山火導(dǎo)致輸電線路間隙擊穿特性的研究現(xiàn)狀

祝 賀，劉 程

（東北電力大學(xué)建筑工程學(xué)院，吉林吉林 132012）

0 引言

我國(guó)發(fā)電能源和生產(chǎn)力發(fā)展呈逆向分布，決定中國(guó)必然采取遠(yuǎn)距離、大容量輸電，為此我國(guó)采用超、特高壓線路進(jìn)行輸電，將電能從發(fā)電中心輸送到用電負(fù)荷中心[1-4]。隨著特高壓骨干網(wǎng)架的建設(shè)，線路走廊緊張問題日益突出[5-8]，因此特高壓輸電線路不可避免經(jīng)過植被茂密的山林火災(zāi)易發(fā)生區(qū)[9]。山火發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的火焰高溫、火焰電導(dǎo)率、固體顆粒物等因素容易導(dǎo)致輸電線路間隙絕緣強(qiáng)度迅速下降，從而引發(fā)輸電線路跳閘事故[10-12]。山火條件下線路自動(dòng)重合閘成功率低，容易導(dǎo)致較為嚴(yán)重的線路停運(yùn)事故，對(duì)輸電線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重威脅[13]。

近年來，隨著人們環(huán)境保護(hù)意識(shí)的不斷增強(qiáng)，我國(guó)陸續(xù)出臺(tái)了一系列森林保護(hù)措施，因此輸電線路走廊附近植被密度和高度明顯增加，另外隨著清明祭祀習(xí)俗的興盛以及各種極端氣象災(zāi)害的增多，導(dǎo)致輸電線路多年來罕見的山火跳閘事故開始急劇攀升[14-15]。

山火引發(fā)輸電線路跳閘事故，嚴(yán)重威脅著高壓輸電線路安全運(yùn)行，表1、表2為山火導(dǎo)致輸電線路跳閘案例[16-22]。

表1 國(guó)家電網(wǎng)山火導(dǎo)致輸電線路跳閘案例Table 1 The fire caused the line trip case of national grid transmission

表2 南方電網(wǎng)山火導(dǎo)致輸電線路跳閘案例Table 2 The fire caused transmission line trip case of China Southern power grid

由此可見，山火引發(fā)輸電線路跳閘，嚴(yán)重危害了電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)輸電線路走廊附近發(fā)生山火時(shí)，及時(shí)對(duì)山火火情進(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)山火火勢(shì)以及燃燒過程對(duì)輸電線路間隙絕緣性能進(jìn)行評(píng)估具有重要意義。筆者對(duì)山火引發(fā)輸電線路間隙擊穿特性進(jìn)行了綜述，全面分析了山火條件下火焰溫度、火焰電導(dǎo)率、固體顆粒等因素對(duì)輸電線路間隙絕緣特性的作用機(jī)理，指出了當(dāng)前國(guó)內(nèi)外山火模擬試驗(yàn)與理論研究工作中存在的不足，提出了山火條件下輸電線路間隙擊穿特性相關(guān)研究的一些建議，可為山火引發(fā)輸電線路間隙擊穿的研究提供進(jìn)一步的參考。

1 山火致輸電線路間隙擊穿主要誘因

植被火焰是擴(kuò)散火焰，在燃燒過程中存在明顯的振蕩[16]，因此火焰溫度具有不穩(wěn)定性。不同植被具有不同的燃燒特性，同時(shí)燃燒過程及燃燒產(chǎn)物的差異也相對(duì)較大，因此在山火條件下輸電線路間隙擊穿機(jī)理存在復(fù)雜性和不確定性[10]。通過分析山火引發(fā)輸電線路間隙擊穿的模擬試驗(yàn)得到，輸電線路間隙絕緣性能劇烈下降是火焰溫度、火焰電導(dǎo)率、固體顆粒等因素綜合作用的結(jié)果，單一因素不足以導(dǎo)致輸電線路間隙絕緣性能發(fā)生明顯下降而引發(fā)跳閘事故[13]。

2 火焰高溫致線路跳閘研究現(xiàn)狀

國(guó)外研究者Fonseca測(cè)量了不同火焰溫度與燃燒材料對(duì)3 m的空氣間隙內(nèi)擊穿電壓的影響，試驗(yàn)表明，標(biāo)準(zhǔn)大氣溫度條件下，線路間隙擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度為250 kV/m，而當(dāng)甘蔗葉火焰包絡(luò)整個(gè)間隙時(shí)，擊穿強(qiáng)度下降到50 kV/m。Uhm H S在氧、氮分子電離截面等參數(shù)的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出火焰中線路間隙擊穿場(chǎng)強(qiáng)隨火焰溫度的升高而降低，分析認(rèn)為，發(fā)生擊穿時(shí)，激發(fā)產(chǎn)生離子所需要的功率與溫度的平方成反比[17]。Allen對(duì)高溫條件下空氣的擊穿特性進(jìn)行了研究[18]，得出與Uhm H S類似的結(jié)論，并且通過試驗(yàn)證明，相對(duì)空氣密度與火焰溫度成反比，隨著火焰溫度的升高，流注發(fā)展所需要的電場(chǎng)強(qiáng)度降低，并按相對(duì)空氣密度的1.5次冪變化。

