特高壓直流輸電線路極間搭接塑料薄膜的放電模擬試驗

王勝輝，王璽銘，董興浩，周軍

(1. 華北電力大學(xué) 新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室，北京 102206；2. 中國電力科學(xué)研究院有限公司，北京 100192)

0 引言

架空輸電線路距離較長，線路走廊周圍環(huán)境復(fù)雜[1-3]，塑料大棚覆蓋膜等飄揚性異物在強(qiáng)對流天氣有可能被吹起并搭接導(dǎo)線[4-6]，由于飄揚物表面粘有沙塵等污穢物，在高濕或降雨條件下，其表面電導(dǎo)率將急劇增大[7]，大大降低了沿面絕緣強(qiáng)度，嚴(yán)重時可造成閃絡(luò)事故[8-11]。據(jù)統(tǒng)計，2011—2013年國家電網(wǎng)有限公司輸電線路因塑料大棚覆蓋膜和塑料袋等飄揚性異物引起的故障占比為25.33%[12]。特別是國內(nèi)某±800 kV特高壓直流線路發(fā)生的雙極閉鎖事故更是引起了現(xiàn)場工作人員對這類事故的重視，該線路故障跳閘后，進(jìn)行了3次再啟動，均未成功。經(jīng)巡視檢查發(fā)現(xiàn)是由于塑料薄膜搭接了線路兩極，在下雨條件下發(fā)生了極間放電。

針對塑料薄膜引起的架空輸電線路故障，文獻(xiàn)[13]用搖表測量了塑料薄膜的絕緣電阻，發(fā)現(xiàn)塑料薄膜的絕緣電阻值受濕度、灰塵等因素的影響，特別是在表面充分受潮情況下，將趨向于導(dǎo)電體。文獻(xiàn)[14]對輸電線路搭接塑料薄膜等異物的處理方法進(jìn)行研究，研究指出地電位帶電作業(yè)處理塑料薄膜搭接故障時適用性強(qiáng)且效率較高。文獻(xiàn)[15]對塑料薄膜進(jìn)行了耐壓線性等效測試，獲得了塑料薄膜的閃絡(luò)特性。文獻(xiàn)[16]分析了110 kV及以上輸電線路運行情況，提出了針對塑料薄膜等飄揚物纏繞及懸掛導(dǎo)線的反事故措施。文獻(xiàn)[17]針對高壓輸電線路上各種可燃飄揚異物的清理問題，研制了一種無人機(jī)高壓輸電線路異物清除裝置，采用燃燒的方法清除異物。文獻(xiàn)[18-19]利用圖像處理技術(shù)中的特征識別法與機(jī)器視覺技術(shù)進(jìn)行異物識別與跟蹤，能夠提升異物清除效率。文獻(xiàn)[20-21]結(jié)合特高壓輸電線路基本情況與運維等難點，對新型激光除異物技術(shù)特點與應(yīng)用進(jìn)行深入分析。文獻(xiàn)[22]采用多旋翼無人機(jī)搭載大功率的激光模組對輸電線路異物進(jìn)行清除，提高了電力系統(tǒng)供電可靠性和工作人員作業(yè)安全水平。

由上述研究現(xiàn)狀可知，目前相關(guān)文獻(xiàn)多集中于對塑料薄膜的清除方法上，對于直流架空輸電線路上搭接塑料薄膜后的放電過程和平均電位梯度還缺乏深入研究?；诖?，本文以國內(nèi)某±800 kV線路因塑料薄膜引起的極間閃絡(luò)事故為背景，在分析塑料薄膜表面等值鹽密的基礎(chǔ)上，研究了塑料薄膜在干燥和淋雨、平鋪與卷起狀態(tài)下的放電現(xiàn)象，分析了短間隙（距離分別為1.0 m、2.0 m）和長間隙（距離為11.5 m）時的閃絡(luò)電壓變化特性，并計算了平均閃絡(luò)電位梯度。對±800 kV輸電線路發(fā)生閃絡(luò)故障后，多次重啟動失敗的原因進(jìn)行了分析。本文研究結(jié)論對于指導(dǎo)現(xiàn)場薄膜類異物清除和解釋工程中的閃絡(luò)事故可提供一定的試驗依據(jù)。

