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，省級電網(wǎng)220 kV及以上電壓等級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產(chǎn)生大量顆粒物質(zhì)，顆粒物會短接部分間隙[7-8]，畸變電場并觸發(fā)放電[9]。同時，植被燃燒時會產(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)計建議[16]；但這些文獻(xiàn)僅以單一情況作為研究對象，缺乏對各個因素影響程度的研究。國內(nèi)系統(tǒng)性的試驗研究主要在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)速對間隙擊穿特性的影響，試驗均在0.8 m以下的間隙進(jìn)行，缺乏對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。山火試驗短間隙下的試驗數(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)險植被[19]開展1.2～2.7 m模擬導(dǎo)線-板間隙擊穿試驗，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 模擬試驗平臺及試驗方法

1.1 試驗平臺及布置

植被火條件下的間隙擊穿特性試驗平臺布置如圖1所示，主要包括：試驗電源、分壓器、模擬導(dǎo)線、板電極、木本植被垛、塔尺及攝像機(jī)等。工頻電壓由型號為YDTCW-6 000 kVA/3×500 kV的試驗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臺攝像機(jī)拍攝記錄。

圖1 試驗布置

1.2 試驗植被及導(dǎo)線

試驗?zāi)M的電壓等級為220 kV和500 kV，對應(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，可用于研究模擬山火條件下間隙的擊穿特性[17]。試驗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)性和可對比性，在進(jìn)行試驗時盡量保持每次試驗的植被垛的重量、擺放方式和擺放位置相同。

圖2 植被垛布置方式

1.3 試驗方法及步驟

試驗平臺的布置方式如圖1所示，間隙距離為模擬導(dǎo)線最低點到板電極的高度，試驗時選用1.2 m、1.7 m和2.7 m作為3個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，引燃時將酒精均勻潑灑在植被垛上并從中心引燃。試驗過程中采用直接升壓法(升壓速度6～7 kV/s)對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。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。采用山火模擬試驗平臺，試驗研究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的間隙擊穿特性，分析雙分裂和四分裂導(dǎo)線對松木火焰間隙擊穿特性的影響。

2 試驗結(jié)果與分析

在純空氣間隙下，試驗場地所在海拔地區(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-板擊穿試驗的平均擊穿電壓分別為213.5 kV和215.5 kV，對應(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%，驗證了試驗布置方式的合理性。

2.1 植被垛密度對間隙擊穿特性的影響

最大火勢時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，隨著間隙距離的加大，稀疏布置方式下的擊穿電壓相對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，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火焰段間隙的平均擊穿電壓梯度的影響更為明顯，而對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，導(dǎo)線分裂數(shù)對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 植被種類對間隙擊穿特性的影響

杉木火焰間隙擊穿試驗的電弧如圖5所示。電弧沿著火焰體的形態(tài)的中心部位發(fā)展，在半橋接時還會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)時間0.5 s左右的拉弧現(xiàn)象之后電弧才會熄滅?；鹧骟w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結(jié)果如圖6所示，圖中每條曲線上的數(shù)據(jù)點為在不同植被垛火焰高度(隨燃燒時間變化)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，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，這個階段整個植被垛整體已經(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，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，杉木火焰對間隙絕緣強(qiáng)度的降低程度的影響更大。在2.7 m間隙下，試驗所使用的植被垛產(chǎn)生的火焰無法完全橋接間隙，試驗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，起燃階段時間較長，燃燒時僅有少量白煙產(chǎn)生，燃燒更為充分。

2.7 m間隙下在火焰高度開始下降時，松木火焰間隙的擊穿電壓明顯低于杉木火焰間隙；這是因為當(dāng)煙霧區(qū)占據(jù)了大部分間隙時，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，植被類型對間隙絕緣強(qiáng)度的降低程度沒有差異，說明煙霧濃度對非火焰區(qū)的擊穿特性影響較大。

表2統(tǒng)計了在最大火勢階段，杉木和松木火焰間隙在每個間隙距離下的平均擊穿電壓，松木火焰間隙在3個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)開始明顯衰減時兩者對于間隙絕緣強(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)整個間隙的主體時，松木和杉木的火焰體在對間隙絕緣強(qiáng)度降低的作用上可以抽象為一個獨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平臺，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，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，試驗中可不考慮導(dǎo)線分裂數(shù)的影響。

c)電弧會沿著火焰體中心發(fā)展，電弧產(chǎn)生后火焰會貫穿整個電弧路徑并持續(xù)較長時間。植被種類的差異對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具有最高的擊穿風(fēng)險。