植被燃燒過程中距離線路不同高度處溫度也有很大的差異。Lanoie和Robledo-Martinez通過棒-板試驗(yàn)表明，在火焰垂直方向上，火焰溫度隨距離地面高度的增加而降低，同時(shí)較低的火焰溫度對(duì)間隙平均絕緣強(qiáng)度的影響較??；對(duì)于穩(wěn)定火源，當(dāng)棒電極與火焰之間距離增大時(shí)，間隙的擊穿電壓隨之升高[19-20]。Weber在Lanoie和Robledo-Martinez研究的基礎(chǔ)上給出了火焰溫度隨著距離地面高度變化的表達(dá)式[21]：

式中：K為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；Zd為燃料高度相關(guān)參數(shù)；Zp為火焰高度相關(guān)常數(shù)；T∞為火焰附近空氣的溫度；Tf1為在火焰高度處的火焰溫度。

國(guó)內(nèi)許多研究者對(duì)溫度影響輸電線路間隙擊穿特性進(jìn)行了一系列研究。吳田等對(duì)40 cm棒-板間隙在火焰中的放電特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究[13]。分析認(rèn)為，植被燃燒過程中產(chǎn)生的高溫、高壓環(huán)境導(dǎo)致火焰中氣體密度降低，進(jìn)而導(dǎo)致電子崩和流注放電發(fā)展所需要施加的外部場(chǎng)強(qiáng)降低。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)火焰中的擊穿電壓與相對(duì)空氣密度有關(guān)，并按相對(duì)空氣密度的1.29次冪變化。該試驗(yàn)結(jié)果與Allen研究結(jié)果具有一致性，說明火焰溫度的升高對(duì)于促進(jìn)電子崩和流注放電發(fā)展起到至關(guān)重要的作用。普子恒對(duì)間隙距離從40～55 cm變化的棒-板間隙在火焰中的放電特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究[22]。分析認(rèn)為，火焰高溫除產(chǎn)生上述影響外，還能與上升的熱氣流共同作用抬升固體顆粒物到強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)域，并觸發(fā)顆粒放電；同時(shí)火焰高溫為間隙提供了促進(jìn)熱電離和碰撞電離的能量，增加了火焰中的帶電粒子數(shù)量。尤飛和張?jiān)频韧ㄟ^開展模擬試驗(yàn)將工頻電壓作用到單股導(dǎo)線、雙分裂導(dǎo)線和四分裂導(dǎo)線上，研究在木垛火作用下，導(dǎo)線-板間隙的擊穿特性[23-25]。試驗(yàn)表明，3種情況下平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)均顯著下降，下降最大值為33.5%,小于計(jì)算值37.4%，所占計(jì)算值權(quán)重均在70%以上。由此可見，線路間隙平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)下降與火焰高溫密切相關(guān)。何曉威等研究了棒-板間隙沖擊電壓與溫度的關(guān)系[26]。研究表明，正極性與負(fù)極性操作沖擊電壓隨溫度的變化關(guān)系差異較大，雷電沖擊電壓情況下，隨溫度升高間隙擊穿電壓逐漸下降。王偉和陳仕修等研究了溫度對(duì)導(dǎo)線及針-板間隙電暈特性的影響[27-28]。研究表明，導(dǎo)線起暈電壓隨溫度的升高而降低，導(dǎo)線起暈電壓與起暈場(chǎng)強(qiáng)隨溫度變化大致呈線性關(guān)系。

實(shí)際山火過程中火焰高度未達(dá)到包絡(luò)導(dǎo)線的程度時(shí)也會(huì)導(dǎo)致線路跳閘，因此，火焰高度對(duì)輸電線路間隙擊穿電壓也具有較大的影響。陳孝明、吳田和尤飛等對(duì)火焰高度對(duì)輸電線路間隙擊穿特性的影響進(jìn)行了研究[11，13，23]。研究結(jié)果表明，火焰高度橋接半間隙時(shí)的擊穿電壓明顯大于火焰高度全橋接線路間隙時(shí)擊穿電壓。針對(duì)這一問題，部分學(xué)者認(rèn)為，造成這一結(jié)果的原因與火焰產(chǎn)生的羽流具有一定的導(dǎo)電性密不可分[29]。目前國(guó)內(nèi)外建立的山火模擬試驗(yàn)平臺(tái)均考慮火焰完全橋接間隙，針對(duì)火焰高度變化對(duì)線路間隙擊穿特性的影響研究較少，且沒有做定量研究，獲得的結(jié)論難以真實(shí)反映線路間隙擊穿特性與火焰高度之間的關(guān)系。

山火條件下火焰溫度對(duì)輸電線路間隙擊穿特性的影響主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）植被燃燒過程中產(chǎn)生的高溫、高壓使空氣氣體密度顯著降低，又由于氣體密度的降低，導(dǎo)致線路間隙電子崩和流注放電發(fā)展所需要的外部電場(chǎng)強(qiáng)度降低[30]。

