山火条件下的特高压输电线路击穿概率模型研究与分析*

邵尤国, 李辉, 赵洁, 邹建明, 周晓刚, 常强

(1.武汉大学 电气工程学院,武汉 430072； 2.国家电网公司华中分部，武汉 430077；3.湖北华中电力科技开发有限责任公司，武汉 430077)

0 引 言

中国能源资源和电力负荷中心呈逆向分布，需依靠超/特高压输电线路进行远距离、大容量跨区输电[1]。依据“十三五”规划，到2020年国家电网将建成“五纵五横”特高压交流骨干网架和27项特高压直流输电工程。由于输电线路需经常跨越林区和秸秆类农作物，下方山火的发生将严重威胁到特高压输电线路的可靠运行[2]。2013年，1 000 kV特高压交流线路总共跳闸三次，三次跳闸原因均为山火[3]。与雷击所导致的放电击穿不同，山火往往由于过火时间较长而导致线路重合闸不成功，造成输电中断。因而，评估山火条件下的特高压线路击穿风险，准确计算故障概率，对于特高压输电线路的可靠供电和稳定运行具有重要现实意义。

国内外针对山火导致的输电线路击穿故障风险已有较多研究。文献[4]基于山火条件下的湿度校正和相对空气密度，首先给出了闪络电压与气隙温度、湿度间的关系；文献[5]基于木垛火的放电实验，发展了木垛火条件下高温对平均击穿场强影响程度的计算公式。但对于野外山火条件，燃烧会产生较多的灰烬颗粒，会恶化气隙绝缘，因而仅基于温度因素的气隙绝缘强度修正会给输电线路击穿概率带来较大误差。文献[6-7]均研究了灰烬烟尘对气隙绝缘强度的影响，指出灰烬烟尘引起的绝缘强度下降程度与其尺寸、重量密切相关；文献[8]引入浓烟系数来表征灰烬烟尘引起的气隙绝缘强度下降，但文献中仅取最恶劣定值进行故障概率计算，与实际不符；文献[9-11]基于温度和灰烬浓烟因素，均建立了山火条件下的线路击穿概率计算模型，可模拟击穿概率随温度和烟浓度的变化情况，但不能体现山火高度对击穿概率的影响。文献[12]将棒-板气隙分为火焰区和非火焰区，忽略非火焰区温度和电导率因素影响，提出了更贴近实际的气隙击穿电压修正公式，但仅作试验分析验证。可见，随着对山火条件下输电线路击穿风险研究的深入，模型逐渐完善，但在实际山火环境下的研究尚有不足，且鲜有针对特高压线路在山火条件下的分析研究。

在文献[9,12]模型基础上，综合考虑了山火温度和燃烧产生的碳化小颗粒、灰烬浓烟对输电线路气隙绝缘强度影响，并将山火高度作为气隙击穿电压修正因素，建立了山火条件下的特高压输电线路击穿概率计算模型，以典型双回1 000 kV特高压输电线路为对象，仿真分析了特高压相地击穿概率随温度、烟浓度、山火高度变化规律，相间击穿概率随烟浓度变化规律，并对比分析了相同山火条件下的超、特高压线路相地、相间击穿概率。

1 山火条件下的特高压线路击穿概率模型

1.1 山火导致气隙击穿的影响因素及校正

山火蔓延至线路下方时，气隙绝缘强度下降，可能导致线路间隙在正常工作电压下的击穿。造成气隙绝缘强度下降主要是温度上升引起的大气压强、密度和湿度变化，及燃烧产生的碳化小颗粒和灰烬[9]。

山火发生时，温度能达到1 000 ℃左右[13]，从而引起空气密度、湿度变化，影响电子碰撞电离和吸附，降低了电子崩和流注发展所要求的电场强度，使气隙绝缘强度下降[12]。燃烧产生的碳化小颗粒和灰烬浓烟则提高了气隙电导率、桥接部分气隙并畸变气隙电场，从而引起击穿电压的降低[2,13]。

针对由温度升高引起的气隙绝缘强度下降，引入大气修正系数Kt：

Kt=KdKh

(1)

式中Kd为空气密度修正系数；Kh为空气湿度修正系数，且有：

(2)

式中δ为相对空气密度；指数m、W和K取值参考相关国家标准[14-15]；p、p0分别为山火条件下和标准参考大气条件下的气压；t、t0分别为山火条件下和标准参考大气条件下的温度。

