典型植被火條件下1.2～2.7 m導(dǎo)線-板空氣間隙擊穿特性

黃勇，周恩澤，魏瑞增，黃道春，陳鑫

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣東 廣州 510080；2.武漢大學(xué) 電氣與自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430072)

我國能源賦存中心和負(fù)荷中心呈現(xiàn)出明顯的逆向分布，需要大規(guī)模、遠(yuǎn)距離傳輸電能[1-2]。目前南方電網(wǎng)已經(jīng)形成了“八交十一直”的輸電大通道，總里程超過20 000 km，省級(jí)電網(wǎng)220 kV及以上電壓等級(jí)架空輸電線路作為電網(wǎng)的骨干網(wǎng)絡(luò)，總長度達(dá)數(shù)萬千米[3]。架空輸電線路走廊不可避免地經(jīng)過植被茂密的山區(qū)和田地[4-6]，如發(fā)生山火，劇烈燃燒的植被產(chǎn)生的火焰高溫致使周圍空氣密度下降，且植被不充分燃燒會(huì)產(chǎn)生大量顆粒物質(zhì)，顆粒物會(huì)短接部分間隙[7-8]，畸變電場并觸發(fā)放電[9]。同時(shí)，植被燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生大量的電荷和離子游離在間隙當(dāng)中，使間隙電導(dǎo)率上升[10-11]，從而導(dǎo)致輸電線路的間隙絕緣強(qiáng)度明顯下降，引發(fā)輸電線路跳閘，并且重合閘成功概率低[12-13]，嚴(yán)重危害電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[14]。

為了揭示山火條件下輸電線路跳閘機(jī)理，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究。Z.Ntshangase等指出在火焰條件下，棒-板火焰間隙的正極性和負(fù)極性直流絕緣強(qiáng)度分別會(huì)下降55%和50%[15]；J.R.Fonseca等研究了1 m甘蔗葉火焰間隙下的電壓耐受特性，并提出甘蔗火焰下交流輸電線路的絕緣設(shè)計(jì)建議[16]；但這些文獻(xiàn)僅以單一情況作為研究對(duì)象，缺乏對(duì)各個(gè)因素影響程度的研究。國內(nèi)系統(tǒng)性的試驗(yàn)研究主要在1 m及以下的小間隙進(jìn)行，缺少在較長間隙尺度下的研究。文獻(xiàn)[17]研究了不同植被種類、坡度和風(fēng)速對(duì)間隙擊穿特性的影響，試驗(yàn)均在0.8 m以下的間隙進(jìn)行，缺乏對(duì)不同木本植被因素的研究。文獻(xiàn)[18]指出45 cm間隙下杉木火焰會(huì)使間隙工頻擊穿電壓降低到純空氣間隙20%，并初步分析了分裂導(dǎo)線因素的影響。山火試驗(yàn)短間隙下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)不能簡單外推到長間隙，現(xiàn)有研究結(jié)果不能滿足山火條件下較長間隙擊穿電壓的預(yù)測要求。

本文以杉木和松木作為高風(fēng)險(xiǎn)植被[19]開展1.2～2.7 m模擬導(dǎo)線-板間隙擊穿試驗(yàn)，研究植被垛密度、火焰高度、植被類型以及雙分裂和四分裂導(dǎo)線間隙下的擊穿特性，研究成果可為架空輸電線路山火條件下的防治措施提供參考。

1 模擬試驗(yàn)平臺(tái)及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)平臺(tái)及布置

植被火條件下的間隙擊穿特性試驗(yàn)平臺(tái)布置如圖1所示，主要包括：試驗(yàn)電源、分壓器、模擬導(dǎo)線、板電極、木本植被垛、塔尺及攝像機(jī)等。工頻電壓由型號(hào)為YDTCW-6 000 kVA/3×500 kV的試驗(yàn)變壓器通過穿墻套管與模擬導(dǎo)線相連提供；火焰體高度通過塔尺測量；火焰形態(tài)和電弧路徑通過架設(shè)在模擬導(dǎo)線兩側(cè)的2臺(tái)攝像機(jī)拍攝記錄。

