山火對(duì)空氣間隙絕緣擊穿特性影響試驗(yàn)研究

劉 磊，楊宇航，徐會(huì)凱，張星海，吳 馳，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)四川省電力公司力科學(xué)研究院，四川 成都 610041)

0 引 言

線路走廊緊張是中國(guó)輸電網(wǎng)發(fā)展過(guò)程中的突出問(wèn)題[1-4]，長(zhǎng)距離輸電線路不可避免經(jīng)過(guò)植被茂密的山林火災(zāi)易發(fā)生區(qū)[5]。山火發(fā)生時(shí)，植被猛烈燃燒，劇烈的氧化還原反應(yīng)導(dǎo)致周圍眾多環(huán)境因素發(fā)生翻天覆地的變化。火焰的高溫燃燒會(huì)產(chǎn)生眾多的帶電粒子和煙塵顆粒等，這些因素容易導(dǎo)致輸電線路絕緣強(qiáng)度迅速下降，從而引發(fā)線路跳閘事故[6-8]。

已有不少文獻(xiàn)針對(duì)火焰條件下間隙的擊穿特性開(kāi)展了相關(guān)試驗(yàn)研究[9-12]，但由于山火引發(fā)輸電線路故障過(guò)程復(fù)雜多變，所搭建的模擬試驗(yàn)平臺(tái)考慮的影響因素較少，也缺少對(duì)流注起始到先導(dǎo)擊穿這一整個(gè)放電過(guò)程的監(jiān)測(cè)，同時(shí)忽略了變化的火焰狀態(tài)對(duì)間隙絕緣能力的影響[9-10]。為了更精確地分析森林火災(zāi)引發(fā)輸電線路故障機(jī)理，下面通過(guò)建立模擬試驗(yàn)平臺(tái)，探究比較了煙霧、溫度、火焰對(duì)間隙絕緣強(qiáng)度的影響，為山火引發(fā)輸電線路跳閘事故的研究提供參考。

1 試驗(yàn)平臺(tái)搭建

1.1 試驗(yàn)布置

山火發(fā)生時(shí)，濃煙、高溫、火焰、火焰高度等都是導(dǎo)致線路對(duì)地或相間絕緣能力降低的主要原因[7，10-12]，為了進(jìn)一步探究和比較這些因素對(duì)絕緣性能的影響程度，設(shè)計(jì)了“棒-棒”電極間隙放電模型，研究了火焰、溫度和煙霧對(duì)間隙絕緣特性影響程度，試驗(yàn)平臺(tái)如圖1所示。

圖1 “棒-棒”電極間隙放電模擬試驗(yàn)平臺(tái)

試驗(yàn)設(shè)備主要由50 kV/15 kVA工頻試驗(yàn)變壓器、保護(hù)電阻、無(wú)線控制升降臺(tái)、紅外測(cè)溫儀以及“棒-棒”電極組成。其中“棒-棒”電極放電模型構(gòu)成部分包括一個(gè)多面打孔鐵箱、一對(duì)高壓穿墻套管、一對(duì)電極板，如圖2所示。穿墻套管為橢圓柱形，鑲嵌固定于鐵箱兩側(cè)。兩極板穿過(guò)兩穿墻套管，在套管內(nèi)進(jìn)行固定，構(gòu)成間隙距離為3 cm的“棒-棒”間隙模型。3 cm距離為35 kV輸電線路樹線放電的臨界距離。3 cm“棒-棒”間隙可以在一定程度上模擬輸電線路樹線不均勻電場(chǎng)。

圖2 “棒-棒”電極間隙放電模型箱

為了研究溫度和空氣對(duì)流擴(kuò)散對(duì)間隙擊穿電壓的影響，鐵箱底面設(shè)置成開(kāi)合結(jié)構(gòu)，可控制鐵箱為半密閉或密閉狀態(tài)。鐵箱前側(cè)設(shè)有小型觀察孔，主要用于觀測(cè)間隙擊穿現(xiàn)象和安裝煙霧傳感器。

1.2 試驗(yàn)方法與步驟

間隙條件下模擬試驗(yàn)分為：間隙條件下模擬預(yù)實(shí)驗(yàn)、果炭升溫試驗(yàn)、間隙煙霧試驗(yàn)、酒精火焰橋接試驗(yàn)。

1)搭建試驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)備的調(diào)試和連接，并準(zhǔn)備好相應(yīng)燃燒物品。將鐵箱內(nèi)“棒-棒”電極間隙距離固定在3 cm，測(cè)量實(shí)驗(yàn)室內(nèi)溫度、濕度、氣壓后，進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)。

