輸電線路樹木故障機理分析及試驗研究

劉貞瑤， 談發(fā)力， 康宇斌， 宋自強， 郭 嶸， 胡 楓

(1. 國網(wǎng)江蘇省電力公司檢修分公司，江蘇 南京 211102；2. 武漢三相電力科技有限公司，湖北 武漢 430074)

·運行分析·

輸電線路樹木故障機理分析及試驗研究

劉貞瑤1， 談發(fā)力2， 康宇斌1， 宋自強2， 郭 嶸1， 胡 楓2

(1. 國網(wǎng)江蘇省電力公司檢修分公司，江蘇 南京 211102；2. 武漢三相電力科技有限公司，湖北 武漢 430074)

樹木故障是輸電線路一種非常典型的非雷擊故障。目前已有的研究多針對樹木故障的診斷及處置，而關(guān)于樹木故障的機理研究卻比較少見。文章首先從理論上分析了樹木故障的形成過程，以及在不同高度樹木高度階段呈現(xiàn)出的典型放電特征，然后在實驗室環(huán)境下模擬了不同高度階段樹木-導線間隙放電過程。對放電電流進行監(jiān)測，結(jié)合波形特征、頻譜特征分析，給出了不同高度階段樹木放電的特征和規(guī)律，對輸電線路樹木故障形成機理做了進一步闡述。

樹木故障； 放電； 頻譜分析； 電流波形

0 引言

隨著我國電網(wǎng)建設(shè)規(guī)模的不斷擴大，超高壓輸電線路的數(shù)量越來越多，各種輸電線路安全隱患也在不斷地影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，其中因樹木閃絡(luò)而造成的輸電線路接地故障跳閘，被稱為“樹木故障”[1-3]。形成樹木故障的主要原因是架空輸電線路經(jīng)過的茂密樹林地區(qū)樹木生長過快、過高，部分樹木甚至超過架空輸電線路桿塔的高度，導致線路距離樹木過近而對樹木放電，引起線路故障跳閘[4]。

國內(nèi)外對樹木故障進行了一些研究并取得了相應的成果。文獻[5]基于統(tǒng)計學自主開發(fā)數(shù)學模型獲取樹木生長高度，并進行等級自動識別劃分。文獻[6-8]設(shè)計了一種基于超聲波技術(shù)和無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的輸電線走廊超高樹障的在線監(jiān)控報警裝置。文獻[9-11]系統(tǒng)地研究了植被引起輸電線路故障的幾種案例，并構(gòu)建了一個簡單的實驗模型，對植被在輸電線路中的短路故障現(xiàn)象進行了研究和討論。

目前已有的研究多針對樹木故障的診斷及處置，而關(guān)于樹木故障的機理研究卻比較少見。文章從樹木故障的形成過程出發(fā)，分析樹障形成機理，模擬不同階段樹木放電過程，并監(jiān)測放電電流信息。通過對放電波形及其頻譜進行分析，給出不同階段樹木放電的特征和規(guī)律，進一步解釋了樹木故障形成機理。

1 樹木故障形成過程理論分析

如圖1所示，當樹木高度達到h1時，樹木頂部表面場強達到20～30 kV/cm，此時輸電線路與樹木之間會發(fā)生電暈放電[12-14]，并伴隨有輕微的滋滋聲。當樹木生長到h2時，由于樹木與導線之間距離變小，樹木頂部電暈放電加劇，形成斷斷續(xù)續(xù)的刷狀放電，并進一步發(fā)展成火花放電或者局部電弧放電。當樹木達到h3左右的高度后，樹線距離達到了閃絡(luò)故障的極限值，輸電線路會發(fā)生閃絡(luò)故障，導致線路跳閘，引起嚴重后果[15]。不同階段放電都會產(chǎn)生特定頻率分量的電流，并沿導線向兩側(cè)傳播。

圖1 樹木放電發(fā)展趨勢示意圖Fig.1 Sketch map of tree-wire discharge development trend

2 試驗研究

2.1 試驗系統(tǒng)設(shè)計

為對樹木故障放電過程深入研究，開展了不同階段放電模擬試驗。試驗系統(tǒng)主要包括工頻試驗變壓器、復合絕緣子、模擬導線、絕緣繩、高頻電流在線監(jiān)測終端(簡稱監(jiān)測終端)以及相關(guān)連接導線、金具等。

2.1.1 試驗布置

試驗設(shè)備布置如圖2所示，模擬導線與絕緣子連接，并懸掛于實驗室吊車掛鉤上。為實現(xiàn)不同放電過程導線上放電電流的精確監(jiān)測，將監(jiān)測終端安裝于模擬導線上。

