李唯佳，楊宇航，楊佳才，張星海，范松海，陳天翔

(1.成都理工大學(xué)核技術(shù)與自動(dòng)化工程學(xué)院，四川 成都 610059；2.重慶大學(xué)電氣工程學(xué)院，重慶 400044；3.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610041)

0 引 言

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，輸電線路鋪設(shè)逐漸密集[1-2]，當(dāng)輸電線路下方出現(xiàn)山火時(shí)，輸電線路的絕緣性能以及電力系統(tǒng)的安全性都會(huì)大幅降低，極大概率會(huì)造成輸電線路的跳閘[3-6]，從而影響相應(yīng)地區(qū)用電的安全性。國(guó)內(nèi)外對(duì)山火引發(fā)的輸電線路故障開展了大量研究，主要有山火條件下的輸電線路故障試驗(yàn)和各種火焰引發(fā)的間隙放電試驗(yàn)[7-15]。但由于山火引發(fā)輸電線路故障是一個(gè)復(fù)雜多變的過程，并且在現(xiàn)有技術(shù)條件下是不可控的，所以，到目前為止，國(guó)內(nèi)外搭建的模擬試驗(yàn)平臺(tái)考慮的影響因素都很少。目前對(duì)火焰影響輸電線路放電特性的研究尚不多見，在植被燃燒的過程中，火焰的溫度和形狀時(shí)時(shí)刻刻都在發(fā)生變化，其對(duì)間隙絕緣能力的影響容易在研究中忽略。吳田等人通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)間隙在火焰中的放電發(fā)展與火焰的電導(dǎo)率有關(guān)：在火焰電導(dǎo)率較低的條件下為流注放電模式，在高電導(dǎo)率條件下為電弧放電模式[16]。盧威在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)在火焰橋接的情況下，植被燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生劇烈發(fā)光、發(fā)熱的化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生大量的電子和離子，這些帶電粒子與火焰煙氣中浮動(dòng)的固體顆粒相結(jié)合促進(jìn)了流注到電弧發(fā)展的速度[17]。普子恒等人通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)顆粒對(duì)電場(chǎng)的畸變作用是煙霧灰塵對(duì)輸電線路絕緣的主要影響因素[18]。

下面通過對(duì)植被燃燒火災(zāi)引發(fā)35 kV輸電線路故障的過程進(jìn)行有效的模擬，分析火焰和煙霧在山火條件下對(duì)輸電線路絕緣的影響及信號(hào)特征。

1 試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)平臺(tái)搭建

在高電壓實(shí)驗(yàn)室搭建了山火條件下35 kV輸電線路故障模擬試驗(yàn)平臺(tái)，如圖1所示。該試驗(yàn)平臺(tái)采用了型號(hào)為S7-50/35、連接組別為Yyn0的電力變壓器以及型號(hào)為JDJJ2-35、變比為35 kV/0.1 kV、0.2級(jí)的電壓互感器；采用了型號(hào)為L(zhǎng)GJ-120、長(zhǎng)5.5 m的三相導(dǎo)線，通過在三相線路加裝并聯(lián)電容補(bǔ)償?shù)姆椒M線路長(zhǎng)度變化和電容電流變化。導(dǎo)線與燃燒物鐵桶距離為22 cm,燃燒物鐵桶接地，在鐵桶中放入木材和枯樹葉作為燃燒物。試驗(yàn)平臺(tái)模擬了兩種故障模型：

圖1 山火條件下線路故障模擬試驗(yàn)平臺(tái)

1)線路單相(A相)—空氣間隙(火焰或煙霧)—地；

2)線路A相—空氣間隙(火焰或煙霧)—線路B相。

這兩個(gè)模型分別模擬實(shí)際狀況下，山火引發(fā)線路對(duì)地放電和線路相間擊穿兩種情況。

1.2 試驗(yàn)步驟

山火條件下模擬試驗(yàn)分為4組模擬試驗(yàn)：1)煙霧橋接情況下線路對(duì)地單相絕緣試驗(yàn)；2)煙霧橋接情況下線路相間絕緣試驗(yàn)；3)火焰橋接情況下線路相間絕緣試驗(yàn)；4)火焰橋接情況下線路對(duì)地單相絕緣試驗(yàn)。

