引言

电网“污闪”故障是输电线路上的绝缘子或电站外绝缘上面，由于空气中的污染物使绝缘子积污，当气象条件适宜时，输电线路便不断发生“闪络跳闸”，从而造成大面积停电或击坏电器设备等的事故。尽管研究发现污闪故障发生的每一个阶段都与气象因素密切相关(刁平等，2002；高航，2001；李伟，1984；董新胜等，2005)，但已有的研究主要集中在从电磁学的角度讨论气象要素(如雾-霾等)对空间间隙绝缘水平、复合绝缘子绝缘水平和电磁环境等的影响过程，论证了雾霾天气的持续时间、湿度、温度、颗粒物浓度、粒径、酸碱性等对电网线路的影响较明显(邓鹤鸣等，2009；谷琛等，2011)。

大量的污闪故障表明，电网污闪故障实质是一种与电、热、化学因素有关的污秽表面气体电离及局部电弧发展的热平衡过程(李东，2006)，该类故障的发生与绝缘装置的类型、绝缘配置比距、劣质绝缘子的应用、绝缘子运行维护水平等电网设备本身的设计、建设和维护等有密切关系(刘智勇等，2001)，同时需要一定的气象条件配合，才会出现污闪跳闸事故(刘其顺等，1997；王运禄等，2003；Ghosh et al，1995；Ahmad et al，2002；Guan et al，1996; 刘平原等，2008)。因此，从气象学的角度研究气象条件与电网污闪的关系逐渐成为交叉学科发展及防灾减灾应用的重要内容之一。

根据不同的气象条件，我国的污闪事故大致可以分干燥少雨污秽闪络型、近海重污地区污闪型和潮湿多雨地区污闪型三类，而研究中关注的河南省电网污闪类型属于干燥少雨污秽闪络型，这类污闪有它自身的规律性：90%以上的污闪事故发生在秋季的后期或冬季，即11—3月，其主要原因是这个季节降水以微量过程为主，浓雾发生频率高；冬季污源增加，造成长时间污秽积累。污闪事故多发生在夜间和凌晨，即00—07时，此时相对湿度较大，是浓雾和微量降水的多发时段(王运禄等，2003；王正旺等，2005；陈祺等，2012)。

如前文所述，电网污闪故障与气象条件有着密切复杂的联系，致灾机理比较复杂。如绝缘表面的湿润成灾机理，湿润强度从最小值逐渐增加时，积污层的受潮程度和电导率逐渐增大，引起闪络电压降低(易导致闪络跳闸)；但当湿润强度到达临界值后，继续增加湿润强度时，电导率不会再增大，反而会出现污秽物被冲洗的现象。因此，致灾气象临界值的研究成为关键。

20世纪末以来，致力于满足防灾减灾的实际需求，相关学者从气象要素与电网灾害关联关系的角度出发，开展了大量的研究工作(陈百炼等，2014；甘璐等，2012；付桂琴等，2012；夏智宏等，2012；温华洋等，2011；吴素良等，2010；顾骏强等，2010；庞文保等，2012)，其中诱发电力污闪事故的气象条件综合判别指标成为研究热点之一。研究首先指出，电网污闪形成的气象条件首先是要有一定的积污期，使得绝缘子表面的积污，即污闪事故前长时间累计雨量较小(刁平等，2002；袁贵中等，2011)。而诱发盆地电网污闪的气象因子是雾、雾和雨、雾和毛毛雨等，其中以雾为主要气象因子(王运禄，1998)。初步统计结果表明，全国大多数污闪是由污闪雾引发的，其中北方地区污闪雾引发的污闪故障占总数的99%(王运禄等，2003)。利用乌鲁木齐市1989—2000年的污闪和气象资料，刁平等(2002)初步建立了年污闪次数与年降水量和年平均气温的回归模型；普查广东地区污闪事故的气象要素发现累计30、40和60 d雨量小于10 mm是发生污闪的前提条件，污闪前1~3 d以下气象要素为诱发条件：地面有轻雾、雾或浓雾，平均相对湿度高于80%，平均气温18~20℃，温度在10~24℃之间(袁贵中等，2011)；大量收集1961—2003年电网污闪、大气污染资料和气象资料后，王运禄等(2003)发现污闪前，低空大气层结期稳定日数多，降水少，有积污产生，北方地区代表站污闪日和前的60 d内无降水日数可达45~57 d；诱发污闪的气象因子有污闪雾(浓度特大、含水量多、出现时能见度≤5 m、一般持续时间在10 h以上)、小雨和毛毛雨等，同时指出高湿(污闪日的日平均值72%~ 97%, 污闪时91%~98%，污闪前6 h 91%~ 98%)、小风(污闪日0.5~1.5 m·s^-1, 前3 d 0.5~2.3 m·s^-1, 污闪时和前6 h的风速0.0~2.0 m·s^-1)、低空逆温(污闪日和前1~3 d低空逆温层厚度100 m以上)、无降水是污闪雾生成的最佳条件；王正旺等(2005)基于1980—2003年长治市发生的26次严重电力污闪事故数据，初步给出了长治地区污闪事故发生的气象条件综合判别指标及事故发生的可能性分级预测标准。综上研究可见，已有的研究从气象学的角度勾勒了污闪事故发生的气象条件轮廓，对进一步开展这方面的深入研究奠定了坚实的基础。但研究未针对河南地区电网污闪事故的局地气象条件建立定量化的综合气象指标。因此，有必要基于河南局地电网污闪相关资料，开展具有地区针对性的污闪综合气象模型研究。