2）火焰高溫降低了火焰中粒子熱電離和碰撞電離所需要的能量，從而增加了火焰中帶電粒子數(shù)量；同時(shí)在火焰高溫與熱氣流共同作用下抬升固體顆粒到達(dá)強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)域，并觸發(fā)顆粒放電[22]。

3）火焰高度橋接全間隙時(shí)擊穿電壓明顯小于火焰橋接半間隙時(shí)的擊穿電壓[11]。

3 火焰高電導(dǎo)率致線路跳閘研究現(xiàn)狀

國(guó)外許多學(xué)者對(duì)火焰中的離子濃度即火焰電導(dǎo)率以及線路擊穿時(shí)火焰內(nèi)部通道電流進(jìn)行了廣泛研究。McMullen和West采用長(zhǎng)76 m，直徑為4.22 cm，相間間隙為7.6 m，相地間隙為10.7 m的兩根導(dǎo)線，導(dǎo)線加載495 kV高壓，模仿山火的木垛結(jié)構(gòu)燃燒平臺(tái)布置在線路正中間，裝置可靠接地。試驗(yàn)過程中對(duì)裝置產(chǎn)生的泄漏電流進(jìn)行測(cè)量，試驗(yàn)初期檢測(cè)到100 μA左右的泄漏電流主要為電容電流，隨著火焰強(qiáng)度的增大線路中的泄漏電流也緩慢增大，臨近擊穿前，泄漏電流達(dá)到了2.3 μA，與此同時(shí)線路上的電暈放電增強(qiáng)，并產(chǎn)生明顯的可聽噪聲直至擊穿[31]。

Pedersen、Brown和Krumm等通過測(cè)量丙烷在空氣中的燃燒產(chǎn)物，得到火焰中108～109cm-3[32]的離子濃度。Mphale在溫度為730～1000 K時(shí)利用微波法測(cè)量得到火焰中電子密度為0.32～3.21×1016m-3[33]。植被燃燒過程中產(chǎn)生的帶電粒子對(duì)放電的影響與流注放電過程中產(chǎn)生的空間電荷極為相似[34]。同時(shí)Mphale進(jìn)一步測(cè)量了桉樹葉在不同燃燒溫度下的電導(dǎo)率[29]。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的升高火焰電導(dǎo)隨之升高，當(dāng)桉樹葉燃燒溫度達(dá)到976℃時(shí)，火焰電導(dǎo)率為0.58～0.79 S/m。Sukhnandan A分析了火焰中的放電發(fā)展，并計(jì)算了導(dǎo)線和火焰頂部由火焰電導(dǎo)率產(chǎn)生的電場(chǎng)[35]。通過計(jì)算認(rèn)為，導(dǎo)線表面的電場(chǎng)畸變隨火焰電導(dǎo)率的增加而增強(qiáng)。Uhm H S研究表明，火焰典型離子濃度為1010cm-3[17]。1907年Gold測(cè)量得到火焰內(nèi)部的電導(dǎo)率為δ=7.2×106S/cm，當(dāng)火焰中負(fù)離子的遷移率為104cm2Vs-1時(shí)，電子密度為4.5×109cm-3[36]。Reather通過霧室試驗(yàn)證明，當(dāng)離子濃度在106～108cm-3之間時(shí)，正電荷削弱了外加電場(chǎng)對(duì)電子的加速作用，導(dǎo)致電子的電離能力降低，電子崩的發(fā)展被減弱；當(dāng)離子濃度超過108cm-3時(shí)，正離子形成較強(qiáng)的空間電場(chǎng)，流注放電過程加強(qiáng)，導(dǎo)致間隙電流急劇增加，因此，流注自持放電的條件是eαx＞108cm-3[37]。Pedersen、Mphale、Gold和Uhm H S等人通過不同的試驗(yàn)及理論研究均表明，火焰中含有較高濃度的電子和離子，雖然不同研究人員所得出的離子濃度不盡相同，但所得結(jié)果均滿足流注自持放電的條件，因此，火焰中更容易激發(fā)流注放電。

植被燃燒過程中會(huì)產(chǎn)生水蒸氣和無機(jī)鹽，這些因素會(huì)導(dǎo)致大量帶電粒子進(jìn)入線路間隙，從而增大間隙的電導(dǎo)率[38-40]。對(duì)此，國(guó)內(nèi)研究人員吳田、普子恒和尤飛等研究了KCl在火焰高溫條件下熱游離產(chǎn)生的電子和離子對(duì)線路間隙擊穿機(jī)理[13，16，23]。普子恒試驗(yàn)表明，添加KCl之后，擊穿電壓較火焰條件下?lián)舸╇妷浩骄陆盗思s20%。尤飛試驗(yàn)表明，添加KCl后，平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)為69.8 kV/m，平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)下降到相應(yīng)空氣條件下的20.4%，同時(shí)平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)下降到未加KCl的木垛火焰條件下的27.3%。吳田試驗(yàn)表明，相對(duì)純火焰燃燒情況下，添加KCl后間隙擊穿電壓最小值下降了33%。黃道春等通過對(duì)輸電線路間隙擊穿特性分析表明，在穩(wěn)定火焰中，濃度為10-6cm-3的堿金屬鹽熱電離使線路間隙產(chǎn)生大量的電子，導(dǎo)致火焰電導(dǎo)率升高[10]。試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表明，在火焰中添加KCl后，間隙的擊穿電壓出現(xiàn)明顯下降，說明植被燃燒過程中產(chǎn)生的無機(jī)鹽對(duì)輸電線路間隙擊穿特性具有重要影響，但3人的試驗(yàn)結(jié)果差異比較大，所得結(jié)論準(zhǔn)確性仍有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