圖2 樹木放電試驗布置Fig.2 Experiment arrangement diagram of tree-wire discharge

現(xiàn)場布置中，任一高壓帶電部件與任何地電位部件之間的距離皆滿足每100 kV試驗電壓下不小于0.5 m，并且在任何情況下不小于1.5 m，對地高度約為3 m，滿足試驗過程的絕緣和安全要求[16]。

2.1.2 監(jiān)測原理

采用高頻響應良好的自積分羅氏線圈傳感器來測量高頻放電電流，該傳感器具有線性度好、測量頻帶寬、抗干擾能力強等優(yōu)點[17]。利用羅氏線圈測量高頻放電電流，其原理如圖3所示。

圖3 羅氏線圈測量電流原理Fig.3 Principle of rogowski coil current measurement

圖3中i1(t)為模擬導線上的電流。傳感器輸出為一個電壓信號，也是監(jiān)測裝置的采集量，對于自積分羅氏線圈傳感器來說，該值大小為：

(1)

式中：M為羅氏線圈與模擬導線之間的互感系數(shù)；L0，R0，r分別為羅氏線圈自感系數(shù)、內(nèi)阻及終端采樣電阻；i2(t)為采樣電阻上流過的電流[17]。

由于自積分羅氏線圈傳感器R0+r很小，當被測電流i1(t)頻率較高時，滿足wL0>>R0+r，則：

(2)

由此可見，傳感器輸出電壓與模擬導線上的電流近似呈正比關(guān)系，采集該電壓量，即可獲取原始放電電流波形。

試驗所采用的監(jiān)測終端主要組成部分為高頻電流傳感器、調(diào)理電路、采集與高速處理電路、電池、GPS時鐘模塊以及無線發(fā)射模塊等。裝置外殼為一個圓柱形鋁合金容器，所有的模塊均放置于其內(nèi)部。試驗時外殼與導線等電位連接，可以有效保護內(nèi)部功能模塊免受高壓及電磁環(huán)境干擾。

監(jiān)測裝置實時采集模擬導線上高頻暫態(tài)電流，并將電流信息通過GPRS方式發(fā)送至后臺數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心對采集上傳的電流信息進行分析并處理，最后輸出處理結(jié)果。試驗中監(jiān)測終端采用電池供電方式，連續(xù)工作時長超過4 h。

2.1.3 試品絕緣子參數(shù)

試驗采用的試品型號為FXBW4-500/160，其絕緣子參數(shù)如表1所示。

表1 試品絕緣子參數(shù)

2.1.4 監(jiān)測終端參數(shù)

(1) 傳感器單元：測量范圍為5 mA～10 A，帶寬為10 Hz～5 MHz；

(2) 信號調(diào)理單元：采集頻率范圍為300 Hz～5 MHz；

(3) 采集單元：采樣頻率為20 MHz。

2.1.5 試驗電源參數(shù)

試驗變壓器的額定輸出電壓為1000 kV，額定電流為1 A，額定容量為1000 kV·A。滿足實際試驗中導線施加電壓不超過150 kV的要求。

2.2 放電過程

由于施加電壓較高，因此模擬導線上不可避免的出現(xiàn)了電暈放電，電暈放電一般為高頻信號，這種放電也會產(chǎn)生放電電流，容易與樹木放電產(chǎn)生的高頻電流混淆，為此也需對電暈放電波形特征進行分析。試驗內(nèi)容包括電暈放電試驗以及不同階段樹木放電試驗。

2.2.1 電暈放電

按圖2所示布置試驗環(huán)境，電暈試驗時不放置樹木，導線兩端以及復合絕緣子高壓端部分加裝均壓裝置，模擬導線上依次施加40 kV，80 kV，120 kV電壓，每次加壓時，均維持1 min左右，觀察實驗現(xiàn)象并用上位機觀測監(jiān)測終端上傳的電暈放電波形。

加壓時，能聽到比較明顯的滋滋放電聲音，且電壓越高，放電越明顯，電壓達到120 kV時，在均壓環(huán)上可以觀察到細小的刷狀電弧產(chǎn)生。在模擬電暈放電過程中，施加最大電壓為120 kV。

2.2.2 樹木放電

樹木與導線之間的間隙類似于極不均勻場，在一定間隙距離范圍內(nèi)，其擊穿電壓與間隙距離呈近似線性關(guān)系，擊穿場強按4 kV/cm考慮[7]。在模擬樹木-導線放電過程時，為監(jiān)測樹木放電波形，應避免模擬導線本體強電暈產(chǎn)生的干擾，導線上施加電壓不宜超過前面所述電暈模擬試驗所施加電壓。按100 kV施加電壓考慮，樹木-模擬導線最大凈空距離為25 cm，低于該距離則容易發(fā)生擊穿。