针对燃烧产生的碳化小颗粒和灰烬浓烟引起的气隙绝缘强度下降，引入颗粒校正因数KP[9]：

(3)

式中R为烟浓度；R=0%表示气隙无杂质；R=100%表示浓烟充满整个间隙。

1.2 气隙击穿电压校正

山火条件下，可将线路气隙分为火焰区和非火焰区,火焰区气隙绝缘强度受温度、碳化小颗粒和灰烬浓烟的共同作用，非火焰区则主要受灰烬浓烟影响[12]。因而，线路气隙击穿电压可修正为：

(4)

式中第一项为火焰区气隙击穿电压修正值；第二项为非火焰区气隙击穿电压修正值；U、U0分别为山火条件下和标准大气条件下的线路工频击穿电压；h、H分别为山火高度和气隙长度；Kp1、Kp2分别为火焰区和非火焰区的颗粒校正因数。

对于输电线路的导线与地间气隙，山火高度较低时，需综合考虑火焰区和非火焰区；若山火包络导线，只需考虑火焰区，气隙击穿电压退化为：

U=KtKp1U0

(5)

对于导线与导线间的气隙，只要山火不接近导线，即可认为气隙全属于非火焰区，气隙击穿电压退化为：

U=Kp2U0

(6)

若山火接近甚至包络导线，此时不可忽略温度对相间气隙绝缘强度的影响，气隙击穿电压应按照式(5)修正。

1.3 山火条件下的线路击穿概率模型

山火条件下，认为线路击穿电压符合正态分布[8-9]，击穿概率密度可表述为：

(7)

式中U、μ分别为山火发生时线路电压和50%工频击穿电压；σ等于zμ；变异系数z取值介于2%～8%，山火条件下，可取为4%。则击穿概率为：

(8)

2 击穿概率模型求解流程

山火条件下的线路击穿概率计算需依据山火信息和线路信息，以校正相地击穿电压(50%工频击穿电压，下同)和相间击穿电压，最终依据式(8)计算击穿概率。山火条件下的线路击穿概率求解流程如图1所示。

图1 山火条件下的输电线路击穿概率求解流程

其中，山火信息包括山火温度、火焰高度、烟浓度，线路信息包括实际运行电压、线地距离和线间距离。

3 算例分析

以典型1 000 kV特高压交流双回输电线路为分析对象。在线路档距中央，线地距离为20.9 m，相间距离为19.4 m，可估算相地50%工频击穿电压为6 720 kV，相间50%工频击穿电压为5 820 kV。线路运行电压为额定电压，并取火焰区和非火焰区相同的颗粒校正因数，也即Kp1=Kp2。

3.1 山火条件下特高压线路击穿概率分析

图2和图3均是在特高压线路在山火高度h=8 m下的击穿概率仿真结果。

图2 不同烟浓度下的相地击穿概率随温度变化情况

图3 不同温度下的相地击穿概率随烟浓度变化情况

图2为不同烟浓度下的相地击穿概率随温度变化情况。可以看出，随着温度升高，击穿概率呈现“S”型增长态势：先贴近横轴缓慢变化，达到一定温度后快速增长，并在高温下饱和，最终趋近1。且随着烟浓度的增加，概率曲线左移，使同一温度下的击穿概率上升。

图3为不同山火温度下的相地击穿概率随烟浓度变化情况。可看出与图2呈现类似的变化特性：击穿概率随烟浓度升高按照“S”型曲线增长并最终饱和，且随温度升高，曲线左移，增加了击穿概率。

分析可知，击穿概率随温度或烟浓度呈现“S”型增长是由于击穿电压呈现正态分布，温度或烟浓度的上升相当于将正态分布曲线中的50%工频击穿电压左移，从而使得输电线路正常工作电压下的相地击穿概率先缓慢增长，且增长率随着50%工频击穿电压接近相额定电压而上升，此后增长率下降，并最终趋近于0，呈现出“S”型增长规律。此外，图2、图3中概率曲线的左移分别是由烟浓度、温度上升导致的气隙绝缘强度下降，使得击穿概率升高。

为探究山火高度对特高压相地击穿概率的影响，设置合适的火焰区温度和气隙烟浓度，得到相地击穿概率随山火高度的变化如图4所示。

图4 相地击穿概率随山火高度变化情况

可见，在t=600 ℃，R=40%设置条件下相地击穿概率只在10 m～14 m山火高度范围内变化明显，亦呈现“S”型变化规律，若升高温度或/和烟浓度，概率曲线左移。

