山火對(duì)10～35 kV輸電線路安全運(yùn)行影響試驗(yàn)研究

楊佳才，任欣悅，王 勛，張星海，范松海，陳天翔

(1.成都理工大學(xué)核技術(shù)與自動(dòng)化工程學(xué)院，四川 成都 610059；2.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610041)

0 引 言

森林大火不僅破壞環(huán)境、威脅人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，還對(duì)輸電線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成極大影響，對(duì)整個(gè)電網(wǎng)的安全運(yùn)行造成巨大挑戰(zhàn)[1-3]。從國(guó)家電網(wǎng)和南方電網(wǎng)統(tǒng)計(jì)的事故案例中能夠看到山火導(dǎo)致輸電線路跳閘非常頻繁[4]。同時(shí)，在中國(guó)配電網(wǎng)線路中，10 kV、35 kV配電網(wǎng)線路作為主要的配電網(wǎng)線路，承擔(dān)著城市內(nèi)與城鄉(xiāng)之間的輸電任務(wù)，在電力傳輸中起著重要作用。因此，研究山火對(duì)10 kV、35 kV輸電線路安全運(yùn)行的影響可以更準(zhǔn)確地認(rèn)識(shí)森林火災(zāi)導(dǎo)致線路跳閘這一故障并找出應(yīng)對(duì)措施，具有重要意義。

為減少山火導(dǎo)致輸電線路跳閘故障的發(fā)生，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)輸電線路在山火等多種條件下的故障特性進(jìn)行了一系列的模擬試驗(yàn)研究。國(guó)外Uhm H S認(rèn)為火焰中離子對(duì)放電的影響類似于流注，能為放電通道注入大量的電荷[5]。美國(guó)電科院對(duì)交流導(dǎo)線板間隙在火焰條件下的擊穿特性進(jìn)行了研究，在試驗(yàn)初期泄漏電流主要為100 μA的電容電流，隨著火焰高度逐漸增高，在臨近擊穿前，泄漏電流達(dá)到了2.3 mA，這說(shuō)明火焰中的電子和離子降低了線路間隙的絕緣強(qiáng)度[5]。國(guó)內(nèi)尤飛、吳田等試驗(yàn)分析了杉樹(shù)木垛火焰在不同間隙下的工頻擊穿特性,并分析了火焰條件下間隙的擊穿機(jī)制，認(rèn)為導(dǎo)致線路絕緣下降的主要原因有火焰高溫、高電導(dǎo)率以及顆粒與灰燼等[6-7]。黃道春、黎鵬等在植被火條件下進(jìn)行了導(dǎo)線-板間隙擊穿特性的試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)擊穿電壓、泄漏電流都與火焰有關(guān)系[8-10]。

現(xiàn)有相關(guān)模擬試驗(yàn)研究平臺(tái)尺度小且考慮的因素較為單一，未考慮實(shí)際輸配電線路結(jié)構(gòu)參數(shù)和環(huán)境條件等。下面設(shè)計(jì)搭建了10 kV、35 kV三相輸電線路試驗(yàn)研究平臺(tái)，研究山火條件下10 kV、35 kV輸電線路三相電壓、泄漏電流和零序電壓的變化和規(guī)律。

1 試驗(yàn)平臺(tái)與試驗(yàn)對(duì)象

為模擬實(shí)際輸電線路與山火環(huán)境，設(shè)計(jì)搭建如圖1所示的試驗(yàn)平臺(tái)。

(a)10 kV試驗(yàn)平臺(tái)

10 kV輸電線路試驗(yàn)平臺(tái)主要由型號(hào)為SY11-400/10、連接組別為YNyn0的電力變壓器，變比為10/0.1、0.2級(jí)的10 kV電壓互感器以及長(zhǎng)5 m、型號(hào)為L(zhǎng)GJ-120的三相導(dǎo)線組成，以模擬電壓等級(jí)為10 kV的線路段，通過(guò)并聯(lián)電容器組改變線路電容電流大小。

