输电线路山火跳闸机理的模拟实验研究

杨 康，陈海翔，桑荣剑，张林鹤

(中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，合肥，230026)



输电线路山火跳闸机理的模拟实验研究

杨 康，陈海翔*，桑荣剑，张林鹤

(中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，合肥，230026)

山火发生时植被燃烧产生的高温火焰及烟羽流使架空输电线路的空气绝缘性能大幅降低，可能引发导线之间或导线对地面间的击穿放电现象，导致输电线路发生跳闸事故。选取正庚烷与木垛为代表性火源，模拟研究直流高压电在火焰中的击穿放电现象，测量了火焰温度和电阻参数，获得了不同火源条件下放电间隙的击穿电压，分析了火焰参数对间隙击穿场强的影响。实验结果表明，正庚烷和木垛火焰放电实验中，火焰高温和电导率是导致击穿场强下降的主要因素。此外，烟颗粒也会导致击穿场强下降。

输电线路；山火；击穿电压；高温；火焰电导率

0 引言

高压输电线路是电网运行的命脉，是关系国计民生的生命线。近十几年来，全国范围内输电线路因山林火灾引起的跳闸停运事故越来越多，造成重大损失。2003年，湖南省220 kV线路因山火原因跳闸达23次，占全省线路跳闸事故的37%[1]。2009年～2010年间，云南省和贵州省等地输电线路山火跳闸事故频繁发生，严重影响到云贵两省的电力外送和电网的安全与稳定。2010年5月，1000 kV特高压示范工程长南I线31号-33号杆塔之间发生山火，导致C相故障跳闸[2]。国外如巴西、南非和墨西哥等国不同电压等级的输电线路也因各种植被火灾发生过多起跳闸事故[3-6]。由于山火蔓延的持续性，发生跳闸事故的输电线路合闸可能性较低，往往导致线路长时间停运。

科学防治山火导致的线路跳闸事故，需要深入认识线路山火跳闸机理及其影响因素。目前国内外已有一些相关研究成果。Fonseca等[3]实验研究了火焰对空气间隙绝缘强度的影响，发现间隙完全处于甘蔗秸秆火焰中时，间隙的工频绝缘强度下降到35 kV/m(有效值)，而在15℃空气中为250 kV/m(有效值)。West和MacMullam[6]研究了线路下方木材燃烧时两相试验线路的空气间隙击穿强度，发现导线-导线间隙和导线-杆塔间隙下的击穿强度分别为65 kV/m和49.3 kV/m 。Robledo-Martinez等[7]用68 kV三相AC线路测试了空气在不同类型可燃物(园艺垃圾、甘蔗渣、甘蔗叶、木材及相关物、丁烷气)燃烧形成的火焰存在时线路对地面的绝缘特性，发现火焰燃烧使线路的击穿电压降低约一半，归结的原因可能是高温、火焰电离和固体颗粒(灰烬)的流动。Mphale和Heron[8]测量了桉树叶燃烧火焰的电导率，发现电导率随着火焰温度的升高而升高，当桉树叶燃烧的温度达到967℃(1240 K)时，火焰电导率为0.58 S/m～0.79 S/m。Sukhnandan[9]通过实验和模拟的方法得到了火焰存在情况下导线附近的电场和电压分布值，研究了温度、颗粒等对击穿电压的影响。Kubuki等[10]，Rizk[11]分别通过实验和理论研究，分析了放电通道中含有颗粒情况下的放电机理。国内普等[12]、吴等[13,14]主要通过实验方法设计研究了棒-板、球-板等工况下，火焰温度、颗粒特性、火焰电导率对击穿过程的影响。尤等[15]研究表明输电线路在木垛火影响下的击穿实验中，火焰的高温效应是降低击穿场强的主要因素。

