輸電線路山火跳閘機(jī)理的模擬實(shí)驗(yàn)研究

楊 康，陳海翔，桑榮劍，張林鶴

(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥，230026)

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輸電線路山火跳閘機(jī)理的模擬實(shí)驗(yàn)研究

楊 康，陳海翔*，桑榮劍，張林鶴

(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥，230026)

山火發(fā)生時(shí)植被燃燒產(chǎn)生的高溫火焰及煙羽流使架空輸電線路的空氣絕緣性能大幅降低，可能引發(fā)導(dǎo)線之間或?qū)Ь€對(duì)地面間的擊穿放電現(xiàn)象，導(dǎo)致輸電線路發(fā)生跳閘事故。選取正庚烷與木垛為代表性火源，模擬研究直流高壓電在火焰中的擊穿放電現(xiàn)象，測(cè)量了火焰溫度和電阻參數(shù)，獲得了不同火源條件下放電間隙的擊穿電壓，分析了火焰參數(shù)對(duì)間隙擊穿場(chǎng)強(qiáng)的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，正庚烷和木垛火焰放電實(shí)驗(yàn)中，火焰高溫和電導(dǎo)率是導(dǎo)致?lián)舸﹫?chǎng)強(qiáng)下降的主要因素。此外，煙顆粒也會(huì)導(dǎo)致?lián)舸﹫?chǎng)強(qiáng)下降。

輸電線路；山火；擊穿電壓；高溫；火焰電導(dǎo)率

0 引言

高壓輸電線路是電網(wǎng)運(yùn)行的命脈，是關(guān)系國計(jì)民生的生命線。近十幾年來，全國范圍內(nèi)輸電線路因山林火災(zāi)引起的跳閘停運(yùn)事故越來越多，造成重大損失。2003年，湖南省220 kV線路因山火原因跳閘達(dá)23次，占全省線路跳閘事故的37%[1]。2009年～2010年間，云南省和貴州省等地輸電線路山火跳閘事故頻繁發(fā)生，嚴(yán)重影響到云貴兩省的電力外送和電網(wǎng)的安全與穩(wěn)定。2010年5月，1000 kV特高壓示范工程長南I線31號(hào)-33號(hào)桿塔之間發(fā)生山火，導(dǎo)致C相故障跳閘[2]。國外如巴西、南非和墨西哥等國不同電壓等級(jí)的輸電線路也因各種植被火災(zāi)發(fā)生過多起跳閘事故[3-6]。由于山火蔓延的持續(xù)性，發(fā)生跳閘事故的輸電線路合閘可能性較低，往往導(dǎo)致線路長時(shí)間停運(yùn)。

科學(xué)防治山火導(dǎo)致的線路跳閘事故，需要深入認(rèn)識(shí)線路山火跳閘機(jī)理及其影響因素。目前國內(nèi)外已有一些相關(guān)研究成果。Fonseca等[3]實(shí)驗(yàn)研究了火焰對(duì)空氣間隙絕緣強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)間隙完全處于甘蔗秸稈火焰中時(shí)，間隙的工頻絕緣強(qiáng)度下降到35 kV/m(有效值)，而在15℃空氣中為250 kV/m(有效值)。West和MacMullam[6]研究了線路下方木材燃燒時(shí)兩相試驗(yàn)線路的空氣間隙擊穿強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)線-導(dǎo)線間隙和導(dǎo)線-桿塔間隙下的擊穿強(qiáng)度分別為65 kV/m和49.3 kV/m 。Robledo-Martinez等[7]用68 kV三相AC線路測(cè)試了空氣在不同類型可燃物(園藝?yán)?、甘蔗渣、甘蔗葉、木材及相關(guān)物、丁烷氣)燃燒形成的火焰存在時(shí)線路對(duì)地面的絕緣特性，發(fā)現(xiàn)火焰燃燒使線路的擊穿電壓降低約一半，歸結(jié)的原因可能是高溫、火焰電離和固體顆粒(灰燼)的流動(dòng)。Mphale和Heron[8]測(cè)量了桉樹葉燃燒火焰的電導(dǎo)率，發(fā)現(xiàn)電導(dǎo)率隨著火焰溫度的升高而升高，當(dāng)桉樹葉燃燒的溫度達(dá)到967℃(1240 K)時(shí)，火焰電導(dǎo)率為0.58 S/m～0.79 S/m。Sukhnandan[9]通過實(shí)驗(yàn)和模擬的方法得到了火焰存在情況下導(dǎo)線附近的電場(chǎng)和電壓分布值，研究了溫度、顆粒等對(duì)擊穿電壓的影響。Kubuki等[10]，Rizk[11]分別通過實(shí)驗(yàn)和理論研究，分析了放電通道中含有顆粒情況下的放電機(jī)理。國內(nèi)普等[12]、吳等[13,14]主要通過實(shí)驗(yàn)方法設(shè)計(jì)研究了棒-板、球-板等工況下，火焰溫度、顆粒特性、火焰電導(dǎo)率對(duì)擊穿過程的影響。尤等[15]研究表明輸電線路在木垛火影響下的擊穿實(shí)驗(yàn)中，火焰的高溫效應(yīng)是降低擊穿場(chǎng)強(qiáng)的主要因素。