1 短間隙模擬試驗研究

1.1 試驗布置和被試品

本文首先在試驗室模擬研究了短間隙塑料薄膜搭接輸電線路情況，試驗布置示意如圖1所示。

圖1 塑料薄膜搭接輸電線路試驗示意Fig. 1 Schematic diagram of test with plastic film overlapping on transmission lines

相關(guān)試驗在中國電力科學(xué)研究院特高壓試驗基地完成，在圖1中，采用2根長度為4.5 m，直徑為3.5 cm的不銹鋼管來模擬直流輸電導(dǎo)線的兩極，其中的1根鋼管連接負(fù)極性直流高壓，另1根鋼管接地，2根鋼管采用4支110 kV的復(fù)合支柱絕緣子進(jìn)行支撐。試驗中的塑料薄膜均為造成上述±800 kV線路閃絡(luò)現(xiàn)場的大棚塑料薄膜，將其裁剪成合適的形狀后，分別以平鋪和卷起2種方式布置在模擬導(dǎo)線上開展相關(guān)研究。

為觀測其放電過程，采用了FASTCAM SA5高速攝像機(jī)采集閃絡(luò)過程，采集速度設(shè)置為1×104f/s，即相鄰的2幀圖像的時間間隔為0.1 ms，同時利用佳能G15數(shù)碼相機(jī)拍攝其放電。

1.2 試驗步驟和方法

在圖1中，首先將塑料薄膜平鋪搭接在模擬導(dǎo)線上，先施加負(fù)極性直流高壓進(jìn)行干燥狀態(tài)下的耐受測試；然后使用純凈水對塑料薄膜上下表面進(jìn)行噴水處理，測量其絕緣電阻后，將間隙距離分別設(shè)置為1.0 m，2.0 m，施加負(fù)極性直流高壓進(jìn)行塑料薄膜受潮情況下的閃絡(luò)試驗。

完成上述試驗后，將塑料薄膜卷起后搭接在模擬導(dǎo)線上，同樣使用純凈水對塑料薄膜上下表面進(jìn)行噴水處理，在間隙距離分別設(shè)置為1.0 m，2.0 m時，施加負(fù)極性直流高壓開展相關(guān)試驗。

鑒于放電具有一定的分散性，因此在同一條件下，本文開展了多次閃絡(luò)試驗。但試驗發(fā)現(xiàn)完成一次閃絡(luò)后，表面部分區(qū)域會形成干區(qū)并伴隨水分滴落，因此在完成一次閃絡(luò)試驗后，重新補噴水后再進(jìn)行后續(xù)試驗。

2 短間隙試驗結(jié)果及分析

2.1 塑料薄膜表面鹽密測量

論文對±800 kV閃絡(luò)事故現(xiàn)場收集的大棚塑料薄膜進(jìn)行表面鹽密測量。隨機(jī)選取上、中、下3個區(qū)域，分別測量所選區(qū)域的等值鹽密。每個區(qū)域的塑料薄膜尺寸為1 m×1 m。測量得到3個區(qū)域的電導(dǎo)率如表1所示。

表1 塑料薄膜電導(dǎo)率Table 1 Electrical conductivity of plastic film

表2 塑料薄膜等值鹽密Table 2 Equivalent salt density of plastic film

塑料薄膜的平均鹽密取3個區(qū)域的鹽密測量數(shù)據(jù)的平均值，即 0.005 7 mg/cm2。

2.2 干燥塑料薄膜平鋪試驗結(jié)果及分析

試驗時模型導(dǎo)線的間距為1.0 m，塑料薄膜寬度為1.5 m，平鋪在鋼管上。試驗前，兆歐表測試其電阻接近無窮大。然后施加200 kV負(fù)極性直流電壓，維持2 min。期間聽到持續(xù)的電暈放電聲，但未見明顯的電火花。

基于上述試驗結(jié)果可知，在干燥情況下，每米塑料薄膜至少可以耐受200 kV直流電壓，根據(jù)現(xiàn)場兩極之間的極間距為22.9 m，若采用線性外推，其承受電壓可以達(dá)到4 580 kV，遠(yuǎn)高于現(xiàn)場1 600 kV的極間電壓，也即干燥塑料薄膜不會引起極間閃絡(luò)。