普子恒和黎鵬等對(duì)木垛火條件下間隙的直流電壓擊穿特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究[22，41]。研究表明，在火焰情況下，火焰中大量電子和負(fù)離子更容易被正極性電極吸引，形成較大的泄漏電流，并能發(fā)展形成電弧。在負(fù)極性電極情況下，由于正離子與電子相比體積較大，在火焰熱浮力作用下更容易四散，被吸引到電極附近的正離子數(shù)量較低，產(chǎn)生較小的泄漏電流。因此，直流線路間隙擊穿電壓具有極性效應(yīng)，且負(fù)極性擊穿電壓大于正極性。但此結(jié)論的準(zhǔn)確性有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

火焰中電導(dǎo)率增加對(duì)輸電線路間隙擊穿特性的影響主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）火焰中電導(dǎo)率增加到一定程度時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一種類似于流注放電特性，使間隙在較低電壓情況，被流注放電貫通形成擊穿[13]。

2）植被燃燒過程產(chǎn)生的大量電子和離子使火焰呈現(xiàn)出弱等離子體性質(zhì)，降低了火焰與線路間隙橋接時(shí)的壓降，從而導(dǎo)致整個(gè)間隙被擊穿[36]。

3）山火條件下，直流線路中擊穿電壓具有極性效應(yīng)，電極為正極性時(shí)間隙更容易擊穿[22]。

4 固體顆粒物致線路跳閘研究現(xiàn)狀

Chalmers最早發(fā)現(xiàn)空中顆粒物以帶電形式影響周圍環(huán)境電場(chǎng)[42]，Chalmers認(rèn)為這一現(xiàn)象與輸電導(dǎo)線電暈產(chǎn)生的負(fù)離子有關(guān)。Hoppel最早從理論上研究了輸電線路電磁環(huán)境受空中荷電顆粒物的影響[43]。Hoppel根據(jù)在1980年提交給美國(guó)電科院關(guān)于“輸電線路電暈產(chǎn)生的離子附著于顆粒物上形成空間電荷”的技術(shù)報(bào)告，計(jì)算得出了直流輸電線路電場(chǎng)強(qiáng)度受到空中帶電顆粒物的影響[44]。研究結(jié)果顯示，在較干凈空氣中和中度污染空氣中分別有3%～4%、10%～13%的電暈離子被轉(zhuǎn)移到空中顆粒物，而在重度污染空氣中被轉(zhuǎn)移到空中顆粒物的電暈離子達(dá)到34%～42%。為進(jìn)一步研究雙極性直流線路受到顆粒物的影響，Hoppel還計(jì)算了直流導(dǎo)線周圍的離子密度[45-46]。結(jié)果顯示，當(dāng)顆粒物濃度為5×103cm-3時(shí)，相對(duì)于沒有顆粒物存在的情況下，距離導(dǎo)線外20 m處地面合成電場(chǎng)可增大約2.6倍，且地面合成電場(chǎng)隨著顆粒物濃度的增加而增加。