由于植被燃燒過程的復(fù)雜性，山火導(dǎo)致其上方輸電線路跳閘涉及的機(jī)理非常復(fù)雜，目前存在很多不同甚至抵觸的觀點(diǎn)?？偨Y(jié)而言，目前國內(nèi)外學(xué)者較為認(rèn)同的跳閘機(jī)理模型主要存在三種[16]，分別為空氣密度下降模型(Reduced Air Density)、顆粒觸發(fā)模型(Particle-initiated Flashover)和火焰導(dǎo)電率模型(Flame Conductivity)。三種機(jī)理模型均會(huì)降低輸電線路跳閘電壓，然而，每種模型降低跳閘電壓的相對(duì)程度尚存在較大爭(zhēng)議，需要開展定量化的實(shí)驗(yàn)測(cè)量為機(jī)理模型分析提供基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。本文采用液體火和木垛火，開展直流線路跳閘模擬實(shí)驗(yàn)，測(cè)量火焰溫度分布和平均電阻，測(cè)量跳閘電壓，并分析高溫和平均電阻對(duì)跳閘電壓的影響，為可能受到山火威脅的直流線路安全穩(wěn)定運(yùn)行提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)火源

實(shí)驗(yàn)中采用正庚烷(n-Heptane)和木垛燃燒產(chǎn)生火焰，分別作為液體火和固體火的代表性火源。這兩種火源重復(fù)性較好。

液體火油盤直徑為15 cm、20 cm、25 cm、30 cm、35 cm和45 cm，高度為10 cm。為了控制每組實(shí)驗(yàn)時(shí)間，設(shè)定油盤中正庚烷燃料厚度均為1 cm。實(shí)驗(yàn)前在油盤底部注水，使得1 cm厚的正庚烷燃料上表面與油盤頂部平齊。通過計(jì)算可得到不同油盤中需要加入的水量和正庚烷質(zhì)量。

木垛采用3 cm×3 cm×45 cm的木條構(gòu)成，每層8根。實(shí)驗(yàn)使用的木垛分別為3層和5層。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

實(shí)驗(yàn)時(shí)火焰參數(shù)測(cè)量和擊穿電壓測(cè)量分開進(jìn)行，最大限度保證火焰參數(shù)測(cè)量和擊穿電壓測(cè)量的實(shí)驗(yàn)工況相同。分開測(cè)量是為了避免由測(cè)量火焰參數(shù)時(shí)所使用的某些導(dǎo)電及電學(xué)設(shè)備對(duì)擊穿實(shí)驗(yàn)造成影響，也是避免擊穿實(shí)驗(yàn)過程中的安全隱患。

1.2.1 火焰參數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)

液體火焰參數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)示意圖如圖1所示。實(shí)驗(yàn)主要測(cè)量火焰溫度分布和平均電導(dǎo)率，以分析火源高溫和電導(dǎo)率對(duì)擊穿過程的影響?；鹧鏈囟韧ㄟ^等間距熱電偶陣列(K型，1 mm直徑)測(cè)量。陣列中熱電偶間距為10 cm。油池質(zhì)量變化通過底部電子天平(Sartorius LA64001S，量程64000 g，精度100 mg)測(cè)量。在火源上方放置兩層稀疏鐵絲網(wǎng)(孔隙率為74%)，通過導(dǎo)線連接到ET2670數(shù)字兆歐表，測(cè)量電極之間的電阻。

