架空输电线路森林火险评估及监测的研究应用现状

杨森霖, 杨长青, 梅吉明, 唐小智

1.四川省林业勘察设计研究院, 四川 成都 610000；

2.四川电力设计咨询有限责任公司, 四川 成都610041

随着我国国民经济的飞速发展，电网建设的步伐不断加快，大量的远距离高压输电线路采取跨越林区的方式走线，其覆盖范围已经延伸到了地理位置偏远、地势复杂多样的高山地区。越来越多的高压架空输电线路穿过地势起伏较大的山谷丛林，也会经过林区等森林资源丰富的地带，在其建设阶段，施工不规范用火、施工人员吸烟，在其运行阶段，由于树木生长差异产生的风偏放电、极端气候产生雷电弧等因素均可能引燃枯枝落叶，带来森林火灾隐患。为避免由重大火险引发的生命和经济损失，大量的森林火险研究围绕着输电线路展开。

到目前为止，国内外专家已经就森林火灾对输电线路造成的灾害进行了大量研究，内容主要包括森林火灾下的跳闸机理分析、间隙放电和击穿原理等研究。例如，王浩东等[1]通过对输电线路典型的森林火灾事件分析，阐述了线路的森林火灾跳闸类型，研究了森林火灾引发导线对地放电原因，提出建立和完善由于森林火灾引发的输电线路跳闸等事故的应急处理预案措施。陆佳政等[2]针对高温下的线路绝缘性能进行了分析论述，阐述了森林火灾发生时候由于空气绝缘性能降低，导致导线间隙和火焰顶端被击穿造成线路跳闸，在这种情况上很大程度不能重合闸成功，给电网的稳定运行带来了很大隐患。上述研究聚焦于森林火灾对输电线路造成的潜在影响，有利于输电线路完善在森林火灾爆发下的稳定运行，减少损失。但随着现阶段林区森林资源的丰富，线下树木的可燃性提升，输电线路本身已经成为森林火灾的导火索之一，如何降低输电线路引发森林火灾的概率已经成为现今森林火灾与输电线路研究的重心。

本文就近年来的输电线路森林火险相关研究，梳理介绍了输电线路森林火灾风险评估及区划、输电线路森林火灾在线监测技术，综合分析了其火险评估应用及研究现状，具体阐述了其在线监测技术的原理及优劣势，并展望了架空输电线路森林火灾防控研究的发展趋势。

1 输电线路森林火灾风险评估及区划研究现状

输电线路的森林火灾风险评估，是运用输电线路系统风险分析的方法，结合森林火灾的特点，综合评估森林火灾对输电线路造成的风险，并以此划分森林火灾风险等级。根据结果制定相应的火灾风险控制策略，辨识输电线路运行中的火灾隐患环节，从而降低输电线路的森林火灾的风险水平，提高系统运行的安全性。

1.1 基于时空特征的输电线路森林火灾风险评估模型

森林火灾的时间及空间特性较强[3]。建设于不同地理、环境条件下的输电线路，遭遇森林火灾的概率不同；同一条输电线在不同时间段的森林火灾隐患程度也不相同[4]。以既往气象数据为基础，结合输电线路建设地的历史森林火情，可以研究得到基于时空特性的风险评估模型[5]。

熊小伏等[6]以时间的维度统计了输电线路经过地区的气象数据,分别使用空气间隙击穿理论、森林火险气象等级计算出输电线路在森林火灾条件下的故障可能以及森林火灾的发生概率。这不但形成了基于时空特点的输电线路风险评估模型，还以此验证了该模型的有效性。此外，熊小伏等人还对两条输电线路运行情况进行深入分析，并根据结果提出了相应的降低风险措施。分析表明：首先，春季期间（尤其4月）此输电线路森林火灾发生概率大，具有明显的时空分布特征。其次，利用森林火险气象参数建立起来的输电线路评估模型，适用于该输电线路通道的部分火灾风险评估。

四川凉山州重要负荷的输电线路重要性不言而喻，曾勇等[7]不但建立该地区的森林火险等级评估模型，还划分了火险气象等级。该研究首先以森林火灾的时空特性为依托，统计地区气象参数、指数，确定地区森林火险气象指数。然后以输电线路经过的县市的春季火险气象等级，最终确定基本时间单位（日）的火险评估等级。研究结果证明该火险评估等级与该地区的森林火灾实际发生次数在时空特征上达成一致，其风险评估模型能丰富凉山州输电线路风险评估理论。

1.2 输电线路森林火灾风险分布区划

输电线路的火灾风险分布区划，涉及多地区多历史因素，仍然具有较强的时空特性。划分方法以及划分标准的科学化是将来输电线路防火研究的关键。

森林火灾个体情况的分析以及该地区的地理信息数据分析，是输电线路森林火灾区划的重要依据。阮羚等[8]以土壤、地形、水文情况等因素为基础指标，利用分析出来的湖北省的火情个体特征，对不同的火灾损害程度设定相应权重，绘制出湖北省输电线路的森林火灾风险区划图，这是一种对输电线路森林火灾风险评估的新尝试。