2.3 潮濕塑料薄膜試驗結(jié)果及分析

2.3.1 塑料薄膜平鋪時的放電現(xiàn)象

使用純凈水對塑料薄膜上下表面進(jìn)行噴水處理，用水量325 mL，搖表法測得電阻為3.5 MΩ。施加負(fù)極性直流電壓進(jìn)行試驗。試驗發(fā)現(xiàn)，不同塑料薄膜表面的放電現(xiàn)象具有相似性，大致可將其分為：電暈放電、局部小電弧、大電弧爬電和最后閃絡(luò)4個階段。

以1 m間距為例，測試過程中，電壓達(dá)到約20 kV時，開始可聽到電暈放電聲音，但肉眼不易觀測到放電點。隨著電壓繼續(xù)增加，伴隨持續(xù)的電火花放電，在模擬導(dǎo)線附近的區(qū)域形成多條放電通道，放電通道不斷消失，同時又有新的放電通道產(chǎn)生，如圖2 a）所示，由于受到放電通道燒蝕，塑料薄膜表面會產(chǎn)生高溫?zé)熿F，并在這些區(qū)域形成局部干區(qū)。隨著電壓進(jìn)一步增加，當(dāng)電壓達(dá)到約80 kV時，靠近模擬導(dǎo)線區(qū)域的局部電弧長度會明顯增加，放電更加劇烈，照片如圖2 b）所示。隨著電壓進(jìn)一步增加，電弧由2根模擬導(dǎo)線處向中間發(fā)展，若電壓不是足夠高，可形成明顯的電弧爬電現(xiàn)象。當(dāng)電壓增加到約120 kV后，兩端電弧長度急劇增加，發(fā)生沿面閃絡(luò)，形成貫穿整個間隙的電弧通道。閃絡(luò)瞬間照片如圖2 c）所示。試驗結(jié)束后，塑料薄膜表面有明顯的燒蝕痕跡，如圖2 d）所示。閃絡(luò)后加壓裝置跳閘，可觀測到靠近模擬導(dǎo)線部分，塑料薄膜表面局部區(qū)域被電弧燒蝕留下多個孔洞痕跡。

圖2 塑料薄膜平鋪試驗典型放電圖像Fig. 2 Typical discharge image of plastic film in spreading out state

2.3.2 潮濕塑料薄膜卷起時的放電現(xiàn)象

將塑料薄膜搭接在模擬導(dǎo)線上，同樣，使用純凈水對塑料薄膜表面進(jìn)行噴水處理，用水量295 mL，然后將上述塑料薄膜卷起后進(jìn)行加壓試驗。同樣可將其閃絡(luò)過程劃分為4個階段，但其放電現(xiàn)象與平鋪時有所差異。

當(dāng)電壓達(dá)到約15 kV左右時，可聽到“吱吱”的電暈放電聲音。隨著電壓進(jìn)一步增加，在塑料薄膜內(nèi)部形成許多點狀放電小電弧，小電弧燒蝕塑料薄膜，可見塑料薄膜內(nèi)部的黃色發(fā)光區(qū)域，如圖3 a）所示。隨著電壓進(jìn)一步增加，放電通道在塑料薄膜內(nèi)部不斷消失，又不斷形成新的放電通道和新的燒蝕區(qū)域，整體上靠近模擬導(dǎo)線高壓側(cè)區(qū)域的電弧放電強(qiáng)度較高，并可導(dǎo)致塑料薄膜燃燒，如圖3 b）所示。隨著電壓進(jìn)一步增加，內(nèi)部的放電區(qū)域明顯增加，導(dǎo)電通道由模擬導(dǎo)線向塑料薄膜中部發(fā)展，不斷與塑料薄膜內(nèi)部的局部放電通道匯合，最終導(dǎo)致整個間隙閃絡(luò)。閃絡(luò)瞬間放電通道的高速攝像圖片如圖3 c）、圖3 d）所示。

圖3 塑料薄膜卷起試驗典型放電圖像Fig. 3 Typical discharge image of plastic film in rolling up state

