山火條件下的特高壓輸電線路擊穿概率模型研究與分析*

邵尤國, 李輝, 趙潔, 鄒建明, 周曉剛, 常強

(1.武漢大學 電氣工程學院,武漢 430072； 2.國家電網公司華中分部，武漢 430077；3.湖北華中電力科技開發有限責任公司，武漢 430077)

0 引 言

中國能源資源和電力負荷中心呈逆向分布，需依靠超/特高壓輸電線路進行遠距離、大容量跨區輸電[1]。依據“十三五”規劃，到2020年國家電網將建成“五縱五橫”特高壓交流骨干網架和27項特高壓直流輸電工程。由于輸電線路需經常跨越林區和秸稈類農作物，下方山火的發生將嚴重威脅到特高壓輸電線路的可靠運行[2]。2013年，1 000 kV特高壓交流線路總共跳閘三次，三次跳閘原因均為山火[3]。與雷擊所導致的放電擊穿不同，山火往往由于過火時間較長而導致線路重合閘不成功，造成輸電中斷。因而，評估山火條件下的特高壓線路擊穿風險，準確計算故障概率，對于特高壓輸電線路的可靠供電和穩定運行具有重要現實意義。

國內外針對山火導致的輸電線路擊穿故障風險已有較多研究。文獻[4]基于山火條件下的濕度校正和相對空氣密度，首先給出了閃絡電壓與氣隙溫度、濕度間的關系；文獻[5]基于木垛火的放電實驗，發展了木垛火條件下高溫對平均擊穿場強影響程度的計算公式。但對于野外山火條件，燃燒會產生較多的灰燼顆粒，會惡化氣隙絕緣，因而僅基于溫度因素的氣隙絕緣強度修正會給輸電線路擊穿概率帶來較大誤差。文獻[6-7]均研究了灰燼煙塵對氣隙絕緣強度的影響，指出灰燼煙塵引起的絕緣強度下降程度與其尺寸、重量密切相關；文獻[8]引入濃煙系數來表征灰燼煙塵引起的氣隙絕緣強度下降，但文獻中僅取最惡劣定值進行故障概率計算，與實際不符；文獻[9-11]基于溫度和灰燼濃煙因素，均建立了山火條件下的線路擊穿概率計算模型，可模擬擊穿概率隨溫度和煙濃度的變化情況，但不能體現山火高度對擊穿概率的影響。文獻[12]將棒-板氣隙分為火焰區和非火焰區，忽略非火焰區溫度和電導率因素影響，提出了更貼近實際的氣隙擊穿電壓修正公式，但僅作試驗分析驗證。可見，隨著對山火條件下輸電線路擊穿風險研究的深入，模型逐漸完善，但在實際山火環境下的研究尚有不足，且鮮有針對特高壓線路在山火條件下的分析研究。

在文獻[9,12]模型基礎上，綜合考慮了山火溫度和燃燒產生的碳化小顆粒、灰燼濃煙對輸電線路氣隙絕緣強度影響，并將山火高度作為氣隙擊穿電壓修正因素，建立了山火條件下的特高壓輸電線路擊穿概率計算模型，以典型雙回1 000 kV特高壓輸電線路為對象，仿真分析了特高壓相地擊穿概率隨溫度、煙濃度、山火高度變化規律，相間擊穿概率隨煙濃度變化規律，并對比分析了相同山火條件下的超、特高壓線路相地、相間擊穿概率。

1 山火條件下的特高壓線路擊穿概率模型

1.1 山火導致氣隙擊穿的影響因素及校正

山火蔓延至線路下方時，氣隙絕緣強度下降，可能導致線路間隙在正常工作電壓下的擊穿。造成氣隙絕緣強度下降主要是溫度上升引起的大氣壓強、密度和濕度變化，及燃燒產生的碳化小顆粒和灰燼[9]。

山火發生時，溫度能達到1 000 ℃左右[13]，從而引起空氣密度、濕度變化，影響電子碰撞電離和吸附，降低了電子崩和流注發展所要求的電場強度，使氣隙絕緣強度下降[12]。燃燒產生的碳化小顆粒和灰燼濃煙則提高了氣隙電導率、橋接部分氣隙并畸變氣隙電場，從而引起擊穿電壓的降低[2,13]。

針對由溫度升高引起的氣隙絕緣強度下降，引入大氣修正系數Kt：

Kt=KdKh

(1)

式中Kd為空氣密度修正系數；Kh為空氣濕度修正系數，且有：

(2)

式中δ為相對空氣密度；指數m、W和K取值參考相關國家標準[14-15]；p、p0分別為山火條件下和標準參考大氣條件下的氣壓；t、t0分別為山火條件下和標準參考大氣條件下的溫度。

針對燃燒產生的碳化小顆粒和灰燼濃煙引起的氣隙絕緣強度下降，引入顆粒校正因數KP[9]：

(3)