在模擬導線下方放置試驗用的樹木，保持樹木頂部與導線之間空氣距離25 cm左右不變，逐漸升高電壓至樹木頂部出現(xiàn)明顯放電電弧，此時施加電壓在60～80 kV，保持1 min左右，在黑暗情況下可看到明亮的放電斑點，聽到明顯放電嘶嘶聲。

2.2.3 閃絡(luò)放電

繼續(xù)增加電壓，當電壓達到95～105 kV時，樹木頂端電弧向模擬導線上蔓延，并很快形成穩(wěn)定燃弧，持續(xù)一段短暫時間后，試驗變壓器保護動作，施壓停止，電弧消失。拍攝到明顯的放電燃燒現(xiàn)象，如圖4所示。

圖4 閃絡(luò)放電現(xiàn)象Fig.4 Phenomenon of flashover

閃絡(luò)發(fā)生時，形成穩(wěn)定燃弧，并產(chǎn)生大量白煙，待試驗完成后檢查樹木頂部，發(fā)現(xiàn)明顯燒傷痕跡。

3 放電波形分析

3.1 電暈放電

為準確記錄電暈放電弱電流波形，首先通過上位機對監(jiān)測終端設(shè)定合理的觸發(fā)參數(shù)，在不加壓情況下，檢測設(shè)備本身熱噪聲或者環(huán)境噪聲帶來的干擾波形，統(tǒng)計波形特征后，調(diào)整相應參數(shù)，使得無誤觸發(fā)發(fā)生；然后施加電壓，保持耐壓1 min左右，記錄加壓時刻，并跟上傳波形GPS時標進行匹配，找到每種情況下對應的放電電流。典型電暈放電波形如圖5和圖6所示。

圖5 電暈放電波形(U=40 kV)Fig.5 Corona discharge waveform

圖6 電暈放電波形(U=120 kV)Fig.6 Corona discharge waveform

每次加壓后，監(jiān)測終端均上傳大量放電波形，從波形特征上來看，電暈放電波形均為高頻無規(guī)律的毛刺信號。隨著施加電壓的升高，放電電流幅值有增大趨勢，且上傳波形數(shù)量大幅增加。當電壓為40 kV時，電暈電流幅值20 mA左右，施加電壓為120 kV時，極限情況下幅值可達70 mA。

3.2 樹木放電

通過上位機對監(jiān)測終端重新設(shè)定觸發(fā)參數(shù)，調(diào)整其觸發(fā)閾值為80 mA左右。在此條件下，當導線上施加電壓不超過120 kV時，設(shè)備不會采集電暈放電波形，因此終端上傳波形均為樹木放電電流。典型波形如圖7所示。

圖7 樹木放電波形Fig.7 Tree-wire discharge waveform

樹木放電波形一般為單脈沖波形，主波脈寬較大，多數(shù)為6～20 μs，且幅值也大于電暈放電波形，一般為150～400 mA，因此比較容易跟電暈波形進行區(qū)分。

3.3 閃絡(luò)放電

當電壓達到95～105 kV時，閃絡(luò)發(fā)生。閃絡(luò)時刻產(chǎn)生了大量幅值更大、脈寬更寬的電流波形，閃絡(luò)時刻波形如圖8所示。

圖8 閃絡(luò)放電波形Fig.8 Flashover discharge waveform

3.4 不同階段放電波形頻譜分析

從波形直觀來看，從電暈放電到樹木放電再到閃絡(luò)放電，不同階段產(chǎn)生的放電電流特征不同，幅值逐漸增大。為進一步區(qū)分這幾個階段電流，各選取了一組電流波形，利用Matlab軟件自帶快速傅式變換(fast fourier transformation,FFT)功能對波形進行頻譜分析，結(jié)果如圖9—11所示。

圖9 電暈放電波形頻譜Fig.9 Corona discharge spectrum

圖10 樹木放電波形頻譜Fig.10 Tree-wire discharge spectrum

圖11 閃絡(luò)放電波形頻譜Fig.11 Flashover discharge spectrum

對比圖9—11可知，電暈放電波形在0～2 MHz內(nèi)均有分布，樹木放電波形主要集中在0～600 kHz以內(nèi)，而閃絡(luò)放電波形則在0～200 kHz內(nèi)，且頻率呈下降趨勢。綜合來看，不同階段放電過程產(chǎn)生的電流特征不同，隨著放電程度加劇，設(shè)備采集到的電流呈現(xiàn)出平均幅值增大，而頻率降低的趨勢。

