引言
随着全球气候变化加剧，极端天气事件（如台风、暴雨、冰雹、高温、寒潮、雷暴等）的频率和强度显著增加，对电力系统的输配电环节构成了严峻挑战。输配电网络作为电力系统的“血管”，其安全稳定运行直接关系到社会经济的正常运转和人民生活的基本保障。传统的输配电技术在面对极端天气时往往显得力不从心，因此，发展和应用先进的输配电电气技术，构建具有高韧性、高可靠性的智能电网，已成为当前电力行业亟待解决的关键问题。本文将深入探讨输配电电气技术如何应对极端天气挑战，并通过具体的技术手段和案例，详细阐述保障电网安全稳定运行的策略。
一、 极端天气对输配电电网的主要威胁
在探讨应对策略之前，必须首先明确极端天气对输配电电网的具体威胁，以便对症下药。
高温天气：
- 导线过热与弧垂增大：环境温度升高导致导线电阻增大，发热增加。同时，导线热胀冷缩，弧垂（导线最低点与悬挂点之间的垂直距离）增大，可能接近或超过安全距离，引发对地放电或与树木、建筑物短路。
- 设备散热困难：变压器、开关柜等设备在高温环境下散热效率下降，内部温度升高，加速绝缘老化，甚至导致过热故障。
- 负荷激增：空调等制冷设备大规模使用，导致电网负荷急剧攀升，可能超过线路和设备的承载能力。
低温与冰雪天气：
- 导线覆冰：雨凇、雾凇等导致导线覆冰，大幅增加导线重量和迎风面积，可能引发断线、杆塔倒塌。
- 设备脆化：低温使金属材料变脆，绝缘材料性能下降，增加机械故障风险。
- 负荷特性变化：取暖负荷集中，可能造成局部过载。
台风与强风：
- 杆塔倒塌与导线舞动：强风直接冲击杆塔，可能导致结构失稳。导线在风力作用下产生低频大幅度的舞动，引发相间短路或对地放电。
- 异物入侵：树枝、广告牌等异物被吹入线路，造成短路。
暴雨与洪涝：
- 杆塔基础冲刷：洪水冲刷杆塔基础，导致基础松动、杆塔倾斜甚至倒塌。
- 设备水淹：变电站、配电室等低洼处设备被水浸泡，引发短路、接地故障。
- 山体滑坡与泥石流：可能直接摧毁线路通道。
雷暴：
- 直击雷与感应雷：雷电直接击中线路或设备，产生巨大电流和过电压，损坏绝缘子、变压器、避雷器等设备。感应雷也会在附近线路中产生过电压，威胁设备安全。
二、 应对极端天气的输配电电气技术策略
针对上述威胁，现代输配电电气技术从“监测预警”、“设备升级”、“网络重构”和“应急恢复”四个维度构建防御体系。
1. 智能监测与预警技术：构建“感知神经系统”
核心目标：提前发现隐患，为决策和行动争取时间。
关键技术：
- 气象微网格预报：利用高精度数值天气预报模型，结合输电走廊沿线的微型气象站（监测温度、湿度、风速、风向、雨量、覆冰厚度等），实现对线路走廊局部微气候的精准预测。
- 在线监测装置：
- 导线温度/弧垂监测：在关键线路段安装光纤测温或无线传感器，实时监测导线温度和弧垂，数据通过无线网络（如4G/5G、LoRa）或电力线载波（PLC）上传至主站。
- 杆塔倾斜与振动监测：使用倾角传感器、加速度传感器监测杆塔状态，预警基础沉降或强风影响。
- 视频与图像识别：在杆塔或无人机上安装高清摄像头，结合AI图像识别技术，自动识别导线覆冰、异物悬挂、树木侵限等隐患。
- 雷电定位系统：通过多站雷电探测网络，精确定位雷击点，评估雷击风险，指导防雷措施。
举例说明：
在中国南方某山区输电线路，部署了覆冰在线监测系统。该系统在导线关键点安装了称重传感器和图像传感器。当气象预报显示将有冻雨时，系统自动进入高频监测模式。一旦监测到导线覆冰厚度超过预设阈值（如15mm），系统会立即向调度中心和运维人员发送预警信息，并附带现场图像。调度中心可据此提前调整电网运行方式，降低该线路负荷；运维人员则可携带除冰设备前往现场，或启动线路融冰装置，避免因覆冰过重导致断线事故。
2. 设备升级与加固技术：打造“强健体魄”