針對(duì)山火情況下固體顆粒物對(duì)輸電線路間隙擊穿特性的影響。1977年Sadurski K J和Reynders J P通過在空氣和火焰中引入顆粒后，空氣間隙的絕緣強(qiáng)度下降了20%～30%，而火焰中平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)下降到7 kV/m[47]。日本研究者Naidoo P進(jìn)行了類似試驗(yàn)，研究工頻電壓下300 mm棒電極在500 mm的導(dǎo)線-導(dǎo)線間隙不同高度處的放電特性[48]。研究結(jié)果表明，擊穿電壓達(dá)到最低時(shí)，棒電極距離導(dǎo)線大約為10 mm，擊穿電壓達(dá)到極限值時(shí)，棒電極距離導(dǎo)線60 mm。同時(shí)Naidoo P研究了不同植被顆粒在間隙中不同位置時(shí)對(duì)間隙的絕緣強(qiáng)度的影響[48]。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)顆粒物為高介電常數(shù)或高電導(dǎo)率材料時(shí)，隨著顆粒與高壓導(dǎo)體距離的減小，擊穿電壓發(fā)生顯著下降。墨西哥A.Robledo-Martinez等人通過分別燃燒甘蔗渣和甘蔗葉發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)中甘蔗渣燃燒產(chǎn)生的碳顆粒平均尺寸為2.5 mm，而甘蔗葉燃燒產(chǎn)生的碳顆粒平均尺寸達(dá)到15 mm，燃燒甘蔗渣時(shí)，最大顆粒尺寸為5 mm，而燃燒甘蔗葉時(shí)，最大顆粒尺寸為40 mm，因此，不同的植被燃燒過程中產(chǎn)生的顆粒大小具有明顯的差異，當(dāng)浮動(dòng)電位顆粒出現(xiàn)在線路間隙時(shí)，間隙絕緣強(qiáng)度將會(huì)發(fā)生顯著下降[49]。Kubuki及Rizk通過將球形和棒形顆粒設(shè)置在導(dǎo)線-板、導(dǎo)線-塔及導(dǎo)線相-相間進(jìn)行了試驗(yàn)研究和數(shù)學(xué)模型計(jì)算，分析了放電通道中含有顆粒情況下的放電機(jī)理，通過前后電壓比Uc/U0和顆粒間隙比L0/d之間的關(guān)系從試驗(yàn)和理論研究方面闡述了顆粒對(duì)間隙的影響[50-51]。Aroon Sukhnandan也進(jìn)行了金屬顆粒及導(dǎo)線表面懸掛金屬棒對(duì)放電結(jié)果影響研究[52]。試驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)線路間隙布置金屬顆粒時(shí)，擊穿電壓隨著顆粒長(zhǎng)度的增長(zhǎng)而顯著降低，擊穿電壓下降的比例與顆粒鏈長(zhǎng)度占總間隙比例相仿，這說明顆粒僅起到短接線路間隙即縮短實(shí)際擊穿有效距離的作用；通過將8 mm長(zhǎng)黃銅棒懸掛在導(dǎo)線上進(jìn)行放電試驗(yàn)，得到在間隙距離為150 mm和180 mm的情況下，擊穿電壓分別為68.96 kV和73.25 kV。

國(guó)內(nèi)研究人員楊詠林和邵瑰瑋研究顆粒物對(duì)尖板電極電暈放電起暈特性的影響[53-54]。白金和許懷麗對(duì)顆粒物對(duì)尖板電暈放電伏安特性的影響進(jìn)行研究[55-56]。研究結(jié)果表明，電暈放電特性是固體顆粒物產(chǎn)生的空間電荷與顆粒物自身對(duì)周圍電場(chǎng)畸變共同作用的結(jié)果，顆粒物對(duì)周圍電場(chǎng)的畸變效果隨顆粒物體積分?jǐn)?shù)的增大而增大，隨著顆粒物體積分?jǐn)?shù)增大，相當(dāng)于線路間隙距離逐漸減小，因此越容易觸發(fā)放電，導(dǎo)線起暈電壓越低。鄧鶴鳴在氣固兩相介質(zhì)電暈放電領(lǐng)域中提出兩相體的擊穿電壓和路徑選擇上存在“粒徑效應(yīng)”，即顆粒物介電常數(shù)和體積分?jǐn)?shù)對(duì)擊穿電壓的影響遠(yuǎn)小于非氣相物質(zhì)顆粒粒徑的影響，顆粒粒徑的大小對(duì)放電發(fā)展的影響范圍也有關(guān)，顆粒對(duì)間隙擊穿電壓影響極限距離為偏離間隙軸線距離大于2.5倍顆粒粒徑[57]。普子恒通過攝像機(jī)記錄了火焰中顆粒觸發(fā)放電的過程[23]。研究證明了鄧鶴鳴所提出的顆粒物的“粒徑效應(yīng)”，當(dāng)顆粒尺寸較大時(shí)，顆粒觸發(fā)放電更容易轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的電弧放電；并且通過試驗(yàn)證明，當(dāng)顆粒間的間隙為4倍的顆粒粒徑時(shí)，顆粒鏈短接間隙比達(dá)到20%，在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下，間隙的擊穿電壓將下降約20%，在山火條件下，間隙的極限擊穿電壓將下降約10倍。

黃道春和吳田等研究表明，固體顆粒物荷電飽和后對(duì)周圍電場(chǎng)的畸變范圍將增大到未荷電前的3倍左右，隨著顆粒長(zhǎng)軸長(zhǎng)度的增加和短軸長(zhǎng)度的減小，顆粒對(duì)附近電場(chǎng)畸變程度增大，因此，形狀為針形的顆粒在火焰中更容易觸發(fā)放電，引發(fā)輸電線路跳閘[10]。

普子恒研究了將金屬顆粒物布置在棒-板間隙中后對(duì)空間電場(chǎng)的影響[30]。通過在高壓棒電極設(shè)置電壓100 V，板電極可靠接地，采用4根長(zhǎng)度15 mm，相互之間間距為40 mm，曲率半徑0.5 mm的相同灰燼顆粒布置在400 mm長(zhǎng)間隙通道中，其中棒電極到最上面顆粒之間距離為40 mm，結(jié)果表明，顆粒距離高壓電極遠(yuǎn)近與其對(duì)空間電場(chǎng)的畸變程度無關(guān)，但是顆粒距離電極越近，顆粒周圍產(chǎn)生的畸變幅值越大，最大幅度可達(dá)到20%左右。國(guó)際大電網(wǎng)（委員會(huì)）報(bào)告指出，距離高壓端位置時(shí)，組合間隙存在一個(gè)最低放電電壓點(diǎn)[58]。國(guó)內(nèi)輸電線路帶電作業(yè)間隙操作沖擊電壓放電試驗(yàn)表明，距離500～1000 kV特高壓模擬導(dǎo)線0.4 m的位置處存在最低放電電壓點(diǎn)[59]。

