山火对空气间隙绝缘击穿特性影响试验研究

刘 磊，杨宇航，徐会凯，张星海，吴 驰，陈天翔

(1.成都理工大学核技术与自动化工程学院，四川 成都 610059；2.重庆大学电气工程学院，重庆 400044；3.国网四川省电力公司力科学研究院，四川 成都 610041)

0 引 言

线路走廊紧张是中国输电网发展过程中的突出问题[1-4]，长距离输电线路不可避免经过植被茂密的山林火灾易发生区[5]。山火发生时，植被猛烈燃烧，剧烈的氧化还原反应导致周围众多环境因素发生翻天覆地的变化。火焰的高温燃烧会产生众多的带电粒子和烟尘颗粒等，这些因素容易导致输电线路绝缘强度迅速下降，从而引发线路跳闸事故[6-8]。

已有不少文献针对火焰条件下间隙的击穿特性开展了相关试验研究[9-12]，但由于山火引发输电线路故障过程复杂多变，所搭建的模拟试验平台考虑的影响因素较少，也缺少对流注起始到先导击穿这一整个放电过程的监测，同时忽略了变化的火焰状态对间隙绝缘能力的影响[9-10]。为了更精确地分析森林火灾引发输电线路故障机理，下面通过建立模拟试验平台，探究比较了烟雾、温度、火焰对间隙绝缘强度的影响，为山火引发输电线路跳闸事故的研究提供参考。

1 试验平台搭建

1.1 试验布置

山火发生时，浓烟、高温、火焰、火焰高度等都是导致线路对地或相间绝缘能力降低的主要原因[7，10-12]，为了进一步探究和比较这些因素对绝缘性能的影响程度，设计了“棒-棒”电极间隙放电模型，研究了火焰、温度和烟雾对间隙绝缘特性影响程度，试验平台如图1所示。

图1 “棒-棒”电极间隙放电模拟试验平台

试验设备主要由50 kV/15 kVA工频试验变压器、保护电阻、无线控制升降台、红外测温仪以及“棒-棒”电极组成。其中“棒-棒”电极放电模型构成部分包括一个多面打孔铁箱、一对高压穿墙套管、一对电极板，如图2所示。穿墙套管为椭圆柱形，镶嵌固定于铁箱两侧。两极板穿过两穿墙套管，在套管内进行固定，构成间隙距离为3 cm的“棒-棒”间隙模型。3 cm距离为35 kV输电线路树线放电的临界距离。3 cm“棒-棒”间隙可以在一定程度上模拟输电线路树线不均匀电场。

图2 “棒-棒”电极间隙放电模型箱

为了研究温度和空气对流扩散对间隙击穿电压的影响，铁箱底面设置成开合结构，可控制铁箱为半密闭或密闭状态。铁箱前侧设有小型观察孔，主要用于观测间隙击穿现象和安装烟雾传感器。

1.2 试验方法与步骤

间隙条件下模拟试验分为：间隙条件下模拟预实验、果炭升温试验、间隙烟雾试验、酒精火焰桥接试验。

1)搭建试验平台，进行试验设备的调试和连接，并准备好相应燃烧物品。将铁箱内“棒-棒”电极间隙距离固定在3 cm，测量实验室内温度、湿度、气压后，进行预实验。

2)引燃已经堆叠好的无烟果碳，放置在铁箱下部，将铁箱内部空气温度升至最高温度200 ℃。试验期间没有烟雾、火焰的干扰，通过控制升降台改变果碳与箱体底部之间距离来改变箱体内气隙温度，从而得到空气间隙温度这一单一因素变化时不同温度对应的间隙击穿电压。

3)待铁箱冷却至室温后，进行间隙烟雾试验。试验烟雾由枯木树叶不完全燃烧产生，试验过程中，应确保枯木树叶处于不完全燃烧状态，禁止火焰桥接间隙。试验进行时，通过观察孔上安装的烟雾传感器测量烟雾浓度，同时测量特定烟雾浓度范围内不同气隙温度对应的击穿电压。

4)进行酒精火焰击穿电压试验，测量间隙与酒精火焰在未桥接、临界桥接和完全桥接等火焰高度宽度不一样的情况下，不同温度所对应的击穿电压。每组试验都通过红外测温仪测量并记录“棒-棒”电极间隙的平均温度。

试验结束后，整理所记录的数据，按照步骤1至步骤4重复3次试验，并记录数据。

2 试验及结果分析

2.1 温度对间隙击穿电压影响

为减小空气对流扩散对试验的影响，控制参数单一变化，需将铁箱设置成密闭或半密闭状态。在密闭状态下，铁箱底部关闭，火焰喷枪从观察孔对箱体加热，使箱体成密闭状态。在半密闭状态下，铁箱底部打开，火焰喷枪从箱体底部加热。由于观察孔开口较小，试验过程中对铁箱内气隙温度变化影响较小，铁箱可视为密闭或半密闭状态，如图3所示。测量记录不同温度对应的击穿电压。

