典型植被火条件下1.2～2.7 m导线-板空气间隙击穿特性

黄勇，周恩泽，魏瑞增，黄道春，陈鑫

(1.广东电网有限责任公司电力科学研究院，广东 广州 510080；2.武汉大学 电气与自动化学院，湖北 武汉 430072)

我国能源赋存中心和负荷中心呈现出明显的逆向分布，需要大规模、远距离传输电能[1-2]。目前南方电网已经形成了“八交十一直”的输电大通道，总里程超过20 000 km，省级电网220 kV及以上电压等级架空输电线路作为电网的骨干网络，总长度达数万千米[3]。架空输电线路走廊不可避免地经过植被茂密的山区和田地[4-6]，如发生山火，剧烈燃烧的植被产生的火焰高温致使周围空气密度下降，且植被不充分燃烧会产生大量颗粒物质，颗粒物会短接部分间隙[7-8]，畸变电场并触发放电[9]。同时，植被燃烧时会产生复杂的化学反应，产生大量的电荷和离子游离在间隙当中，使间隙电导率上升[10-11]，从而导致输电线路的间隙绝缘强度明显下降，引发输电线路跳闸，并且重合闸成功概率低[12-13]，严重危害电网的安全稳定运行[14]。

为了揭示山火条件下输电线路跳闸机理，国内外学者进行了大量试验研究。Z.Ntshangase等指出在火焰条件下，棒-板火焰间隙的正极性和负极性直流绝缘强度分别会下降55%和50%[15]；J.R.Fonseca等研究了1 m甘蔗叶火焰间隙下的电压耐受特性，并提出甘蔗火焰下交流输电线路的绝缘设计建议[16]；但这些文献仅以单一情况作为研究对象，缺乏对各个因素影响程度的研究。国内系统性的试验研究主要在1 m及以下的小间隙进行，缺少在较长间隙尺度下的研究。文献[17]研究了不同植被种类、坡度和风速对间隙击穿特性的影响，试验均在0.8 m以下的间隙进行，缺乏对不同木本植被因素的研究。文献[18]指出45 cm间隙下杉木火焰会使间隙工频击穿电压降低到纯空气间隙20%，并初步分析了分裂导线因素的影响。山火试验短间隙下的试验数据不能简单外推到长间隙，现有研究结果不能满足山火条件下较长间隙击穿电压的预测要求。

本文以杉木和松木作为高风险植被[19]开展1.2～2.7 m模拟导线-板间隙击穿试验，研究植被垛密度、火焰高度、植被类型以及双分裂和四分裂导线间隙下的击穿特性，研究成果可为架空输电线路山火条件下的防治措施提供参考。

1 模拟试验平台及试验方法

1.1 试验平台及布置

植被火条件下的间隙击穿特性试验平台布置如图1所示，主要包括：试验电源、分压器、模拟导线、板电极、木本植被垛、塔尺及摄像机等。工频电压由型号为YDTCW-6 000 kVA/3×500 kV的试验变压器通过穿墙套管与模拟导线相连提供；火焰体高度通过塔尺测量；火焰形态和电弧路径通过架设在模拟导线两侧的2台摄像机拍摄记录。

图1 试验布置

1.2 试验植被及导线

试验模拟的电压等级为220 kV和500 kV，对应的模拟导线分别为5 m长的双分裂和四分裂导线，模拟导线采用钢管焊接而成。为了减小导线端部的电场畸变，导线两端焊接均压环并部分上翘。模拟导线具体参数见表1。

表1 模拟导线参数

木垛具有结构简单、重复性好等特点，可用于研究模拟山火条件下间隙的击穿特性[17]。试验过程中将干燥的松木和杉木处理成2 cm×3 cm×100 cm的木条，摆放方式如图2所示。植被垛的摆放分为稀疏布置和密集布置2种，分别采用每层5根和8根木条，一共8层的布置方式，尺寸均为1 m×1 m×0.25 m。为了保证重复性和可对比性，在进行试验时尽量保持每次试验的植被垛的重量、摆放方式和摆放位置相同。