如前文所述，导致电网污闪故障发生的要素比较复杂，不仅与其自身的抗污闪性能有关，还与外部环境下积聚的污秽程度有关。本文仅以地面气象要素为研究对象，通过河南省有限的污闪故障历史数据及地面气象观测数据的综合统计分析，建立河南省电力污闪事件的定量综合气象分析指标，为该地区面向电力生产的电网防灾减灾服务提供技术支持。

1 资料来源和研究方法 1.1 资料来源

本文所使用的河南省电力公司收集的2001和2006年的电力污闪灾害事件相关资料的基本概况如下：

(1)2001年第一季度，由于气象条件恶劣，持续出现冻雨、冰雪和浓雾，造成了河南省电网输电线路大面积的跳闸，比较集中的有1月16—26日、2月9—10日、21—22日三个阶段。2001年第一季度由此引起的事故共造成110 kV及以上67条线路跳闸201次，220 kV及以上变电站跳闸13次，电量损失66.027万kW时。

(2)2006年1月28日以来，河南省大部分地区多次发生罕见浓雾天气。1月28日至2月12日，河南电网500 kV 4条线路跳闸17条次，其中15次重合成功，2次重合不成功；2月12—14日期间，牡丹变、仓颉变和郑州变3座500 kV变电站500 kV母线停运。

2001年之前，河南省电力公司未分类收集相应的电网污闪灾害数据，而2006年起电网公司陆续对河南电网重点地段、区域，采取涂抹防污闪材料、增加绝缘子片数、更换复合绝缘子、更换防污绝缘子、加装绝缘子辅助伞裙、缩短绝缘子清扫间隔等手段，提高设备绝缘水平，有效降低电网设备污闪事件的发生。因此，自2006年以后，河南电网范围内未收集到相关污闪故障。由此可见，研究中收集到的上述两年的污闪故障资料是在河南省范围内非常宝贵且有限的可用资料集，该资料包括，包括2001和2006年污闪发生的位置、时间等，资料具体情况见图 1和表 1。

同时，研究中使用了覆盖河南全省的121个国家级自动气象站近30年(1985—2014年)定时地面观测资料(包括气温、湿度、风速、风向和降水量等)及同时段的探空气象观测资料，该资料来源于国家气象信息中心。上述自动气象观测站的观测仪器配置、设备安装和维护、仪器校准、数据记录和传输等须遵照《地面气象观测规范》中所列要求进行；观测资料按照QX/T118-2010(地面气象观测资料质量控制)中的规定进行了严格质量控制。

由于缺乏污闪故障发生地所在位置的气象观测资料，研究中选择距离污闪发生位置较近且海拔高度相近的自动气象站的地面气象观测资料作为定量综合气象分析指标研究的基础，污闪发生地与邻近气象站的对应信息如图 1和表 1所示。

1.2 研究方法概述

当故障数据样本量足够大时，可采用智能模糊学习方法实现对温度、湿度、雨、风速及气压等综合作用下的污秽闪络电压进行拟合建模(张寒等，2003；杨庆等，2005)。而本研究收集到的污闪故障数据有限，这里结合文献调研资料，主要采取统计分析法同时兼顾电网污闪故障发生的气象环境机理来提取特征参数；在特征参数临界值的选择方面，综合采用故障直方图和百分位法将电网污闪故障事件与气象特征指标关联起来。具体分析中，延续王正旺等(2005)的研究成果，即统计综合分析电网污闪发生前和发生时各类气象要素的阈值变化特征，确定污闪事件发生的综合阈值指标，并通过历史资料的回算检验，对上述指标进行优化调整，最终得到河南电网污闪发生的定量综合气象分析指标，研究技术流程如图 2所示。