35 kV輸電線路試驗(yàn)平臺(tái)主要由型號(hào)為S7-50/35、連接組別為Yyn0的電力變壓器，變比為35/0.1、0.2級(jí)的35 kV電壓互感器以及長(zhǎng)5.5 m、型號(hào)為L(zhǎng)GJ-120的三相導(dǎo)線組成，以模擬電壓等級(jí)為35 kV的線路段，通過(guò)并聯(lián)電容器組改變線路電容電流大小。

經(jīng)調(diào)研，四川涼山、甘孜等森林火災(zāi)高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)典型可燃物為松木、灌木、油桉、枯落物等，故使用松木、灌木和稻草(模擬枯落物)作為燃燒材料模擬實(shí)際森林火災(zāi)。

2 山火對(duì)10 kV輸電線路安全運(yùn)行影響

2.1 模擬火焰對(duì)單相導(dǎo)線的影響

將C相設(shè)為故障相，三相導(dǎo)線相間距離為60 cm，對(duì)地距離為52 cm。導(dǎo)線對(duì)地距離通過(guò)遙控燃燒鐵桶下的升降平臺(tái)調(diào)整，火焰高度與寬度根據(jù)堆放的木垛寬度、高度和層數(shù)調(diào)整。首先，觀察并記錄沒(méi)有火焰時(shí)試驗(yàn)平臺(tái)正常工作波形以作比較，將松木搭成30 cm×30 cm×20 cm的木垛放入鐵箱中點(diǎn)燃，導(dǎo)線對(duì)鐵箱距離52 cm，火焰橋接線路時(shí)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)監(jiān)測(cè)信號(hào)波形與正常運(yùn)行波形幾乎一致；縮短對(duì)地距離為26 cm后，波形仍無(wú)變化。引入絕緣子模擬10 kV線路桿塔遭遇火災(zāi)情況，絕緣子高13 cm，火焰橋接燃燒時(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)仍無(wú)變化，后在絕緣子上綁一接地鐵絲且使導(dǎo)線距鐵絲3 cm時(shí)，火勢(shì)的變化使得導(dǎo)線發(fā)生單相放電接地。

所設(shè)計(jì)試驗(yàn)條件下，火焰使得線路發(fā)生單相接地的最長(zhǎng)對(duì)地距離為3 cm，將此距離設(shè)為臨界擊穿距離并進(jìn)行不同材料燃燒試驗(yàn)[11-12]，結(jié)果發(fā)現(xiàn)3種材料燃燒情況下均出現(xiàn)了放電現(xiàn)象和單相接地，如圖2、圖3所示，但線路對(duì)火焰放電還未接地時(shí)的零序電壓幅值不同(如圖4所示)，說(shuō)明不同材料燃燒產(chǎn)生的火焰降低空氣絕緣程度不同，灌木燃燒時(shí)零序電壓最大，稻草次之，松木燃燒時(shí)零序電壓最小。

圖3 導(dǎo)線與鐵絲3 cm間隙被擊穿造成單相接地

(a)灌木

通過(guò)攝像機(jī)記錄的火勢(shì)變化趨勢(shì)如圖5所示。與故障錄波儀記錄的泄漏電流波形進(jìn)行比對(duì)發(fā)現(xiàn)：泄漏電流隨火勢(shì)的變化(即火焰橋接空氣間隙的情況)而變化[13]，通常在火焰全部橋接空氣間隙時(shí)有明顯的放電現(xiàn)象，故泄漏電流呈現(xiàn)脈沖狀(如圖6所示)；3種燃燒材料下泄漏電流峰值均在1.0～1.2 A，受制于試驗(yàn)平臺(tái)模擬線路本身的對(duì)地電容電流。

圖5 火勢(shì)變化趨勢(shì)

圖6 單相導(dǎo)線對(duì)地泄漏電流變化波形

試驗(yàn)平臺(tái)正常工作時(shí)二次側(cè)三相電壓峰值為81.6 V，通常受火焰影響的故障相電壓降低，其他兩相電壓升高[14-15]；但也能看到故障相電壓有時(shí)會(huì)出現(xiàn)比正常運(yùn)行電壓高(如圖7所示)的情況或故障相電壓幅值并非最低的現(xiàn)象(如圖8所示)，說(shuō)明火勢(shì)的不確定性會(huì)導(dǎo)致線路故障相的識(shí)別比較困難。