圖1 試驗(yàn)布置

1.2 試驗(yàn)植被及導(dǎo)線

試驗(yàn)?zāi)M的電壓等級(jí)為220 kV和500 kV，對(duì)應(yīng)的模擬導(dǎo)線分別為5 m長的雙分裂和四分裂導(dǎo)線，模擬導(dǎo)線采用鋼管焊接而成。為了減小導(dǎo)線端部的電場畸變，導(dǎo)線兩端焊接均壓環(huán)并部分上翹。模擬導(dǎo)線具體參數(shù)見表1。

表1 模擬導(dǎo)線參數(shù)

木垛具有結(jié)構(gòu)簡單、重復(fù)性好等特點(diǎn)，可用于研究模擬山火條件下間隙的擊穿特性[17]。試驗(yàn)過程中將干燥的松木和杉木處理成2 cm×3 cm×100 cm的木條，擺放方式如圖2所示。植被垛的擺放分為稀疏布置和密集布置2種，分別采用每層5根和8根木條，一共8層的布置方式，尺寸均為1 m×1 m×0.25 m。為了保證重復(fù)性和可對(duì)比性，在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)盡量保持每次試驗(yàn)的植被垛的重量、擺放方式和擺放位置相同。

圖2 植被垛布置方式

1.3 試驗(yàn)方法及步驟

試驗(yàn)平臺(tái)的布置方式如圖1所示，間隙距離為模擬導(dǎo)線最低點(diǎn)到板電極的高度，試驗(yàn)時(shí)選用1.2 m、1.7 m和2.7 m作為3個(gè)典型的間隙距離高度。將模擬導(dǎo)線水平布置在植被垛正上方，植被垛布置方式如圖2所示，放置在板電極正中央，引燃時(shí)將酒精均勻潑灑在植被垛上并從中心引燃。試驗(yàn)過程中采用直接升壓法(升壓速度6～7 kV/s)對(duì)間隙施加電壓至擊穿[20]。為了盡量控制火勢差異造成的影響，均在植被垛燃燒最旺且火焰高度最高的最大火勢階段進(jìn)行加壓試驗(yàn)。利用塔尺和不同角度的攝像機(jī)分別記錄火焰高度和電弧擊穿路徑。采用山火模擬試驗(yàn)平臺(tái)，試驗(yàn)研究60 cm純空氣間隙條件下雙分裂、四分裂導(dǎo)線-板的擊穿電壓，以及雙分裂導(dǎo)線下2種植被垛不同密度下火焰全橋接和非全橋接時(shí)的間隙擊穿特性，分析雙分裂和四分裂導(dǎo)線對(duì)松木火焰間隙擊穿特性的影響。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

在純空氣間隙下，試驗(yàn)場地所在海拔地區(qū)純空氣間隙的平均擊穿電壓梯度為350 kV/m[21]，在60 cm純空氣間隙下雙分裂導(dǎo)線和四分裂導(dǎo)線-板擊穿試驗(yàn)的平均擊穿電壓分別為213.5 kV和215.5 kV，對(duì)應(yīng)的平均擊穿電壓梯度分別為355.8 kV/m和359.2 kV/m，與文獻(xiàn)[21]中的平均擊穿電壓梯度分別相差1.7%和2.6%，驗(yàn)證了試驗(yàn)布置方式的合理性。

2.1 植被垛密度對(duì)間隙擊穿特性的影響

最大火勢時(shí)1.2～2.7 m間隙不同植被垛密度下的平均擊穿電壓如圖3所示。密集布置相較于稀疏布置植被垛密度提高了60%，如圖2所示。

從圖3中可以看出在相同的間隙距離下，稀疏布置方式下的平均擊穿電壓分別高16.8 kV、53.2 kV、64.5 kV，提高的比例分別為19.5%、41.6%和23.29%。稀疏布置和密集布置方式下最大火焰高度分別為1.6 m和2.4 m，當(dāng)火焰全橋接時(shí)，隨著間隙距離的加大，稀疏布置方式下的擊穿電壓相對(duì)于密集布置方式下的提高比例上升。

圖3 不同植被垛密度下的間隙擊穿電壓

火焰完全橋接時(shí)，間隙擊穿電壓的大小隨間隙距離呈現(xiàn)線性變化，在2.7 m間隙下，火焰無法完全橋接時(shí)2種布置方式下平均擊穿電壓的相差比例縮小。這說明不同的植被垛布置方式對(duì)火焰段間隙的平均擊穿電壓梯度的影響更為明顯，而對(duì)于非火焰段間隙的影響不大。