2 电网污闪故障综合气象要素分析 2.1 历史污闪故障及附近自动气象站资料情况分析

图 1和表 1给出了研究中收集到的河南省历史污闪故障情况，由该资料分析可见，河南地区污闪故障主要发生在中北部地区，该地区三面环山，污染物易累积；同时，该地区污闪发生的时间主要集中在1—2月期间，气温较低、浓雾易发、且春节期间燃放烟花易加重污染程度。

如前文所述，由于缺乏电网污闪事故发生地所在位置的气象观测资料，研究中将收集到的河南省电网污闪灾害事件发生时间、地点与附近气象站进行时空匹配，挑选距离污闪事件发生位置较近(一般不超过15 km)，且海拔高度接近的气象站地面观测资料作为电网污闪综合气象分析指标研究的基础，对该地区电网污闪故障发生的地面气象条件进行综合统计分析。

2.2 污闪故障发生的综合气象条件分析

研究结合电网公司和气象观测台站能够提供数据的实际情况，选择表 1中10个不同时间(位置)的地面气象站定时观测资料，主要采取统计分析法同时兼顾电网污闪故障发生的气象环境机理来提取特征参数，即通过前期降水量分析积污特征；通过湿度、风速、气温和近地层逆温等气象参数分析电网污闪发生时的综合气象条件特征。尽管研究中收集到的污闪个例非常有限，但基于此类个例刻画的污闪-气象关联模型仍在一定程度上具有代表性，也可在后续的应用实践中不断优化完善。

2.2.1 前期积污特征

图 3通过故障直方图给出了10个不同时间(位置)的气象站资料统计分析的污闪发生前期日降水量的变化特征。图中可见，污闪故障发生前一周基本无降水，且无显著大风过程(图略)，利于污染物的累积，尤其在冬季，积污效率更高。

2.2.2 污闪发生时的小时风速风向特征

图 4给出了污闪发生时小时风速的变化特征。由该故障直方图可见污闪发生时，小时平均风速较弱，一般低于2.0 m·s^-1，最大不超过3.0 m·s^-1；且当弱风速介于2.0~3.0 m·s^-1之间时，其风向为偏东南风(图略)，与该地区的西边和北边的高山地形相结合，利于污染物在低空积聚，为污闪雾的形成提供了大量的凝结核，低空空气能均匀混合，利于污闪雾的形成，使其不至于因风大而被吹散，对污闪故障的发生有正效应。

同时，如表 1所示，57071(孟津)气象站所在海拔高度为333 m，而其他站点海拔基本低于140 m，在此个例事件中，污闪发生时平均风速比其他站点的风速偏高约1.0 m·s^-1左右(图 4)。

2.2.3 污闪发生时的平均气温和相对湿度特征

如前文所述，本研究中收集到的污闪故障集中发生在冬季，气温曲线图也显示污闪发生时，气温低且波动较小(图 5a)；同时，分析表明污闪发生时，近地层大气相对湿度较大，一般高于90%(图 5b)。持续低气温及高湿度，有利于水汽凝结成含水量较大的污闪雾。

2.2.4 污闪发生时近地层逆温特征

利用污闪发生时附近探空气象站的高空观测资料，给出了污闪发生时气温的垂直变化曲线(图 6)。图中可见，污闪故障发生时，低空850 hPa以下存在明显的逆温层，即高层暖，底层冷，大气状态静稳。逆温层的作用是利于水汽和污染物积聚在近地层，为污闪雾的形成和持续提供了有利条件。

2.2.5 电网污闪灾害综合气象指标的建立及检验

基于已有污闪故障资料的综合分析可见，河南地区污闪故障发生的综合气象条件有如下几个显著特征：高湿、弱风、前期少雨、气温接近0℃、天气静稳。为定量描述这一综合气象特征，以期达到电网防灾减灾的最终目标，研究综合上述故障直方图的峰谷值及有限样本百分位法，首先给出各气象要素的初猜临界值；利用该初猜临界值构成的综合分析指标和2001、2006年两年的地面气象观测资料进行反复回算，对初猜临界值进行调整优化，在不漏报的前提下，使得污闪故障的空报率限制在工程可接受范围内，最终得到表 2所示的最优气象综合分析指标。