吳田和普子恒等通過試驗(yàn)研究電極形狀對(duì)球-板間隙擊穿機(jī)理[13]。研究發(fā)現(xiàn)，植被燃燒過程中產(chǎn)生的大量顆粒在接近導(dǎo)線過程中觸發(fā)放電，部分顆粒粘附在電極上形成突出物，導(dǎo)致附近電場(chǎng)發(fā)生畸變。因此，電極本身形狀對(duì)電場(chǎng)的畸變被粘附在電極表面以及電極附近的顆粒所取代，電極形狀對(duì)電場(chǎng)畸變的影響可以忽略不計(jì)，故在山火條件下，電極形狀對(duì)擊穿電壓沒有影響。

火焰中固體顆粒物對(duì)輸電線路間隙絕緣性能影響主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）對(duì)電場(chǎng)的畸變作用。植被枝葉燃燒過程中會(huì)產(chǎn)生尺寸較大的針狀顆粒，當(dāng)這些顆粒進(jìn)入間隙強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)域時(shí)，顆粒會(huì)吸附電荷觸發(fā)放電，同時(shí)顆粒兩尖端會(huì)導(dǎo)致周圍電場(chǎng)發(fā)生畸變。

為了簡(jiǎn)化分析，利用橢球性顆粒來分析灰燼等顆粒對(duì)電場(chǎng)的畸變。對(duì)于橢球性顆粒，在顆粒附近產(chǎn)生的畸變電場(chǎng)最大值Emax為[60]

式中：E0為背景電場(chǎng)強(qiáng)度；ε1、ε2分別為顆粒的介電常數(shù)和介質(zhì)的介電常數(shù)；a1、a2分別為橢球的長(zhǎng)軸長(zhǎng)和短軸長(zhǎng)。

2）顆粒鏈短接線路間隙。植被燃燒過程中產(chǎn)生的大量顆粒形成顆粒鏈，顆粒鏈導(dǎo)致大部分線路間隙短接，如果顆粒周圍電場(chǎng)強(qiáng)度超過火焰中氣體的臨界擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度，那么顆粒與顆粒間、顆粒與高壓電極間的間隙會(huì)被擊穿[16]。

5 山火模擬試驗(yàn)研究現(xiàn)狀

國(guó)外最先開展了山火引發(fā)輸電線路跳閘試驗(yàn)研究，主要采用山火模擬試驗(yàn)的方法，考慮不同環(huán)境下輸電線路間隙擊穿特性研究。

美國(guó)電科院采用導(dǎo)線-地模擬山火試驗(yàn)，導(dǎo)線對(duì)地高度H=10.7 m，導(dǎo)線相間距離S=7.6 m，模擬植被采用長(zhǎng)寬高為4.9 m×3 m×3 m的木垛，試驗(yàn)布置見圖1[61]。試驗(yàn)過程中發(fā)生了幾乎相同次數(shù)的相地和相間放電。考慮木垛所占間隙高度后平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)為49.3 kV/m，相間間隙的平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)為65.0 kV/m；不考慮木垛所占間隙高度，相地間隙的平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)為26.7 kV/m。

圖1 美國(guó)電科院試驗(yàn)平臺(tái)Fig.1 Test platform of EPRI in USA

加拿大水電研究中心Lanioe R等開展了在桉樹火條件下，±450 kV直流輸電線路間隙絕緣特性，試驗(yàn)布置見圖2[21]。若不考慮桉樹所占間隙高度的情況，間隙平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)為32.8 kV/m；若考慮桉樹所占間隙高度，間隙平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)為58.4 kV/m。

圖2 加拿大水電站研究中心試驗(yàn)平臺(tái)Fig.2 The hydropower station test platform of Canadian research center

墨西哥A.Robledo-Martinez等針對(duì)不同燃燒物及燃燒條件下不同距離空氣間隙的絕緣特性開展了試驗(yàn)研究，模擬山火試驗(yàn)平臺(tái)采用70 kV的三相交流線路，導(dǎo)線高度調(diào)整范圍為0.85～2.0 m，試驗(yàn)布置見圖3[20]。

南非和巴西研究人員分別采用草原火災(zāi)和甘蔗等當(dāng)?shù)卮硇缘闹脖换鹪?，模擬輸電線路山火試驗(yàn)，火焰橋接間隙條件下，甘蔗火源平均耐受電場(chǎng)強(qiáng)度為35 kV/m，試驗(yàn)布置見圖4[15]。

