輸電線路因山火跳閘事故統(tǒng)計特性與識別分析

楊赫 徐溢卓 李宛陽

摘要：近年極端高溫干旱氣候?qū)е律交痤l繁發(fā)生，山火嚴(yán)重威脅到線路和電網(wǎng)的運行安全。為了提高輸電線路在山火條件下運行維護(hù)與控制保護(hù)技術(shù)水平，結(jié)合220～500kV輸電線路山火跳閘統(tǒng)計數(shù)據(jù)和火行為特性，分析輸電線路因火跳閘規(guī)律和控制保護(hù)策略。

關(guān)鍵詞：輸電線路；山火；跳閘；特性；故障識別

本文以我國南方某省220～500kV輸電線路因山火跳閘的統(tǒng)計數(shù)據(jù)為對象，結(jié)合山火的行為特性，分析了輸電線路因山火跳閘特性，結(jié)合間隙在模擬山火條件下放電電流波形以及事故現(xiàn)場故障電流錄波波形分析了輸電線路在山火條件下放電電流的特性并探討了基于山火條件下的預(yù)放電電流乖1故障電流識別山火跳閘故障的途徑以及運行與控制方法，為輸電線路在山火條件下的應(yīng)急管理與控制保護(hù)提供參考。

一、山火事故多發(fā)的原因

西南地區(qū)是我國第二大林區(qū)，該地區(qū)是我國森林火災(zāi)頻發(fā)地區(qū)，而云南省和貴州省等地區(qū)重大森林火災(zāi)則位居全國首位，這與當(dāng)?shù)氐淖匀画h(huán)境和社會政治經(jīng)濟(jì)等密切相關(guān)。而2009年和2010年輸電線路因山火跳閘事故還與以下因素具有密切關(guān)系：一方面由于極端氣候或異常的天氣導(dǎo)致森林火災(zāi)頻發(fā)；另一方面與線路走廊附近的植被管理缺少依據(jù)與規(guī)范有關(guān)。火災(zāi)多發(fā)與線路在山火條件下的絕緣性能薄弱共同導(dǎo)致了輸電線路在山火條件下頻繁發(fā)生跳閘事故。

二、輸電線路山火跳閘重合閘特性

輸電線路山火跳閘事故的重合閘成功率很低，并且低于雷電故障的重合閘成功率。重合閘是基于故障線路被跳開后，故障點的絕緣性能快速恢復(fù)，輸電線路雷電跳閘后空氣介質(zhì)的絕緣性能隨電弧熄滅而恢復(fù)，因而雷電故障重合閘的成功率高，而輸電線路山火跳閘后，其溫度和火焰高度等特性參數(shù)并不會發(fā)生明顯減弱，因而線路的絕緣強(qiáng)度降低會持續(xù)一段時間。

三、輸電線路山火故障識別與運行控制

輸電線路因山火發(fā)生跳閘后，重合閘常常失敗，即使重合閘成功后，因為山火燃燒還會持續(xù)一段時間，在此期間有可能發(fā)生多次跳閘和重合閘事件，對裝置和系統(tǒng)帶來較大的沖擊。因而當(dāng)輸電線路附近發(fā)生山火時，巡視人員要及時對山火的情況進(jìn)行監(jiān)視并向調(diào)度人員匯報山火對線路絕緣的影響，以確定是否把線路退出運行或閉鎖重合閘；待山火對線路絕緣沒有威脅的情況下，及時恢復(fù)送電，減少停電時間，根據(jù)現(xiàn)有的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明9min后強(qiáng)送電都能成功。因而，若能根據(jù)故障跳閘行波的特點，識別跳閘事故是因為線路下方的山火導(dǎo)致，對于線路的控制與調(diào)度具有重要意義。

輸電線路山火跳閘過程中故障電流與雷擊和污閃放電具有明顯的區(qū)別，表現(xiàn)為高阻性接地故障，因而根據(jù)故障電流的行波可以對山火故障進(jìn)行識別。

