特高压直流输电线路极间搭接塑料薄膜的放电模拟试验

王胜辉，王玺铭，董兴浩，周军

(1. 华北电力大学 新能源电力系统国家重点实验室，北京 102206；2. 中国电力科学研究院有限公司，北京 100192)

0 引言

架空输电线路距离较长，线路走廊周围环境复杂[1-3]，塑料大棚覆盖膜等飘扬性异物在强对流天气有可能被吹起并搭接导线[4-6]，由于飘扬物表面粘有沙尘等污秽物，在高湿或降雨条件下，其表面电导率将急剧增大[7]，大大降低了沿面绝缘强度，严重时可造成闪络事故[8-11]。据统计，2011—2013年国家电网有限公司输电线路因塑料大棚覆盖膜和塑料袋等飘扬性异物引起的故障占比为25.33%[12]。特别是国内某±800 kV特高压直流线路发生的双极闭锁事故更是引起了现场工作人员对这类事故的重视，该线路故障跳闸后，进行了3次再启动，均未成功。经巡视检查发现是由于塑料薄膜搭接了线路两极，在下雨条件下发生了极间放电。

针对塑料薄膜引起的架空输电线路故障，文献[13]用摇表测量了塑料薄膜的绝缘电阻，发现塑料薄膜的绝缘电阻值受湿度、灰尘等因素的影响，特别是在表面充分受潮情况下，将趋向于导电体。文献[14]对输电线路搭接塑料薄膜等异物的处理方法进行研究，研究指出地电位带电作业处理塑料薄膜搭接故障时适用性强且效率较高。文献[15]对塑料薄膜进行了耐压线性等效测试，获得了塑料薄膜的闪络特性。文献[16]分析了110 kV及以上输电线路运行情况，提出了针对塑料薄膜等飘扬物缠绕及悬挂导线的反事故措施。文献[17]针对高压输电线路上各种可燃飘扬异物的清理问题，研制了一种无人机高压输电线路异物清除装置，采用燃烧的方法清除异物。文献[18-19]利用图像处理技术中的特征识别法与机器视觉技术进行异物识别与跟踪，能够提升异物清除效率。文献[20-21]结合特高压输电线路基本情况与运维等难点，对新型激光除异物技术特点与应用进行深入分析。文献[22]采用多旋翼无人机搭载大功率的激光模组对输电线路异物进行清除，提高了电力系统供电可靠性和工作人员作业安全水平。

由上述研究现状可知，目前相关文献多集中于对塑料薄膜的清除方法上，对于直流架空输电线路上搭接塑料薄膜后的放电过程和平均电位梯度还缺乏深入研究。基于此，本文以国内某±800 kV线路因塑料薄膜引起的极间闪络事故为背景，在分析塑料薄膜表面等值盐密的基础上，研究了塑料薄膜在干燥和淋雨、平铺与卷起状态下的放电现象，分析了短间隙（距离分别为1.0 m、2.0 m）和长间隙（距离为11.5 m）时的闪络电压变化特性，并计算了平均闪络电位梯度。对±800 kV输电线路发生闪络故障后，多次重启动失败的原因进行了分析。本文研究结论对于指导现场薄膜类异物清除和解释工程中的闪络事故可提供一定的试验依据。

1 短间隙模拟试验研究

1.1 试验布置和被试品

本文首先在试验室模拟研究了短间隙塑料薄膜搭接输电线路情况，试验布置示意如图1所示。

图1 塑料薄膜搭接输电线路试验示意Fig. 1 Schematic diagram of test with plastic film overlapping on transmission lines

相关试验在中国电力科学研究院特高压试验基地完成，在图1中，采用2根长度为4.5 m，直径为3.5 cm的不锈钢管来模拟直流输电导线的两极，其中的1根钢管连接负极性直流高压，另1根钢管接地，2根钢管采用4支110 kV的复合支柱绝缘子进行支撑。试验中的塑料薄膜均为造成上述±800 kV线路闪络现场的大棚塑料薄膜，将其裁剪成合适的形状后，分别以平铺和卷起2种方式布置在模拟导线上开展相关研究。

为观测其放电过程，采用了FASTCAM SA5高速摄像机采集闪络过程，采集速度设置为1×104f/s，即相邻的2帧图像的时间间隔为0.1 ms，同时利用佳能G15数码相机拍摄其放电。

1.2 试验步骤和方法

在图1中，首先将塑料薄膜平铺搭接在模拟导线上，先施加负极性直流高压进行干燥状态下的耐受测试；然后使用纯净水对塑料薄膜上下表面进行喷水处理，测量其绝缘电阻后，将间隙距离分别设置为1.0 m，2.0 m，施加负极性直流高压进行塑料薄膜受潮情况下的闪络试验。