国内学者[9]通过分析森林火灾的隐患因素，整理历史火情及火情分布的地理位置，结合灾后损失情况、灾情发生频率来使森林火灾风险程度数据化。最后利用气象信息中的干旱值对灾情进行风险程度的校准，以此制作了动态的森林火灾风险分布图。这也是对森林火灾风险等级LEC法（又称格雷厄姆·金尼方法）的一种改进[10]。该研究重点采集地区历史森林火情资料，结合地区内易发生森林火灾地点以及地形特征，将该地区具有森林火灾隐患的地点分别赋予L、E、C分值，利用三值相乘得到森林火灾风险值R（注意，该公式并未考虑气象因素），如此，响应的风险情况自然区划出森林火灾分布情况。最后，以该地区的干旱情况来调节森林火灾的风险分布，不仅实现了分布的动态变化，更能使其更加精确。

2 输电线路森林火灾监测研究及应用现状

森林火灾在线监测因为成本及普及优势，大多采用地面、空中巡护，以及瞭望塔的观测[11]。但这类传统的监测手段视野有限，错误判断较多，经济成本较大。科技的发展带来了新的在线监测方法，如卫星遥感技术、激光雷达监测技术及无线传感技术，它们在森林火灾的在线监测研究及应用中不断被更新、完善[12]。

2.1 卫星遥感技术

使用卫星手段进行观察探测，一直都是监测活动的首要选择。因为它观测面积大、对数据的收集与传送速度快。更重要的是，林区复杂地形造成的观测障碍在卫星技术面前迎刃而解[13-14]。这一系列优势让利用卫星对森林火灾进行监测的成为输电线路森林防火的重要手段。现阶段能运用于输电线路森林防火的卫星平台不少，但以风云系列卫星为基础的研究还不成熟，大多以NOAA和EOS系列卫星为主进行对输电线路的森林防火在线监测研究及应用[14]。

与气象部门合作，已经成为如今广电系统的森林防火探索方向。电网系统利用从气象部门得到的卫星遥感森林火灾数据，经过GIS手段分析和处理后，能迅速、精准的实现对输电线路走廊的森林火灾监测，一旦发生火情，相关部门可以快速作出有效应对。其中，广西电网与气象单位合作开发的输电线路通道森林火灾监测系统。成为较成功的应用案例，自运用以来，已预警输电线路森林火灾事件数次[15]。

然而，我们也要看到卫星遥感技术的劣势。可运用于输电线路在线监测的卫星影像精度不够，且与周围环境成正相关关系；红外探测器等受大气环境影响较大，观测界面会出现假热点现象；卫星在过境过程中并不能24小时进行监测。这些都是限制卫星遥感技术应用于输电线路森林防火监测的重要因素。

2.2 激光雷达监测技术

从探测器发射出的激光在火灾产生的烟雾颗粒阻碍下，其前行与反射的方向及能量将发生变化，这种变化能够被探测器所接受并分析，最终得到相应数据，这就是现阶段激光雷达技术在森林防火当中的运用原理。

陈锡阳等[16]有研究人员曾对激光雷达的森林火灾监测有效性进行实验，利用林区道路模拟输电线路线下通道，分别设置260、360、460及560 m的待观测点，点燃林木后，使用激光雷达系统在线监测其产生的烟雾，研究结果显示系统成功预警了各待观测点的火情。还有研究人员以陈锡阳等的研究为对象，加大了待观测点距离，达到约2 000 m，激光雷达在距待观测点50 m处成功观测到火情信息，这证明了激光雷达系统仍能对较长距离的火情进行有效监测。另外，该研究以现场试验情况为依据，确定了该研究条件下激光雷达系统监测的最佳定点位置，此研究结果为日后的输电线路激光雷达定点位置方案提供了参考依据。总体来说，上述研究都充分表现出激光雷达系统应用于输电线路森林防火的潜力。

2.3 无线传感技术

在输电线路通道附近布置无线传感器，当发生森林火灾时，可及时接收相关火情信息，这种方法称为无线传感监测技术。探测器能够清晰的感受到周围火焰散发出的温度、烟雾等物理信号，从而将此类信号转换为信息数据传输到监测中心，以此来进行森林火灾的预警。其中，探测器以不同的物理信号为依据，划分出感温、感烟等不同类别[12]。

传感器对于火情信息数据的传送主要依靠无线网络进行。信息收集、无线网络接收及处理三方面构成了无线传感监测预警中心。其中，无线网络接收的稳定性越高、越迅速，信息的收集与处理就越及时。以实际情况来看，当传感器与预警中心距离较近时，可利用局域无线网充当无线设备，可以发挥其灵活、多节点的特点，运行成本也低；当传感器与预警中心距离较远时，需应用电信、联通、移动等运营商充当无线网络的角色。