圖1 液體火焰參數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)示意圖Fig.1 Schematic of measurement of the parameters of liquid fire source

試驗(yàn)步驟如下：按圖示布置好測(cè)量儀器。依據(jù)油盤尺寸，計(jì)算需要加入的水量和正庚烷質(zhì)量，先后注入油盤，使燃料液面與油盤上表面齊平。運(yùn)行數(shù)據(jù)采集軟件及數(shù)字兆歐表，打開攝像機(jī)。采用點(diǎn)火器點(diǎn)燃正庚烷，記錄數(shù)據(jù)?；鹣绾箨P(guān)閉數(shù)據(jù)采集裝置及攝像機(jī)。

木垛火參數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)類似油池火。在每次點(diǎn)燃木垛前，使用電子天平稱取等量正庚烷(三層木垛500 g，五層木垛800 g)，用毛刷均勻地涂刷在木垛四周，保證木垛可以均勻、完全地燃燒。

1.2.2 擊穿實(shí)驗(yàn)

火焰條件下?lián)舸?shí)驗(yàn)如圖2所示。實(shí)驗(yàn)裝置包括LDG(60/2)系列直流高壓發(fā)生器、絕緣子、小型升降臺(tái)、帶陶瓷管鎢電極、攝像機(jī)、導(dǎo)線等。

圖2 擊穿實(shí)驗(yàn)示意圖Fig.2 Schematic of breakdown experiments

試驗(yàn)方法如下：按要求布置電極位置及調(diào)整升降臺(tái)，控制電極間間距，擺放好油盤/木垛位置；點(diǎn)燃火源待燃燒穩(wěn)定后開啟高壓發(fā)生器，通過逐步升高電壓得到特定火源和間隙長度下的擊穿電壓。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 火焰參數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)

油池火與木垛火穩(wěn)定階段火焰中心線平均溫度隨高度變化曲線如圖3所示。隨著油盤尺寸增大，火源中心線溫度逐步呈升高趨勢(shì)；三層木垛溫度分布介于油盤直徑為30 cm與35 cm油池火溫度曲線之間，五層木垛火溫度分布與45 cm直徑油盤火溫度曲線接近。

圖3 不同火源穩(wěn)定階段火焰中心線的平均溫度分布Fig.3 The mean temperature profiles of different fire sources under steady burning state

實(shí)驗(yàn)過程中測(cè)量了穩(wěn)定燃燒階段火源連續(xù)火源區(qū)的間隙電阻。五層木垛火40 cm連續(xù)火焰通道電阻如圖4所示，平均值為1.7 MΩ。

圖4 五層木垛40 cm連續(xù)火焰通道內(nèi)電阻Fig.4 Resistance between 40 cm continuous flame channel of five-layer wood crib fire

單位長度平均電阻為：

(1)

式中：R為電阻，L為通道長度。

表1給出了實(shí)驗(yàn)過程中油盤火和木垛火的單位長度平均電阻和溫度數(shù)據(jù)。電阻測(cè)量通道位于火源上方35 cm～75 cm連續(xù)火焰區(qū)，通道的平均電阻由ET2670數(shù)字兆歐表測(cè)量數(shù)據(jù)除去波動(dòng)特別明顯的數(shù)值后的算術(shù)平均值?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著油盤尺寸增大，油池火區(qū)域平均電阻呈明顯下降趨勢(shì)，而平均溫度(由通道中測(cè)量點(diǎn)溫度線性平均得到)明顯升高趨勢(shì)。

對(duì)同一空氣間隙而言，如果沒有火焰存在，閃絡(luò)電壓將依賴于空氣溫度和濕度。高溫空氣的相對(duì)密度[17]為：

(2)

閃絡(luò)電壓與空氣密度的關(guān)系是：

(3)