完成上述试验后，将塑料薄膜卷起后搭接在模拟导线上，同样使用纯净水对塑料薄膜上下表面进行喷水处理，在间隙距离分别设置为1.0 m，2.0 m时，施加负极性直流高压开展相关试验。

鉴于放电具有一定的分散性，因此在同一条件下，本文开展了多次闪络试验。但试验发现完成一次闪络后，表面部分区域会形成干区并伴随水分滴落，因此在完成一次闪络试验后，重新补喷水后再进行后续试验。

2 短间隙试验结果及分析

2.1 塑料薄膜表面盐密测量

论文对±800 kV闪络事故现场收集的大棚塑料薄膜进行表面盐密测量。随机选取上、中、下3个区域，分别测量所选区域的等值盐密。每个区域的塑料薄膜尺寸为1 m×1 m。测量得到3个区域的电导率如表1所示。

表1 塑料薄膜电导率Table 1 Electrical conductivity of plastic film

表2 塑料薄膜等值盐密Table 2 Equivalent salt density of plastic film

塑料薄膜的平均盐密取3个区域的盐密测量数据的平均值，即 0.005 7 mg/cm2。

2.2 干燥塑料薄膜平铺试验结果及分析

试验时模型导线的间距为1.0 m，塑料薄膜宽度为1.5 m，平铺在钢管上。试验前，兆欧表测试其电阻接近无穷大。然后施加200 kV负极性直流电压，维持2 min。期间听到持续的电晕放电声，但未见明显的电火花。

基于上述试验结果可知，在干燥情况下，每米塑料薄膜至少可以耐受200 kV直流电压，根据现场两极之间的极间距为22.9 m，若采用线性外推，其承受电压可以达到4 580 kV，远高于现场1 600 kV的极间电压，也即干燥塑料薄膜不会引起极间闪络。

2.3 潮湿塑料薄膜试验结果及分析

2.3.1 塑料薄膜平铺时的放电现象

使用纯净水对塑料薄膜上下表面进行喷水处理，用水量325 mL，摇表法测得电阻为3.5 MΩ。施加负极性直流电压进行试验。试验发现，不同塑料薄膜表面的放电现象具有相似性，大致可将其分为：电晕放电、局部小电弧、大电弧爬电和最后闪络4个阶段。

以1 m间距为例，测试过程中，电压达到约20 kV时，开始可听到电晕放电声音，但肉眼不易观测到放电点。随着电压继续增加，伴随持续的电火花放电，在模拟导线附近的区域形成多条放电通道，放电通道不断消失，同时又有新的放电通道产生，如图2 a）所示，由于受到放电通道烧蚀，塑料薄膜表面会产生高温烟雾，并在这些区域形成局部干区。随着电压进一步增加，当电压达到约80 kV时，靠近模拟导线区域的局部电弧长度会明显增加，放电更加剧烈，照片如图2 b）所示。随着电压进一步增加，电弧由2根模拟导线处向中间发展，若电压不是足够高，可形成明显的电弧爬电现象。当电压增加到约120 kV后，两端电弧长度急剧增加，发生沿面闪络，形成贯穿整个间隙的电弧通道。闪络瞬间照片如图2 c）所示。试验结束后，塑料薄膜表面有明显的烧蚀痕迹，如图2 d）所示。闪络后加压装置跳闸，可观测到靠近模拟导线部分，塑料薄膜表面局部区域被电弧烧蚀留下多个孔洞痕迹。

图2 塑料薄膜平铺试验典型放电图像Fig. 2 Typical discharge image of plastic film in spreading out state

2.3.2 潮湿塑料薄膜卷起时的放电现象

将塑料薄膜搭接在模拟导线上，同样，使用纯净水对塑料薄膜表面进行喷水处理，用水量295 mL，然后将上述塑料薄膜卷起后进行加压试验。同样可将其闪络过程划分为4个阶段，但其放电现象与平铺时有所差异。

当电压达到约15 kV左右时，可听到“吱吱”的电晕放电声音。随着电压进一步增加，在塑料薄膜内部形成许多点状放电小电弧，小电弧烧蚀塑料薄膜，可见塑料薄膜内部的黄色发光区域，如图3 a）所示。随着电压进一步增加，放电通道在塑料薄膜内部不断消失，又不断形成新的放电通道和新的烧蚀区域，整体上靠近模拟导线高压侧区域的电弧放电强度较高，并可导致塑料薄膜燃烧，如图3 b）所示。随着电压进一步增加，内部的放电区域明显增加，导电通道由模拟导线向塑料薄膜中部发展，不断与塑料薄膜内部的局部放电通道汇合，最终导致整个间隙闪络。闪络瞬间放电通道的高速摄像图片如图3 c）、图3 d）所示。

图3 塑料薄膜卷起试验典型放电图像Fig. 3 Typical discharge image of plastic film in rolling up state