植被垛的熱釋放速率與其與空氣接觸的面積有關(guān)，稀疏布置和密集布置的方式下，松木垛與空氣接觸的面積分別為3.74 m2和5.78 m2。木垛火的熱釋放速率與暴露在空氣中的接觸面積呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系。對(duì)于不同植被，其火焰高度與熱釋放速率之間均呈現(xiàn)冪函數(shù)關(guān)系，火焰高度在一定程度上可以反映熱釋放速率的大小。植被垛擺放越密集，熱釋放速率越高，火焰間隙的溫度導(dǎo)電性能越高，間隙絕緣強(qiáng)度降低程度越大。

2.2 分裂導(dǎo)線對(duì)間隙擊穿特性的影響

在純空氣間隙下，使用雙分裂和四分裂導(dǎo)線時(shí)的平均擊穿電壓之間差異為0.9%，說明在使用雙分裂和四分裂導(dǎo)線時(shí)純空氣間隙下的擊穿特性差異很小。最大火勢條件下，雙分裂、四分裂導(dǎo)線-板間隙擊穿電壓曲線如圖4所示。

圖4 雙分裂、四分裂導(dǎo)線-板間隙擊穿電壓曲線

在1.2 m間隙下，最大火勢時(shí)雙分裂和四分裂導(dǎo)線的間隙平均擊穿電壓大小分別為81.2 kV和82.2 kV，兩者之間相差1.2%，這說明在1.2 m間隙下，雙分裂和四分裂導(dǎo)線下的擊穿電壓差異很小。在1.7 m和2.7 m間隙下兩者之間的擊 穿電壓的相差分別為8.6 kV和24.2 kV，分別占對(duì)應(yīng)擊穿電壓均值的百分比為6.6%和8.3%，相差在10%以內(nèi)。

試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)模擬導(dǎo)線分裂間距相差不大，且靠近火焰部分的底面電極形式基本相同時(shí)，導(dǎo)線分裂數(shù)對(duì)間隙擊穿電壓幾乎無影響，電極下的火焰形態(tài)越穩(wěn)定，兩者之間的差異越小。

2.3 植被種類對(duì)間隙擊穿特性的影響

杉木火焰間隙擊穿試驗(yàn)的電弧如圖5所示。電弧沿著火焰體的形態(tài)的中心部位發(fā)展，在半橋接時(shí)還會(huì)使火焰沿著電弧路徑燃燒并橋接剩余部分間隙，并在持續(xù)時(shí)間0.5 s左右的拉弧現(xiàn)象之后電弧才會(huì)熄滅。火焰體中的溫度、離子數(shù)目和顆粒物數(shù)量都顯著高于周圍空氣，火焰體中火焰中心部位的溫度、離子含量最高，電弧路徑均與火焰中心重合。

圖5 典型電弧擊穿路徑

在1.2 m、1.7 m和2.7 m間隙下，擊穿電壓隨著松木或杉木火焰高度變化的試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，圖中每條曲線上的數(shù)據(jù)點(diǎn)為在不同植被垛火焰高度(隨燃燒時(shí)間變化)下的間隙擊穿電壓。

圖6 火焰高度與擊穿電壓的關(guān)系

由圖6可知：在1.2 m間隙下，當(dāng)火焰完全橋接時(shí)，松木和杉木的最低擊穿電壓為57 kV、65 kV；在1.7 m間隙下，松木和杉木的最低擊穿電壓為110 kV和111 kV。最低擊穿電壓出現(xiàn)在火焰高度剛開始降低的階段，這個(gè)階段整個(gè)植被垛整體已經(jīng)開始充分燃燒，火焰的溫度仍有所上升，火焰通道內(nèi)的離子和電子數(shù)目更多，火焰通道的導(dǎo)電性更強(qiáng)。當(dāng)火焰高度小于0.9 m不能橋接間隙時(shí)，1.2 m間隙下杉木的擊穿電壓更低，1.7 m間隙下松木和杉木兩者的曲線基本重合。這說明在火焰半橋接且間隙距離較小時(shí)，杉木火焰對(duì)間隙絕緣強(qiáng)度的降低程度的影響更大。在2.7 m間隙下，試驗(yàn)所使用的植被垛產(chǎn)生的火焰無法完全橋接間隙，試驗(yàn)中松木和杉木火焰間隙有相同的最低和最高擊穿電壓，分別為281 kV和596 kV。區(qū)別于火焰能完全橋接間隙的情形，2.7 m間隙距離下的最低擊穿電壓均出現(xiàn)在火焰高度最高的階段，這表明火焰高度是影響間隙絕緣強(qiáng)度的主要因素之一。