式中：δ為相對(duì)空氣密度；P和P0分別為試驗(yàn)大氣壓和標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；T和T0分別為試驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)條件下的攝氏溫度；Vs是標(biāo)準(zhǔn)溫度和氣壓下的擊穿電壓；Vt是試驗(yàn)擊穿電壓。試驗(yàn)過程中火焰內(nèi)部壓強(qiáng)和大氣壓強(qiáng)相同，空氣溫度為25℃。式(2)計(jì)算的相對(duì)密度值如表1中所示。油盤尺寸越大，相對(duì)空氣密度越小，這主要是因?yàn)閾舸┩ǖ纼?nèi)火焰溫度越高。

表1 火焰參數(shù)表

2.2 擊穿實(shí)驗(yàn)

對(duì)于同一尺寸油盤，隨電極間間隙長度增大，擊穿電壓逐漸增大。如圖5所示，平均擊穿電壓與電極間隙之間呈現(xiàn)較好的線性相關(guān)性。通過回歸直線的斜率，計(jì)算得到了不同油盤火源的放電擊穿場(chǎng)強(qiáng)，如圖6所示。

圖5 不同尺寸油盤火中電極間隙的擊穿電壓Fig.5 Breakdown voltages of electrode gaps in different-size liquid fires

對(duì)于相同長度的電極間隙，火源功率隨油盤尺寸增大而變大，間隙間溫度更高，因而電極擊穿電壓越小。在沒有火焰時(shí)，1 cm～5 cm放電間隙在空氣(溫度11.6℃，相對(duì)濕度26%)中的平均擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度為11.1 KV/cm[18]。實(shí)驗(yàn)得到油池火擊穿場(chǎng)強(qiáng)、單位長度平均電阻和平均溫度隨油盤尺寸變化如圖6所示。隨油盤尺寸增加，擊穿場(chǎng)強(qiáng)逐漸下降。15 cm～45 cm油盤尺寸平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)依次為A=[1.92、1.84、1.61、1.22、1.06、0.76] KV/cm，明顯小于空氣中間隙擊穿場(chǎng)強(qiáng)，約為空氣中間隙擊穿場(chǎng)強(qiáng)的17.3%、16.6%、14.5%、11.0%、9.6%和6.9%，下降百分比為82.7%、83.4%、85.5%、89.0%、90.4%和93.2%。擊穿場(chǎng)強(qiáng)下降趨勢(shì)與單位長度平均電阻下降趨勢(shì)較為一致，而與平均溫度上升趨勢(shì)相反。

依據(jù)跳閘機(jī)理模型，火焰高溫導(dǎo)致空氣密度下降從而導(dǎo)致線路絕緣性能下降。依據(jù)式(3)，間隙的相對(duì)擊穿電壓與空氣相對(duì)密度正相關(guān)，從而相對(duì)擊穿場(chǎng)強(qiáng)也與空氣相對(duì)密度正相關(guān)。表1中各油盤對(duì)應(yīng)的空氣相對(duì)密度δ為0.481、0.424、0.296、0.294、0.296和0.77，如果僅僅考慮空氣密度下降模型，那么擊穿場(chǎng)強(qiáng)應(yīng)該為空氣中擊穿場(chǎng)強(qiáng)乘以空氣相對(duì)密度，也就是B=[5.34、4.71、3.29、3.26、3.29、3.07] KV/cm，下降程度為D1=(1-δ)，也就是[51.9%、57.6%、70.4%、70.6%、70.4%、72.3%]。很明顯，這樣計(jì)算得到的擊穿場(chǎng)強(qiáng)遠(yuǎn)大于實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)值。因此，僅用空氣密度下降模型不能夠完全解釋正庚烷火焰高溫導(dǎo)致的電場(chǎng)強(qiáng)度下降程度。這意味著火焰導(dǎo)電率模型和燃燒顆粒模型也發(fā)揮重要作用。正庚烷燃燒過程中產(chǎn)生煙顆粒的現(xiàn)象不明顯，這里忽略煙顆粒的橋接和畸變電場(chǎng)效應(yīng)，那么除去因空氣密度下降模型導(dǎo)致?lián)舸﹫?chǎng)強(qiáng)下降的量，火焰導(dǎo)電率模型需要把平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)從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%]。比較D1和D2可以發(fā)現(xiàn)，空氣密度下降和火焰電離模型導(dǎo)致的平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)下降程度相當(dāng)，當(dāng)火焰溫度較低時(shí)，火焰電離模型導(dǎo)致的下降程度較大，而火焰溫度較高時(shí)，空氣密度下降模型的影響較大。