進(jìn)行煙霧橋接情況下線路對(duì)地單相絕緣狀況變化的模擬試驗(yàn)時(shí)，將燃燒桶放置在A相線路正下方，線路與燃燒桶上邊緣的距離為22 cm。將桶內(nèi)的木材和枯樹葉點(diǎn)燃，調(diào)節(jié)燃燒桶遮蓋鐵板的位置以控制與外界空氣的對(duì)流量，直至燃燒桶內(nèi)升起穩(wěn)定的濃煙。接通實(shí)驗(yàn)室三相電源，通過調(diào)壓器緩慢升壓，將輸電線路升至額定線電壓35 kV，通過攝像機(jī)和故障錄波裝置實(shí)時(shí)觀察并記錄線路煙霧橋接處的現(xiàn)象、煙霧濃度、對(duì)地泄漏電流、開口三角電壓和三相線路的相電壓。

煙霧橋接情況下線路對(duì)地單相絕緣試驗(yàn)結(jié)束后，將燃燒桶移至線路A相、B相之間正下方。兩相間距為38 cm，對(duì)地距離為22 cm。在確保煙霧濃度充足后，進(jìn)行模擬煙霧橋接情況下線路相間絕緣試驗(yàn)，如圖2所示。

圖2 煙霧試驗(yàn)

模擬火焰橋接情況時(shí)將遮蓋板去掉，將桶內(nèi)的木材和枯樹葉點(diǎn)燃，使桶內(nèi)產(chǎn)生火焰，火焰位于A相、B相線路之間，相間間距為38 cm，線路對(duì)地距離為22 cm。進(jìn)行火焰橋接情況下線路相間絕緣狀況的試驗(yàn)，如圖3所示。

圖3 火焰試驗(yàn)

接下來將燃燒桶放至A相線路正下方，進(jìn)行火焰橋接情況下線路對(duì)地單相放電的模擬試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)現(xiàn)象及分析

山火條件下的模擬試驗(yàn)分為4組試驗(yàn)，在每組試驗(yàn)過程中都使用故障錄波裝置和多臺(tái)錄像設(shè)備進(jìn)行記錄。正常情況下，電壓互感器二次側(cè)每相相電壓為57.74 V，開口三角電壓為0。

2.1 火焰單相導(dǎo)線試驗(yàn)

通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)火焰對(duì)A相線路進(jìn)行橋接時(shí)，A相線路與火焰橋接部分有明顯的放電現(xiàn)象，發(fā)出電暈放電的響聲。由于放電程度隨火焰的變化而不斷變化，火焰與線路橋接的部分不斷隨機(jī)性地有新的纖細(xì)的電弧生成和斷裂，如圖4所示。

圖4 火焰單相導(dǎo)線試驗(yàn)

2.2 煙霧單相導(dǎo)線試驗(yàn)

煙霧對(duì)A相線路進(jìn)行橋接，如圖5所示。通過觀察煙霧濃度和開口三角電壓發(fā)現(xiàn)，當(dāng)煙霧濃度在9.999‰以上時(shí)，開口三角電壓沒有變化；隨著濃度繼續(xù)升高，通過觀察錄波波形，A相互感器電壓在[57.8 V，58.4 V]區(qū)間內(nèi)波動(dòng)，與正常時(shí)相比沒有變化。

圖5 煙霧單相導(dǎo)線試驗(yàn)

2.3 火焰相間導(dǎo)線試驗(yàn)

火焰橋接A、B相之間的間隙，當(dāng)相間距離為38 cm時(shí)，沒有觀察到三相電壓及開口三角電壓明顯變化，也沒有觀察到放電現(xiàn)象。將相間距離縮短至19 cm進(jìn)行火焰相間導(dǎo)線試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)：有相間擊穿線路立即跳閘的現(xiàn)象；也有相間擊穿形成粗亮的電弧、橋接線路不跳閘現(xiàn)象，該電弧會(huì)在火焰熱空氣的作用下，上升形成向上拱的弧形，直至被拉斷，如圖6所示。