不同類型樹種所含的纖維素和灰分等成分的占比不同，其產(chǎn)生的火焰特性亦有所差異。松木木條含松油，起燃階段持續(xù)時(shí)間較短，燃燒階段有明顯的響聲，有較大的黑煙產(chǎn)生。杉木木條較為蓬松，起燃階段時(shí)間較長，燃燒時(shí)僅有少量白煙產(chǎn)生，燃燒更為充分。

2.7 m間隙下在火焰高度開始下降時(shí)，松木火焰間隙的擊穿電壓明顯低于杉木火焰間隙；這是因?yàn)楫?dāng)煙霧區(qū)占據(jù)了大部分間隙時(shí)，相較于杉木火焰所產(chǎn)生的少量白煙，松木產(chǎn)生的大量黑煙對(duì)間隙絕緣強(qiáng)度的影響更高，松木火焰煙霧區(qū)的顆粒橋接間隙的比例、對(duì)電場的畸變作用和觸發(fā)放電的作用效果都高于杉木火焰間隙。隨著植被垛的燃燒殆盡，松木火焰所產(chǎn)生的黑煙不明顯時(shí)，植被類型對(duì)間隙絕緣強(qiáng)度的降低程度沒有差異，說明煙霧濃度對(duì)非火焰區(qū)的擊穿特性影響較大。

表2統(tǒng)計(jì)了在最大火勢階段，杉木和松木火焰間隙在每個(gè)間隙距離下的平均擊穿電壓，松木火焰間隙在3個(gè)間隙距離下的擊穿電壓分別降低為純空氣間隙的19.3%、19.7%和31.7%，杉木火焰間隙的降低到17.1%、20.0%和31.8%。

表2 最大火勢時(shí)的平均擊穿電壓

由表2可知，松木和杉木樹干所產(chǎn)生的火焰的特性差異對(duì)間隙絕緣強(qiáng)度降低的影響僅體現(xiàn)在火焰體的下半部分(火焰體半徑?jīng)]有明顯衰減的部分)，在火焰半徑已經(jīng)開始明顯衰減時(shí)兩者對(duì)于間隙絕緣強(qiáng)度降低程度的影響基本一致。在最大火勢且火焰無法完全橋接間隙但火焰體仍占據(jù)整個(gè)間隙的主體時(shí)，松木和杉木的火焰體在對(duì)間隙絕緣強(qiáng)度降低的作用上可以抽象為一個(gè)獨(dú)立的因素而不考慮植被種類差異的影響。在火焰體主體部分，杉木在火勢最大階段比松木燃燒更為充分，其火焰中更容易產(chǎn)生電子和離子，形成電子崩進(jìn)而形成流注放電。

3 結(jié)論

本文利用模擬山火試驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行了考慮植被垛密度、導(dǎo)線分裂數(shù)和植被種類的1.2～2.7 m間隙下的擊穿特性試驗(yàn)，主要結(jié)論如下：

a)植被垛密度越大，火焰區(qū)的擊穿電壓越低，密集布置和稀疏布置下相差20%；植被垛密度的大小對(duì)非火焰區(qū)的擊穿電壓大小的影響并不明顯。

b)在最大火勢、1.2～2.7 m間隙距離條件下，雙分裂和四分裂導(dǎo)線-板間隙擊穿電壓基本相同，可見間隙擊穿特性在2.7 m及以下的短間隙下差別很小，試驗(yàn)中可不考慮導(dǎo)線分裂數(shù)的影響。

c)電弧會(huì)沿著火焰體中心發(fā)展，電弧產(chǎn)生后火焰會(huì)貫穿整個(gè)電弧路徑并持續(xù)較長時(shí)間。植被種類的差異對(duì)間隙擊穿特性影響體現(xiàn)在最大火勢階段火焰主體部分和火勢下降階段的非火焰區(qū)部分。杉木植被垛在1.2 m、1.7 m和2.7 m間隙下，間隙擊穿電壓降低到純空氣的17.1%、20.0%和31.8%，在火焰能橋接間隙時(shí)具有最高的擊穿風(fēng)險(xiǎn)。