綜上所述，模擬導(dǎo)線附近的場強(qiáng)較高，因此放電從模擬導(dǎo)線處起始和發(fā)展，隨著電壓增加，放電電弧通道呈現(xiàn)由模擬導(dǎo)線向塑料薄膜中部發(fā)展的趨勢，當(dāng)電弧長度達(dá)到一定值后，最終發(fā)生整個間隙沿面閃絡(luò)。對比分析可知，塑料薄膜卷起后，其放電主要集中在卷起的塑料薄膜內(nèi)部形成和發(fā)展。

2.3.3 持續(xù)加壓下閃絡(luò)特性

將鋼管間距調(diào)整為1 m，分別進(jìn)行受潮塑料薄膜平鋪和卷起2種情況下的閃絡(luò)試驗，每種情況下測試5組閃絡(luò)電壓，間隙為1 m時塑料薄膜平鋪與卷起時的閃絡(luò)電壓如圖4所示。

圖4 間隙為1 m時的閃絡(luò)電壓值Fig. 4 Flashover voltage when the gap distance is 1 m

閃絡(luò)電壓取5次試驗的平均值，可得塑料薄膜平鋪時的閃絡(luò)電壓為121.8 kV；塑料薄膜卷起時的閃絡(luò)電壓為95.9 kV。

由試驗結(jié)果可得，在1 m的間隙距離下，潮濕塑料薄膜平鋪時的間隙閃絡(luò)電位梯度約為1.22 kV/cm，潮濕塑料薄膜卷起時的間隙閃絡(luò)電位梯度約為0.96 kV/cm，也即在卷起的情況下閃絡(luò)電位梯度會更低。

將鋼管間距調(diào)整為2 m。分別進(jìn)行受潮塑料薄膜平鋪和卷起2種情況下的閃絡(luò)試驗，同樣每種情況下測試5組閃絡(luò)電壓，間隙為2 m時塑料薄膜平鋪與卷起時的閃絡(luò)電壓如圖5所示。

圖5 間隙為2 m時的閃絡(luò)電壓值Fig. 5 Flashover voltage when the gap distance is 2 m

5次受潮塑料薄膜平鋪情況下的閃絡(luò)電壓平均值為164.0 kV。5次受潮塑料薄膜卷起情況下的閃絡(luò)電壓平均值為139.3 kV，塑料薄膜卷起時更容易發(fā)生閃絡(luò)。

由試驗結(jié)果可得，在2 m的間隙距離下，塑料薄膜平鋪時的間隙閃絡(luò)電位梯度約為0.82 kV/cm，塑料薄膜卷起時的間隙閃絡(luò)電位梯度約為0.70 kV/cm。相比平鋪的塑料薄膜形態(tài)，卷起的塑料薄膜形態(tài)更容易導(dǎo)致沿面閃絡(luò)。

3 長間隙模擬試驗研究

對比1 m和2 m間隙距離下試驗數(shù)據(jù)可知，間隙距離和閃絡(luò)電壓之間并沒有表現(xiàn)出正比例關(guān)系。由小間隙的模擬試驗外推得到的結(jié)論并不能準(zhǔn)確反映實際的故障情況。因此，本文還開展了大間隙下塑料薄膜短接間隙閃絡(luò)試驗，相關(guān)試驗在中國電力科學(xué)研究院特高壓試驗基地人工氣候室內(nèi)進(jìn)行。

試驗所用塑料薄膜長度為15 m，寬度為5 m，為現(xiàn)場取回并造成上述特高壓線路閃絡(luò)的塑料薄膜。試驗前，先將塑料薄膜平鋪于地面，采用純凈水用噴霧器對塑料薄膜進(jìn)行噴水處理。將受潮后的塑料薄膜卷起，搭在2支柱絕緣子之間，支柱絕緣子的距離為11.5 m（約為現(xiàn)場極間距離為22.9 m的1/2），塑料薄膜的一端與特高壓直流高壓源連接，另一端接地。對高壓電極施加負(fù)極性直流電壓，持續(xù)升壓至800 kV，加壓過程中利用高速攝影儀和紅外成像儀拍攝其放電和發(fā)熱現(xiàn)象。