2)引燃已經(jīng)堆疊好的無(wú)煙果碳，放置在鐵箱下部，將鐵箱內(nèi)部空氣溫度升至最高溫度200 ℃。試驗(yàn)期間沒(méi)有煙霧、火焰的干擾，通過(guò)控制升降臺(tái)改變果碳與箱體底部之間距離來(lái)改變箱體內(nèi)氣隙溫度，從而得到空氣間隙溫度這一單一因素變化時(shí)不同溫度對(duì)應(yīng)的間隙擊穿電壓。

3)待鐵箱冷卻至室溫后，進(jìn)行間隙煙霧試驗(yàn)。試驗(yàn)煙霧由枯木樹葉不完全燃燒產(chǎn)生，試驗(yàn)過(guò)程中，應(yīng)確?？菽緲淙~處于不完全燃燒狀態(tài)，禁止火焰橋接間隙。試驗(yàn)進(jìn)行時(shí)，通過(guò)觀察孔上安裝的煙霧傳感器測(cè)量煙霧濃度，同時(shí)測(cè)量特定煙霧濃度范圍內(nèi)不同氣隙溫度對(duì)應(yīng)的擊穿電壓。

4)進(jìn)行酒精火焰擊穿電壓試驗(yàn)，測(cè)量間隙與酒精火焰在未橋接、臨界橋接和完全橋接等火焰高度寬度不一樣的情況下，不同溫度所對(duì)應(yīng)的擊穿電壓。每組試驗(yàn)都通過(guò)紅外測(cè)溫儀測(cè)量并記錄“棒-棒”電極間隙的平均溫度。

試驗(yàn)結(jié)束后，整理所記錄的數(shù)據(jù)，按照步驟1至步驟4重復(fù)3次試驗(yàn)，并記錄數(shù)據(jù)。

2 試驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 溫度對(duì)間隙擊穿電壓影響

為減小空氣對(duì)流擴(kuò)散對(duì)試驗(yàn)的影響，控制參數(shù)單一變化，需將鐵箱設(shè)置成密閉或半密閉狀態(tài)。在密閉狀態(tài)下，鐵箱底部關(guān)閉，火焰噴槍從觀察孔對(duì)箱體加熱，使箱體成密閉狀態(tài)。在半密閉狀態(tài)下，鐵箱底部打開(kāi)，火焰噴槍從箱體底部加熱。由于觀察孔開(kāi)口較小，試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)鐵箱內(nèi)氣隙溫度變化影響較小，鐵箱可視為密閉或半密閉狀態(tài)，如圖3所示。測(cè)量記錄不同溫度對(duì)應(yīng)的擊穿電壓。

圖3 密閉和半密閉狀態(tài)下加熱試驗(yàn)

將密閉狀態(tài)和半密閉狀態(tài)下?lián)舸╇妷弘S溫度變化的試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制成曲線，如圖4所示。在密閉狀態(tài)下的間隙擊穿電壓比同溫度半密閉狀態(tài)下的間隙擊穿電壓低。這是由于密閉環(huán)境中，上一次間隙擊穿所產(chǎn)生的帶電電荷不容易擴(kuò)散，導(dǎo)致下一次擊穿更容易發(fā)生，使擊穿電壓下降。由于密閉空間內(nèi)空氣間隙更易擊穿，為了排除這一因素對(duì)試驗(yàn)的影響，在之后的試驗(yàn)中應(yīng)選擇半密閉狀態(tài)進(jìn)行試驗(yàn)。

圖4 密閉和半密閉條件下?lián)舸╇妷弘S溫度變化

2.2 煙霧對(duì)間隙擊穿電壓影響

間隙煙霧試驗(yàn)如圖5所示。在箱體下部放上枯木樹葉和少量果碳，試驗(yàn)過(guò)程中枯木樹葉處于不完全燃燒狀態(tài)，箱體內(nèi)氣隙溫度可通過(guò)控制升降臺(tái)改變枯木和果碳與箱體底部之間的距離來(lái)改變。

圖5 間隙煙霧試驗(yàn)

將煙霧濃度設(shè)置在9.999‰以上，將不同溫度對(duì)應(yīng)的擊穿電壓繪制成曲線，并與通過(guò)果碳升溫試驗(yàn)獲得的單純溫度因素影響下的擊穿電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如圖6所示。從圖中可以看出，在50～120 ℃范圍內(nèi)，最小擊穿電壓與最大擊穿電壓相比：?jiǎn)渭儨囟纫蛩赜绊懴?，擊穿電壓下?4.1%；煙霧因素影響下，擊穿電壓下降25.7%。與單純溫度因素影響相比，枯木樹葉產(chǎn)生的煙霧沒(méi)有使擊穿電壓有明顯降低，說(shuō)明此種煙霧條件下對(duì)降低間隙絕緣能力有一定的影響但遠(yuǎn)不及溫度明顯。

