祝 賀，劉 程

（東北電力大學(xué)建筑工程學(xué)院，吉林吉林 132012）

0 引言

我國發(fā)電能源和生產(chǎn)力發(fā)展呈逆向分布，決定中國必然采取遠距離、大容量輸電，為此我國采用超、特高壓線路進行輸電，將電能從發(fā)電中心輸送到用電負荷中心[1-4]。隨著特高壓骨干網(wǎng)架的建設(shè)，線路走廊緊張問題日益突出[5-8]，因此特高壓輸電線路不可避免經(jīng)過植被茂密的山林火災(zāi)易發(fā)生區(qū)[9]。山火發(fā)生時產(chǎn)生的火焰高溫、火焰電導(dǎo)率、固體顆粒物等因素容易導(dǎo)致輸電線路間隙絕緣強度迅速下降，從而引發(fā)輸電線路跳閘事故[10-12]。山火條件下線路自動重合閘成功率低，容易導(dǎo)致較為嚴重的線路停運事故，對輸電線路的安全穩(wěn)定運行產(chǎn)生嚴重威脅[13]。

近年來，隨著人們環(huán)境保護意識的不斷增強，我國陸續(xù)出臺了一系列森林保護措施，因此輸電線路走廊附近植被密度和高度明顯增加，另外隨著清明祭祀習(xí)俗的興盛以及各種極端氣象災(zāi)害的增多，導(dǎo)致輸電線路多年來罕見的山火跳閘事故開始急劇攀升[14-15]。

山火引發(fā)輸電線路跳閘事故，嚴重威脅著高壓輸電線路安全運行，表1、表2為山火導(dǎo)致輸電線路跳閘案例[16-22]。

表1 國家電網(wǎng)山火導(dǎo)致輸電線路跳閘案例Table 1 The fire caused the line trip case of national grid transmission

表2 南方電網(wǎng)山火導(dǎo)致輸電線路跳閘案例Table 2 The fire caused transmission line trip case of China Southern power grid

由此可見，山火引發(fā)輸電線路跳閘，嚴重危害了電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。當輸電線路走廊附近發(fā)生山火時，及時對山火火情進行監(jiān)測，根據(jù)山火火勢以及燃燒過程對輸電線路間隙絕緣性能進行評估具有重要意義。筆者對山火引發(fā)輸電線路間隙擊穿特性進行了綜述，全面分析了山火條件下火焰溫度、火焰電導(dǎo)率、固體顆粒等因素對輸電線路間隙絕緣特性的作用機理，指出了當前國內(nèi)外山火模擬試驗與理論研究工作中存在的不足，提出了山火條件下輸電線路間隙擊穿特性相關(guān)研究的一些建議，可為山火引發(fā)輸電線路間隙擊穿的研究提供進一步的參考。

1 山火致輸電線路間隙擊穿主要誘因

植被火焰是擴散火焰，在燃燒過程中存在明顯的振蕩[16]，因此火焰溫度具有不穩(wěn)定性。不同植被具有不同的燃燒特性，同時燃燒過程及燃燒產(chǎn)物的差異也相對較大，因此在山火條件下輸電線路間隙擊穿機理存在復(fù)雜性和不確定性[10]。通過分析山火引發(fā)輸電線路間隙擊穿的模擬試驗得到，輸電線路間隙絕緣性能劇烈下降是火焰溫度、火焰電導(dǎo)率、固體顆粒等因素綜合作用的結(jié)果，單一因素不足以導(dǎo)致輸電線路間隙絕緣性能發(fā)生明顯下降而引發(fā)跳閘事故[13]。

2 火焰高溫致線路跳閘研究現(xiàn)狀

國外研究者Fonseca測量了不同火焰溫度與燃燒材料對3 m的空氣間隙內(nèi)擊穿電壓的影響，試驗表明，標準大氣溫度條件下，線路間隙擊穿電場強度為250 kV/m，而當甘蔗葉火焰包絡(luò)整個間隙時，擊穿強度下降到50 kV/m。Uhm H S在氧、氮分子電離截面等參數(shù)的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出火焰中線路間隙擊穿場強隨火焰溫度的升高而降低，分析認為，發(fā)生擊穿時，激發(fā)產(chǎn)生離子所需要的功率與溫度的平方成反比[17]。Allen對高溫條件下空氣的擊穿特性進行了研究[18]，得出與Uhm H S類似的結(jié)論，并且通過試驗證明，相對空氣密度與火焰溫度成反比，隨著火焰溫度的升高，流注發(fā)展所需要的電場強度降低，并按相對空氣密度的1.5次冪變化。

