山火對10～35 kV輸電線路安全運行影響試驗研究

楊佳才，任欣悅，王 勛，張星海，范松海，陳天翔

(1.成都理工大學核技術與自動化工程學院，四川 成都 610059；2.國網四川省電力公司電力科學研究院，四川 成都 610041)

0 引 言

森林大火不僅破壞環境、威脅人民的生命財產安全，還對輸電線路的安全穩定運行造成極大影響，對整個電網的安全運行造成巨大挑戰[1-3]。從國家電網和南方電網統計的事故案例中能夠看到山火導致輸電線路跳閘非常頻繁[4]。同時，在中國配電網線路中，10 kV、35 kV配電網線路作為主要的配電網線路，承擔著城市內與城鄉之間的輸電任務，在電力傳輸中起著重要作用。因此，研究山火對10 kV、35 kV輸電線路安全運行的影響可以更準確地認識森林火災導致線路跳閘這一故障并找出應對措施，具有重要意義。

為減少山火導致輸電線路跳閘故障的發生，國內外學者對輸電線路在山火等多種條件下的故障特性進行了一系列的模擬試驗研究。國外Uhm H S認為火焰中離子對放電的影響類似于流注，能為放電通道注入大量的電荷[5]。美國電科院對交流導線板間隙在火焰條件下的擊穿特性進行了研究，在試驗初期泄漏電流主要為100 μA的電容電流，隨著火焰高度逐漸增高，在臨近擊穿前，泄漏電流達到了2.3 mA，這說明火焰中的電子和離子降低了線路間隙的絕緣強度[5]。國內尤飛、吳田等試驗分析了杉樹木垛火焰在不同間隙下的工頻擊穿特性,并分析了火焰條件下間隙的擊穿機制，認為導致線路絕緣下降的主要原因有火焰高溫、高電導率以及顆粒與灰燼等[6-7]。黃道春、黎鵬等在植被火條件下進行了導線-板間隙擊穿特性的試驗，發現擊穿電壓、泄漏電流都與火焰有關系[8-10]。

現有相關模擬試驗研究平臺尺度小且考慮的因素較為單一，未考慮實際輸配電線路結構參數和環境條件等。下面設計搭建了10 kV、35 kV三相輸電線路試驗研究平臺，研究山火條件下10 kV、35 kV輸電線路三相電壓、泄漏電流和零序電壓的變化和規律。

1 試驗平臺與試驗對象

為模擬實際輸電線路與山火環境，設計搭建如圖1所示的試驗平臺。

(a)10 kV試驗平臺

10 kV輸電線路試驗平臺主要由型號為SY11-400/10、連接組別為YNyn0的電力變壓器，變比為10/0.1、0.2級的10 kV電壓互感器以及長5 m、型號為LGJ-120的三相導線組成，以模擬電壓等級為10 kV的線路段，通過并聯電容器組改變線路電容電流大小。

35 kV輸電線路試驗平臺主要由型號為S7-50/35、連接組別為Yyn0的電力變壓器，變比為35/0.1、0.2級的35 kV電壓互感器以及長5.5 m、型號為LGJ-120的三相導線組成，以模擬電壓等級為35 kV的線路段，通過并聯電容器組改變線路電容電流大小。

經調研，四川涼山、甘孜等森林火災高風險區典型可燃物為松木、灌木、油桉、枯落物等，故使用松木、灌木和稻草(模擬枯落物)作為燃燒材料模擬實際森林火災。

2 山火對10 kV輸電線路安全運行影響

2.1 模擬火焰對單相導線的影響

將C相設為故障相，三相導線相間距離為60 cm，對地距離為52 cm。導線對地距離通過遙控燃燒鐵桶下的升降平臺調整，火焰高度與寬度根據堆放的木垛寬度、高度和層數調整。首先，觀察并記錄沒有火焰時試驗平臺正常工作波形以作比較，將松木搭成30 cm×30 cm×20 cm的木垛放入鐵箱中點燃，導線對鐵箱距離52 cm，火焰橋接線路時試驗發現監測信號波形與正常運行波形幾乎一致；縮短對地距離為26 cm后，波形仍無變化。引入絕緣子模擬10 kV線路桿塔遭遇火災情況，絕緣子高13 cm，火焰橋接燃燒時試驗數據仍無變化，后在絕緣子上綁一接地鐵絲且使導線距鐵絲3 cm時，火勢的變化使得導線發生單相放電接地。

