500kv輸電線路山火撞擊特性分析

500kv輸電線路山火撞擊特性分析

0由山火引發(fā)的跳閘事故由于中國能源分布結(jié)構(gòu)和經(jīng)濟發(fā)展水平的不平衡，我們需要利用長距離輸電線從輸出中心轉(zhuǎn)移能源。許多線路通過茂密的森林和山區(qū)，人為或閃電事故等山間火災(zāi)，威脅到這些地區(qū)能源線路的絕緣安全和運行可靠性。近年來,隨著線路的運行管理水平提高,常見的雷擊、鳥害、污閃、樹竹放電及外力破壞等事故基本上得到了遏制,線路狀況大有改觀。但隨著植樹造林、退耕還林以及封山育林等保護措施的出臺,線路走廊附近植被密度和高度明顯增加,另外隨著清明節(jié)祭祖習(xí)俗的興盛以及各種極端天氣等因素,導(dǎo)致以前線路上較為罕見的山火跳閘事故開始急劇攀升。2008年末的雪災(zāi)和2010年初的旱災(zāi),直接導(dǎo)致2009年到2010年期間,云南省和貴州省等地輸電線路因山火跳閘事故頻繁發(fā)生,嚴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,1000kV特高壓示范工程長南I線31—33號桿塔之間發(fā)生山火,導(dǎo)致C相故障跳閘。國外如巴西、南非和墨西哥等國不同電壓等級的輸電線路也因火發(fā)生過多起跳閘事故[6,7,8,9,10,11,12,13,14]?，F(xiàn)有統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明,山火可能導(dǎo)致不同電壓等級的輸電線路發(fā)生跳閘事故。輸電線路因山火引起跳閘,并且重合閘常常不成功而導(dǎo)致線路停運。國外對輸電線路因山火導(dǎo)致跳閘的特性進行了大量的試驗研究,得出山火導(dǎo)致線路絕緣強度下降的原因有:1)火焰高溫使空氣密度下降,從而導(dǎo)致絕緣水平下降;2)火焰中電荷導(dǎo)致導(dǎo)線附近的電場發(fā)生畸變;3)顆粒的觸發(fā)放電。山火是一種高溫、含有不同粒徑固體和液體顆粒的多相弱等離子體,其放電機制比一般氣體放電復(fù)雜,而以往研究偏重于山火特性的某一方面對絕緣特性的影響,沒有綜合考慮3種因素對放電發(fā)展和絕緣性能的影響;另外以往試驗火源分散性較大,不利于量化分析與對比研究不同因素對放電發(fā)展的影響。本文采用木垛火作為火源,研究間隙在火焰溫度、電導(dǎo)率和飛灰與煙霧等因素下的放電特性,結(jié)合輸電線路在山火條件下?lián)舸┑囊曨l錄像資料,分析輸電線路在山火條件下的擊穿特性和機制,為輸電線路走廊附近的植被管理、線路的優(yōu)化設(shè)計和線路防范山火提供依據(jù),從而提高線路的可靠性,并確保電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。1高壓靜電場及線路擊穿試驗輸電線路因山火擊穿涉及到火焰溫度、火焰電導(dǎo)率和灰燼對放電發(fā)展的影響。2011年2月24日,某500kV輸電線路因山火發(fā)生跳閘事故,現(xiàn)場人員采用攝像機等設(shè)備記錄了整個過程,如圖1所示。輸電線路在山火條件下的擊穿及重合閘失敗的過程可劃分為以下4個階段:1)火焰抬升階段。山火沿著山坡向山頂發(fā)展,在迎著火焰?zhèn)鞑シ较虻娘L(fēng)力作用下,山火的空氣夾入比增加,導(dǎo)致火焰燃燒強度增強、火焰高度增大和大量煙霧及灰燼被火焰對流和漩渦卷入相地和相間間隙。2)導(dǎo)線對火焰產(chǎn)生預(yù)放電階段。