植被燃燒過程中距離線路不同高度處溫度也有很大的差異。Lanoie和Robledo-Martinez通過棒-板試驗表明，在火焰垂直方向上，火焰溫度隨距離地面高度的增加而降低，同時較低的火焰溫度對間隙平均絕緣強度的影響較?。粚τ诜€(wěn)定火源，當棒電極與火焰之間距離增大時，間隙的擊穿電壓隨之升高[19-20]。Weber在Lanoie和Robledo-Martinez研究的基礎(chǔ)上給出了火焰溫度隨著距離地面高度變化的表達式[21]：

式中：K為經(jīng)驗常數(shù)；Zd為燃料高度相關(guān)參數(shù)；Zp為火焰高度相關(guān)常數(shù)；T∞為火焰附近空氣的溫度；Tf1為在火焰高度處的火焰溫度。

國內(nèi)許多研究者對溫度影響輸電線路間隙擊穿特性進行了一系列研究。吳田等對40 cm棒-板間隙在火焰中的放電特性進行了試驗研究[13]。分析認為，植被燃燒過程中產(chǎn)生的高溫、高壓環(huán)境導(dǎo)致火焰中氣體密度降低，進而導(dǎo)致電子崩和流注放電發(fā)展所需要施加的外部場強降低。試驗發(fā)現(xiàn)火焰中的擊穿電壓與相對空氣密度有關(guān)，并按相對空氣密度的1.29次冪變化。該試驗結(jié)果與Allen研究結(jié)果具有一致性，說明火焰溫度的升高對于促進電子崩和流注放電發(fā)展起到至關(guān)重要的作用。普子恒對間隙距離從40～55 cm變化的棒-板間隙在火焰中的放電特性進行了試驗研究[22]。分析認為，火焰高溫除產(chǎn)生上述影響外，還能與上升的熱氣流共同作用抬升固體顆粒物到強電場區(qū)域，并觸發(fā)顆粒放電；同時火焰高溫為間隙提供了促進熱電離和碰撞電離的能量，增加了火焰中的帶電粒子數(shù)量。尤飛和張云等通過開展模擬試驗將工頻電壓作用到單股導(dǎo)線、雙分裂導(dǎo)線和四分裂導(dǎo)線上，研究在木垛火作用下，導(dǎo)線-板間隙的擊穿特性[23-25]。試驗表明，3種情況下平均擊穿場強均顯著下降，下降最大值為33.5%,小于計算值37.4%，所占計算值權(quán)重均在70%以上。由此可見，線路間隙平均擊穿場強下降與火焰高溫密切相關(guān)。何曉威等研究了棒-板間隙沖擊電壓與溫度的關(guān)系[26]。研究表明，正極性與負極性操作沖擊電壓隨溫度的變化關(guān)系差異較大，雷電沖擊電壓情況下，隨溫度升高間隙擊穿電壓逐漸下降。王偉和陳仕修等研究了溫度對導(dǎo)線及針-板間隙電暈特性的影響[27-28]。研究表明，導(dǎo)線起暈電壓隨溫度的升高而降低，導(dǎo)線起暈電壓與起暈場強隨溫度變化大致呈線性關(guān)系。

實際山火過程中火焰高度未達到包絡(luò)導(dǎo)線的程度時也會導(dǎo)致線路跳閘，因此，火焰高度對輸電線路間隙擊穿電壓也具有較大的影響。陳孝明、吳田和尤飛等對火焰高度對輸電線路間隙擊穿特性的影響進行了研究[11，13，23]。研究結(jié)果表明，火焰高度橋接半間隙時的擊穿電壓明顯大于火焰高度全橋接線路間隙時擊穿電壓。針對這一問題，部分學(xué)者認為，造成這一結(jié)果的原因與火焰產(chǎn)生的羽流具有一定的導(dǎo)電性密不可分[29]。目前國內(nèi)外建立的山火模擬試驗平臺均考慮火焰完全橋接間隙，針對火焰高度變化對線路間隙擊穿特性的影響研究較少，且沒有做定量研究，獲得的結(jié)論難以真實反映線路間隙擊穿特性與火焰高度之間的關(guān)系。

山火條件下火焰溫度對輸電線路間隙擊穿特性的影響主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1）植被燃燒過程中產(chǎn)生的高溫、高壓使空氣氣體密度顯著降低，又由于氣體密度的降低，導(dǎo)致線路間隙電子崩和流注放電發(fā)展所需要的外部電場強度降低[30]。

2）火焰高溫降低了火焰中粒子熱電離和碰撞電離所需要的能量，從而增加了火焰中帶電粒子數(shù)量；同時在火焰高溫與熱氣流共同作用下抬升固體顆粒到達強電場區(qū)域，并觸發(fā)顆粒放電[22]。