圖7 故障時(shí)C相電壓比正常運(yùn)行時(shí)C相電壓高

圖8 故障相C相電壓高于正常相A相電壓

2.2 模擬火焰對(duì)兩相導(dǎo)線的影響

將B、C兩相設(shè)為故障相，為模擬實(shí)際導(dǎo)線風(fēng)偏情況，將正常運(yùn)行下三相導(dǎo)線相間距離60 cm縮短為30 cm，研究極端情況下火焰對(duì)相間的影響。導(dǎo)線對(duì)地距離通過(guò)升降平臺(tái)調(diào)整，火焰高度與寬度根據(jù)堆放的木垛層數(shù)和寬度調(diào)整。首先，觀察并記錄沒(méi)有火焰時(shí)本試驗(yàn)平臺(tái)正常工作波形以作比較，再將130 cm×50 cm×13 cm的稻草置于B、C兩相間，結(jié)果發(fā)現(xiàn)大面積稻草燃燒產(chǎn)生的火焰并沒(méi)有造成相間短接，對(duì)相間空氣絕緣的影響不大，可能是由于30 cm的相間距離太大不足以造成其擊穿。

3 山火對(duì)35 kV輸電線路安全運(yùn)行影響

3.1 模擬火焰對(duì)單相導(dǎo)線的影響

將A相設(shè)為故障相，通過(guò)升降平臺(tái)調(diào)整對(duì)地距離，在對(duì)地距離為20 cm、相間距離為38 cm時(shí)發(fā)生明顯的單相接地(如圖9所示)，泄漏電流小于三相導(dǎo)線對(duì)地電容電流之和，從故障錄波圖(如圖10所示)中可以看到A相電壓并沒(méi)有降為0，與金屬接地有明顯區(qū)別，說(shuō)明火焰具有比較高的阻抗。

圖9 單相接地

圖10 單相導(dǎo)線對(duì)火焰持續(xù)放電故障錄波

3.2 模擬火焰對(duì)兩相導(dǎo)線的影響

將A、B兩相設(shè)為故障相，通過(guò)升降平臺(tái)調(diào)整對(duì)地距離，在對(duì)地距離為20 cm、相間距離為19 cm時(shí)發(fā)生明顯的相間短路(如圖11所示)，電弧隨著火焰的抬升形成通路，三相電源保護(hù)開(kāi)關(guān)并未跳閘。從故障錄波圖(如圖12所示)也可看到A、B兩相電壓并未重合，同樣說(shuō)明火焰具有比較高的阻抗。

圖11 相間短路

圖12 相間短路時(shí)的故障錄波

4 結(jié) 論

1)所設(shè)計(jì)試驗(yàn)平臺(tái)下火焰引發(fā)單相接地和相間短路的發(fā)生，與電壓等級(jí)、對(duì)地距離、火焰高度、火焰寬度等多種因素有關(guān)。

2)火焰情況下單相接地時(shí)故障相電壓并未降為0且泄漏電流小于三相導(dǎo)線對(duì)地電容電流，與金屬接地比較，說(shuō)明火焰具有高阻抗的特性。

3)火焰影響單相導(dǎo)線時(shí)會(huì)出現(xiàn)故障相電壓高于正常運(yùn)行時(shí)故障相電壓的情況或故障相電壓并非最低的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致發(fā)生山火時(shí)難以識(shí)別故障相。

4)3種不同材料燃燒時(shí)零序電壓幅值不同，說(shuō)明不同材料燃燒產(chǎn)生的火焰降低空氣絕緣的程度不同，灌木燃燒時(shí)開(kāi)口三角電壓最大，稻草次之，松木燃燒時(shí)開(kāi)口三角電壓最小。以上現(xiàn)象是由于植物種類的影響還是火焰內(nèi)在的溫度等因素的影響還需要深入研究。