核心目标：提升单个设备和线路的物理强度和环境适应性。
关键技术：
- 耐热导线与特种导线：
- 耐热铝合金导线：允许在更高温度下运行（如150°C以上），在高温天气下可输送更大容量，减少弧垂。
- 碳纤维复合芯导线（ACCC）：强度高、重量轻、弧垂小、耐高温，能有效应对高温和覆冰挑战。
- 防冰导线：表面涂覆疏水涂层或采用特殊结构，减少覆冰附着。
- 智能变压器与开关设备：
- 内置光纤测温变压器：实时监测绕组热点温度，结合负荷预测，实现动态负荷管理。
- 气体绝缘开关设备（GIS）：将所有带电部件密封在SF6气体中，不受外部环境（如污秽、湿度）影响，可靠性极高，特别适用于沿海、高湿地区。
- 全封闭组合电器（GIS）：与GIS类似，但结构更紧凑，抗污秽和抗潮湿能力更强。
- 防雷与接地优化：
- 线路避雷器：在雷电活动频繁区段安装线路避雷器，限制过电压。
- 可控放电避雷针/消雷器：主动引雷或中和雷云电荷。
- 深井接地与降阻剂：改善接地电阻，确保雷电流快速泄放。
- 杆塔与基础加固：
- 高强度钢材与复合材料：采用Q420及以上高强度钢材，或玻璃钢复合材料杆塔，减轻重量，提高抗风能力。
- 岩石锚杆基础：在山区、岩石地质地区，采用岩石锚杆基础，抗冲刷能力强。
- 防洪基础设计：在洪涝易发区，提高基础标高，采用桩基础或扩大基础面积。
举例说明：
某沿海城市为应对台风和盐雾腐蚀，将部分老旧架空线路改造为地下电缆。同时，在新建的220kV变电站中，全面采用GIS设备。GIS设备将断路器、隔离开关、母线等全部密封在充满SF6气体的金属外壳内，彻底隔绝了外部盐雾、湿气和污秽的影响。在一次强台风袭击中，该区域的架空线路多处受损，但采用GIS的变电站安然无恙，保障了核心区域的供电。
3. 网络重构与自愈技术：实现“智能免疫”
核心目标：当故障发生时，能快速隔离故障区域，并通过网络重构恢复非故障区域供电，减少停电范围和时间。
关键技术：
- 配电自动化（DA）与馈线自动化（FA）：
- 智能终端（FTU/DTU）：安装在开关站、环网柜、柱上开关处，具备遥测、遥信、遥控功能。
- 自动化逻辑：当某段线路故障时，两端的智能终端自动检测故障电流，通过通信网络（光纤、无线）与主站或彼此通信，协同动作，快速隔离故障段，并自动闭合联络开关，恢复非故障段供电。
- 微电网与分布式能源（DER）：
- 孤岛运行能力：在极端天气导致主网停电时，微电网可以与主网断开，利用内部的光伏、储能、柴油发电机等电源，为重要负荷（如医院、数据中心）提供持续供电。
- 柔性互联装置：通过电力电子技术（如背靠背变流器）实现不同配电网之间的柔性互联，提高网络灵活性和供电可靠性。
- 智能调度与优化运行：
- 基于人工智能的负荷预测与潮流优化：结合气象数据和历史负荷，精准预测极端天气下的负荷变化，提前优化电网运行方式，避免过载。
- 需求侧响应：通过价格信号或直接控制，引导用户在高峰时段减少用电，缓解电网压力。
举例说明：
某城市配电网实现了馈线自动化。在一个暴雨天气中，一段10kV线路因树木倒伏发生短路故障。故障点两侧的智能开关（FTU）在毫秒级内检测到故障电流并自动跳闸隔离。同时，相邻的联络开关在确认故障隔离后，自动合闸，由另一条线路为故障下游的用户恢复供电。整个过程在几十秒内完成，受影响用户仅限于故障点附近少数用户，且停电时间极短，实现了“秒级自愈”。
4. 应急恢复与韧性提升技术：构建“快速修复能力”
核心目标：在灾害发生后，快速定位故障、抢修恢复，提升电网的整体韧性。
关键技术：
- 无人机与机器人巡检：
- 灾后快速勘察：在人员难以到达的区域（如洪水淹没区、山体滑坡区），使用无人机搭载高清摄像头、红外热像仪、激光雷达（LiDAR）快速获取线路和设备的受损情况，生成三维模型，指导抢修方案。