圖6 不同尺寸油池火擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度、單位長度平均電阻及區(qū)域火焰平均溫度Fig.6 Breakdown field strengths, average resistances per unit length and average flame temperatures of different oil pan fires

圖7為不同間距空氣間隙在三層木垛和五層木垛火中的擊穿電壓。三層木垛火中10 cm～50 cm間距平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)為1.05 KV/cm，而五層木垛火中30 cm～70 cm間距平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)為0.41 KV/cm，木垛火中電極間隙的擊穿場(chǎng)強(qiáng)分別下降到純空氣的9.5%和3.7%。由表1可知，空氣下降模型導(dǎo)致的擊穿場(chǎng)強(qiáng)下降程度為D3=[64.6%、71.6%]，分別下降到3.93 KV/cm、3.15 KV/cm。從而可以計(jì)算其他模型導(dǎo)致的擊穿場(chǎng)強(qiáng)下降程度D4=[73.3%、87.0%]，稍高于油池火中火焰電導(dǎo)率模型導(dǎo)致的下降程度。這是由于木垛火燃燒過程中產(chǎn)生了較為明顯的煙顆粒。 Sukhnandan[9]指出顆粒能橋接間隙，起到縮短有效擊穿間距的作用，普等[19]研究得到浮動(dòng)顆粒影響間隙電場(chǎng)和電位分布。相對(duì)于高溫和火焰電導(dǎo)率，煙顆粒對(duì)擊穿場(chǎng)強(qiáng)的影響作用較小。

圖7 不同電極間隙在三層和五層木垛火中的擊穿電壓Fig.7 The breakdown voltage of different electrode gaps in three- and five-layer wood crib fires

3 結(jié)論

本文開展了空氣間隙在油盤火和木垛火中的擊穿實(shí)驗(yàn)研究，得到以下結(jié)論：

1)15 cm～45 cm油盤尺寸平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)依次為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。隨著油盤尺寸增大，擊穿場(chǎng)強(qiáng)的下降趨勢(shì)與單位長度平均電阻下降趨勢(shì)較為一致，而與平均溫度上升趨勢(shì)相反。分析表明，空氣密度下降和火焰電離模型導(dǎo)致的平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)下降程度相當(dāng)，當(dāng)火焰溫度較低時(shí)，火焰電離模型導(dǎo)致的下降程度較大；當(dāng)火焰溫度較高時(shí)，空氣密度下降模型的影響較大。

2)三層木垛火中10 cm～50 cm間距平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)為1.05 KV/cm，五層木垛火中30 cm～70 cm間距平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)為0.41 KV/cm。木垛火中電極間隙的擊穿場(chǎng)強(qiáng)分別下降到純空氣的9.5%和3.7%。分析表明，空氣下降模型導(dǎo)致的擊穿場(chǎng)強(qiáng)下降程度小于火焰電導(dǎo)率模型及煙顆粒模型綜合導(dǎo)致的擊穿電壓下降程度。而且，木垛火中火焰電導(dǎo)率模型及煙顆粒模型綜合導(dǎo)致的擊穿電壓下降程度稍高于油池火中火焰電導(dǎo)率模型導(dǎo)致的下降程度，表明煙顆粒模型也對(duì)擊穿場(chǎng)強(qiáng)有一定影響。

3)本文進(jìn)行的正庚烷和木垛火焰放電實(shí)驗(yàn)中，火焰高溫和火焰電導(dǎo)率是導(dǎo)致?lián)舸﹫?chǎng)強(qiáng)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?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(WK2320000031&34)；“輸電線路山火預(yù)測(cè)監(jiān)測(cè)及防治技術(shù)研究”項(xiàng)目(SGTYHT/13-JS-175)。

楊康，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室碩士研究生，主要研究方向?yàn)樯只馂?zāi)。

陳海翔，E-mail:hxchen@ustc.edu.cn

1004-5309(2016)-00073-06

10.3969/j.issn.1004-5309.2016.02.03

X915.5

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