圖6 煙霧與溫度條件下?lián)舸╇妷弘S溫度變化

2.3 火焰對(duì)間隙擊穿電壓影響

將12個(gè)酒精塊堆疊在錫紙盤內(nèi)引燃使火焰橋接間隙。整個(gè)燃燒過(guò)程中，酒精塊燃燒穩(wěn)定性較好，且不產(chǎn)生煙霧，適合用于研究火焰對(duì)擊穿電壓的影響。調(diào)節(jié)錫紙盤內(nèi)酒精火焰高度變化，間隙與酒精火焰在未橋接、臨界橋接和完全橋接的狀態(tài)如圖7所示。在鐵箱半密閉狀態(tài)下，只采用酒精火焰對(duì)鐵箱升溫速度較慢，因此先采用火焰噴槍將鐵箱內(nèi)氣隙溫度加熱到試驗(yàn)所需溫度，再加入酒精火焰。

圖7 酒精火焰與間隙橋接狀態(tài)

將酒精火焰橋接間隙條件下測(cè)量的擊穿電壓與對(duì)應(yīng)溫度的數(shù)據(jù)繪制成曲線，并與單純溫度因素影響下?lián)舸╇妷呵€進(jìn)行比較分析，如圖8所示。當(dāng)酒精火焰未橋接間隙時(shí)，相同溫度下，酒精火焰與單純溫度因素影響下?lián)舸╇妷弘S溫度變化基本一致，說(shuō)明在該階段溫度是主要影響因素；當(dāng)酒精火焰和間隙臨界橋接時(shí)，相同溫度下，酒精火焰曲線的擊穿電壓會(huì)陡然下降，說(shuō)明酒精火焰橋接間隙時(shí)，酒精火焰對(duì)擊穿電壓有著重要影響；當(dāng)酒精火焰完全橋接間隙時(shí)，隨著溫度的升高，酒精火焰條件下?lián)舸╇妷合陆堤荻群蛦渭儨囟纫蛩赜绊懴聯(lián)舸╇妷合陆堤荻然疽恢?，約為1.9×10-2kV/℃。在完全橋接階段，當(dāng)氣隙溫度穩(wěn)定時(shí)，擊穿電壓隨酒精火焰高度的變化幅度較小，這說(shuō)明在酒精火焰完全橋接間隙時(shí)，溫度仍為影響間隙擊穿特性的決定性因素，而酒精火焰對(duì)擊穿電壓的影響較小。從圖8中也可以看出，當(dāng)酒精火焰完全橋接間隙且氣隙溫度穩(wěn)定時(shí)，擊穿電壓的變化幅度較小，此時(shí)的擊穿電壓可視為最低擊穿電壓。

圖8 酒精火焰與純溫度條件下?lián)舸╇妷弘S溫度變化

在同一條件下重復(fù)3次試驗(yàn)，獲得的試驗(yàn)結(jié)果基本一致，證明了所模擬試驗(yàn)結(jié)果的一致性。

3 結(jié) 論

上面設(shè)計(jì)了“棒-棒”電極間隙放電模型，開(kāi)展了“棒-棒”模型的空氣間隙絕緣擊穿試驗(yàn)，研究了火焰、溫度、煙霧對(duì)間隙絕緣的影響程度，得到了以下結(jié)論：

1)在單純溫度因素影響下，擊穿電壓的大小隨溫度的升高顯著下降，溫度對(duì)間隙絕緣能力的影響明顯。

2)在一定溫度條件下，枯木樹葉產(chǎn)生的煙霧濃度對(duì)擊穿電壓的影響較小。當(dāng)煙霧濃度達(dá)到9.999‰以上水平時(shí)，與單純溫度因素影響相比，枯木樹葉產(chǎn)生的煙霧使擊穿電壓有所降低但不明顯，說(shuō)明枯木樹葉產(chǎn)生的煙霧對(duì)擊穿電壓影響較小，遠(yuǎn)低于溫度的影響。

3)當(dāng)酒精火焰高度升高但未橋接間隙時(shí)，擊穿電壓降低，與同階段單純溫度因素影響下的變化幅度基本一致；當(dāng)酒精火焰和間隙臨界橋接時(shí)，擊穿電壓持續(xù)下降且下降明顯；當(dāng)酒精火焰完全橋接間隙時(shí)，擊穿電壓變化幅度與同階段單純溫度因素影響下的變化幅度基本一致。當(dāng)氣隙溫度穩(wěn)定時(shí)，擊穿電壓隨酒精火焰高度的變化幅度較小，說(shuō)明在酒精火焰完全橋接間隙時(shí)，溫度為影響間隙擊穿特性的決定性因素。同時(shí)，當(dāng)酒精火焰完全橋接間隙且氣隙溫度穩(wěn)定時(shí)，擊穿電壓的變化幅度較小，所獲得的擊穿電壓可視為最低擊穿電壓。