山火條件下35 kV輸電線路故障信號特征試驗研究

李唯佳，楊宇航，楊佳才，張星海，范松海，陳天翔

(1.成都理工大學核技術與自動化工程學院，四川 成都 610059；2.重慶大學電氣工程學院，重慶 400044；3.國網(wǎng)四川省電力公司電力科學研究院，四川 成都 610041)

0 引 言

隨著中國經(jīng)濟發(fā)展，輸電線路鋪設逐漸密集[1-2]，當輸電線路下方出現(xiàn)山火時，輸電線路的絕緣性能以及電力系統(tǒng)的安全性都會大幅降低，極大概率會造成輸電線路的跳閘[3-6]，從而影響相應地區(qū)用電的安全性。國內(nèi)外對山火引發(fā)的輸電線路故障開展了大量研究，主要有山火條件下的輸電線路故障試驗和各種火焰引發(fā)的間隙放電試驗[7-15]。但由于山火引發(fā)輸電線路故障是一個復雜多變的過程，并且在現(xiàn)有技術條件下是不可控的，所以，到目前為止，國內(nèi)外搭建的模擬試驗平臺考慮的影響因素都很少。目前對火焰影響輸電線路放電特性的研究尚不多見，在植被燃燒的過程中，火焰的溫度和形狀時時刻刻都在發(fā)生變化，其對間隙絕緣能力的影響容易在研究中忽略。吳田等人通過試驗發(fā)現(xiàn)間隙在火焰中的放電發(fā)展與火焰的電導率有關：在火焰電導率較低的條件下為流注放電模式，在高電導率條件下為電弧放電模式[16]。盧威在試驗中發(fā)現(xiàn)在火焰橋接的情況下，植被燃燒時會產(chǎn)生劇烈發(fā)光、發(fā)熱的化學反應，產(chǎn)生大量的電子和離子，這些帶電粒子與火焰煙氣中浮動的固體顆粒相結(jié)合促進了流注到電弧發(fā)展的速度[17]。普子恒等人通過試驗發(fā)現(xiàn)顆粒對電場的畸變作用是煙霧灰塵對輸電線路絕緣的主要影響因素[18]。

下面通過對植被燃燒火災引發(fā)35 kV輸電線路故障的過程進行有效的模擬，分析火焰和煙霧在山火條件下對輸電線路絕緣的影響及信號特征。

1 試驗平臺設計

1.1 試驗平臺搭建

在高電壓實驗室搭建了山火條件下35 kV輸電線路故障模擬試驗平臺，如圖1所示。該試驗平臺采用了型號為S7-50/35、連接組別為Yyn0的電力變壓器以及型號為JDJJ2-35、變比為35 kV/0.1 kV、0.2級的電壓互感器；采用了型號為LGJ-120、長5.5 m的三相導線，通過在三相線路加裝并聯(lián)電容補償?shù)姆椒M線路長度變化和電容電流變化。導線與燃燒物鐵桶距離為22 cm,燃燒物鐵桶接地，在鐵桶中放入木材和枯樹葉作為燃燒物。試驗平臺模擬了兩種故障模型：

圖1 山火條件下線路故障模擬試驗平臺

1)線路單相(A相)—空氣間隙(火焰或煙霧)—地；

2)線路A相—空氣間隙(火焰或煙霧)—線路B相。

這兩個模型分別模擬實際狀況下，山火引發(fā)線路對地放電和線路相間擊穿兩種情況。

1.2 試驗步驟

山火條件下模擬試驗分為4組模擬試驗：1)煙霧橋接情況下線路對地單相絕緣試驗；2)煙霧橋接情況下線路相間絕緣試驗；3)火焰橋接情況下線路相間絕緣試驗；4)火焰橋接情況下線路對地單相絕緣試驗。

進行煙霧橋接情況下線路對地單相絕緣狀況變化的模擬試驗時，將燃燒桶放置在A相線路正下方，線路與燃燒桶上邊緣的距離為22 cm。將桶內(nèi)的木材和枯樹葉點燃，調(diào)節(jié)燃燒桶遮蓋鐵板的位置以控制與外界空氣的對流量，直至燃燒桶內(nèi)升起穩(wěn)定的濃煙。接通實驗室三相電源，通過調(diào)壓器緩慢升壓，將輸電線路升至額定線電壓35 kV，通過攝像機和故障錄波裝置實時觀察并記錄線路煙霧橋接處的現(xiàn)象、煙霧濃度、對地泄漏電流、開口三角電壓和三相線路的相電壓。

煙霧橋接情況下線路對地單相絕緣試驗結(jié)束后，將燃燒桶移至線路A相、B相之間正下方。兩相間距為38 cm，對地距離為22 cm。在確保煙霧濃度充足后，進行模擬煙霧橋接情況下線路相間絕緣試驗，如圖2所示。

