山火煙霧對10～35 kV輸電線路絕緣影響試驗(yàn)研究

楊弄潮，楊博聞，楊淳嵐，張星海，范松海，陳天翔

(1.成都理工大學(xué)核技術(shù)與自動化工程學(xué)院，四川 成都 610059；2.國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610041)

0 引 言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界每年森林大火次數(shù)高達(dá)20萬余次[1]，對高壓輸電線路安全運(yùn)行造成了極大的威脅。國內(nèi)外在進(jìn)行山火煙霧試驗(yàn)平臺搭建的時候，采用的方法大多相同，并且在選用燃燒物方面基本上都是甘蔗、木材、樹枝或其他易燃物品。因?yàn)椴煌瑖业貐^(qū)所種植的樹木不同，故應(yīng)采用最接近實(shí)際情況的植被進(jìn)行研究。國內(nèi)外研究表明，煙霧會對空氣絕緣特性造成影響[1-17]。國外對煙霧對輸電線路空氣絕緣特性的影響進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：1)發(fā)現(xiàn)煙霧中針狀顆粒物對線路之間空氣絕緣特性造成的影響最大，最高可使其絕緣特性降低90%[2]；2)當(dāng)山火發(fā)生，在其中引入煙霧會使空氣絕緣特性下降20%左右[3]；3)擊穿電壓隨著顆粒長度的增長而下降，認(rèn)為顆粒能起到短接線路間隙的作用[4]；4)空中帶電粒子會影響輸電線路電場環(huán)境，并且地面合成電場會因?yàn)闊熿F濃度的增大而增大[4]。國內(nèi)對煙霧對輸電線路之間空氣絕緣特性的影響也進(jìn)行了研究分析：1)煙霧會引起線路周圍電場的畸變，當(dāng)煙霧濃度不斷增大的時候，更容易引起觸發(fā)放電[5-7]；2)森林起火前，產(chǎn)生煙霧的時候會引入不同介電常數(shù)的電導(dǎo)率顆粒物，其絕緣性必定會受影響[8-12]；3)在產(chǎn)生煙霧的時候，帶電粒子也會增多，當(dāng)帶電粒子漂浮在導(dǎo)線附近的時候，帶電粒子放電產(chǎn)生顆粒鏈[13-16]，會造成線路間空氣絕緣特性的下降[17-18]。

下面通過搭建10～35 kV試驗(yàn)平臺，采用四川省森林地區(qū)常見的樹葉，模擬在單相導(dǎo)線下方以及輸電線路相間產(chǎn)生山火煙霧，通過測量各相電壓、開口三角電壓變化曲線和對地泄漏電流的變化，探究山火煙霧以及煙霧濃度、溫度等對10～35 kV輸電線路單相對地以及相間絕緣的影響。

1 試驗(yàn)方案

模擬山火煙霧產(chǎn)生在A相導(dǎo)線下方以及輸電線路A、B相間，探究山火煙霧對A相以及A、B相間絕緣的影響，試驗(yàn)接線如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)接線

試驗(yàn)平臺由型號為S7-50/35的Yyn0電力變壓器、變比為35/0.1的0.2級35 kV電壓互感器以及長5.5 m、型號為LGJ-120的三相導(dǎo)線組成[19-20]。線路兩相間距為1 m，相對地間距為1.5 m[21]。

為便于觀測煙霧濃度的情況，在導(dǎo)線上方1 m處安置了一臺煙霧傳感器觀察煙霧濃度，通過調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)室排風(fēng)扇投切控制煙霧濃度，利用鉗形電流表對泄漏電流進(jìn)行測量，采用故障錄波裝置采集三相電壓以及開口三角電壓波形以觀察煙霧濃度引起的各相電壓變化。

2 試驗(yàn)現(xiàn)象及分析

試驗(yàn)?zāi)M了山火煙霧不同濃度對單相以及相間的影響。試驗(yàn)觀察了各相電壓變化以及泄漏電流的變化。各相電壓隨煙霧濃度變化曲線如圖2所示。煙霧橋接單相時的開口三角電壓，簡稱單相煙霧開口三角電壓；煙霧橋接兩相之間的開口三角電壓，簡稱相間煙霧開口三角電壓。試驗(yàn)相電壓均為20.2 kV。