圖6 火焰相間導(dǎo)線試驗(yàn)

2.4 煙霧相間導(dǎo)線試驗(yàn)

煙霧橋接A、B相之間的間隙，相間距離為38 cm。通過觀察，當(dāng)煙霧濃度超過測(cè)試儀最大量程(9.999‰)時(shí)，三相電壓仍然處于平衡狀態(tài)，沒有放電現(xiàn)象，如圖7所示。

圖7 煙霧相間導(dǎo)線試驗(yàn)

3 山火條件下模擬試驗(yàn)分析

3.1 單相對(duì)地故障信號(hào)特征分析

當(dāng)煙霧橋接線路時(shí)，三相電壓仍然處于平衡狀態(tài)，輸電線路沒有發(fā)生故障；當(dāng)火焰橋接A相線路時(shí)，相當(dāng)于輸電線路單相高阻接地故障，A相電壓會(huì)隨間隙的溫度、氣壓、火焰橋接程度、火焰煙氣中顆粒濃度等眾多隨機(jī)因素的變化而變化。截取三相電壓及開口三角電壓的電壓波形，如圖8所示。從圖8(b)可觀察到，故障相A相的電壓幅值比B、C兩相的電壓幅值低，而從圖8(c)可觀察到故障相A相的電壓幅值比非故障相B相的電壓幅值高，故障相A相電壓并非最低電壓。

(a)煙霧單相對(duì)地故障試驗(yàn)電壓波形

在正常狀態(tài)時(shí)，A相電壓峰值經(jīng)互感器測(cè)量為81.6 V。電壓峰值從正常電壓過渡到較低的放電電壓，再從放電電壓過渡到正常電壓所需的時(shí)間稱之為電弧刷新時(shí)間。通過故障波形發(fā)現(xiàn)，煙霧條件下，A相電壓峰值為81.67 V，沒有電弧產(chǎn)生；火焰條件下，A相電壓峰值在[10 V，130 V]的區(qū)間內(nèi)變化, 電弧刷新時(shí)間在0.2～0.3 s范圍內(nèi)。

通過圖8比較分析，火焰條件下相電壓的變化范圍比煙霧條件下變化范圍大，這是由于火焰溫度比煙霧高，導(dǎo)致火焰中的帶電粒子的不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)比煙霧中顆粒的熱運(yùn)動(dòng)更劇烈，使火焰中放電粒子形成的放電通道具有較大的隨機(jī)性，造成火焰條件下電壓變化范圍大。并且正是因?yàn)榛鹧嬷辛Ｗ訜徇\(yùn)動(dòng)劇烈，火焰中放電通道組建和斷裂的頻率快，所以火焰條件下電弧的刷新時(shí)間很短。

3.2 相間煙霧火焰故障信號(hào)特征分析

煙霧橋接A、B相線路時(shí)，即使煙霧濃度已經(jīng)超過測(cè)量?jī)x最大量程(9.999‰)，三相電壓波形仍然呈現(xiàn)出高度平衡的狀態(tài)，如圖9所示。經(jīng)過分析，對(duì)于所產(chǎn)生的煙霧濃度而言，煙霧中的顆粒雖然會(huì)使導(dǎo)線周圍的電場(chǎng)發(fā)生畸變[19]，但35 kV電壓等級(jí)下的相間距離過大，不足以使相間擊穿放電。

圖9 煙霧橋接相間時(shí)各電壓波形

用火焰橋接A、B相線路時(shí)，為得到明顯的現(xiàn)象，將相間距離縮短為19 cm。經(jīng)過多次試驗(yàn)，現(xiàn)象分為兩種：1)線路立即跳閘，電弧還未拉長(zhǎng)就已經(jīng)熄滅；2)A、B相擊穿形成粗亮的電弧橋接間隙、并隨著火焰的熱氣流上升形成向上拱的弧形，直至被拉斷，又接著會(huì)在下方形成新的電弧，一直循環(huán)此過程，如圖10所示。