- 带电作业机器人：在极端天气后，部分线路可能带电，使用绝缘斗臂车或机器人进行带电作业，减少停电时间。
- 移动应急电源：
- 大型移动变电站：将变压器、开关等设备集成在可移动的平台上，可快速部署到故障变电站位置，临时替代受损设备供电。
- 储能车与柴油发电机车：为重要负荷提供临时电源。
- 模块化与预制化设计：
- 预制舱式变电站：将变电站主要设备集成在标准集装箱内，工厂预制，现场快速拼装，大幅缩短建设周期，适用于灾后快速恢复供电。
- 快速接头电缆：用于临时供电，连接速度快，可靠性高。
- 韧性电网规划：
- 网架结构优化：构建多回路、多电源的环网结构，避免单点故障导致大面积停电。
- 关键节点冗余：对重要变电站、线路采用N-1甚至N-2冗余设计。
举例说明：
2021年河南特大暴雨后，某供电公司的抢修队伍利用无人机对受灾严重的山区线路进行勘察。无人机在2小时内完成了原本需要3天人工勘察的线路段，精准定位了5处杆塔倾斜和3处导线断股。同时，一台10kV移动变电站被紧急调往一座因水淹而停运的变电站，通过临时电缆连接，为医院和应急指挥中心恢复了供电，为后续抢修赢得了宝贵时间。
三、 综合案例分析：某沿海城市应对台风“山竹”的实践
2018年，超强台风“山竹”袭击中国东南沿海。某沿海城市电网提前部署，综合运用了多种输配电电气技术，有效保障了电网安全。
事前预警与准备：
- 气象联动：与气象部门建立联动机制，提前72小时获取台风路径和强度预报。
- 设备加固：对沿海易损线路进行特巡，加固杆塔基础，修剪走廊树木。
- 负荷转移：提前调整电网运行方式，将部分负荷转移至内陆线路。
- 应急物资：提前将移动变电站、发电车、抢修队伍部署到关键区域。
事中监测与控制：
- 实时监测：利用在线监测系统，实时跟踪导线风偏、杆塔振动和设备温度。
- 负荷控制：在台风登陆前，通过需求侧响应系统，引导工业用户错峰用电，降低电网负荷。
- 主动避险：对于风速超过设计值的线路，调度中心主动下令停运，避免设备损坏。
事后快速恢复：
- 无人机巡检：台风过后，立即出动无人机对受损线路进行快速勘察，生成受损报告。
- 移动电源支援：为停电区域部署移动变电站和发电车，优先恢复医院、供水、通信等重要负荷。
- 模块化抢修：采用预制舱式开关站和快速接头电缆，快速重建被摧毁的配电网络。
- 智能调度：利用优化算法，规划最优抢修路径和资源调配方案。
结果：尽管“山竹”造成了部分线路跳闸和设备损坏，但由于应对措施得力，主网保持稳定，重要用户未发生长时间停电，停电范围和时间均远低于历史同类台风，充分体现了现代输配电电气技术在应对极端天气中的强大能力。
囤、 未来展望与挑战
未来，输配电电气技术应对极端天气将向更智能、更韧性、更绿色的方向发展：
- 数字孪生技术：构建电网的数字孪生体，在虚拟空间中模拟极端天气影响，提前测试和优化应对策略。
- 人工智能深度应用：AI将用于更精准的故障预测、更智能的网络自愈和更高效的资源调度。
- 新型储能技术：大规模储能（如液流电池、压缩空气储能）与分布式储能结合，为电网提供强大的调节和备用能力。
- 跨领域融合：与气象学、材料科学、信息技术深度融合，开发更耐候的材料和更精准的预测模型。
然而，挑战依然存在，如技术成本高昂、老旧电网改造难度大、极端天气的不可预测性等。这需要政府、电网企业、设备制造商和科研机构的持续投入与合作。
结论
面对日益严峻的极端天气挑战，输配电电气技术已从传统的被动防御转向主动预防、智能感知、快速自愈和高效恢复的综合防御体系。通过智能监测预警、设备升级加固、网络自愈重构和应急恢复韧性四大技术策略的协同应用，电网的安全稳定运行水平得到了显著提升。未来，随着新技术的不断涌现和应用，电力系统将具备更强的韧性，能够更好地抵御极端天气的冲击，为经济社会发展和人民生活提供更加可靠、安全的电力保障。