圖2 煙霧試驗

模擬火焰橋接情況時將遮蓋板去掉，將桶內(nèi)的木材和枯樹葉點燃，使桶內(nèi)產(chǎn)生火焰，火焰位于A相、B相線路之間，相間間距為38 cm，線路對地距離為22 cm。進行火焰橋接情況下線路相間絕緣狀況的試驗，如圖3所示。

圖3 火焰試驗

接下來將燃燒桶放至A相線路正下方，進行火焰橋接情況下線路對地單相放電的模擬試驗。

2 試驗現(xiàn)象及分析

山火條件下的模擬試驗分為4組試驗，在每組試驗過程中都使用故障錄波裝置和多臺錄像設備進行記錄。正常情況下，電壓互感器二次側(cè)每相相電壓為57.74 V，開口三角電壓為0。

2.1 火焰單相導線試驗

通過試驗發(fā)現(xiàn)火焰對A相線路進行橋接時，A相線路與火焰橋接部分有明顯的放電現(xiàn)象，發(fā)出電暈放電的響聲。由于放電程度隨火焰的變化而不斷變化，火焰與線路橋接的部分不斷隨機性地有新的纖細的電弧生成和斷裂，如圖4所示。

圖4 火焰單相導線試驗

2.2 煙霧單相導線試驗

煙霧對A相線路進行橋接，如圖5所示。通過觀察煙霧濃度和開口三角電壓發(fā)現(xiàn)，當煙霧濃度在9.999‰以上時，開口三角電壓沒有變化；隨著濃度繼續(xù)升高，通過觀察錄波波形，A相互感器電壓在[57.8 V，58.4 V]區(qū)間內(nèi)波動，與正常時相比沒有變化。

圖5 煙霧單相導線試驗

2.3 火焰相間導線試驗

火焰橋接A、B相之間的間隙，當相間距離為38 cm時，沒有觀察到三相電壓及開口三角電壓明顯變化，也沒有觀察到放電現(xiàn)象。將相間距離縮短至19 cm進行火焰相間導線試驗時發(fā)現(xiàn)：有相間擊穿線路立即跳閘的現(xiàn)象；也有相間擊穿形成粗亮的電弧、橋接線路不跳閘現(xiàn)象，該電弧會在火焰熱空氣的作用下，上升形成向上拱的弧形，直至被拉斷，如圖6所示。

圖6 火焰相間導線試驗

2.4 煙霧相間導線試驗

煙霧橋接A、B相之間的間隙，相間距離為38 cm。通過觀察，當煙霧濃度超過測試儀最大量程(9.999‰)時，三相電壓仍然處于平衡狀態(tài)，沒有放電現(xiàn)象，如圖7所示。

圖7 煙霧相間導線試驗

3 山火條件下模擬試驗分析

3.1 單相對地故障信號特征分析

當煙霧橋接線路時，三相電壓仍然處于平衡狀態(tài)，輸電線路沒有發(fā)生故障；當火焰橋接A相線路時，相當于輸電線路單相高阻接地故障，A相電壓會隨間隙的溫度、氣壓、火焰橋接程度、火焰煙氣中顆粒濃度等眾多隨機因素的變化而變化。截取三相電壓及開口三角電壓的電壓波形，如圖8所示。從圖8(b)可觀察到，故障相A相的電壓幅值比B、C兩相的電壓幅值低，而從圖8(c)可觀察到故障相A相的電壓幅值比非故障相B相的電壓幅值高，故障相A相電壓并非最低電壓。

(a)煙霧單相對地故障試驗電壓波形

在正常狀態(tài)時，A相電壓峰值經(jīng)互感器測量為81.6 V。電壓峰值從正常電壓過渡到較低的放電電壓，再從放電電壓過渡到正常電壓所需的時間稱之為電弧刷新時間。通過故障波形發(fā)現(xiàn)，煙霧條件下，A相電壓峰值為81.67 V，沒有電弧產(chǎn)生；火焰條件下，A相電壓峰值在[10 V，130 V]的區(qū)間內(nèi)變化, 電弧刷新時間在0.2～0.3 s范圍內(nèi)。

通過圖8比較分析，火焰條件下相電壓的變化范圍比煙霧條件下變化范圍大，這是由于火焰溫度比煙霧高，導致火焰中的帶電粒子的不規(guī)則熱運動比煙霧中顆粒的熱運動更劇烈，使火焰中放電粒子形成的放電通道具有較大的隨機性，造成火焰條件下電壓變化范圍大。并且正是因為火焰中粒子熱運動劇烈，火焰中放電通道組建和斷裂的頻率快，所以火焰條件下電弧的刷新時間很短。