由于植被燃烧过程的复杂性，山火导致其上方输电线路跳闸涉及的机理非常复杂，目前存在很多不同甚至抵触的观点。总结而言，目前国内外学者较为认同的跳闸机理模型主要存在三种[16]，分别为空气密度下降模型(Reduced Air Density)、颗粒触发模型(Particle-initiated Flashover)和火焰导电率模型(Flame Conductivity)。三种机理模型均会降低输电线路跳闸电压，然而，每种模型降低跳闸电压的相对程度尚存在较大争议，需要开展定量化的实验测量为机理模型分析提供基础实验数据。本文采用液体火和木垛火，开展直流线路跳闸模拟实验，测量火焰温度分布和平均电阻，测量跳闸电压，并分析高温和平均电阻对跳闸电压的影响，为可能受到山火威胁的直流线路安全稳定运行提供参考。

1 实验方法

1.1 实验火源

实验中采用正庚烷(n-Heptane)和木垛燃烧产生火焰，分别作为液体火和固体火的代表性火源。这两种火源重复性较好。

液体火油盘直径为15 cm、20 cm、25 cm、30 cm、35 cm和45 cm，高度为10 cm。为了控制每组实验时间，设定油盘中正庚烷燃料厚度均为1 cm。实验前在油盘底部注水，使得1 cm厚的正庚烷燃料上表面与油盘顶部平齐。通过计算可得到不同油盘中需要加入的水量和正庚烷质量。

木垛采用3 cm×3 cm×45 cm的木条构成，每层8根。实验使用的木垛分别为3层和5层。

1.2 实验装置及方法

实验时火焰参数测量和击穿电压测量分开进行，最大限度保证火焰参数测量和击穿电压测量的实验工况相同。分开测量是为了避免由测量火焰参数时所使用的某些导电及电学设备对击穿实验造成影响，也是避免击穿实验过程中的安全隐患。

1.2.1 火焰参数测量实验

液体火焰参数测量实验示意图如图1所示。实验主要测量火焰温度分布和平均电导率，以分析火源高温和电导率对击穿过程的影响。火焰温度通过等间距热电偶阵列(K型，1 mm直径)测量。阵列中热电偶间距为10 cm。油池质量变化通过底部电子天平(Sartorius LA64001S，量程64000 g，精度100 mg)测量。在火源上方放置两层稀疏铁丝网(孔隙率为74%)，通过导线连接到ET2670数字兆欧表，测量电极之间的电阻。

图1 液体火焰参数测量实验示意图Fig.1 Schematic of measurement of the parameters of liquid fire source

试验步骤如下：按图示布置好测量仪器。依据油盘尺寸，计算需要加入的水量和正庚烷质量，先后注入油盘，使燃料液面与油盘上表面齐平。运行数据采集软件及数字兆欧表，打开摄像机。采用点火器点燃正庚烷，记录数据。火熄灭后关闭数据采集装置及摄像机。

木垛火参数测量实验类似油池火。在每次点燃木垛前，使用电子天平称取等量正庚烷(三层木垛500 g，五层木垛800 g)，用毛刷均匀地涂刷在木垛四周，保证木垛可以均匀、完全地燃烧。

1.2.2 击穿实验

火焰条件下击穿实验如图2所示。实验装置包括LDG(60/2)系列直流高压发生器、绝缘子、小型升降台、带陶瓷管钨电极、摄像机、导线等。

图2 击穿实验示意图Fig.2 Schematic of breakdown experiments

试验方法如下：按要求布置电极位置及调整升降台，控制电极间间距，摆放好油盘/木垛位置；点燃火源待燃烧稳定后开启高压发生器，通过逐步升高电压得到特定火源和间隙长度下的击穿电压。

2 实验结果与讨论

2.1 火焰参数测量实验

油池火与木垛火稳定阶段火焰中心线平均温度随高度变化曲线如图3所示。随着油盘尺寸增大，火源中心线温度逐步呈升高趋势；三层木垛温度分布介于油盘直径为30 cm与35 cm油池火温度曲线之间，五层木垛火温度分布与45 cm直径油盘火温度曲线接近。

图3 不同火源稳定阶段火焰中心线的平均温度分布Fig.3 The mean temperature profiles of different fire sources under steady burning state

实验过程中测量了稳定燃烧阶段火源连续火源区的间隙电阻。五层木垛火40 cm连续火焰通道电阻如图4所示，平均值为1.7 MΩ。

图4 五层木垛40 cm连续火焰通道内电阻Fig.4 Resistance between 40 cm continuous flame channel of five-layer wood crib fire

单位长度平均电阻为：

(1)