由于燃料為活體樹木,含有大量水分,因而很大一部分未燃成分以揮發(fā)油、炭黑以及煙霧的形式包含在火焰體中。在燃燒條件一定的情況下,這些成分離開火焰區(qū)后就成為常見的黑煙。當(dāng)火焰接近高壓導(dǎo)線時,電暈流注放電產(chǎn)生大量的活性基(如氧原子),能夠加快燃料的燃燒化學(xué)反應(yīng)速率。火焰中的氣體可燃物以及炭黑等粉塵在活性基的作用下充分燃燒形成直徑50~70m的爆炸性火球(如圖1所示),火球也能夠促進放電的進一步發(fā)展。3)電弧形成階段。在電場和磁場作用下,火焰化學(xué)電離和熱游離產(chǎn)生的電荷和導(dǎo)線附近以及顆粒觸發(fā)流注放電產(chǎn)生的電荷逐漸聚集到放電通道形成電弧,之后,線路則發(fā)生對地短路事故并跳閘。4)線路重合閘階段。山火擊穿一般發(fā)生在火強接近最大時,而當(dāng)線路跳閘后,山火強度并沒有明顯減弱。因此,在重合閘過程中產(chǎn)生的操作過電壓明顯高于線路工作電壓,有可能造成導(dǎo)線對火焰放電,在工作電壓下仍可能發(fā)生擊穿,產(chǎn)生明顯火球,隨后形成對地短路故障,導(dǎo)致重合閘失敗。線路下方的山火持續(xù)一段時間是山火重合閘失效的重要原因。根據(jù)故障后對現(xiàn)場導(dǎo)線對地高度等參數(shù)的統(tǒng)計可知,從導(dǎo)線上放電痕跡點到地面投影的距離為16.7m,若擊穿時線路電壓Ul為550kV,則在山火條件下,輸電線路的擊穿水平為19kV/m,遠小于J.R.Fonseca和R.Lanoie根據(jù)甘蔗秸稈火和木材火試驗得到的35kV/m耐受電壓水平和33kV/m的擊穿電壓。顯然輸電線路在山火條件下,由火焰溫度、電導(dǎo)率、煙霧與灰燼等因素的綜合作用將導(dǎo)致線路間隙的絕緣強度劇烈下降而發(fā)生跳閘故障。山火模擬試驗過程中難以模擬事故現(xiàn)場的惡劣條件,因此間隙在試驗火源條件下的擊穿電壓要高于事故現(xiàn)場的數(shù)據(jù)。但通過參數(shù)可控的試驗,研究火焰對間隙絕緣性能的影響,對明確輸電線路在山火條件下的擊穿機制具有重要意義。2棒-板之間的焊接特性2.1木垛的暴露面積與火焰的熱釋放率1.在火災(zāi)科學(xué)領(lǐng)域,木垛以其簡單、對稱、不封閉以及可重復(fù)性等特點,常作為一種穩(wěn)定火源用于研究火的發(fā)展及蔓延規(guī)律。對于正方形木垛,木方高寬均為b,按照等距b進行排列,如圖2所示。對于N層,每層n個木方的木垛,暴露面積A與b、n之間的關(guān)系為對于高為a、寬為b的木方組成的長方形木垛,暴露面積A與a、b和n之間的關(guān)系為本文試驗中采用5層木垛,木垛每層4個木方,木方尺寸為2cm×3cm×21cm。根據(jù)式(2)得出該木垛的暴露面積為0.3036m2?；鹧娴臒後尫怕蔋r與木垛的曝露面積A有如下關(guān)系:式中C和k均為常數(shù)。由式(3)可知,在燃料特性一定的條件下,木垛的火焰熱釋放速率與暴露面積之間具有良好的線性關(guān)系。2.2間隙由水平垂直流場分布特性所決定的試驗設(shè)計棒–板間隙在火焰條件下?lián)舸┨匦缘脑囼炑b置如圖3所示,該裝置由電源系統(tǒng)、山火模擬系統(tǒng)和棒–板電極組成。棒–板之間的距離為H,電源采用250kV工頻電壓發(fā)生器,擊穿電壓測量采用300kV電容分壓器和具有峰值保持功能的Fluke萬用表。試驗中采用棒–板電極和木垛火等標(biāo)準(zhǔn)火源,結(jié)合間隙在空氣中的擊穿電壓,對比研究山火的電導(dǎo)率、溫度和灰燼等對間隙絕緣特性的影響。