图2 植被垛布置方式

1.3 试验方法及步骤

试验平台的布置方式如图1所示，间隙距离为模拟导线最低点到板电极的高度，试验时选用1.2 m、1.7 m和2.7 m作为3个典型的间隙距离高度。将模拟导线水平布置在植被垛正上方，植被垛布置方式如图2所示，放置在板电极正中央，引燃时将酒精均匀泼洒在植被垛上并从中心引燃。试验过程中采用直接升压法(升压速度6～7 kV/s)对间隙施加电压至击穿[20]。为了尽量控制火势差异造成的影响，均在植被垛燃烧最旺且火焰高度最高的最大火势阶段进行加压试验。利用塔尺和不同角度的摄像机分别记录火焰高度和电弧击穿路径。采用山火模拟试验平台，试验研究60 cm纯空气间隙条件下双分裂、四分裂导线-板的击穿电压，以及双分裂导线下2种植被垛不同密度下火焰全桥接和非全桥接时的间隙击穿特性，分析双分裂和四分裂导线对松木火焰间隙击穿特性的影响。

2 试验结果与分析

在纯空气间隙下，试验场地所在海拔地区纯空气间隙的平均击穿电压梯度为350 kV/m[21]，在60 cm纯空气间隙下双分裂导线和四分裂导线-板击穿试验的平均击穿电压分别为213.5 kV和215.5 kV，对应的平均击穿电压梯度分别为355.8 kV/m和359.2 kV/m，与文献[21]中的平均击穿电压梯度分别相差1.7%和2.6%，验证了试验布置方式的合理性。

2.1 植被垛密度对间隙击穿特性的影响

最大火势时1.2～2.7 m间隙不同植被垛密度下的平均击穿电压如图3所示。密集布置相较于稀疏布置植被垛密度提高了60%，如图2所示。

从图3中可以看出在相同的间隙距离下，稀疏布置方式下的平均击穿电压分别高16.8 kV、53.2 kV、64.5 kV，提高的比例分别为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别为1.6 m和2.4 m，当火焰全桥接时，随着间隙距离的加大，稀疏布置方式下的击穿电压相对于密集布置方式下的提高比例上升。

图3 不同植被垛密度下的间隙击穿电压

火焰完全桥接时，间隙击穿电压的大小随间隙距离呈现线性变化，在2.7 m间隙下，火焰无法完全桥接时2种布置方式下平均击穿电压的相差比例缩小。这说明不同的植被垛布置方式对火焰段间隙的平均击穿电压梯度的影响更为明显，而对于非火焰段间隙的影响不大。

植被垛的热释放速率与其与空气接触的面积有关，稀疏布置和密集布置的方式下，松木垛与空气接触的面积分别为3.74 m2和5.78 m2。木垛火的热释放速率与暴露在空气中的接触面积呈现良好的线性关系。对于不同植被，其火焰高度与热释放速率之间均呈现幂函数关系，火焰高度在一定程度上可以反映热释放速率的大小。植被垛摆放越密集，热释放速率越高，火焰间隙的温度导电性能越高，间隙绝缘强度降低程度越大。

2.2 分裂导线对间隙击穿特性的影响

在纯空气间隙下，使用双分裂和四分裂导线时的平均击穿电压之间差异为0.9%，说明在使用双分裂和四分裂导线时纯空气间隙下的击穿特性差异很小。最大火势条件下，双分裂、四分裂导线-板间隙击穿电压曲线如图4所示。

图4 双分裂、四分裂导线-板间隙击穿电压曲线

在1.2 m间隙下，最大火势时双分裂和四分裂导线的间隙平均击穿电压大小分别为81.2 kV和82.2 kV，两者之间相差1.2%，这说明在1.2 m间隙下，双分裂和四分裂导线下的击穿电压差异很小。在1.7 m和2.7 m间隙下两者之间的击 穿电压的相差分别为8.6 kV和24.2 kV，分别占对应击穿电压均值的百分比为6.6%和8.3%，相差在10%以内。

试验结果表明，当模拟导线分裂间距相差不大，且靠近火焰部分的底面电极形式基本相同时，导线分裂数对间隙击穿电压几乎无影响，电极下的火焰形态越稳定，两者之间的差异越小。

2.3 植被种类对间隙击穿特性的影响

杉木火焰间隙击穿试验的电弧如图5所示。电弧沿着火焰体的形态的中心部位发展，在半桥接时还会使火焰沿着电弧路径燃烧并桥接剩余部分间隙，并在持续时间0.5 s左右的拉弧现象之后电弧才会熄灭。火焰体中的温度、离子数目和颗粒物数量都显著高于周围空气，火焰体中火焰中心部位的温度、离子含量最高，电弧路径均与火焰中心重合。

图5 典型电弧击穿路径

在1.2 m、1.7 m和2.7 m间隙下，击穿电压随着松木或杉木火焰高度变化的试验结果如图6所示，图中每条曲线上的数据点为在不同植被垛火焰高度(随燃烧时间变化)下的间隙击穿电压。