4 結(jié)語

文章對樹木故障形成機理進行了分析，并通過試驗模擬了樹木故障形成過程，通過高頻電流監(jiān)測終端監(jiān)測了不同放電階段放電波形，并對系列波形特征及頻率分布進行了綜合分析，得到如下觀點：

(1) 隨著樹木生長，當高度達到一定值時，樹木頂部開始形成電暈放電，若樹木-導線凈空距離進一步減小，電暈放電發(fā)展成間歇性電弧放電，形成較明顯電弧時，仍不加以控制，任由樹木繼續(xù)長高，則閃絡(luò)發(fā)生，輸電線路跳閘。

(2) 從不同階段放電過程產(chǎn)生的波形來看，電暈放電幅值最低，但頻率最高，閃絡(luò)放電波形幅值最高，但頻率最低，而中間過程產(chǎn)生的放電則介于兩者之間。

(3) 樹木在臨近故障前的放電過程會產(chǎn)生150～400 mA高頻電流，對該電流進行檢測分析，理論上可以用行波定位理論實現(xiàn)樹木故障監(jiān)測及預警。

[1] 劉懷東，陳 偉，高曉輝，等． 從大停電觀點分析一類輸電線路樹木故障[J]． 電網(wǎng)技術(shù)，2007，31(1)：67-69．

LIU Huaidong，CHEN Wei，GAO Xiaohui，et al． Analysis of the tree flashover fault along the transmission lines from the respective of blackout[J]． Power System Technology，2007，31(1)：67-69．

[2] 林力輝，閆航瑞，岳鑫桂，等． 輸電線路樹木故障的行波信號分析[J]． 南方電網(wǎng)技術(shù)，2014，8(3)：47-52．

LIN Lihui，YAN Hangrui，YUE Xinrui，et al． Traveling wave signal analysis of tree flashover fault along the transmission lines[J]． Southern Power System Technology，2014，8(3)：47-52．

[3] 胡海斌，黃康裕，鐘建勇． 輸電線路通道樹木隱患點預警平臺的研發(fā)[J]． 廣西電力，2015，38(1)：50-52．

HU Haibin，HUANG Kangyu，ZHONG Jianyong． Research and development of transmission Line tree passage hidden spot early warning platform[J]． Guangxi Electric Power，2015，38(1)：50-52．

[4] Gnther Beck，Dusan Povh，Dietmar Retzmann，et al． 全球大停電的經(jīng)驗教訓[J]． 中國電力，2007(10)：75-81．

BECK G ，POVH D，RETZMANN D，et al． Lessons from the global blackout [J]． China Electric power，2007(10)：75-81．

[5] 周義罡，王瑞輝，謝裕宏，等． 架空線下速生超高樹木樹高生長規(guī)律研究[J]． 中南林業(yè)科技大學學報，2016，36(2)：75-78．

ZHOU Yigang，WANG Ruihui，XIE Yuhong，et al． The research on the growth regularity of ultra-fast-growing tree height under overhead wire[J]． Journal of Central South University of Forestry & Technology，2016，36(2)：75-78．

[6] 劉雯靜，張童飛，胡志珍，等． 基于超聲和無線組網(wǎng)的超高樹障在線監(jiān)測裝置[J]． 電力系統(tǒng)自動化，2013，37(10)：97-103．

LIU Wenjing，ZHANG Tongfei，HU Zhizhen，et al． The online monitoring system of ultra-high tree barrier based on the ultrasonic and the wireless networking[J]． Automation and Electric Power System，2013，37(10)：97-103．

[7] 趙增華，石高濤，韓雙立，等． 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的高壓輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)[J]． 電力系統(tǒng)自動化，2009，33(19)：80-84．

ZHAO Zenghua，SHI Gaotao，HAN Shuangli，et al． A heterogenerous wireless sensor network based remote district high-voltage transmission line on-line transmission system [J]． Automation of Electric Power System，2009，33(19)：80-84．

[8] AJAYI A， OSAYI FS， JEROME DK，et al． Investigating vege-tation induced faults on power transmission line；A case study of the irrua-auchi-agenebode 33kV transmission line Edo State Nigeria[J]． Global Journal Of Advanced Research，2016，3(3)：177-183．

[9] 劉亞新． 輸電線路常見故障特征及判別方法[J]． 山西電力，2004(6)：44-46．

LIU Yaxin． Common faults characters and distinguished method of transmission Line [J]． Shanxi Electric Power，2004(6)：44-46．