这里需要指出，表 2中的综合分析指标以电网污闪故障是否发生为预报目标，不涉及污闪故障的强度分析，因此预报结果仅存在准确、空报和漏报三种情况。图 7给出了基于上述综合分析指标回算的2001和2006年污闪故障与电网实际收集到的污闪故障的对比检验结果，图中圆点大小代表空报率的大小。可见，表 2中的综合分析指标对该地区污闪故障的空报率不超过10%，即100次回算中的空报次数不超过10次；尤其在河南西北部实际污闪故障高发地区的空报率甚至低于5%(图 7)。这里的空报是指污闪故障预警期间无污闪故障的实际记录信息，并不意味着实际中肯定无污闪故障发生；同时由于河南区域内的探空气象资料非常有限，在空间上代表性不够丰富，也给回算检验的信号带来了一定噪音。尽管如此，研究中建立的河南省污闪故障发生的地面综合分析指标仍能够较好地反映污闪故障发生的综合气象条件特征，且历史资料回算检验的结果基本可接受，因此，该综合气象指标是值得在河南地区电网减灾的实际中推广应用并不断完善的指标之一。

3 电网污闪故障综合气象分析指标的应用

利用河南全省近30年(1985—2014年)定时地面气象观测资料及探空资料，依据上述电网污闪故障的综合气象分析指标计算了河南地区近30年逐月污闪故障的发生次数，这里假设满足表 2中的综合气象条件时，即认为发生一次电网污闪故障。图 8给出了基于气象综合分析指标计算的河南地区多年平均的污闪故障发生个数的月变化情况。图中可见，河南地区电网污闪故障多发生在冬季，尽管这一变化特征与研究中建立综合指标所使用的观测资料集中在冬季有密切关系，但该特征与以往相关研究成果较一致(王运禄等，2003；王正旺等，2005)，因此，在一定程度上具有科学代表性。

空间上，依据上述电网污闪故障综合分析指标进一步逐站点计算河南地区多年平均的污闪事故年总个数，并按照表 3的初步对应关系对河南省电力污闪故障发生的风险进行了初步评估，结果如图 9所示，图中黑色圆点从小到大分别代表发生污闪故障的风险低、一般、较高和高。图中可见，河南地区电网污闪灾害的高风险区位于河南省东北部，其西边为海拔较高的山区，受地形阻挡作用，易于污染物的累积，为电网污闪故障的发生提供了有利条件。同时，王运禄等(2003年)曾在分析中国电网污闪分布时指出，河南北部是我国电网污闪事故的高发区，与文中计算的河南地区电力污闪高风险区比较吻合，进一步佐证了图 9中的风险评估结果。

4 结论与讨论

随着电网的快速发展，对电网污闪防治工作有了更高、更苛刻的要求。建立污闪故障的综合气象分析指标，有效预防和减少污闪对电网的危害，是电网需要解决的难题之一。在河南地面气象站的定时观测资料及有限的电网污闪故障资料基础上，通过本研究可初步得到以下的结论：

(1) 研究中提出的河南电网污闪故障分析指标合理刻画了电网污闪故障发生的气象环境特征：高湿、弱风、前期少雨、近地面大气层结稳定等。

(2) 该综合气象分析指标能够较好地拟合气象环境条件与污闪故障之间的关系，回算检验结果显示污闪故障无漏报，且空报率低于10%。

(3) 基于上述综合气象指标计算的多年平均条件下，河南地区污闪故障多发生在冬季，且河南东北部为电网污闪故障的高风险区。

河南电网污闪故障综合气象分析指标综合考虑了气象要素在时间上的连续性、气象要素的空间三维立体特征及地形的影响。由于电网污闪故障给社会经济带来的损失较大，河南省电力公司从2006年起陆续对河南电网重点地段、区域，采取涂抹防污闪材料、增加绝缘子片数、更换复合绝缘子、更换防污绝缘子、加装绝缘子辅助伞裙、缩短绝缘子清扫间隔等手段，提高设备绝缘水平，有效降低电网设备“污闪”事件的发生。因此，自2006年以后，河南电网范围内未收集到电网污闪故障。尽管如此，本研究的风险评估结果仍可用于河南地区污闪高发区域的识别，为这类区域的电网污闪风险防范及规划提供决策参考。

尽管指标建立过程中所使用的电力污闪个例有限，且河南地区气象探空资料也较少，但该指标计算的30年平均污闪故障发生风险的时空分布特征与前人的研究结果比较吻合，说明研究中建立的河南省污闪故障定量综合气象分析指标具有一定实际应用价值，可以为该地区的电力污闪灾害预警防御提供技术支持。