如何同时解决其防雷问题是未来研究的重点。

  6）海上风电：海上风机叶片尺寸更大，更易遭受雷击，如何针对海洋环境对接闪系统进一步优化亟需进一步研究。同时，海洋环境下风机叶片的覆冰机理尚不清晰。冷空气从陆地进入近海海面后如何将水汽抬升至风机叶片高度、高盐水汽如何碰撞风机叶片产生覆冰等关键问题亟待厘清。

  7）光伏防灾：目前光伏新能源灾害主要有功率波动、火灾、冰雪灾害、洪涝暴雨、灰尘等问题，需要研究准确的预测方法以及经济高效的灭火系统、自动除冰雪等技术装备。

  8）锂离子电池储能火灾：未来需重点研究热失控时可以自动切断电子回路的安全集流体材料、耐受温度高的隔膜基材、不易着火的阻燃型安全电解液材料，从而开发本质安全储能电池。