對(duì)線路出現(xiàn)立即跳閘現(xiàn)象的故障波形(如圖11所示)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)跳閘瞬間A、B相電壓波形重合，造成相間短路故障，并且觀察到A、B兩相之間出現(xiàn)極短暫的弧光，導(dǎo)致系統(tǒng)中產(chǎn)生較大的電流，使保護(hù)動(dòng)作。圖11(a)和圖11(b)分別為截取的兩個(gè)時(shí)間段波形。

(a)

對(duì)未跳閘并且產(chǎn)生明顯電弧現(xiàn)象的兩組故障相波形(如圖12所示)進(jìn)行分析。圖12(a)和圖12(b)分別為截取的兩個(gè)時(shí)間段波形。

在相間放電擊穿后，A、B相間貫穿粗亮的電弧造成相間短路，整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成相間高阻短路故障。兩相間隙中產(chǎn)生了溫度極高的粗亮電弧，由于電弧是一束游離的氣體，質(zhì)量極輕，容易變形，在下方火焰熱空氣的作用下，電弧迅速向上移動(dòng)，從而形成向上拱的形狀。與線路跳閘A、B兩相電壓重合的情況不同，此過程中A、B兩相存在電壓差和相位差，放電通道被拉長(zhǎng)，通道阻抗增大，系統(tǒng)不會(huì)有很大的電流，所以不會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室三相電源保護(hù)跳閘。

A、B相之間的電弧屬于交流電弧，當(dāng)放電通道被拉長(zhǎng)至一定阻抗時(shí)，介質(zhì)的恢復(fù)強(qiáng)度大于電壓的恢復(fù)強(qiáng)度，交流電弧在此放電通道上熄滅，而原放電通道下方區(qū)域滿足間隙擊穿條件，從而形成新的電弧，循環(huán)往復(fù)，將此過程命名為斷弧重連，如圖12所示。通過圖像可以看出，故障后當(dāng)B相電壓幅值有增大趨勢(shì)時(shí)，經(jīng)過6～9個(gè)周期，為0.12～0.18 s，產(chǎn)生斷弧重連現(xiàn)象。

(a)

4 結(jié) 論

上面搭建了山火條件下線路擊穿模擬試驗(yàn)平臺(tái)，模擬了煙霧、火焰單相導(dǎo)線試驗(yàn)以及煙霧、火焰相間導(dǎo)線試驗(yàn)，得到了以下結(jié)論：

1)模擬煙霧條件下單相和相間導(dǎo)線故障試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)煙霧濃度為9.999‰時(shí)，開口三角電壓和故障相互感器電壓都沒有明顯變化。因此，煙霧對(duì)輸電線路絕緣性能的影響很小。

2)模擬火焰單相導(dǎo)線試驗(yàn)時(shí)，由于放電程度隨火焰的變化而不斷變化，火焰與線路橋接的部分不斷隨機(jī)性地有新的纖細(xì)的電弧生成和斷裂，電弧刷新時(shí)間很短?；鹧媾c輸電線路之間產(chǎn)生電弧會(huì)降低導(dǎo)線附近空氣絕緣程度，導(dǎo)致出現(xiàn)單相高阻抗接地故障。

3)模擬火焰相間導(dǎo)線試驗(yàn)時(shí)，出現(xiàn)了相間阻抗短路故障，生成的相間交流電弧會(huì)在火焰熱空氣的作用下向上抬升直至拉斷，又在下方生成新的放電通道，再被不斷抬升拉斷，以此循環(huán)。經(jīng)測(cè)量，此狀態(tài)下交流電弧產(chǎn)生和拉斷時(shí)間間隔為0.12～0.18 s。因此火焰在相間距離較短的情況下，會(huì)使兩相導(dǎo)線出現(xiàn)相間短路故障的現(xiàn)象，導(dǎo)致導(dǎo)線相間絕緣性能下降。

4)當(dāng)輸電線路出現(xiàn)單相接地故障時(shí)，故障相電壓幅值并非一直最低，健全相電壓幅值會(huì)出現(xiàn)最低電壓的現(xiàn)象。