為了研究火焰中電子和離子對間隙絕緣性能的影響,采用絕緣電阻表對火焰絕緣電阻進行測量,如圖4所示。當(dāng)火焰燃燒穩(wěn)定后,在距離地面高度22cm處分別測量木垛火焰的絕緣電阻,同時采用熱電偶對火焰溫度進行測量。在進行間隙被火焰包絡(luò)擊穿特性試驗時,施加電壓的方法類似于絕緣子冰閃試驗的升壓法,即先均勻升壓至電極附近出現(xiàn)藍色電暈或聽見明顯的“吱吱”局部放電聲時,停止升壓,此時耐受1min,若沒有發(fā)生擊穿,則點升電壓,直至擊穿。試驗中應(yīng)避免在升壓過程中發(fā)生擊穿帶來的誤差。木垛引燃采用95%的醫(yī)用酒精,利用噴壺把酒精均勻噴灑在木垛上,使木垛能全面燃燒,減小每次試驗過程中火焰熱釋放率波動對火焰溫度和高度等參數(shù)的影響。3試驗結(jié)果3.1火焰電阻率的計算當(dāng)火焰完全包絡(luò)電極時,絕緣電阻最低,當(dāng)火焰包絡(luò)部分間隙時,絕緣電阻明顯增加。在向木垛火焰中添加KCl后,絕緣電阻如圖5所示,最小值為0.2MΩ。而往木垛中添加杉樹的樹葉后,火焰的絕緣電阻降低,最小值為0.23MΩ。因此植被含有的無機鹽對火焰中帶電粒子的生成有重要貢獻?；鹧骐娮杪实挠嬎闳缦?式中:R為絕緣電阻,MΩ;S為電極面積,m2。根據(jù)式(4)的估算,火焰電阻率為9.09kΩ?m。由于木垛較小,采用熱電偶測量的火焰溫度在650℃左右。隨著火焰溫度升高,化學(xué)反應(yīng)和金屬離子的熱游離反應(yīng)增強,火焰電導(dǎo)率會進一步增加。而在50%間隙被火焰橋接的條件下,測得的絕緣電阻均值為237MΩ,遠大于間隙被火焰完全橋接時的絕緣電阻。由于火焰中的電荷主要來源于化學(xué)反應(yīng)和堿金屬鹽以及堿土金屬鹽的熱游離,但在火焰不穩(wěn)定區(qū)域,由于溫度降低等因素,帶電粒子明顯減少,根據(jù)測量數(shù)據(jù)估算,在50%間隙被火焰橋接時,帶電粒子濃度約為100%間隙被火焰橋接時的0.1%。3.2高壓電極的充放電局部放電植被在燃燒過程中除了產(chǎn)生明顯煙霧,還產(chǎn)生大量飛灰,特別是松樹和杉樹含有大量針狀樹葉,燃燒過程中更容易產(chǎn)生大量針狀的灰燼。灰燼在火焰熱對流產(chǎn)生的浮力作用下飛向高壓電極,這些顆粒形成明顯的鏈狀,如圖6所示。圖6中,針狀顆粒幾乎垂直于地面飛向火焰上方的棒電極,多個顆粒之間形成斷續(xù)的顆粒鏈。若顆粒之間的間距足夠小,在接近高壓電極的過程中,顆粒與高壓電極和顆粒之間產(chǎn)生局部放電,形成的電弧導(dǎo)致一部分間隙被短接,如圖6(d)所示,局部放電如圖6(e)所示。試驗過程中,每當(dāng)顆粒接近電極的過程中都會在電極附近引起明顯的局部放電,放電電流波形如圖7所示,并產(chǎn)生可聽的電暈噪聲,說明顆粒觸發(fā)放電,這和美國電科院的試驗觀察以及HaraM進行的顆粒觸發(fā)預(yù)放電試驗相吻合。3.3內(nèi)燃劑的擊穿強度在相同木垛火焰條件下,隨著棒–板間隙距離增大,火焰中工頻擊穿電壓有明顯上翹的趨勢,如圖8所示,在36、41.5和47.5cm條件下的擊穿強度分別為0.87、0.89和0.92kV/cm。40cm空氣間隙的擊穿強度為3.80kV/cm,間隙在火焰中的絕緣強度下降到純空氣中的23%。3.4半火焰作用下木垛火的燃燒特性擊穿電壓僅反映了間隙在火焰中的絕緣特性,并沒有給出火焰中電弧的發(fā)展特性及放電對火焰燃燒特性的影響。圖9為棒–板間隙放電在火焰中的發(fā)展過程圖。