综上所述，模拟导线附近的场强较高，因此放电从模拟导线处起始和发展，随着电压增加，放电电弧通道呈现由模拟导线向塑料薄膜中部发展的趋势，当电弧长度达到一定值后，最终发生整个间隙沿面闪络。对比分析可知，塑料薄膜卷起后，其放电主要集中在卷起的塑料薄膜内部形成和发展。

2.3.3 持续加压下闪络特性

将钢管间距调整为1 m，分别进行受潮塑料薄膜平铺和卷起2种情况下的闪络试验，每种情况下测试5组闪络电压，间隙为1 m时塑料薄膜平铺与卷起时的闪络电压如图4所示。

图4 间隙为1 m时的闪络电压值Fig. 4 Flashover voltage when the gap distance is 1 m

闪络电压取5次试验的平均值，可得塑料薄膜平铺时的闪络电压为121.8 kV；塑料薄膜卷起时的闪络电压为95.9 kV。

由试验结果可得，在1 m的间隙距离下，潮湿塑料薄膜平铺时的间隙闪络电位梯度约为1.22 kV/cm，潮湿塑料薄膜卷起时的间隙闪络电位梯度约为0.96 kV/cm，也即在卷起的情况下闪络电位梯度会更低。

将钢管间距调整为2 m。分别进行受潮塑料薄膜平铺和卷起2种情况下的闪络试验，同样每种情况下测试5组闪络电压，间隙为2 m时塑料薄膜平铺与卷起时的闪络电压如图5所示。

图5 间隙为2 m时的闪络电压值Fig. 5 Flashover voltage when the gap distance is 2 m

5次受潮塑料薄膜平铺情况下的闪络电压平均值为164.0 kV。5次受潮塑料薄膜卷起情况下的闪络电压平均值为139.3 kV，塑料薄膜卷起时更容易发生闪络。

由试验结果可得，在2 m的间隙距离下，塑料薄膜平铺时的间隙闪络电位梯度约为0.82 kV/cm，塑料薄膜卷起时的间隙闪络电位梯度约为0.70 kV/cm。相比平铺的塑料薄膜形态，卷起的塑料薄膜形态更容易导致沿面闪络。

3 长间隙模拟试验研究

对比1 m和2 m间隙距离下试验数据可知，间隙距离和闪络电压之间并没有表现出正比例关系。由小间隙的模拟试验外推得到的结论并不能准确反映实际的故障情况。因此，本文还开展了大间隙下塑料薄膜短接间隙闪络试验，相关试验在中国电力科学研究院特高压试验基地人工气候室内进行。

试验所用塑料薄膜长度为15 m，宽度为5 m，为现场取回并造成上述特高压线路闪络的塑料薄膜。试验前，先将塑料薄膜平铺于地面，采用纯净水用喷雾器对塑料薄膜进行喷水处理。将受潮后的塑料薄膜卷起，搭在2支柱绝缘子之间，支柱绝缘子的距离为11.5 m（约为现场极间距离为22.9 m的1/2），塑料薄膜的一端与特高压直流高压源连接，另一端接地。对高压电极施加负极性直流电压，持续升压至800 kV，加压过程中利用高速摄影仪和红外成像仪拍摄其放电和发热现象。

加压过程中，高压电极与塑料薄膜中部之间的区域首先出现火花放电通道，放电通道的位置更替频率较快。数秒之后，高压电极附近的塑料薄膜发生较剧烈的电弧放电，引燃塑料薄膜。随后，高压电极附近的塑料薄膜发生部分断裂，但没有完全脱落。塑料薄膜部分断裂之后，放电通道显著减少，甚至出现观察不到放电通道的时刻。随着电压继续升高，当电压达到640.0 kV，会突然形成由2个电极往前迅速延伸的电弧，并立即发展为贯穿整个间隙的闪络。闪络前一刻的照片如图6所示。

图6 闪络前一刻放电图像Fig. 6 Discharge image at the moment before flashover

分析图6可知，间隙距离增加后，高压电极的放电强度高于接地电极。电弧通道沿塑料薄膜的下部轮廓发展，其原因可能是：塑料薄膜内部的水滴由于重力作用，汇聚在塑料薄膜下部，而水滴密集区域的绝缘强度较低。试验发现，间隙闪络后，即使高压电源跳闸，高压电极附近的塑料薄膜仍然会继续燃烧，燃烧虽然不剧烈，但不会自然熄灭，塑料薄膜脱落后现场照片如图7 a）所示，采取灭火措施的过程中，高压电极附近的塑料薄膜烧断并从支柱绝缘子完全脱落，断裂处灼烧痕迹严重，塑料薄膜变形严重，具体如图7 b）、图 7 c）所示。