國(guó)內(nèi)武漢大學(xué)研究人員建立了火焰條件下間隙的擊穿特性模擬試驗(yàn)平臺(tái)，該試驗(yàn)臺(tái)考慮了更多參數(shù)，例如：高壓電極形狀（球形、細(xì)棒等）、植被種類，還能實(shí)時(shí)采集試驗(yàn)過程中從電極穿過火焰間隙到達(dá)地面板電極泄漏電流的波形，試驗(yàn)布置見圖5[13]。中國(guó)科技大學(xué)尤飛和陳海翔等模擬單股導(dǎo)線、雙分裂導(dǎo)線和四分裂導(dǎo)線在木垛火作用下對(duì)地面的擊穿特性試驗(yàn)[16-17]。研究表明，依據(jù)木垛火溫度分布，通過計(jì)算可以得到高溫對(duì)擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度下降的影響程度。

圖3 墨西哥試驗(yàn)平臺(tái)Fig.3 Test platform in Mexico

圖4 巴西試驗(yàn)平臺(tái)Fig.4 Test platform in Brazil

圖5 火焰條件下間隙擊穿特性試驗(yàn)平臺(tái)Fig.5 Test platform of gap breakdown characteristics under fire condition

6 研究成果、存在不足及研究建議

6.1 山火致輸電線路間隙擊穿特性研究成果

國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)山火導(dǎo)致輸電線路間隙擊穿特性方面進(jìn)行了大量模擬試驗(yàn)研究，取得了較多具有價(jià)值的研究成果。

1）植被燃燒過程中的高溫高壓環(huán)境使空氣密度降低，進(jìn)而使電子崩和流注放電發(fā)展所需要的外界場(chǎng)強(qiáng)降低，導(dǎo)致絕緣間隙擊穿場(chǎng)強(qiáng)發(fā)生顯著下降，實(shí)驗(yàn)表明：山火條件下對(duì)于單股導(dǎo)線在穩(wěn)定火焰中和熄滅火焰中擊穿場(chǎng)強(qiáng)會(huì)分別減小到相應(yīng)空氣條件下的27.3%和48.4%。

2）植被燃燒過程中，水蒸氣、無機(jī)鹽和堿金屬鹽電離會(huì)產(chǎn)生高濃度的電子和正、負(fù)離子，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到當(dāng)火焰溫度達(dá)到500～800℃時(shí)，火焰中電子密度為0.32～3.21×1016m-3，正、負(fù)離子密度為1014～1016m-3。

3）通過在火焰中添加氯化鉀后，由于火焰高溫增強(qiáng)了氯化鉀電離能力產(chǎn)生大量帶電粒子，同時(shí)高濃度的帶電粒子使得間隙絕緣強(qiáng)度顯著下降，從而引發(fā)線路間隙擊穿，間隙擊穿電壓相對(duì)未加入氯化鉀前下降幅度最大可達(dá)到33%。

4）植被枝葉在燃燒過程中會(huì)產(chǎn)生針狀顆粒，這些顆粒會(huì)使其周圍電場(chǎng)發(fā)生畸變，火焰中針狀顆粒最大畸變幅度可使場(chǎng)強(qiáng)增加約20%，顆粒物激發(fā)放電范圍會(huì)達(dá)到8.83倍顆粒直徑。同時(shí)相互連接的顆粒鏈會(huì)短接線路間隙，使得間隙擊穿電壓降低，當(dāng)顆粒鏈短接線路間隙達(dá)到20%時(shí)，山火情況下線路間隙擊穿電壓與正常運(yùn)行情況相比下降約10倍。

6.2 山火致輸電線路間隙擊穿特性研究不足

目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)山火與輸電線路間隙擊穿特性的關(guān)系進(jìn)行了廣泛研究，但對(duì)于山火導(dǎo)致輸電線路跳閘機(jī)理的認(rèn)識(shí)仍舊停留在初步階段，對(duì)于指導(dǎo)山火導(dǎo)致的輸電線路跳閘等安全保護(hù)方面具有一定局限性。

1）理論研究方面，雖然正常運(yùn)行條件下輸電線路場(chǎng)強(qiáng)的計(jì)算公式已得到國(guó)際認(rèn)可，但針對(duì)山火條件下輸電線路電場(chǎng)強(qiáng)度的精確計(jì)算公式尚沒有給出具體的數(shù)學(xué)計(jì)算模型。研究表明，山火導(dǎo)致輸電線路間隙擊穿是火焰高溫、火焰高電導(dǎo)率和火焰中固體顆粒物等因素綜合作用的結(jié)果，目前國(guó)內(nèi)外研究人員尚沒有建立出三者與電場(chǎng)的耦合關(guān)系。

2）仿真研究方面，目前僅國(guó)內(nèi)少數(shù)研究人員對(duì)山火條件下輸電線路間隙擊穿特性進(jìn)行仿真研究，且仿真研究基本集中在固體顆粒物形狀、大小以及顆粒鏈對(duì)線路間隙的放電特性影響方面，對(duì)于溫度、電導(dǎo)率等單種因素的定量研究以及多種因素的綜合作用機(jī)理研究較少。