在間隙距離為36cm,當(dāng)施加電場達到21kV左右時,火焰開始穩(wěn)定燃燒,如圖9(a)所示;繼續(xù)升高電壓,在電壓達到28.3kV時,由顆粒觸發(fā)對火焰放電并產(chǎn)生電弧,如圖9(b);當(dāng)電弧貫穿火焰后,在電弧作用下,火焰燃燒強度增強,火焰體變細,這和現(xiàn)場事故的圖像(圖1)中電弧在火焰中的特性相似。另外,電弧在火焰熱力作用下向間隙上方游動,如圖10(b)所示。在火焰和電弧的相互作用下,明顯抬升了火焰的高度。在電弧作用下,木垛火的燃燒特性有以下幾個方面的明顯變化:1)木垛火的燃燒強度明顯增加;2)火焰高度增大,試驗中高度最大增加到無電弧條件下的2倍左右;3)火焰體半徑明顯減小,從圖9(c)—(f)可以看出火焰體的半徑減小,尤其以圖9(f)最為明顯。由于電場對火焰的離子風(fēng)效應(yīng),火焰體在接近電極的過程中出現(xiàn)明顯的擴散(圖9(e))或聚集在電極附近(圖9(f))的現(xiàn)象。在純空氣中的擊穿過程,電弧具有明顯的分支特性,如圖10(a)所示,而在半火焰中,電弧集聚成單個弧道,并且在熱力的作用下向間隙上方飄動,如圖10(b)所示?？諝庵械碾娀≈饕獮樗{色,而火焰中的電弧,由于植被中無機鹽的焰色反應(yīng)而呈金白色(1400℃),向上方漂移的電弧則呈金黃色(1300℃),說明電弧明顯增加了火焰的溫度,從而促進木垛火的燃燒。4通過山體火法分析輸電線的斷裂機制4.1試驗結(jié)論與討論植被火焰產(chǎn)生的高溫會對電子崩和流注放電發(fā)展產(chǎn)生影響。電離常數(shù)α與電場強度E和電子平均自由程有關(guān):式中:λ為電子平均自由程;k為玻爾茲曼常數(shù);T為氣體溫度;r為原子或分子半徑;p為大氣壓力?？芍S著火焰溫度升高,電子平均自由程增大。在山火條件下,火焰中的壓強近似與周圍大氣壓相等?；鹧嬷锌諝獾南鄬γ芏葹槭街?δ為相對空氣密度;P和P0分別為試驗大氣壓和標(biāo)準(zhǔn)大氣壓;T和T0分別為試驗溫度和標(biāo)準(zhǔn)條件下的溫度。火焰產(chǎn)生高溫的條件下,火焰中氣體的密度隨溫度升高而明顯降低,在電場強度與氣體分子數(shù)的比值保持恒定的條件下,由于氣體密度n減小,電子崩和流注發(fā)展所需要的外加電場強度降低。通過對高溫氣體放電的試驗研究,均勻電場中流注發(fā)展所需要的場強隨溫度增加而降低,UhmHS基于第一電離常數(shù)α和碰撞電離截面等參數(shù),推導(dǎo)出火焰中的平均擊穿場強與火焰溫度成反比的關(guān)系。而Allen試驗得出隨溫度升高,流注發(fā)展需要的場強按照相對空氣密度δ的1.5次冪變化,在本文試驗中,對40cm棒–板間隙,火焰中的擊穿電壓按照相對空氣密度δ的1.29次冪變化,因此可知火焰溫度對放電的發(fā)展具有明顯影響。植被火焰溫度在火焰中軸線的垂直方向上,隨距離地面高度的增加而降低,Weber給出了火羽溫度隨高度變化的表達式:式中:K、zd和zp分別為經(jīng)驗常數(shù)、燃料高度相關(guān)參數(shù)和與火焰高度相關(guān)常數(shù);T∞為火焰附近空氣的溫度;Tfl為在火焰在高度zd處的火焰溫度。在火焰垂直方向上,隨著距離地面高度的增加,火焰溫度降低,間隙的平均絕緣強度增加,對于固定火源,隨著間隙距離增大,棒–板間隙在火焰中的擊穿電壓出現(xiàn)上翹趨勢,該試驗結(jié)論和分析與Lanoie和Robledo-Martinez的試驗結(jié)果相一致。隨著間隙距離增大和火焰上方相對低溫區(qū)域增大,間隙的絕緣強度增加,因此提升輸電線路對地高度可以在一定程度上提高輸電線路在山火條件下的絕緣強度,從而降低因山火跳閘的概率。