架空線下樹木增長對安全的影響

萬教智，劉金虎，趙理勇，張 軍

（國網湖北省電力有限公司神農架供電公司，湖北神農架 442400）

1 故障分類及影響因素

1.1 樹閃故障的類別

當架空輸電線路與樹木之間的空隙，因線下及兩側樹木過度生長而減小，甚至小于安全距離時，便會出現“樹閃”現象。根據引起的原因，樹閃故障大致可分為3種。

（1）在惡劣天氣影響下，如暴風，雷雨天氣等，架空線路中的樹木容易發生折斷，飄浮到桿塔或導線上，短接絕緣子串，引發閃絡故障跳閘。在線路實際運行中，這種情況的發生概率極小。

（2）在大風情況下，線路導線和樹木都發生風偏搖擺，擺幅較大且電力走廊外的樹木樹冠生長接近走廊的時候，線路就可能與電力走廊外的樹木之間發生樹閃故障。這種情況是由于樹木距線路邊線的距離不足，樹木及導線風偏引起導線與樹木的凈空距離小于閃絡距離，引起線路跳閘。這種跳閘一般為瞬時性故障，自動重合閘重合成功的概率較高，對系統安全運行的沖擊較小。這種情況主要是通過加大線路走廊植物的處理力度，擴大兩邊線外樹木的砍伐的寬度。

（3）在大停電中經常遇到的樹閃故障，是線路過熱導線弧垂增大而接近樹木導致的，如圖1所示。

在外界環境和線路輸送電能等因素的影響下，會使數電線路溫度升高，線路易被拉伸，使弧垂度增加，垂度由f1增加到f2。如果架空線路下的植被沒有定期進行修剪，使高度達到H時，且植被與輸電線路之間的距離不超過d時，導線對植物發生閃絡放電，這種樹閃故障的條件見式（1）。

圖1 樹閃故障原理

這種類型的樹閃故障一般重合成功的概率較小，最容易誘發大面積停電事故。在架空線路正常工作的情況下，維護人員很難留意架空線路下是否會發生樹閃故障，再加上樹閃故障引發的跳閘現象屬于高阻接地故障，在排除行波故障測距裝置外，使用一般故障測距距離具有較大的誤差，短時間內難以排查故障點。負責調度運行的維護人員，通常會采用強送電達到恢復故障線路運行的目的，這樣會使線路短暫的恢復運行，但是會使導線輸出電能過多產生大量熱能，增加導線弧垂與樹木發生樹閃再次跳閘。如果此時再有故障線路的負荷轉移到正常運行的線路上，就很有可能導致本來處于正常運作的線路負荷工作，使弧垂度增加，線路過于接近樹木，就會增加樹閃故障的發生概率，引發連鎖效應造成大規模的停電事故。如在21世紀初發生的美加大停電事故，最終通過調查發現，造成停電的罪魁禍首是架空線路發生樹閃故障所引起的。但是奇怪的是發生樹閃故障中的線路并沒有超過額定功率，這就反應出引發樹閃故障的主要原因還是樹木過高與架空線發生接觸所致，所以需要對高架線下高桿植物進行高度管理。樹閃故障具有較大的危害性，本文對此類故障的主要研究目的是最大限度的降低其危害性。

1.2 對樹閃故障的主要影響因素的剖析

造成上述最后一類樹閃發生的主要原因是，植物高度與輸電線路下垂度所導致的，在架空線路正常工作的情況下，可將線路的弧垂表達為式（2）。

式中f——垂度

i——線電流

θ——線路所處的環境溫度

v——風速

g——一個簡單的函數關系

式（2）能夠計算出最高環境溫度、額定載荷或過載和無風等臨界條件下的最大垂度。從式（2）可以確定，如果導線的跨距保持不變，主要決定弧垂變化的因素主要是線路電流和線路運行環境的溫度以及風速等。