加壓過程中，高壓電極與塑料薄膜中部之間的區(qū)域首先出現(xiàn)火花放電通道，放電通道的位置更替頻率較快。數(shù)秒之后，高壓電極附近的塑料薄膜發(fā)生較劇烈的電弧放電，引燃塑料薄膜。隨后，高壓電極附近的塑料薄膜發(fā)生部分?jǐn)嗔?，但沒有完全脫落。塑料薄膜部分?jǐn)嗔阎?，放電通道顯著減少，甚至出現(xiàn)觀察不到放電通道的時刻。隨著電壓繼續(xù)升高，當(dāng)電壓達(dá)到640.0 kV，會突然形成由2個電極往前迅速延伸的電弧，并立即發(fā)展為貫穿整個間隙的閃絡(luò)。閃絡(luò)前一刻的照片如圖6所示。

圖6 閃絡(luò)前一刻放電圖像Fig. 6 Discharge image at the moment before flashover

分析圖6可知，間隙距離增加后，高壓電極的放電強(qiáng)度高于接地電極。電弧通道沿塑料薄膜的下部輪廓發(fā)展，其原因可能是：塑料薄膜內(nèi)部的水滴由于重力作用，匯聚在塑料薄膜下部，而水滴密集區(qū)域的絕緣強(qiáng)度較低。試驗發(fā)現(xiàn)，間隙閃絡(luò)后，即使高壓電源跳閘，高壓電極附近的塑料薄膜仍然會繼續(xù)燃燒，燃燒雖然不劇烈，但不會自然熄滅，塑料薄膜脫落后現(xiàn)場照片如圖7 a）所示，采取滅火措施的過程中，高壓電極附近的塑料薄膜燒斷并從支柱絕緣子完全脫落，斷裂處灼燒痕跡嚴(yán)重，塑料薄膜變形嚴(yán)重，具體如圖7 b）、圖 7 c）所示。

圖7 塑料薄膜脫落后現(xiàn)場照片F(xiàn)ig. 7 Site photo with the plastic film falling off

由上述試驗結(jié)果可知，閃絡(luò)瞬間的劇烈放電不足以導(dǎo)致塑料薄膜完全馬上燒斷，放電結(jié)束后，塑料薄膜仍會繼續(xù)燃燒，且不易自然熄滅。最終塑料薄膜可能出現(xiàn)斷口，與導(dǎo)線分離，甚至完全落地。

間隙距離為11.5 m時，潮濕塑料薄膜的閃絡(luò)電壓為640.0 kV，閃絡(luò)電位梯度為0.56 kV/cm。受潮塑料薄膜卷起并短接間隙條件下，平均閃絡(luò)電位梯度與間隙距離之間的關(guān)系如圖8所示。

圖8 平均閃絡(luò)電位梯度隨間隙距離變化Fig. 8 Variation of average flashover potential gradient with gap distance

分析圖8可知，隨著間隙距離的增加，其平均閃絡(luò)電位梯度呈下降趨勢，采用短間隙的數(shù)據(jù)來推測長間隙的放電特性有一定的誤差。

4 某特高壓線路故障重啟動失敗原因分析

上述±800 kV直流特高壓線路故障跳閘后，進(jìn)行了3次再啟動，均未成功。針對這一問題，本文分析了實驗室高速攝像圖片，高速攝像機(jī)拍攝到的電弧燃燒典型照片如圖9所示。

圖9 a）為高速相機(jī)拍攝的電弧熄滅瞬間，通過對幾組錄像的分析，從間隙發(fā)生閃絡(luò)的瞬間到圖9 b）所示的狀態(tài)，耗時約為100 ms。從間隙發(fā)生閃絡(luò)到圖9 c）所示電弧基本熄滅的狀態(tài)，耗時約為160 ms。結(jié)合試驗數(shù)據(jù)，對于現(xiàn)場3次重啟均不成功的原因，本文分析是以下幾個方面所形成。