图3 密闭和半密闭状态下加热试验

将密闭状态和半密闭状态下击穿电压随温度变化的试验数据绘制成曲线，如图4所示。在密闭状态下的间隙击穿电压比同温度半密闭状态下的间隙击穿电压低。这是由于密闭环境中，上一次间隙击穿所产生的带电电荷不容易扩散，导致下一次击穿更容易发生，使击穿电压下降。由于密闭空间内空气间隙更易击穿，为了排除这一因素对试验的影响，在之后的试验中应选择半密闭状态进行试验。

图4 密闭和半密闭条件下击穿电压随温度变化

2.2 烟雾对间隙击穿电压影响

间隙烟雾试验如图5所示。在箱体下部放上枯木树叶和少量果碳，试验过程中枯木树叶处于不完全燃烧状态，箱体内气隙温度可通过控制升降台改变枯木和果碳与箱体底部之间的距离来改变。

图5 间隙烟雾试验

将烟雾浓度设置在9.999‰以上，将不同温度对应的击穿电压绘制成曲线，并与通过果碳升温试验获得的单纯温度因素影响下的击穿电压数据进行比较，如图6所示。从图中可以看出，在50～120 ℃范围内，最小击穿电压与最大击穿电压相比：单纯温度因素影响下，击穿电压下降24.1%；烟雾因素影响下，击穿电压下降25.7%。与单纯温度因素影响相比，枯木树叶产生的烟雾没有使击穿电压有明显降低，说明此种烟雾条件下对降低间隙绝缘能力有一定的影响但远不及温度明显。

图6 烟雾与温度条件下击穿电压随温度变化

2.3 火焰对间隙击穿电压影响

将12个酒精块堆叠在锡纸盘内引燃使火焰桥接间隙。整个燃烧过程中，酒精块燃烧稳定性较好，且不产生烟雾，适合用于研究火焰对击穿电压的影响。调节锡纸盘内酒精火焰高度变化，间隙与酒精火焰在未桥接、临界桥接和完全桥接的状态如图7所示。在铁箱半密闭状态下，只采用酒精火焰对铁箱升温速度较慢，因此先采用火焰喷枪将铁箱内气隙温度加热到试验所需温度，再加入酒精火焰。

图7 酒精火焰与间隙桥接状态

将酒精火焰桥接间隙条件下测量的击穿电压与对应温度的数据绘制成曲线，并与单纯温度因素影响下击穿电压曲线进行比较分析，如图8所示。当酒精火焰未桥接间隙时，相同温度下，酒精火焰与单纯温度因素影响下击穿电压随温度变化基本一致，说明在该阶段温度是主要影响因素；当酒精火焰和间隙临界桥接时，相同温度下，酒精火焰曲线的击穿电压会陡然下降，说明酒精火焰桥接间隙时，酒精火焰对击穿电压有着重要影响；当酒精火焰完全桥接间隙时，随着温度的升高，酒精火焰条件下击穿电压下降梯度和单纯温度因素影响下击穿电压下降梯度基本一致，约为1.9×10-2kV/℃。在完全桥接阶段，当气隙温度稳定时，击穿电压随酒精火焰高度的变化幅度较小，这说明在酒精火焰完全桥接间隙时，温度仍为影响间隙击穿特性的决定性因素，而酒精火焰对击穿电压的影响较小。从图8中也可以看出，当酒精火焰完全桥接间隙且气隙温度稳定时，击穿电压的变化幅度较小，此时的击穿电压可视为最低击穿电压。

图8 酒精火焰与纯温度条件下击穿电压随温度变化

在同一条件下重复3次试验，获得的试验结果基本一致，证明了所模拟试验结果的一致性。

3 结 论

上面设计了“棒-棒”电极间隙放电模型，开展了“棒-棒”模型的空气间隙绝缘击穿试验，研究了火焰、温度、烟雾对间隙绝缘的影响程度，得到了以下结论：

1)在单纯温度因素影响下，击穿电压的大小随温度的升高显著下降，温度对间隙绝缘能力的影响明显。

2)在一定温度条件下，枯木树叶产生的烟雾浓度对击穿电压的影响较小。当烟雾浓度达到9.999‰以上水平时，与单纯温度因素影响相比，枯木树叶产生的烟雾使击穿电压有所降低但不明显，说明枯木树叶产生的烟雾对击穿电压影响较小，远低于温度的影响。

3)当酒精火焰高度升高但未桥接间隙时，击穿电压降低，与同阶段单纯温度因素影响下的变化幅度基本一致；当酒精火焰和间隙临界桥接时，击穿电压持续下降且下降明显；当酒精火焰完全桥接间隙时，击穿电压变化幅度与同阶段单纯温度因素影响下的变化幅度基本一致。当气隙温度稳定时，击穿电压随酒精火焰高度的变化幅度较小，说明在酒精火焰完全桥接间隙时，温度为影响间隙击穿特性的决定性因素。同时，当酒精火焰完全桥接间隙且气隙温度稳定时，击穿电压的变化幅度较小，所获得的击穿电压可视为最低击穿电压。