但是從降低火焰高度的措施出發(fā),控制線路附近植被高度和密度能更有效地提高輸電線路在山火條件下的絕緣強度。另外火焰溫度對火焰電導(dǎo)率也有明顯影響,火焰溫度越高,電導(dǎo)率越高。4.2空間電荷對放電發(fā)展的影響火焰電導(dǎo)率是火焰因燃料燃燒的化學(xué)離解和堿土金屬元素?zé)嵊坞x作用產(chǎn)生電荷量的宏觀表現(xiàn)。長間隙在大氣體中放電機制為流注放電,電子碰撞電離及空間光電離是維持自持放電的主要因素,并且空間電荷畸變電場對放電的發(fā)展具有重要作用。Mphale采用微波法測量得到溫度為730~1000K的林火的電子密度為0.32~3.21×1016m-3,火焰中帶電粒子對放電的影響類似于流注放電過程中產(chǎn)生的空間電荷。Sukhnandan通過計算認為火焰電導(dǎo)率會增強導(dǎo)線表面的電場畸變,但這只是火焰中電荷對放電產(chǎn)生影響的一個方面,這些空間電荷對放電發(fā)展的影響主要體現(xiàn)在以下幾個方面:1)在外電場和擴散作用下,導(dǎo)致灰燼等顆粒荷電,增強顆粒附近電場畸變;2)在放電過程中,一方面提供大量初始電子,另外一方面大量電荷注入放電通道,促進流注放電發(fā)展;3)增強導(dǎo)線附近電場,使得導(dǎo)線電暈起始電壓降低。向木垛火焰中添加KCl后,間隙絕緣強度明顯下降,表明火焰電導(dǎo)率增加能夠促進放電的發(fā)展,導(dǎo)致間隙絕緣強度下降。輸電線路因山火跳閘事故的現(xiàn)場統(tǒng)計表明,引發(fā)輸電線路因山火跳閘的林木主要為松樹和杉樹等。這些植被中揮發(fā)油成分和無機鹽含量較高,容易燃燒引發(fā)山火,更重要的是這些植被的枝葉中含有大量無機鹽,在山火高溫下能顯著增加火焰中的帶電粒子,導(dǎo)致間隙絕緣強度下降。4.3顆粒對放電的影響灰燼是植被燃燒過程中生成的尺寸較大顆粒,主要為針狀。當(dāng)這些顆粒平行于電場方向進入強電場區(qū)域時,顆粒兩端的電場發(fā)生明顯畸變,如果電場強度超過火焰中氣體的臨界擊穿電場強度,就會觸發(fā)放電,使得顆粒與高壓電極間以及顆粒之間的間隙被擊穿。甘蔗灰燼的電阻率為10MΩ?m,山火燃燒產(chǎn)生的灰燼特性也類似,且其電阻率隨溫度和含水量等因素的增加而減小,因此火焰中的灰燼可以認為是導(dǎo)體,相對介電常數(shù)近似為無窮大。由于灰燼形狀變化比較大,為了簡化分析,利用球形顆粒和橢球性顆粒來分析灰燼等顆粒對電場的畸變,在均勻電場E0(即無顆粒時的電場)中,在球形顆粒電極表面感應(yīng)的最大電場Emax為對于橢球性顆粒,在顆粒附近感應(yīng)的最大電場Emax為式中:ε1為顆粒的介電常數(shù);ε2為介質(zhì)的介電常數(shù);a1為橢球的長軸;a2為橢球的短軸。當(dāng)間隙中混入導(dǎo)電性顆粒時,球形顆粒附近的電場最大畸變?yōu)樵瓉淼?倍,而橢球性顆粒附近電場畸變程度隨顆粒長度增加和短軸長度減小而增大,因此當(dāng)火焰中的顆粒為針形時更容易觸發(fā)放電。根據(jù)上文分析以及式(8)、(9)可知,顆粒對放電發(fā)展的影響主要體現(xiàn)在如下幾個方面:1)當(dāng)顆粒進入電場中,顆粒附近的電場發(fā)生畸變,導(dǎo)致電暈起始電壓降低;2)在外加電場很低的情況下,顆粒產(chǎn)生電暈放電向間隙中注入大量電荷;3)電暈放電產(chǎn)生的電荷以及山火中電荷使顆粒荷電,并進一步畸變顆粒附近的電場;4)由于顆粒起始