圖9 去游離過程中的典型照片F(xiàn)ig. 9 Typical photos for dissociation process

首先，分析錄波數(shù)據(jù)可知，保護(hù)動作后150 ms第1次全壓重啟，系統(tǒng)電壓升至421 kV時，保護(hù)動作，短路電流為 7.78 kA；200 ms后第 2次全壓重啟，系統(tǒng)電壓升至191 kV時，保護(hù)動作，短路電流為 3.13 kA；200 ms后第 3次降壓重啟仍然重啟失敗。試驗中的電弧基本熄滅時間約為160 ms，該值雖然小于現(xiàn)場直流線路的重啟動時間200 ms，但受到試驗條件的限制，試驗中電弧短路時的電弧電流僅為幾十安培，遠(yuǎn)小于現(xiàn)場短路時的電流值，在現(xiàn)場大電流下仍然可能存在去游離時間不充分的情況，重啟電壓增加到一定值后可導(dǎo)致電弧重燃。

另外，模擬試驗中間隙距離為11.5 m塑料薄膜部分?jǐn)嗔押蟮募t外圖像如圖10所示。

由于塑料薄膜表面存在水分，分析圖10可知塑料薄膜表面的溫度仍然較低，最高溫度區(qū)位于高壓側(cè)，紅外測溫為85.2 ℃。可見，塑料薄膜的短時放電后并不會導(dǎo)致塑料薄膜本體溫度的大幅上升，同時表面的水分也有一定的阻燃和散熱效果，因此塑料薄膜的燃燒并不是特別劇烈，在閃絡(luò)發(fā)生的數(shù)分鐘后，高壓電極附近的塑料薄膜才完全燒斷而脫離支柱絕緣子。

圖10 塑料薄膜閃絡(luò)后的紅外圖像Fig. 10 Infrared image of plastic film discharge process

現(xiàn)場實際線路塑料薄膜短接時的電流雖然遠(yuǎn)大于試驗時模擬試驗電流，但電弧燃燒時間仍然很短，而塑料薄膜燃燒速度較慢，根據(jù)試驗結(jié)論，推測第一次閃絡(luò)時也并未被立即燒斷，短路跳閘后潮濕塑料薄膜繼續(xù)短接間隙，導(dǎo)致3次重啟不成功。

綜上所述，第一次閃絡(luò)發(fā)生后，塑料薄膜并沒有完全脫離線路，仍處于潮濕狀態(tài)，另外電弧的去游離并不充分，在上述2種因素的作用下，塑料薄膜的閃絡(luò)電壓仍低于線路正常運行極間電壓，導(dǎo)致3次重啟動失敗。現(xiàn)場勘察發(fā)現(xiàn)，地面有不連續(xù)灼燒的潮濕塑料薄膜，與本文試驗故障復(fù)原觀測到的現(xiàn)象相吻合。

5 結(jié)論

通過對特高壓直流輸電線路極間搭接塑料薄膜進(jìn)行放電模擬試驗研究，可以得出以下結(jié)論。

（1）表面濕潤狀態(tài)下，當(dāng)間隙距離為1.0 m和2.0 m時，塑料薄膜平鋪與卷起時的間隙閃絡(luò)電位梯度分別為1.22 kV/cm和0.96 kV/cm、0.82 kV/cm 和 0.7 kV/cm；當(dāng)間隙距離為 11.5 m時，潮濕塑料薄膜的閃絡(luò)電位梯度為0.56 kV/cm，塑料薄膜卷起相比平鋪更容易發(fā)生閃絡(luò)。

（2）研究結(jié)果表明，即使在表面噴淋純水的情況下，塑料薄膜搭接特高壓直流輸電線路也會發(fā)生閃絡(luò)，而實際中雨水的電導(dǎo)率比純水更高，在額定工作電壓下更容易發(fā)生沿面閃絡(luò)。

（3）現(xiàn)場±800 kV線路閃絡(luò)發(fā)生后，塑料薄膜并沒有完全脫離線路且仍處于潮濕狀態(tài)，電弧的去游離時間約為160 ms，現(xiàn)場短路大電流下可能出現(xiàn)去游離不充分，在上述2種因素的作用下，塑料薄膜的閃絡(luò)電壓遠(yuǎn)低于線路正常運行極間電壓，導(dǎo)致3次重啟失敗。