所設計試驗條件下，火焰使得線路發生單相接地的最長對地距離為3 cm，將此距離設為臨界擊穿距離并進行不同材料燃燒試驗[11-12]，結果發現3種材料燃燒情況下均出現了放電現象和單相接地，如圖2、圖3所示，但線路對火焰放電還未接地時的零序電壓幅值不同(如圖4所示)，說明不同材料燃燒產生的火焰降低空氣絕緣程度不同，灌木燃燒時零序電壓最大，稻草次之，松木燃燒時零序電壓最小。

圖3 導線與鐵絲3 cm間隙被擊穿造成單相接地

(a)灌木

通過攝像機記錄的火勢變化趨勢如圖5所示。與故障錄波儀記錄的泄漏電流波形進行比對發現：泄漏電流隨火勢的變化(即火焰橋接空氣間隙的情況)而變化[13]，通常在火焰全部橋接空氣間隙時有明顯的放電現象，故泄漏電流呈現脈沖狀(如圖6所示)；3種燃燒材料下泄漏電流峰值均在1.0～1.2 A，受制于試驗平臺模擬線路本身的對地電容電流。

圖5 火勢變化趨勢

圖6 單相導線對地泄漏電流變化波形

試驗平臺正常工作時二次側三相電壓峰值為81.6 V，通常受火焰影響的故障相電壓降低，其他兩相電壓升高[14-15]；但也能看到故障相電壓有時會出現比正常運行電壓高(如圖7所示)的情況或故障相電壓幅值并非最低的現象(如圖8所示)，說明火勢的不確定性會導致線路故障相的識別比較困難。

圖7 故障時C相電壓比正常運行時C相電壓高

圖8 故障相C相電壓高于正常相A相電壓

2.2 模擬火焰對兩相導線的影響

將B、C兩相設為故障相，為模擬實際導線風偏情況，將正常運行下三相導線相間距離60 cm縮短為30 cm，研究極端情況下火焰對相間的影響。導線對地距離通過升降平臺調整，火焰高度與寬度根據堆放的木垛層數和寬度調整。首先，觀察并記錄沒有火焰時本試驗平臺正常工作波形以作比較，再將130 cm×50 cm×13 cm的稻草置于B、C兩相間，結果發現大面積稻草燃燒產生的火焰并沒有造成相間短接，對相間空氣絕緣的影響不大，可能是由于30 cm的相間距離太大不足以造成其擊穿。

3 山火對35 kV輸電線路安全運行影響

3.1 模擬火焰對單相導線的影響

將A相設為故障相，通過升降平臺調整對地距離，在對地距離為20 cm、相間距離為38 cm時發生明顯的單相接地(如圖9所示)，泄漏電流小于三相導線對地電容電流之和，從故障錄波圖(如圖10所示)中可以看到A相電壓并沒有降為0，與金屬接地有明顯區別，說明火焰具有比較高的阻抗。

圖9 單相接地

圖10 單相導線對火焰持續放電故障錄波

3.2 模擬火焰對兩相導線的影響

將A、B兩相設為故障相，通過升降平臺調整對地距離，在對地距離為20 cm、相間距離為19 cm時發生明顯的相間短路(如圖11所示)，電弧隨著火焰的抬升形成通路，三相電源保護開關并未跳閘。從故障錄波圖(如圖12所示)也可看到A、B兩相電壓并未重合，同樣說明火焰具有比較高的阻抗。

圖11 相間短路

圖12 相間短路時的故障錄波

4 結 論

1)所設計試驗平臺下火焰引發單相接地和相間短路的發生，與電壓等級、對地距離、火焰高度、火焰寬度等多種因素有關。

2)火焰情況下單相接地時故障相電壓并未降為0且泄漏電流小于三相導線對地電容電流，與金屬接地比較，說明火焰具有高阻抗的特性。

3)火焰影響單相導線時會出現故障相電壓高于正常運行時故障相電壓的情況或故障相電壓并非最低的現象，從而導致發生山火時難以識別故障相。

4)3種不同材料燃燒時零序電壓幅值不同，說明不同材料燃燒產生的火焰降低空氣絕緣的程度不同，灌木燃燒時開口三角電壓最大，稻草次之，松木燃燒時開口三角電壓最小。以上現象是由于植物種類的影響還是火焰內在的溫度等因素的影響還需要深入研究。