圖2 各相電位隨煙霧濃度變化曲線

單相煙霧試驗(yàn)時開口三角電壓隨煙霧濃度變化曲線如圖3所示，A相對地泄漏電流的變化曲線如圖4所示，單相煙霧試驗(yàn)時故障錄波波形如圖5所示。

圖3 單相開口三角電壓變化曲線

圖4 單相煙霧試驗(yàn)泄漏電流變化曲線

圖5 單相煙霧試驗(yàn)時故障錄波波形

相間煙霧試驗(yàn)時，開口三角電壓隨煙霧濃度變化曲線如圖6所示，單相對地泄漏電流隨煙霧濃度變化曲線如圖7所示，相間煙霧試驗(yàn)時故障錄波波形如圖8所示。

圖6 相間煙霧開口三角電壓變化曲線

圖7 相間煙霧試驗(yàn)，泄漏電流變化曲線

據(jù)圖2—圖8可知，隨著煙霧濃度的增大，線路的三相電壓變化并不明顯，單相和相間煙霧試驗(yàn)的開口三角電壓曲線波動很小。盡管泄漏電流會產(chǎn)生變化，但變化幅度很小，最高僅為0.08 mA。故可認(rèn)為煙霧的單獨(dú)作用并不會使35 kV線路的絕緣特性下降。

圖8 相間煙霧試驗(yàn)時故障錄波波形

3 山火煙霧對10 kV輸電線路絕緣影響試驗(yàn)

為了進(jìn)一步證明煙霧對輸電線路的影響，在10 kV輸電線路進(jìn)行了極端煙霧濃度下對輸電線路的影響試驗(yàn)。搭建的10 kV試驗(yàn)平臺如圖9所示，平臺由SY11-400/10的YNyn0電力變壓器、變比為10/0.1的電壓互感器、型號為LGJ-120的三相輸電導(dǎo)線、6組10 kV電容器開關(guān)組等組成。通過控制不同電容器組的投切，模擬線路對地電容電流值，可調(diào)整電容電流最小級差為1 A，可模擬最大單相接地電容電流值為60 A。電壓互感器接在模擬線路的末端，測量模擬線路的相電壓和開口三角電壓值。在煙霧生成裝置底部接入鉗形電流表測量對地泄漏電流。

圖9 10 kV試驗(yàn)平臺

經(jīng)查閱，涼山、甘孜發(fā)生森林大火時，周圍最多的樹木是松樹。山火煙霧多是由周圍濕潤的落葉生成的，且部分區(qū)域輸電線路周圍有工業(yè)生產(chǎn)所產(chǎn)生的煙霧，故選用松木、樹葉模擬山火煙霧，用焦炭模擬部分工業(yè)煙霧。所設(shè)計(jì)試驗(yàn)基于最大煙霧濃度的情況下，采用松木、樹葉、焦炭3種不同燃燒物，分別探究不同燃燒物對輸電線路的影響。圖10—圖12分別對應(yīng)樹葉、松木、焦炭所產(chǎn)生的煙霧對三相電壓、泄漏電流的故障錄波波形，其中藍(lán)色曲線代表泄漏電流。

圖10 樹葉煙霧對空氣絕緣特性的影響

圖11 松木煙霧對空氣絕緣特性的影響

圖12 焦炭煙霧對空氣絕緣特性的影響

觀察相電壓和對地泄漏電流的變化，在10 kV輸電線路下，初步得出結(jié)論：3種不同燃燒物產(chǎn)生的煙霧對線路的相電壓和對地泄漏電流造成的影響很小，對10 kV線路絕緣的影響也很小。

4 結(jié) 論

1)上面主要對山火前期產(chǎn)生的煙霧對10～35 kV輸電線路絕緣影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究，通過觀察煙霧情況下對地泄漏電流的變化，發(fā)現(xiàn)煙霧在濃度高的情況下會引起細(xì)微的泄漏電流變化。

2)在10 kV輸電線路中，通過對比觀察3種不同燃燒物煙霧在濃度超出9.999‰情況下三相電壓和泄漏電流波形的變化，發(fā)現(xiàn)對10 kV輸電線路，不同燃燒物煙霧對泄漏電流的波動影響極小，即不同物質(zhì)的煙霧對空氣絕緣的影響微小。

3)國內(nèi)外山火煙霧試驗(yàn)還做得不夠多，對山火煙霧導(dǎo)致輸電線路跳閘機(jī)理還處于初級認(rèn)識階段，對于預(yù)防山火煙霧導(dǎo)致輸電線路跳閘的安全措施方面還存在不足，目前還沒有研究給出精確的煙霧濃度、溫度、火焰和電場之間的耦合關(guān)系。在后續(xù)的研究中應(yīng)該考慮三者的共同作用，還需要更精細(xì)化的山火試驗(yàn)?zāi)M平臺。