2 風險因素

2.1 輸電線路弧垂

弧垂作為影響架空線路能否穩定運行的重要影響因素之一，如果輸電線路弧垂度過大，使線路與周圍的建筑、植物等物體距離過小，則會導致短路跳閘和風偏放電等故障。如陽光照射、環境溫度、導線應力等很多因素都在一定程度上影響弧垂程度。而其中導線應力對弧垂具有重要的影響，在進行架空線路施工的過程中，對導線的初始應力已經確定，所以在進行運算推導的過程中，只需要考慮導線的環境、符合等可能改變導線應力的因素。

2.2 樹生長

隨著時間推移，輸電線路走廊內植被與導線的距離會因樹木的生長而變化，當輸電線路走廊內植被與導線的距離小于安全距離時，極有可能造成樹閃故障，使輸電線路的穩定運行收到一定的影響。Chapman-Richards曲線是描述模擬樹高生長的著名模型，表達式為式（3）。

式中H（t）——樹高

t——樹齡

a，b，c——待定常數，主要反映對特定樹種和地點環境

林業研究表明，樹高不僅與樹齡有關，而且與氣象因子密切相關，尤其是降雨對樹木生長的影響最大。在不同區域中的氣象因子、樹種都有一定的影響。因此，基于Chapman Richards模型，考慮到適合于相應區域的氣象因子的影響，能夠更加準確的確定樹高。通過現有林業研究以及植物管理情況給出的資料，需要考慮3個因素。

（1）架空走廊下的植物通常不是定期修剪，而是直接砍伐。架空線路下的樹木普遍是在采伐周期之后的幼苗，不需要考慮修剪對樹高的影響。

（2）找出廊道中的優勢樹種，深入研究樹木。

（3）降雨量和溫度等環境因素對樹高的影響。

通過上文的分析不難看出，樹高能夠表示為氣象因子和時間序列趨勢項隨機項兩部分的疊加。其中時間序列趨勢項由公式（3）表示，可將氣象因子表達為式（4）。

式中m——樹齡

Hcm——第m年樹高氣象生長量

c0——常數項

pcm-1——上年總降雨量

j——生長期中的月序號

n——生長期月數

pmj——第m年生長期內第j月的降雨量

α0，αj——偏回歸系數

由于降雨對樹高生長具有一定的延后影響，通過式（4）也可以體現出降雨量上一年對樹高的影響。

由公式（3）和（4）得出，第 t年的樹高 H（t）為式（5）。

式中的偏回歸系數可借助回歸分析的方法進行估計。

4 高架線下樹木增長解決方案

4.1 根源控制

架空線路下樹木屏障是采用砍伐無法根本解決的隱患，所以需要在線路選擇方面從根本上杜絕后患，積極的與當地政府機構進行聯系，做好電力安全的宣傳教育工作，避免在輸電通道內種植過高的植物。

4.2 提高樹障隱患數據的準確性。

為提高樹障隱患數據的準確性，將監測分為短期精監測與長期粗監測：短期精監測將在生長季節（每年2—6月）定期對架空線路下植物生長情況進行測定，并確定優勢樹種，同步利用小型氣候站對降雨量、空氣溫度、空氣濕度、光照強度、土壤溫度、土壤濕度、蒸發量等氣象因子進行全天候現場監測，進而將獲取的樹木生長數據和氣候因子數據代入式（5），通過回歸擬合分析樹木短期生長模型；長期粗監測將通過樹木胸徑與樹木生長關系的模型擬合，推斷樹木年齡，結合當地氣象數據，同樣擬合分析式（5）的各參數。以短期與長期相結合，精監測與粗監測相配合，完善架空線路走廊管理方案，并且有效減少管理架空線路走廊管理的經費。

5 結論

架空線路是電力系統的重要組成部分，擔負著遠距離輸電的任務。高架線路大多位于山區和丘陵地區，環境極其復雜。由于通道內樹木的過度生長，經常發生導線跳閘，嚴重影響線路的安全運行。通過對架空線與高桿樹木之間的關系進行分析，確定主要影響因素，針對主要因素提出一系列的管理措施，以確保架空線路能夠安全穩定的運行。