中國儲能網(wǎng)訊：隨著“雙碳”目標的提出，構(gòu)建風光新能源迅速發(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、雷擊等外部災害影響嚴重，新型電力系統(tǒng)外部災害防治技術(shù)研究迫在眉睫。本文分析了幾種典型新型電力系統(tǒng)外部災害風險，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、風機覆冰與雷擊、光伏防災以及儲能電池火災幾類新型電力系統(tǒng)外部災害問題及相應災害防治技術(shù)研究現(xiàn)狀，展望了新型電力系統(tǒng)外部災害防治技術(shù)未來發(fā)展趨勢，以期為新型電力系統(tǒng)外部災害防治提供研究思路。歡迎品讀。
新型電力系統(tǒng)源網(wǎng)設備典型外部災害防治挑戰(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減災中心(電網(wǎng)防災減災全國重點實驗室)）
1 研究背景
2020年9月，習近平總書記提出了“雙碳”國家戰(zhàn)略目標，構(gòu)建適應大規(guī)模風、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）風光新能源裝機占比將高達50%以上，以支撐2030年12億千瓦以上的風光裝機；
2）承擔風光新能源輸送的特高壓與直接承擔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，需配置風電、太陽能裝機容量5%~15%的儲能。
隨著新型電力系統(tǒng)規(guī)模不斷地擴大，電網(wǎng)外部災害對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)輸變電設備防冰、防火、防雷等災害問題經(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)防災減災方法已無法滿足新型電力系統(tǒng)中特高壓、配電網(wǎng)、風光太陽能、儲能等防災需求。同時，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、風機覆冰與雷擊、光伏防災以及儲能電池火災等新型電力系統(tǒng)主要外部災害問題，并對未來新型電力系統(tǒng)外部災害防治技術(shù)發(fā)展進行展望。
3 重點內(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，受災害的影響和帶來的沖擊較傳統(tǒng)電網(wǎng)更為嚴重。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)生嚴重覆冰，引起跳閘、斷線，嚴重危及電網(wǎng)安全。
冬季高負荷期間特高壓輸送功率大，線路停電融冰代價高昂，而線路不停電地線融冰仍存多項技術(shù)難點如：
1）融冰產(chǎn)生高靜電電壓影響融冰設備安全穩(wěn)定運行，±800 kV直流線路地線融冰回路，送電瞬時地線對地最大瞬態(tài)靜電電壓達260 kV，30 s后地線對地靜電電壓仍高達30 kV。
2）特高壓地線線徑大，所處位置高、風速大，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。現(xiàn)有融冰裝置自動化程度低，甚至需要臨時接線，不具備遠控功能，需人員現(xiàn)場操作，融冰效率低，在大范圍覆冰情況下，人員難以抵達，設備運維困難，融冰準備時間長，影響融冰實施，對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)均會導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)定運行和電力穩(wěn)定供應的主要災害之一。目前為應對山火對電網(wǎng)造成的危害，兩項主要的防災技術(shù)為山火監(jiān)測預警技術(shù)和直升機山火防治技術(shù)。
1）山火監(jiān)測預警技術(shù)
及時發(fā)現(xiàn)與處置初發(fā)山火是減少山火對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雜的山區(qū)，相較于飛機、無人機巡航以及人工實地觀測等傳統(tǒng)手段，利用遙感衛(wèi)星監(jiān)測山火具有監(jiān)測范圍廣、成本低、時效性高、數(shù)據(jù)獲取迅速且不受復雜地形地貌影響的優(yōu)勢，在輸電線路山火監(jiān)測中應用廣泛。
2）直升機山火防治技術(shù)
快速滅火是阻止線路山火跳閘的最有效手段，直升機飛行快、滅火快，人員不直接與火場接觸，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，同時承擔分布式風光新能源消納，具有電能配送、源荷平衡等多項核心功能，運行可靠性十分重要。近年來，全球氣候異常變化，自然災害頻發(fā)，而配網(wǎng)線路大部分無避雷線，導致配網(wǎng)線路閃絡事故頻發(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、增加線路絕緣強度等方法，但仍存在防雷效果有限、經(jīng)濟性差等問題。
配網(wǎng)絕緣子雷擊閃絡
3.4 風機葉片雷擊和覆冰防治
我國風力資源儲備豐富，陸上和海上風電資源超過1000 GW，風力發(fā)電將成為替代化石能源發(fā)電的中堅力量。但風電新能源系統(tǒng)實際運行中存在兩大突出問題：1）風電機組多位于空曠的平原、沿海和高寒山區(qū)，隨著風電機組高度和葉片長度逐漸增加，風機葉片雷擊損壞事故頻發(fā)；2）風力發(fā)電機常處于高濕、低溫的工況下運行，風機葉片覆冰損壞、停運事故頻發(fā)。
風機葉片雷擊現(xiàn)象
風機葉片覆冰