图6 火焰高度与击穿电压的关系

由图6可知：在1.2 m间隙下，当火焰完全桥接时，松木和杉木的最低击穿电压为57 kV、65 kV；在1.7 m间隙下，松木和杉木的最低击穿电压为110 kV和111 kV。最低击穿电压出现在火焰高度刚开始降低的阶段，这个阶段整个植被垛整体已经开始充分燃烧，火焰的温度仍有所上升，火焰通道内的离子和电子数目更多，火焰通道的导电性更强。当火焰高度小于0.9 m不能桥接间隙时，1.2 m间隙下杉木的击穿电压更低，1.7 m间隙下松木和杉木两者的曲线基本重合。这说明在火焰半桥接且间隙距离较小时，杉木火焰对间隙绝缘强度的降低程度的影响更大。在2.7 m间隙下，试验所使用的植被垛产生的火焰无法完全桥接间隙，试验中松木和杉木火焰间隙有相同的最低和最高击穿电压，分别为281 kV和596 kV。区别于火焰能完全桥接间隙的情形，2.7 m间隙距离下的最低击穿电压均出现在火焰高度最高的阶段，这表明火焰高度是影响间隙绝缘强度的主要因素之一。

不同类型树种所含的纤维素和灰分等成分的占比不同，其产生的火焰特性亦有所差异。松木木条含松油，起燃阶段持续时间较短，燃烧阶段有明显的响声，有较大的黑烟产生。杉木木条较为蓬松，起燃阶段时间较长，燃烧时仅有少量白烟产生，燃烧更为充分。

2.7 m间隙下在火焰高度开始下降时，松木火焰间隙的击穿电压明显低于杉木火焰间隙；这是因为当烟雾区占据了大部分间隙时，相较于杉木火焰所产生的少量白烟，松木产生的大量黑烟对间隙绝缘强度的影响更高，松木火焰烟雾区的颗粒桥接间隙的比例、对电场的畸变作用和触发放电的作用效果都高于杉木火焰间隙。随着植被垛的燃烧殆尽，松木火焰所产生的黑烟不明显时，植被类型对间隙绝缘强度的降低程度没有差异，说明烟雾浓度对非火焰区的击穿特性影响较大。

表2统计了在最大火势阶段，杉木和松木火焰间隙在每个间隙距离下的平均击穿电压，松木火焰间隙在3个间隙距离下的击穿电压分别降低为纯空气间隙的19.3%、19.7%和31.7%，杉木火焰间隙的降低到17.1%、20.0%和31.8%。

表2 最大火势时的平均击穿电压

由表2可知，松木和杉木树干所产生的火焰的特性差异对间隙绝缘强度降低的影响仅体现在火焰体的下半部分(火焰体半径没有明显衰减的部分)，在火焰半径已经开始明显衰减时两者对于间隙绝缘强度降低程度的影响基本一致。在最大火势且火焰无法完全桥接间隙但火焰体仍占据整个间隙的主体时，松木和杉木的火焰体在对间隙绝缘强度降低的作用上可以抽象为一个独立的因素而不考虑植被种类差异的影响。在火焰体主体部分，杉木在火势最大阶段比松木燃烧更为充分，其火焰中更容易产生电子和离子，形成电子崩进而形成流注放电。

3 结论

本文利用模拟山火试验平台，进行了考虑植被垛密度、导线分裂数和植被种类的1.2～2.7 m间隙下的击穿特性试验，主要结论如下：

a)植被垛密度越大，火焰区的击穿电压越低，密集布置和稀疏布置下相差20%；植被垛密度的大小对非火焰区的击穿电压大小的影响并不明显。

b)在最大火势、1.2～2.7 m间隙距离条件下，双分裂和四分裂导线-板间隙击穿电压基本相同，可见间隙击穿特性在2.7 m及以下的短间隙下差别很小，试验中可不考虑导线分裂数的影响。

c)电弧会沿着火焰体中心发展，电弧产生后火焰会贯穿整个电弧路径并持续较长时间。植被种类的差异对间隙击穿特性影响体现在最大火势阶段火焰主体部分和火势下降阶段的非火焰区部分。杉木植被垛在1.2 m、1.7 m和2.7 m间隙下，间隙击穿电压降低到纯空气的17.1%、20.0%和31.8%，在火焰能桥接间隙时具有最高的击穿风险。