輸電線路在山火條件下的擊穿機(jī)制與雷擊、污閃和風(fēng)偏有著本質(zhì)的不同，表現(xiàn)為明顯的熱擊穿特性。當(dāng)火焰中出現(xiàn)大顆粒觸發(fā)放電形成電弧，由于火焰中的炭黑和堿金屬鹽的熱游離勢很低，很容易形成高電導(dǎo)率的電弧，促進(jìn)放電的發(fā)展，擊穿電壓發(fā)生劇烈下降。由于平均放電電壓很低，根據(jù)對山火放電電流的測量，從放電起始到形成穩(wěn)定電弧持續(xù)的時間一般在20ms以上，事故現(xiàn)場的故障電流波形也與該波形一致。因而輸電線路山火故障電流的波形也是山火故障與其他故障不同的典型特性之一。

在山火接近輸電線路的過程中因為火焰的高溫和灰燼以及煙霧等顆粒的影響下會出現(xiàn)明顯的預(yù)放電。測量火焰的電阻率9.09kΩ·m，但是在火焰間歇區(qū)，火焰電阻是穩(wěn)定火焰區(qū)的100倍以上，因而在火焰以及顆粒接近導(dǎo)線的過程中會出現(xiàn)明顯的預(yù)放電，隨著預(yù)放電強(qiáng)度增加，間隙在火焰中的絕緣強(qiáng)度達(dá)到臨界，就可能發(fā)展為穩(wěn)定電弧階段而發(fā)生擊穿，如圖3所示。根據(jù)500kV交流輸電線路因火跳閘的事故現(xiàn)場數(shù)據(jù)，火焰完全包絡(luò)導(dǎo)線，火焰高度16.7m，火焰底部半徑在5m，火焰電阻為1.9kΩ，因而當(dāng)火焰包絡(luò)導(dǎo)線的過程中，可能出現(xiàn)152A左右的對地預(yù)放電電流，若不能形成穩(wěn)定的電弧并不會導(dǎo)致線路跳閘，而線路在山火條件下的跳閘過程及電流錄波也證實了這一。當(dāng)輸電線路下方出現(xiàn)山火時，在發(fā)生擊穿前，預(yù)放電電流會持續(xù)很長一段時間。輸電線路在山火下閃絡(luò)的前期，由于火焰的煙霧與灰燼和高溫等導(dǎo)致導(dǎo)線表面出現(xiàn)劇烈的電暈放電，文獻(xiàn)對山火電暈放電的測量表明，其頻譜特性較晴朗和雨天有明顯的不同。根據(jù)文獻(xiàn)試驗表明，山火條件下的閃絡(luò)是高溫條件下的顆粒觸發(fā)放電，因而在線路發(fā)生跳閘前存在明顯的預(yù)放電電流，因而輸電線路在山火條件下的預(yù)放電電流能為輸電線路在山火條件下的故障識別提供一定依據(jù)。

綜合以上分析，根據(jù)故障時電壓和電流行波、氣象條件干燥良好天氣和預(yù)放電電流的特性能識別山火事故，結(jié)合山火的溫度與時間特性，閉鎖重合閘一段時間后，當(dāng)山火通過線路走廊后再把線路投入運行。

四、結(jié)論

1.輸電線路山火事故的統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析表明，我國南方地區(qū)，每年的2月～3月期間是山火事故多發(fā)期。

2.輸電線路因山火事故跳閘的重合閘成功率低，并且多次重合閘對電力設(shè)備和系統(tǒng)造成較大的沖擊。

3.由于現(xiàn)有的輸電線路重合閘沒有考慮山火對線路絕緣的影響，山火導(dǎo)致線路停運的時間較長，220kV和500kV線路半個小時以上的停電事故分別占總停電事故的79%和64%。

4.220kV輸電線路發(fā)生山火跳閘的位置在全線接近均勻分布，而500kV線路主要集中在桿塔附近和檔距中間，因而對于500kV電壓等級以上輸電線路桿塔附近的區(qū)域是防山火的重點區(qū)域，而對于220kV及以下輸電線路提升導(dǎo)線對地高度或加強(qiáng)線路走廊附近的植被控制是提高線路在山火條件下可靠性的有效措施。

基于山火故障時接地電弧動態(tài)電阻的動態(tài)特性以及故障前預(yù)放電電流以及電暈放電波形，可以識別山火跳閘故障，采取重合閘方式降低山火條件下重合閘失敗給裝置和系統(tǒng)帶來的沖擊。

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