山火烟雾对10～35 kV输电线路绝缘影响试验研究

杨弄潮，杨博闻，杨淳岚，张星海，范松海，陈天翔

(1.成都理工大学核技术与自动化工程学院，四川 成都 610059；2.国网四川省电力公司电力科学研究院，四川 成都 610041)

0 引 言

据统计，全世界每年森林大火次数高达20万余次[1]，对高压输电线路安全运行造成了极大的威胁。国内外在进行山火烟雾试验平台搭建的时候，采用的方法大多相同，并且在选用燃烧物方面基本上都是甘蔗、木材、树枝或其他易燃物品。因为不同国家地区所种植的树木不同，故应采用最接近实际情况的植被进行研究。国内外研究表明，烟雾会对空气绝缘特性造成影响[1-17]。国外对烟雾对输电线路空气绝缘特性的影响进行了大量的试验研究发现：1)发现烟雾中针状颗粒物对线路之间空气绝缘特性造成的影响最大，最高可使其绝缘特性降低90%[2]；2)当山火发生，在其中引入烟雾会使空气绝缘特性下降20%左右[3]；3)击穿电压随着颗粒长度的增长而下降，认为颗粒能起到短接线路间隙的作用[4]；4)空中带电粒子会影响输电线路电场环境，并且地面合成电场会因为烟雾浓度的增大而增大[4]。国内对烟雾对输电线路之间空气绝缘特性的影响也进行了研究分析：1)烟雾会引起线路周围电场的畸变，当烟雾浓度不断增大的时候，更容易引起触发放电[5-7]；2)森林起火前，产生烟雾的时候会引入不同介电常数的电导率颗粒物，其绝缘性必定会受影响[8-12]；3)在产生烟雾的时候，带电粒子也会增多，当带电粒子漂浮在导线附近的时候，带电粒子放电产生颗粒链[13-16]，会造成线路间空气绝缘特性的下降[17-18]。

下面通过搭建10～35 kV试验平台，采用四川省森林地区常见的树叶，模拟在单相导线下方以及输电线路相间产生山火烟雾，通过测量各相电压、开口三角电压变化曲线和对地泄漏电流的变化，探究山火烟雾以及烟雾浓度、温度等对10～35 kV输电线路单相对地以及相间绝缘的影响。

1 试验方案

模拟山火烟雾产生在A相导线下方以及输电线路A、B相间，探究山火烟雾对A相以及A、B相间绝缘的影响，试验接线如图1所示。

图1 试验接线

试验平台由型号为S7-50/35的Yyn0电力变压器、变比为35/0.1的0.2级35 kV电压互感器以及长5.5 m、型号为LGJ-120的三相导线组成[19-20]。线路两相间距为1 m，相对地间距为1.5 m[21]。

为便于观测烟雾浓度的情况，在导线上方1 m处安置了一台烟雾传感器观察烟雾浓度，通过调节实验室排风扇投切控制烟雾浓度，利用钳形电流表对泄漏电流进行测量，采用故障录波装置采集三相电压以及开口三角电压波形以观察烟雾浓度引起的各相电压变化。

2 试验现象及分析

试验模拟了山火烟雾不同浓度对单相以及相间的影响。试验观察了各相电压变化以及泄漏电流的变化。各相电压随烟雾浓度变化曲线如图2所示。烟雾桥接单相时的开口三角电压，简称单相烟雾开口三角电压；烟雾桥接两相之间的开口三角电压，简称相间烟雾开口三角电压。试验相电压均为20.2 kV。

图2 各相电位随烟雾浓度变化曲线

单相烟雾试验时开口三角电压随烟雾浓度变化曲线如图3所示，A相对地泄漏电流的变化曲线如图4所示，单相烟雾试验时故障录波波形如图5所示。

图3 单相开口三角电压变化曲线

图4 单相烟雾试验泄漏电流变化曲线

图5 单相烟雾试验时故障录波波形

相间烟雾试验时，开口三角电压随烟雾浓度变化曲线如图6所示，单相对地泄漏电流随烟雾浓度变化曲线如图7所示，相间烟雾试验时故障录波波形如图8所示。

图6 相间烟雾开口三角电压变化曲线

图7 相间烟雾试验，泄漏电流变化曲线

据图2—图8可知，随着烟雾浓度的增大，线路的三相电压变化并不明显，单相和相间烟雾试验的开口三角电压曲线波动很小。尽管泄漏电流会产生变化，但变化幅度很小，最高仅为0.08 mA。故可认为烟雾的单独作用并不会使35 kV线路的绝缘特性下降。

图8 相间烟雾试验时故障录波波形

3 山火烟雾对10 kV输电线路绝缘影响试验

为了进一步证明烟雾对输电线路的影响，在10 kV输电线路进行了极端烟雾浓度下对输电线路的影响试验。搭建的10 kV试验平台如图9所示，平台由SY11-400/10的YNyn0电力变压器、变比为10/0.1的电压互感器、型号为LGJ-120的三相输电导线、6组10 kV电容器开关组等组成。通过控制不同电容器组的投切，模拟线路对地电容电流值，可调整电容电流最小级差为1 A，可模拟最大单相接地电容电流值为60 A。电压互感器接在模拟线路的末端，测量模拟线路的相电压和开口三角电压值。在烟雾生成装置底部接入钳形电流表测量对地泄漏电流。

图9 10 kV试验平台

经查阅，凉山、甘孜发生森林大火时，周围最多的树木是松树。山火烟雾多是由周围湿润的落叶生成的，且部分区域输电线路周围有工业生产所产生的烟雾，故选用松木、树叶模拟山火烟雾，用焦炭模拟部分工业烟雾。所设计试验基于最大烟雾浓度的情况下，采用松木、树叶、焦炭3种不同燃烧物，分别探究不同燃烧物对输电线路的影响。图10—图12分别对应树叶、松木、焦炭所产生的烟雾对三相电压、泄漏电流的故障录波波形，其中蓝色曲线代表泄漏电流。

图10 树叶烟雾对空气绝缘特性的影响

图11 松木烟雾对空气绝缘特性的影响

图12 焦炭烟雾对空气绝缘特性的影响

观察相电压和对地泄漏电流的变化，在10 kV输电线路下，初步得出结论：3种不同燃烧物产生的烟雾对线路的相电压和对地泄漏电流造成的影响很小，对10 kV线路绝缘的影响也很小。

4 结 论

1)上面主要对山火前期产生的烟雾对10～35 kV输电线路绝缘影响进行了试验研究，通过观察烟雾情况下对地泄漏电流的变化，发现烟雾在浓度高的情况下会引起细微的泄漏电流变化。

2)在10 kV输电线路中，通过对比观察3种不同燃烧物烟雾在浓度超出9.999‰情况下三相电压和泄漏电流波形的变化，发现对10 kV输电线路，不同燃烧物烟雾对泄漏电流的波动影响极小，即不同物质的烟雾对空气绝缘的影响微小。

3)国内外山火烟雾试验还做得不够多，对山火烟雾导致输电线路跳闸机理还处于初级认识阶段，对于预防山火烟雾导致输电线路跳闸的安全措施方面还存在不足，目前还没有研究给出精确的烟雾浓度、温度、火焰和电场之间的耦合关系。在后续的研究中应该考虑三者的共同作用，还需要更精细化的山火试验模拟平台。