图7 塑料薄膜脱落后现场照片Fig. 7 Site photo with the plastic film falling off

由上述试验结果可知，闪络瞬间的剧烈放电不足以导致塑料薄膜完全马上烧断，放电结束后，塑料薄膜仍会继续燃烧，且不易自然熄灭。最终塑料薄膜可能出现断口，与导线分离，甚至完全落地。

间隙距离为11.5 m时，潮湿塑料薄膜的闪络电压为640.0 kV，闪络电位梯度为0.56 kV/cm。受潮塑料薄膜卷起并短接间隙条件下，平均闪络电位梯度与间隙距离之间的关系如图8所示。

图8 平均闪络电位梯度随间隙距离变化Fig. 8 Variation of average flashover potential gradient with gap distance

分析图8可知，随着间隙距离的增加，其平均闪络电位梯度呈下降趋势，采用短间隙的数据来推测长间隙的放电特性有一定的误差。

4 某特高压线路故障重启动失败原因分析

上述±800 kV直流特高压线路故障跳闸后，进行了3次再启动，均未成功。针对这一问题，本文分析了实验室高速摄像图片，高速摄像机拍摄到的电弧燃烧典型照片如图9所示。

图9 a）为高速相机拍摄的电弧熄灭瞬间，通过对几组录像的分析，从间隙发生闪络的瞬间到图9 b）所示的状态，耗时约为100 ms。从间隙发生闪络到图9 c）所示电弧基本熄灭的状态，耗时约为160 ms。结合试验数据，对于现场3次重启均不成功的原因，本文分析是以下几个方面所形成。

图9 去游离过程中的典型照片Fig. 9 Typical photos for dissociation process

首先，分析录波数据可知，保护动作后150 ms第1次全压重启，系统电压升至421 kV时，保护动作，短路电流为 7.78 kA；200 ms后第 2次全压重启，系统电压升至191 kV时，保护动作，短路电流为 3.13 kA；200 ms后第 3次降压重启仍然重启失败。试验中的电弧基本熄灭时间约为160 ms，该值虽然小于现场直流线路的重启动时间200 ms，但受到试验条件的限制，试验中电弧短路时的电弧电流仅为几十安培，远小于现场短路时的电流值，在现场大电流下仍然可能存在去游离时间不充分的情况，重启电压增加到一定值后可导致电弧重燃。

另外，模拟试验中间隙距离为11.5 m塑料薄膜部分断裂后的红外图像如图10所示。

由于塑料薄膜表面存在水分，分析图10可知塑料薄膜表面的温度仍然较低，最高温度区位于高压侧，红外测温为85.2 ℃。可见，塑料薄膜的短时放电后并不会导致塑料薄膜本体温度的大幅上升，同时表面的水分也有一定的阻燃和散热效果，因此塑料薄膜的燃烧并不是特别剧烈，在闪络发生的数分钟后，高压电极附近的塑料薄膜才完全烧断而脱离支柱绝缘子。

图10 塑料薄膜闪络后的红外图像Fig. 10 Infrared image of plastic film discharge process

现场实际线路塑料薄膜短接时的电流虽然远大于试验时模拟试验电流，但电弧燃烧时间仍然很短，而塑料薄膜燃烧速度较慢，根据试验结论，推测第一次闪络时也并未被立即烧断，短路跳闸后潮湿塑料薄膜继续短接间隙，导致3次重启不成功。

综上所述，第一次闪络发生后，塑料薄膜并没有完全脱离线路，仍处于潮湿状态，另外电弧的去游离并不充分，在上述2种因素的作用下，塑料薄膜的闪络电压仍低于线路正常运行极间电压，导致3次重启动失败。现场勘察发现，地面有不连续灼烧的潮湿塑料薄膜，与本文试验故障复原观测到的现象相吻合。

5 结论

通过对特高压直流输电线路极间搭接塑料薄膜进行放电模拟试验研究，可以得出以下结论。

（1）表面湿润状态下，当间隙距离为1.0 m和2.0 m时，塑料薄膜平铺与卷起时的间隙闪络电位梯度分别为1.22 kV/cm和0.96 kV/cm、0.82 kV/cm 和 0.7 kV/cm；当间隙距离为 11.5 m时，潮湿塑料薄膜的闪络电位梯度为0.56 kV/cm，塑料薄膜卷起相比平铺更容易发生闪络。

（2）研究结果表明，即使在表面喷淋纯水的情况下，塑料薄膜搭接特高压直流输电线路也会发生闪络，而实际中雨水的电导率比纯水更高，在额定工作电压下更容易发生沿面闪络。

（3）现场±800 kV线路闪络发生后，塑料薄膜并没有完全脱离线路且仍处于潮湿状态，电弧的去游离时间约为160 ms，现场短路大电流下可能出现去游离不充分，在上述2种因素的作用下，塑料薄膜的闪络电压远低于线路正常运行极间电压，导致3次重启失败。