1）風機葉片防雷技術(shù)
針對風機葉片防雷問題，國內(nèi)外高校及研究機構(gòu)從旋轉(zhuǎn)風機葉片雷擊接閃過程、接閃器失效機理和接閃器型式優(yōu)化等方面開展了相關(guān)研究。隨著海上風電的迅速發(fā)展，海洋環(huán)境對風機防雷系統(tǒng)的影響受到了更多學者的關(guān)注。
2）風機葉片防冰技術(shù)
針對風機葉片覆冰難題，國內(nèi)外學者主要圍繞覆冰預測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。
風機葉片覆冰預測主要分為葉片覆冰增長機理與覆冰厚度預測研究。與輸電線路不同，旋轉(zhuǎn)風機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。但是，現(xiàn)有覆冰預測模型大多是基于風電集群角度，僅能滿足風電場尺度下的電力調(diào)度需求，無法滿足業(yè)主對單臺風機覆冰預測的實際需求。此外，海洋環(huán)境下風機葉片的覆冰機理尚不清晰。
脫除冰方法方面，現(xiàn)有風機葉片脫除冰方法主要分為熱力除冰、涂層除冰、機械除冰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裝置，利用熱氣在風機葉片空腔中的流動來傳遞熱量、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)重點考慮其疏水性和冰低黏附性兩方面。機械除冰技術(shù)指通過人工或機械對冰層結(jié)構(gòu)進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，但通過機械方式去除覆冰易損壞葉片且高空作業(yè)危險系數(shù)較高。
3.5 光伏防災問題
隨著光伏從集中式為主向分布式并重發(fā)展，產(chǎn)業(yè)面臨的災害風險仍將持續(xù)加大，提升光伏新能源產(chǎn)業(yè)對災害風險的抵御能力，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)極端氣象災害可能導致光伏新能源系統(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)災害也會使電網(wǎng)調(diào)度難以協(xié)調(diào)峰谷值，對電網(wǎng)安全運行造成影響，甚至引發(fā)大規(guī)模停電。此外，氣象災害還會導致光伏發(fā)電設備設施損毀，如臺風帶來的極端風速、突變風向等可造成光伏支架和組件損毀，并對匯流箱、升壓站等造成危害；暴雨洪澇災害可能導致光伏組件絕緣不良、設備短路等故障；高溫熱浪可能導致光伏組件功率失效，影響關(guān)鍵部件壽命；雷電可對光伏組件、設備元器件、輸電線路、監(jiān)控設備等造成損害。
某光伏電站組件坍塌，2021年
3.6 鋰離子電池儲能防火
風電和光伏出力具有波動性、隨機性等特點，需配置大規(guī)模儲能。鋰離子電池儲能因具有能量密度高、建設周期短等優(yōu)點，發(fā)展迅速。然而儲能鋰離子電池在故障情況下易開閥，會溢出大量氫氣、一氧化碳等可燃氣體，易起火爆炸，近年全球發(fā)生電池儲能系統(tǒng)起火爆炸事故高達60余起，造成人員傷亡和重大財產(chǎn)損失。
鋰離子電池儲能防火存在3大難題：1）電池火為氣液復合燃燒，擴散蔓延迅速，MWh級儲能電池火源功率高，快速滅火難；2）電池因故障熱失控后，可自發(fā)持續(xù)發(fā)生電化學產(chǎn)熱和產(chǎn)氣反應，通過外部降溫不能有效降低電池內(nèi)部溫度中止化學反應，防復燃難；3）電池熱失控產(chǎn)生氫氣、一氧化碳等可燃氣體，爆炸風險高，可燃氣體擴散與濃度分布規(guī)律不清晰，不能高效排氣，防爆難。
某儲能站起火爆炸
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電壓和抑制環(huán)流技術(shù)是重點。
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)測技術(shù)是解決電網(wǎng)山火監(jiān)測的重點；組建山火觀測系列星座、挖掘衛(wèi)星影像時空特征、研究短波紅外通道監(jiān)測技術(shù)、完善山火數(shù)據(jù)樣本庫優(yōu)化監(jiān)測模型，解決電網(wǎng)小面積山火識別問題是未來研究的重點。
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重，導致絕緣子壽命低，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）風機葉片雷擊：葉片旋轉(zhuǎn)對接閃機制的影響尚不清晰。需要結(jié)合旋轉(zhuǎn)風機葉片接閃失效機理和氣動特性，針對性優(yōu)化葉片防雷裝置，提升葉片接閃能力。
5）風機葉片覆冰：目前廣泛使用的4種融冰技術(shù)(氣熱、電熱、涂層、機械)均有一定限制，其中電熱融冰融冰效率最高，但如何同時解決其防雷問題是未來研究的重點。
6）海上風電：海上風機葉片尺寸更大，更易遭受雷擊，如何針對海洋環(huán)境對接閃系統(tǒng)進一步優(yōu)化亟需進一步研究。同時，海洋環(huán)境下風機葉片的覆冰機理尚不清晰。冷空氣從陸地進入近海海面后如何將水汽抬升至風機葉片高度、高鹽水汽如何碰撞風機葉片產(chǎn)生覆冰等關(guān)鍵問題亟待厘清。
7）光伏防災：目前光伏新能源災害主要有功率波動、火災、冰雪災害、洪澇暴雨、灰塵等問題，需要研究準確的預測方法以及經(jīng)濟高效的滅火系統(tǒng)、自動除冰雪等技術(shù)裝備。
8）鋰離子電池儲能火災：未來需重點研究熱失控時可以自動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)安全儲能電池。