式中：R为电阻，L为通道长度。

表1给出了实验过程中油盘火和木垛火的单位长度平均电阻和温度数据。电阻测量通道位于火源上方35 cm～75 cm连续火焰区，通道的平均电阻由ET2670数字兆欧表测量数据除去波动特别明显的数值后的算术平均值。可以发现，随着油盘尺寸增大，油池火区域平均电阻呈明显下降趋势，而平均温度(由通道中测量点温度线性平均得到)明显升高趋势。

对同一空气间隙而言，如果没有火焰存在，闪络电压将依赖于空气温度和湿度。高温空气的相对密度[17]为：

(2)

闪络电压与空气密度的关系是：

(3)

式中：δ为相对空气密度；P和P0分别为试验大气压和标准大气压；T和T0分别为试验和标准条件下的摄氏温度；Vs是标准温度和气压下的击穿电压；Vt是试验击穿电压。试验过程中火焰内部压强和大气压强相同，空气温度为25℃。式(2)计算的相对密度值如表1中所示。油盘尺寸越大，相对空气密度越小，这主要是因为击穿通道内火焰温度越高。

表1 火焰参数表

2.2 击穿实验

对于同一尺寸油盘，随电极间间隙长度增大，击穿电压逐渐增大。如图5所示，平均击穿电压与电极间隙之间呈现较好的线性相关性。通过回归直线的斜率，计算得到了不同油盘火源的放电击穿场强，如图6所示。

图5 不同尺寸油盘火中电极间隙的击穿电压Fig.5 Breakdown voltages of electrode gaps in different-size liquid fires

对于相同长度的电极间隙，火源功率随油盘尺寸增大而变大，间隙间温度更高，因而电极击穿电压越小。在没有火焰时，1 cm～5 cm放电间隙在空气(温度11.6℃，相对湿度26%)中的平均击穿电场强度为11.1 KV/cm[18]。实验得到油池火击穿场强、单位长度平均电阻和平均温度随油盘尺寸变化如图6所示。随油盘尺寸增加，击穿场强逐渐下降。15 cm～45 cm油盘尺寸平均击穿场强依次为A=[1.92、1.84、1.61、1.22、1.06、0.76] KV/cm，明显小于空气中间隙击穿场强，约为空气中间隙击穿场强的17.3%、16.6%、14.5%、11.0%、9.6%和6.9%，下降百分比为82.7%、83.4%、85.5%、89.0%、90.4%和93.2%。击穿场强下降趋势与单位长度平均电阻下降趋势较为一致，而与平均温度上升趋势相反。

依据跳闸机理模型，火焰高温导致空气密度下降从而导致线路绝缘性能下降。依据式(3)，间隙的相对击穿电压与空气相对密度正相关，从而相对击穿场强也与空气相对密度正相关。表1中各油盘对应的空气相对密度δ为0.481、0.424、0.296、0.294、0.296和0.77，如果仅仅考虑空气密度下降模型，那么击穿场强应该为空气中击穿场强乘以空气相对密度，也就是B=[5.34、4.71、3.29、3.26、3.29、3.07] KV/cm，下降程度为D1=(1-δ)，也就是[51.9%、57.6%、70.4%、70.6%、70.4%、72.3%]。很明显，这样计算得到的击穿场强远大于实验测量数值。因此，仅用空气密度下降模型不能够完全解释正庚烷火焰高温导致的电场强度下降程度。这意味着火焰导电率模型和燃烧颗粒模型也发挥重要作用。正庚烷燃烧过程中产生烟颗粒的现象不明显，这里忽略烟颗粒的桥接和畸变电场效应，那么除去因空气密度下降模型导致击穿场强下降的量，火焰导电率模型需要把平均击穿场强从B降到A，下降程度D2=(B-A)/B， 也就是D2=[64.0%、60.1%、51.0%、62.6%、67.8%、75.3%]。比较D1和D2可以发现，空气密度下降和火焰电离模型导致的平均击穿场强下降程度相当，当火焰温度较低时，火焰电离模型导致的下降程度较大，而火焰温度较高时，空气密度下降模型的影响较大。