3）實(shí)驗(yàn)研究方面，首先，國(guó)內(nèi)外研究都采用山火模擬試驗(yàn)平臺(tái)，該試驗(yàn)平臺(tái)相比實(shí)際輸電線路結(jié)構(gòu)尺寸較小，難以綜合考慮實(shí)際輸電線路結(jié)構(gòu)類型、地理?xiàng)l件、氣象條件等參數(shù)。其次，采用山火模擬試驗(yàn)時(shí)，研究手段較為單一，目前對(duì)于輸電線路間隙擊穿特性的研究均通過獲得間隙放電電壓以及測(cè)量泄漏電流波形進(jìn)行研究，其他研究手段涉及較少。最后，模擬試驗(yàn)多采用木垛作為燃燒材料，極少數(shù)國(guó)家采用當(dāng)?shù)卮硇灾脖蛔鳛槿紵牧希紵牧暇^為單一，所獲數(shù)據(jù)不能反映實(shí)際輸電線路走廊植被情況，所得結(jié)論存在局限性。

6.3 后續(xù)研究建議

為深入研究山火條件下輸電線路間隙的擊穿特性，掌握更加快捷有效的防治措施，為輸電線路安全穩(wěn)定運(yùn)行以及運(yùn)行維護(hù)提供指導(dǎo)，需要進(jìn)一步開展以下研究：

1）建立山火條件下輸電線路電場(chǎng)強(qiáng)度的非線性數(shù)學(xué)模型，綜合考慮火焰高溫度、火焰高電導(dǎo)率和固體顆粒物3種因素相互耦合以及對(duì)輸電線路電場(chǎng)強(qiáng)度的影響，再利用山火條件下輸電線路電場(chǎng)強(qiáng)度的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)修正數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)山火條件下輸電線路電場(chǎng)強(qiáng)度的精確計(jì)算。

2）開展山火條件下輸電線路間隙擊穿特性的仿真研究，定量研究燃燒材料、火焰溫度、電導(dǎo)率、固體顆粒、空間電場(chǎng)等因素對(duì)輸電線路間隙擊穿特性的影響，進(jìn)而確定山火引發(fā)輸電線路跳閘的綜合作用機(jī)理。

3）建立更加完備的山火試驗(yàn)?zāi)M平臺(tái)，綜合考慮不同的火源植被類型、線路走廊的地理環(huán)境、電壓等級(jí)以及電極類型等，通過模擬試驗(yàn)獲得更加真實(shí)可靠的線路間隙擊穿特性數(shù)據(jù)，用于指導(dǎo)輸電線路火險(xiǎn)預(yù)警。

由于山火導(dǎo)致輸電線路跳閘是多種因素綜合作用的結(jié)果，該過程復(fù)雜且現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)難度較大，因此在數(shù)學(xué)模型建立過程中各種因素之間的耦合關(guān)系，仿真分析過程中邊界條件和參數(shù)的確定，試驗(yàn)?zāi)M過程中對(duì)于各種因素的定量和定性控制、絕緣間隙放電發(fā)展過程的觀測(cè)和分析都需要進(jìn)行進(jìn)一步研究。

7 結(jié)論

1）輸電線路走廊發(fā)生山火引發(fā)跳閘時(shí)，線路自動(dòng)化保護(hù)裝置會(huì)重合閘，但由于山火持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，在此期間線路自動(dòng)化控制會(huì)發(fā)生多次跳閘和重合閘事故，對(duì)輸電線路安全穩(wěn)定運(yùn)行造成嚴(yán)重威脅，特別是隨著特高壓骨干網(wǎng)架的加快建設(shè)，山火引發(fā)輸電線路跳閘事故應(yīng)引起足夠重視。

2）山火導(dǎo)致輸電線路間隙擊穿是由于火焰高溫、火焰電導(dǎo)率以及固體顆粒物等因素綜合作用的結(jié)果。首先，山火發(fā)生時(shí)的高溫高壓環(huán)境使得空氣密度降低，進(jìn)而電子崩和流注放電發(fā)展所需要的外界場(chǎng)強(qiáng)降低；其次，燃燒過程中產(chǎn)生的高密度電子和正、負(fù)電荷使線路間隙絕緣性能降低；最后，植被枝葉燃燒時(shí)產(chǎn)生的針狀顆粒物連接成顆粒鏈短接線路間隙，導(dǎo)致?lián)舸╇妷航档汀?/p>

3）目前，國(guó)內(nèi)外所建立的山火模擬試驗(yàn)都沒有綜合考慮山火條件下火焰溫度、火焰電導(dǎo)率、固體顆粒物以及電場(chǎng)之間的耦合作用，所獲數(shù)據(jù)對(duì)于指導(dǎo)輸電線路設(shè)計(jì)、施工以及運(yùn)行維護(hù)等方面具有局限性。

4）需要進(jìn)一步從數(shù)學(xué)模型建立、仿真分析以及山火模擬試驗(yàn)等方面對(duì)山火條件下輸電線路間隙擊穿特性進(jìn)行深入研究。