[10] 劉 通，代 洲，王 頌，等． 架空輸電線路的故障模式及相關(guān)故障樹分析[J]． 南方電網(wǎng)技術(shù)，2013(06)．

LIU Tong，DAI Zhou，WANG Song，et al． Failure mode overhead transmission line and associated fault tree analysis[J]． Southern Power System Technology，2013(06)．

[11] SPOOR D J，ZHU J． Frequency considerations when em-ploying traveling wave fault location algorithms[C]Universities Power Engineering Conference .Bristol，UK: 2004：1116-1120．

[12] 隋曉杰，松守信． 高壓輸電線路電暈放電分析[J]. 電力建設(shè)，2006，27(3)：37-38．

SUI Xiaojie，SONG Shouxin． Analysis on corona discharge of high-voltage transmission lines[J]． Electric Power Construction，2006，27(3)：37-38．

[13] 鄭亞利，俞集輝，汪泉弟，等． 電暈放電對超高壓輸電線路工頻電場的影響[J]． 高電壓技術(shù)，2009，35(4)：872-876．

ZHEN Yali，YU Jihui，WANG Quandi，et al． Corona discharge frequency electric fields on EHV transmission lines[J]． High Voltage Engineering，2009，35(4)：872-876．

[14] LI S，RUSSELL B D． Optimal arcing fault detection using signal processing techniques [J]． Electric Power Systems Research，1991，21(2)．

[15] 胡 毅． 輸電線路運行故障的分析與防治[J]． 高電壓技術(shù)，2007，33(3)：1-8．

HU Yi． Analysis on operation faults of transmission line and countermeasures[J]． High Voltage Engineering，2007，33(3)：1-8．

[16] GB/T 4585—2004． 交流系統(tǒng)用高壓絕緣子的人工污穢試驗[S]，2004．

GB/T 4585—2004． Artificial pollution tests on high-voltage insulators to be used on a.c. Systems[S]，2004．

[17] 申 燭，王士敏，朱明均，等． 一種電子式電流互感器的研制[J]． 電力系統(tǒng)自動化，2002，26(18)：41-44．

SHEN Zhu，WANG Shimin，ZHU Mingjun，et al． A study on the development of electronic current transformers[J]． Automation of Electric Power Systems，2002，26(18)：41-44．

劉貞瑤

劉貞瑤(1979—)，男，江蘇南京人，高級工程師，從事輸電線路運檢技術(shù)研究工作(E-mail:liuzhenyaolzy@163.com)；

談發(fā)力(1989—)，男，湖北武漢人，碩士，從事輸電線路外絕緣、故障智能診斷及預警工作；

康宇斌(1978—)，男，四川冕寧人，工程碩士，從事輸電線路外絕緣及電力系統(tǒng)帶電作業(yè)研究工作；

宋自強(1993—)，男，湖南長沙人，碩士研究生，從事電磁兼容技術(shù)、輸電線路多相體放電技術(shù)研究工作；

郭 嶸(1985—)，男，貴州貴陽人，工程師，從事輸電線路運檢技術(shù)研究工作；

胡 楓(1983—)，男，湖北武漢人，碩士，從事配網(wǎng)故障選線、接地故障快速隔離、輸電線路故障診斷及辨識研究工作。

(編輯江 林)

MechanismAnalysisandExperimentalstudyofTransmissionLineTree-relatedFailures

LIU Zhenyao1, TAN Fali2, KANG Yubin1, SONG Ziqiang2, GUO Rong1, HU Feng2

(1. State Grid Jiangsu Electric Power Company Maintenance Branch, Nanjing 211102, China;2. Wuhan SunShine Power Science&Technology Co., Ltd., Wuhan 430074, China)

Tree-related failure is a typical non lightning fault on transmission lines. Current researches mainly focus on the diagnosis and treatment, while the mechanism study is seldom reported. Firstly, the formation process of tree-related failure and the typical discharge characteristics in different stages of tree height are analyzed, and then different phases of tree-wire gap discharge process are simulated in the lab environment. The discharge current is monitored, and the characteristics of the waveform and the frequency spectrum are analyzed. Characteristics and rules of tree-wire discharge at different stages are obtained, and the mechanism of transmission line tree-related failures is further expounded.

Tree-related failure; discharge; spectrum analysis; current waveform

TM85

A

2096-3203(2017)06-0122-05

2017-06-02；

2017-07-12

國家電網(wǎng)公司科技項目(特高壓交直流輸電線路直升機吊索法和吊蘭法帶電檢修作業(yè)的研究)