图6 不同尺寸油池火击穿电场强度、单位长度平均电阻及区域火焰平均温度Fig.6 Breakdown field strengths, average resistances per unit length and average flame temperatures of different oil pan fires

图7为不同间距空气间隙在三层木垛和五层木垛火中的击穿电压。三层木垛火中10 cm～50 cm间距平均击穿场强为1.05 KV/cm，而五层木垛火中30 cm～70 cm间距平均击穿场强为0.41 KV/cm，木垛火中电极间隙的击穿场强分别下降到纯空气的9.5%和3.7%。由表1可知，空气下降模型导致的击穿场强下降程度为D3=[64.6%、71.6%]，分别下降到3.93 KV/cm、3.15 KV/cm。从而可以计算其他模型导致的击穿场强下降程度D4=[73.3%、87.0%]，稍高于油池火中火焰电导率模型导致的下降程度。这是由于木垛火燃烧过程中产生了较为明显的烟颗粒。 Sukhnandan[9]指出颗粒能桥接间隙，起到缩短有效击穿间距的作用，普等[19]研究得到浮动颗粒影响间隙电场和电位分布。相对于高温和火焰电导率，烟颗粒对击穿场强的影响作用较小。

图7 不同电极间隙在三层和五层木垛火中的击穿电压Fig.7 The breakdown voltage of different electrode gaps in three- and five-layer wood crib fires

3 结论

本文开展了空气间隙在油盘火和木垛火中的击穿实验研究，得到以下结论：

1)15 cm～45 cm油盘尺寸平均击穿场强依次为1.92 KV/cm、1.84 KV/cm、1.61 KV/cm、1.22 KV/cm、1.06 KV/cm和0.76 KV/cm。随着油盘尺寸增大，击穿场强的下降趋势与单位长度平均电阻下降趋势较为一致，而与平均温度上升趋势相反。分析表明，空气密度下降和火焰电离模型导致的平均击穿场强下降程度相当，当火焰温度较低时，火焰电离模型导致的下降程度较大；当火焰温度较高时，空气密度下降模型的影响较大。

2)三层木垛火中10 cm～50 cm间距平均击穿场强为1.05 KV/cm，五层木垛火中30 cm～70 cm间距平均击穿场强为0.41 KV/cm。木垛火中电极间隙的击穿场强分别下降到纯空气的9.5%和3.7%。分析表明，空气下降模型导致的击穿场强下降程度小于火焰电导率模型及烟颗粒模型综合导致的击穿电压下降程度。而且，木垛火中火焰电导率模型及烟颗粒模型综合导致的击穿电压下降程度稍高于油池火中火焰电导率模型导致的下降程度，表明烟颗粒模型也对击穿场强有一定影响。

3)本文进行的正庚烷和木垛火焰放电实验中，火焰高温和火焰电导率是导致击穿场强下降的主要因素。

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Simulative experimental study on wildfire induced breakdown of transmission lines

YANG Kang, CHEN Haixiang, SANG Rongjian, ZHANG Linhe

(State Key Laboratory of Fire Science, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China)

High temperatureflame and smoke plume produced by burning wildfire can weaken the air insulation strength of overhead transmission lines greatly, and may cause the discharge between the conductors or conductor to ground and hence the breakdown of the transmission lines. The present study used the n-heptane and wood crib fire sources to study the discharge of high voltage DC electrode in the steady burning flames. The temperature profiles and average resistances of the flames were measured and the breakdown voltages of gaps in different flames were obtained. The influence of flame parameters on the breakdown strength of gap was analyzed. The results show that, high temperature of flame and flame conductivity are the most important factors on the decrease of breakdown strength of gap in fires. Additonaly, smoke particles also decrease the breakdown strength.

Transmission lines; Wildfire ; Breakdown voltage; High temperature; Flame conductivity

2016-02-25；修改日期：2016-05-06

中央高校基本科研业务费专项资金(WK2320000031&34)；“输电线路山火预测监测及防治技术研究”项目(SGTYHT/13-JS-175)。

杨康，中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室硕士研究生，主要研究方向为森林火灾。

陈海翔，E-mail:hxchen@ustc.edu.cn

1004-5309(2016)-00073-06

10.3969/j.issn.1004-5309.2016.02.03

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