分析可知，h增大，火焰区延长，温度对气隙绝缘强度的影响也就越大。结合式(4)可知，h的增大类比于温度的升高，因而击穿概率呈现出与图2相似的变化规律。且在此基础上的温度、烟浓度提升均会进一步导致气隙绝缘强度的下降，故曲线左移。

此外，依据相地击穿概率随山火高度变化情况，在特高压输电线路途径山火防控区域时，通过控制植被高度，可将击穿概率限制在明显抬升前，从而有效保证特高压线路山火情况下的运行可靠性。

由于特高压线路离地距离很高，线路下方发生山火后火焰区远不及导线高度，因而相间气隙绝缘强度受温度的影响可忽略不计，按照式(6)进行工频击穿电压校正。图5为山火条件下的特高压线路相间击穿概率随烟浓度变化情况。

图5 相间击穿概率随烟浓度变化情况

可见，相间击穿概率随烟浓度变化规律与相地击穿类似，且当烟浓度达到30%时，相间击穿概率开始明显抬升，超过39%后非常趋近于1，从而导致相间击穿。实际中，由于特高压线路距地很高，灰烬颗粒、烟尘在上升过程中会逐渐扩散，因而浓度很难达到导致相间击穿的程度。

3.2 山火条件下特、超高压线路击穿概率对比分析

500 kV超高压算例参考国家环保标准中算例[16]。线地距离为12.19 m，相间距离为13.72 m，可估算相地50%工频击穿电压为3 657 kV，相间50%工频击穿电压为4 116 kV。线路运行电压为额定电压，并取Kp1=Kp2。

对比山火对超、特高压输电线路相地击穿概率影响，设置相同的山火条件：山火高度h=6 m，烟浓度R=50%。其中，山火高度是考虑到500 kV线路要求最小线树净空距离为7 m[17]，则线下树木最高约为5 m，因而设置较为严重的山火高度h=6 m。

图6是超、特高压线路的相地击穿概率随温度变化情况。可看出，在设置的可能导致相地击穿山火条件下，特高压线路击穿概率远低于超高压线路。在仿真温度范围内，超高压线路最大击穿概率超过0.8，而特高压不足0.2。究其原因，主要是因为特高压的非火焰区有14.90 m，而超高压只有6.19 m，因而特高压相地击穿概率要远低于超高压。

图6 超、特高压线路相地击穿概率随温度变化情况

还需说明的是，相同山火条件下，特高压的烟浓度会低于超高压，因而其击穿概率会更低，如图7中虚线所示。

图7中实曲线是山火条件下的超、特高压线路相间击穿概率随烟浓度变化情况。可见，特高压相间击穿概率在R=30%时便开始快速抬升，而超高压则要达到R=45%，因而在相同烟浓度下特高压相间更易发生击穿。

图7 超、特高压线路相间击穿概率随烟浓度变化情况

由于灰烬颗粒、烟尘随高度上升会逐渐扩散，同一山火条件下的特高压烟浓度要低于超高压。当特高压相间烟浓度约为超高压一半时，其相间击穿概率如图7中虚线所示，可见击穿概率大大下降。

4 结束语

山火对特高压电网可靠运行具有较大威胁，针对山火条件下的特高压输电线路击穿风险评估可有效保证线路可靠、稳定运行。综合考虑了山火温度和燃烧产生的碳化小颗粒、灰烬浓烟对输电线路气隙绝缘强度影响，并将山火高度作为气隙击穿电压修正因素，建立了山火条件下的特高压输电线路击穿概率计算模型，通过仿真计算并与超高压对比分析，得出以下结论：

(1)山火条件下，特高压输电线路相地击穿概率随温度、烟浓度升高呈现“S”型增长态势；相间击穿概率随烟浓度升高亦呈现“S”型增长态势，且烟浓度需达到30%时击穿概率才出现明显抬升；

(2)山火高度对特高压相地气隙绝缘强度影响类似于温度因素，使击穿概率也呈现“S”型增长态势。因而通过控制线路下方植被高度，将击穿概率限制在明显抬升前，可有效保证山火条件下的特高压线路运行可靠性；

(3)相同山火条件下，特高压相地气隙的非火焰区长于超高压，因而其相地击穿概率远低于超高压，且由于灰烬颗粒、烟尘随高度上升逐渐扩散，特高压相地击穿概率会更低；

(4)相同烟浓度下，特高压比超高压更易发生相间击穿。但由于特高压相间气隙在相同山火条件下的烟浓度更低，其实际相间击穿概率可能低于超高压。