3.2 相間煙霧火焰故障信號特征分析

煙霧橋接A、B相線路時，即使煙霧濃度已經(jīng)超過測量儀最大量程(9.999‰)，三相電壓波形仍然呈現(xiàn)出高度平衡的狀態(tài)，如圖9所示。經(jīng)過分析，對于所產(chǎn)生的煙霧濃度而言，煙霧中的顆粒雖然會使導線周圍的電場發(fā)生畸變[19]，但35 kV電壓等級下的相間距離過大，不足以使相間擊穿放電。

圖9 煙霧橋接相間時各電壓波形

用火焰橋接A、B相線路時，為得到明顯的現(xiàn)象，將相間距離縮短為19 cm。經(jīng)過多次試驗，現(xiàn)象分為兩種：1)線路立即跳閘，電弧還未拉長就已經(jīng)熄滅；2)A、B相擊穿形成粗亮的電弧橋接間隙、并隨著火焰的熱氣流上升形成向上拱的弧形，直至被拉斷，又接著會在下方形成新的電弧，一直循環(huán)此過程，如圖10所示。

對線路出現(xiàn)立即跳閘現(xiàn)象的故障波形(如圖11所示)進行分析，發(fā)現(xiàn)跳閘瞬間A、B相電壓波形重合，造成相間短路故障，并且觀察到A、B兩相之間出現(xiàn)極短暫的弧光，導致系統(tǒng)中產(chǎn)生較大的電流，使保護動作。圖11(a)和圖11(b)分別為截取的兩個時間段波形。

(a)

對未跳閘并且產(chǎn)生明顯電弧現(xiàn)象的兩組故障相波形(如圖12所示)進行分析。圖12(a)和圖12(b)分別為截取的兩個時間段波形。

在相間放電擊穿后，A、B相間貫穿粗亮的電弧造成相間短路，整個系統(tǒng)構(gòu)成相間高阻短路故障。兩相間隙中產(chǎn)生了溫度極高的粗亮電弧，由于電弧是一束游離的氣體，質(zhì)量極輕，容易變形，在下方火焰熱空氣的作用下，電弧迅速向上移動，從而形成向上拱的形狀。與線路跳閘A、B兩相電壓重合的情況不同，此過程中A、B兩相存在電壓差和相位差，放電通道被拉長，通道阻抗增大，系統(tǒng)不會有很大的電流，所以不會導致實驗室三相電源保護跳閘。

A、B相之間的電弧屬于交流電弧，當放電通道被拉長至一定阻抗時，介質(zhì)的恢復強度大于電壓的恢復強度，交流電弧在此放電通道上熄滅，而原放電通道下方區(qū)域滿足間隙擊穿條件，從而形成新的電弧，循環(huán)往復，將此過程命名為斷弧重連，如圖12所示。通過圖像可以看出，故障后當B相電壓幅值有增大趨勢時，經(jīng)過6～9個周期，為0.12～0.18 s，產(chǎn)生斷弧重連現(xiàn)象。

(a)

4 結(jié) 論

上面搭建了山火條件下線路擊穿模擬試驗平臺，模擬了煙霧、火焰單相導線試驗以及煙霧、火焰相間導線試驗，得到了以下結(jié)論：

1)模擬煙霧條件下單相和相間導線故障試驗時，當煙霧濃度為9.999‰時，開口三角電壓和故障相互感器電壓都沒有明顯變化。因此，煙霧對輸電線路絕緣性能的影響很小。

2)模擬火焰單相導線試驗時，由于放電程度隨火焰的變化而不斷變化，火焰與線路橋接的部分不斷隨機性地有新的纖細的電弧生成和斷裂，電弧刷新時間很短。火焰與輸電線路之間產(chǎn)生電弧會降低導線附近空氣絕緣程度，導致出現(xiàn)單相高阻抗接地故障。

3)模擬火焰相間導線試驗時，出現(xiàn)了相間阻抗短路故障，生成的相間交流電弧會在火焰熱空氣的作用下向上抬升直至拉斷，又在下方生成新的放電通道，再被不斷抬升拉斷，以此循環(huán)。經(jīng)測量，此狀態(tài)下交流電弧產(chǎn)生和拉斷時間間隔為0.12～0.18 s。因此火焰在相間距離較短的情況下，會使兩相導線出現(xiàn)相間短路故障的現(xiàn)象，導致導線相間絕緣性能下降。

4)當輸電線路出現(xiàn)單相接地故障時，故障相電壓幅值并非一直最低，健全相電壓幅值會出現(xiàn)最低電壓的現(xiàn)象。