式中R為煙濃度；R=0%表示氣隙無雜質；R=100%表示濃煙充滿整個間隙。

1.2 氣隙擊穿電壓校正

山火條件下，可將線路氣隙分為火焰區和非火焰區,火焰區氣隙絕緣強度受溫度、碳化小顆粒和灰燼濃煙的共同作用，非火焰區則主要受灰燼濃煙影響[12]。因而，線路氣隙擊穿電壓可修正為：

(4)

式中第一項為火焰區氣隙擊穿電壓修正值；第二項為非火焰區氣隙擊穿電壓修正值；U、U0分別為山火條件下和標準大氣條件下的線路工頻擊穿電壓；h、H分別為山火高度和氣隙長度；Kp1、Kp2分別為火焰區和非火焰區的顆粒校正因數。

對于輸電線路的導線與地間氣隙，山火高度較低時，需綜合考慮火焰區和非火焰區；若山火包絡導線，只需考慮火焰區，氣隙擊穿電壓退化為：

U=KtKp1U0

(5)

對于導線與導線間的氣隙，只要山火不接近導線，即可認為氣隙全屬于非火焰區，氣隙擊穿電壓退化為：

U=Kp2U0

(6)

若山火接近甚至包絡導線，此時不可忽略溫度對相間氣隙絕緣強度的影響，氣隙擊穿電壓應按照式(5)修正。

1.3 山火條件下的線路擊穿概率模型

山火條件下，認為線路擊穿電壓符合正態分布[8-9]，擊穿概率密度可表述為：

(7)

式中U、μ分別為山火發生時線路電壓和50%工頻擊穿電壓；σ等于zμ；變異系數z取值介于2%～8%，山火條件下，可取為4%。則擊穿概率為：

(8)

2 擊穿概率模型求解流程

山火條件下的線路擊穿概率計算需依據山火信息和線路信息，以校正相地擊穿電壓(50%工頻擊穿電壓，下同)和相間擊穿電壓，最終依據式(8)計算擊穿概率。山火條件下的線路擊穿概率求解流程如圖1所示。

圖1 山火條件下的輸電線路擊穿概率求解流程

其中，山火信息包括山火溫度、火焰高度、煙濃度，線路信息包括實際運行電壓、線地距離和線間距離。

3 算例分析

以典型1 000 kV特高壓交流雙回輸電線路為分析對象。在線路檔距中央，線地距離為20.9 m，相間距離為19.4 m，可估算相地50%工頻擊穿電壓為6 720 kV，相間50%工頻擊穿電壓為5 820 kV。線路運行電壓為額定電壓，并取火焰區和非火焰區相同的顆粒校正因數，也即Kp1=Kp2。

3.1 山火條件下特高壓線路擊穿概率分析

圖2和圖3均是在特高壓線路在山火高度h=8 m下的擊穿概率仿真結果。

圖2 不同煙濃度下的相地擊穿概率隨溫度變化情況

圖3 不同溫度下的相地擊穿概率隨煙濃度變化情況

圖2為不同煙濃度下的相地擊穿概率隨溫度變化情況。可以看出，隨著溫度升高，擊穿概率呈現“S”型增長態勢：先貼近橫軸緩慢變化，達到一定溫度后快速增長，并在高溫下飽和，最終趨近1。且隨著煙濃度的增加，概率曲線左移，使同一溫度下的擊穿概率上升。

圖3為不同山火溫度下的相地擊穿概率隨煙濃度變化情況。可看出與圖2呈現類似的變化特性：擊穿概率隨煙濃度升高按照“S”型曲線增長并最終飽和，且隨溫度升高，曲線左移，增加了擊穿概率。

分析可知，擊穿概率隨溫度或煙濃度呈現“S”型增長是由于擊穿電壓呈現正態分布，溫度或煙濃度的上升相當于將正態分布曲線中的50%工頻擊穿電壓左移，從而使得輸電線路正常工作電壓下的相地擊穿概率先緩慢增長，且增長率隨著50%工頻擊穿電壓接近相額定電壓而上升，此后增長率下降，并最終趨近于0，呈現出“S”型增長規律。此外，圖2、圖3中概率曲線的左移分別是由煙濃度、溫度上升導致的氣隙絕緣強度下降，使得擊穿概率升高。

為探究山火高度對特高壓相地擊穿概率的影響，設置合適的火焰區溫度和氣隙煙濃度，得到相地擊穿概率隨山火高度的變化如圖4所示。

圖4 相地擊穿概率隨山火高度變化情況

可見，在t=600 ℃，R=40%設置條件下相地擊穿概率只在10 m～14 m山火高度范圍內變化明顯，亦呈現“S”型變化規律，若升高溫度或/和煙濃度，概率曲線左移。