（1）无线传输网络和地理信息的结合成为一种新技术的探索。广泛分布在输电线路周围的传感器负责进行火情信息的收集，地理信息系统将传感器收集到的数据进行地理上的“配对”。如此一来，在及时发现火情的同时，还可以较为准确的掌握火情发生的位置以及森林资源情况，为火情处理人员提供火点具体位置、隐患大小，方便灭火方案的布置与实施[17]。

（2）在林区中活动范围广、灵活的当属野生动物，而将无线传感与野生动物相结合，也提供了一种动态的检测方案。有研究人员表示，利用野兔等体型较小、移动性较大的动物搭载传感器，对森林进行火灾监测，不但实现了监测范围的广度，也实现了监测器的灵活性，使无线传感监测对森林火灾将更加敏感。但缺点也很明显，动物的易被捕食性以及其活动超出输电线路的范围都成为制约此方案的应用环境[18]。

3 研究展望

（1）目前，气象部门应用于输电线路的森林火灾风险评估及区划的气象信息多数是由气象模型模拟而来，很难实现气象的实时性及准确性，相对应的评估及区划自然准确性要降低许多，更无法保障其实施性。另一方面，对于现阶段的输电线路森林火灾风险评估及区划来说，更多关注的是大范围的森林火灾蔓延的速度和火强度，且研究主要集中于森林火灾条件下的输电线路停运机理。更重要的是，我们大多的森林火灾研究都是在灾情产生巨大的生活及经济威胁后，才针对具体的火灾情况、类型进行相关研究。输电线路更是如此，不同的林区，具有不同的森林资源、地形地貌，其树种的易燃性及生长特性不同，灾后因为地形地貌产生的扑灭难度也不相同，如果套用大类型的风险评估和区划自然无法做到针对性和精准性。

因此，运用于输电线路的第一手气象数据信息并不能直接利用于森林防火研究，还需经过一定的分析处理，才能成为可利用数据。今后的研究方向可以将森林火灾与卫星大数据相结合，对风险评估模型进行完善。另外，为每一段输电线路“量身定做”一套灾前预防及灾后应急处置，应该是未来的研究热门。

（2）卫星遥感监测技术，会由于过境原因导致无法实现24小时全程监测，无法实时获取维持时间短暂的火点。另外，受气象因素及大气干扰较大，在障碍物存在的情况下（如云层），无法得到近地面50 m内的火情信息。此外，相关数据都必须由气象部门或卫星管理点提供，依赖性强且限制大。其次，传感器布置在林区中，能源供给大多依靠自身所带的蓄电池，这使得传感器无法维持长时间的运行，其使用率被电源所制约。另外，传感器属于较精密的设备，林区的不可控性也会对仪器造成损坏，影响其稳定及准确性，无论是野生动物对传感器的损害还是高密度的植被对传感器信号的阻挡都成为信息数据传送的障碍。

对此，未来的电源问题是森林火灾在线监测技术的难题，输电线路森林火灾在线监测系统部署在野外，利用现有太阳能蓄电池技术难于满足红外探测镜头、可见光摄像头、气象传感器、烟雾传感器等高能耗器件的长期开启。因此，在未来加强能源供给和低功耗设计方面的研究，有利于完善系统的全天候实时覆盖。同时，根据监测设备所在地具体情况，研究“就地供能”以及无线供电也是以后相关研究需要聚焦的地方。

（3）输电线路的防火设计及施工措施研究。输电线路的森林防火研究发展到今天，已经具备极大的理论基础和应用前景。但需要明白的是，现有的防火研究大多集中于森林火灾发生前对输电线路森林火灾的在线监测及预警，或者是火灾发生后对输电线路的应急处置，对于输电线路本身的防火设计及施工措施仍然缺乏，这不利于对输电线路的灾前防范。

随着多起森林火灾的突发，各地高度重视森林草原火灾的防控，架空输电线路森林草原防火设计及施工措施的研究能从输电线路本身入手，减少内部的火灾隐患，这具有极大的社会意义与现实意义。进行输电线路线下植物的树高生长研究，模拟出其树高生长模型，以此来预测其树高生长变化情况，为输电线路线下通道的超高树木的修剪或砍伐提供科学方案，有利于进行对接近安全距离的植物展开隐患清理工作。另外，也可依据自然生长高度对输电线的安全距离进行科学设计，有效提高架空线路的运行安全可靠性。另外，开展对输电线塔基周围的可燃物分析研究，得到其燃点、载量等数据，提前了解各塔基可燃物带来的火灾隐患，可为塔基周围可燃物的定期清理提供科学依据。

关于架空输电线的相关研究，应立足于森林和草原输电线路火灾隐患防治工作，开展各地区架空输电线路森林和草原防火设计及施工措施研究，以完善森林草原输电线路火灾防控标准，提升森林草原输电线路野外火源管控能力，健全森林火险监测预警机制，确保不发生负有责任的重特大森林火灾。相信在未来，更多架空输电线路的相关研究将与森林草原的火灾防控相结合，以此为森林草原的防控及火灾监测预警打下坚实的科学理论基础。