分析可知，h增大，火焰區延長，溫度對氣隙絕緣強度的影響也就越大。結合式(4)可知，h的增大類比于溫度的升高，因而擊穿概率呈現出與圖2相似的變化規律。且在此基礎上的溫度、煙濃度提升均會進一步導致氣隙絕緣強度的下降，故曲線左移。

此外，依據相地擊穿概率隨山火高度變化情況，在特高壓輸電線路途徑山火防控區域時，通過控制植被高度，可將擊穿概率限制在明顯抬升前，從而有效保證特高壓線路山火情況下的運行可靠性。

由于特高壓線路離地距離很高，線路下方發生山火后火焰區遠不及導線高度，因而相間氣隙絕緣強度受溫度的影響可忽略不計，按照式(6)進行工頻擊穿電壓校正。圖5為山火條件下的特高壓線路相間擊穿概率隨煙濃度變化情況。

圖5 相間擊穿概率隨煙濃度變化情況

可見，相間擊穿概率隨煙濃度變化規律與相地擊穿類似，且當煙濃度達到30%時，相間擊穿概率開始明顯抬升，超過39%后非常趨近于1，從而導致相間擊穿。實際中，由于特高壓線路距地很高，灰燼顆粒、煙塵在上升過程中會逐漸擴散，因而濃度很難達到導致相間擊穿的程度。

3.2 山火條件下特、超高壓線路擊穿概率對比分析

500 kV超高壓算例參考國家環保標準中算例[16]。線地距離為12.19 m，相間距離為13.72 m，可估算相地50%工頻擊穿電壓為3 657 kV，相間50%工頻擊穿電壓為4 116 kV。線路運行電壓為額定電壓，并取Kp1=Kp2。

對比山火對超、特高壓輸電線路相地擊穿概率影響，設置相同的山火條件：山火高度h=6 m，煙濃度R=50%。其中，山火高度是考慮到500 kV線路要求最小線樹凈空距離為7 m[17]，則線下樹木最高約為5 m，因而設置較為嚴重的山火高度h=6 m。

圖6是超、特高壓線路的相地擊穿概率隨溫度變化情況。可看出，在設置的可能導致相地擊穿山火條件下，特高壓線路擊穿概率遠低于超高壓線路。在仿真溫度范圍內，超高壓線路最大擊穿概率超過0.8，而特高壓不足0.2。究其原因，主要是因為特高壓的非火焰區有14.90 m，而超高壓只有6.19 m，因而特高壓相地擊穿概率要遠低于超高壓。

圖6 超、特高壓線路相地擊穿概率隨溫度變化情況

還需說明的是，相同山火條件下，特高壓的煙濃度會低于超高壓，因而其擊穿概率會更低，如圖7中虛線所示。

圖7中實曲線是山火條件下的超、特高壓線路相間擊穿概率隨煙濃度變化情況。可見，特高壓相間擊穿概率在R=30%時便開始快速抬升，而超高壓則要達到R=45%，因而在相同煙濃度下特高壓相間更易發生擊穿。

圖7 超、特高壓線路相間擊穿概率隨煙濃度變化情況

由于灰燼顆粒、煙塵隨高度上升會逐漸擴散，同一山火條件下的特高壓煙濃度要低于超高壓。當特高壓相間煙濃度約為超高壓一半時，其相間擊穿概率如圖7中虛線所示，可見擊穿概率大大下降。

4 結束語

山火對特高壓電網可靠運行具有較大威脅，針對山火條件下的特高壓輸電線路擊穿風險評估可有效保證線路可靠、穩定運行。綜合考慮了山火溫度和燃燒產生的碳化小顆粒、灰燼濃煙對輸電線路氣隙絕緣強度影響，并將山火高度作為氣隙擊穿電壓修正因素，建立了山火條件下的特高壓輸電線路擊穿概率計算模型，通過仿真計算并與超高壓對比分析，得出以下結論：

(1)山火條件下，特高壓輸電線路相地擊穿概率隨溫度、煙濃度升高呈現“S”型增長態勢；相間擊穿概率隨煙濃度升高亦呈現“S”型增長態勢，且煙濃度需達到30%時擊穿概率才出現明顯抬升；

(2)山火高度對特高壓相地氣隙絕緣強度影響類似于溫度因素，使擊穿概率也呈現“S”型增長態勢。因而通過控制線路下方植被高度，將擊穿概率限制在明顯抬升前，可有效保證山火條件下的特高壓線路運行可靠性；

(3)相同山火條件下，特高壓相地氣隙的非火焰區長于超高壓，因而其相地擊穿概率遠低于超高壓，且由于灰燼顆粒、煙塵隨高度上升逐漸擴散，特高壓相地擊穿概率會更低；

(4)相同煙濃度下，特高壓比超高壓更易發生相間擊穿。但由于特高壓相間氣隙在相同山火條件下的煙濃度更低，其實際相間擊穿概率可能低于超高壓。