3）火焰高度橋接全間隙時擊穿電壓明顯小于火焰橋接半間隙時的擊穿電壓[11]。

3 火焰高電導(dǎo)率致線路跳閘研究現(xiàn)狀

國外許多學(xué)者對火焰中的離子濃度即火焰電導(dǎo)率以及線路擊穿時火焰內(nèi)部通道電流進行了廣泛研究。McMullen和West采用長76 m，直徑為4.22 cm，相間間隙為7.6 m，相地間隙為10.7 m的兩根導(dǎo)線，導(dǎo)線加載495 kV高壓，模仿山火的木垛結(jié)構(gòu)燃燒平臺布置在線路正中間，裝置可靠接地。試驗過程中對裝置產(chǎn)生的泄漏電流進行測量，試驗初期檢測到100 μA左右的泄漏電流主要為電容電流，隨著火焰強度的增大線路中的泄漏電流也緩慢增大，臨近擊穿前，泄漏電流達到了2.3 μA，與此同時線路上的電暈放電增強，并產(chǎn)生明顯的可聽噪聲直至擊穿[31]。

Pedersen、Brown和Krumm等通過測量丙烷在空氣中的燃燒產(chǎn)物，得到火焰中108～109cm-3[32]的離子濃度。Mphale在溫度為730～1000 K時利用微波法測量得到火焰中電子密度為0.32～3.21×1016m-3[33]。植被燃燒過程中產(chǎn)生的帶電粒子對放電的影響與流注放電過程中產(chǎn)生的空間電荷極為相似[34]。同時Mphale進一步測量了桉樹葉在不同燃燒溫度下的電導(dǎo)率[29]。試驗發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的升高火焰電導(dǎo)隨之升高，當桉樹葉燃燒溫度達到976℃時，火焰電導(dǎo)率為0.58～0.79 S/m。Sukhnandan A分析了火焰中的放電發(fā)展，并計算了導(dǎo)線和火焰頂部由火焰電導(dǎo)率產(chǎn)生的電場[35]。通過計算認為，導(dǎo)線表面的電場畸變隨火焰電導(dǎo)率的增加而增強。Uhm H S研究表明，火焰典型離子濃度為1010cm-3[17]。1907年Gold測量得到火焰內(nèi)部的電導(dǎo)率為δ=7.2×106S/cm，當火焰中負離子的遷移率為104cm2Vs-1時，電子密度為4.5×109cm-3[36]。Reather通過霧室試驗證明，當離子濃度在106～108cm-3之間時，正電荷削弱了外加電場對電子的加速作用，導(dǎo)致電子的電離能力降低，電子崩的發(fā)展被減弱；當離子濃度超過108cm-3時，正離子形成較強的空間電場，流注放電過程加強，導(dǎo)致間隙電流急劇增加，因此，流注自持放電的條件是eαx＞108cm-3[37]。Pedersen、Mphale、Gold和Uhm H S等人通過不同的試驗及理論研究均表明，火焰中含有較高濃度的電子和離子，雖然不同研究人員所得出的離子濃度不盡相同，但所得結(jié)果均滿足流注自持放電的條件，因此，火焰中更容易激發(fā)流注放電。

植被燃燒過程中會產(chǎn)生水蒸氣和無機鹽，這些因素會導(dǎo)致大量帶電粒子進入線路間隙，從而增大間隙的電導(dǎo)率[38-40]。對此，國內(nèi)研究人員吳田、普子恒和尤飛等研究了KCl在火焰高溫條件下熱游離產(chǎn)生的電子和離子對線路間隙擊穿機理[13，16，23]。普子恒試驗表明，添加KCl之后，擊穿電壓較火焰條件下?lián)舸╇妷浩骄陆盗思s20%。尤飛試驗表明，添加KCl后，平均擊穿場強為69.8 kV/m，平均擊穿場強下降到相應(yīng)空氣條件下的20.4%，同時平均擊穿場強下降到未加KCl的木垛火焰條件下的27.3%。吳田試驗表明，相對純火焰燃燒情況下，添加KCl后間隙擊穿電壓最小值下降了33%。黃道春等通過對輸電線路間隙擊穿特性分析表明，在穩(wěn)定火焰中，濃度為10-6cm-3的堿金屬鹽熱電離使線路間隙產(chǎn)生大量的電子，導(dǎo)致火焰電導(dǎo)率升高[10]。試驗數(shù)據(jù)分析表明，在火焰中添加KCl后，間隙的擊穿電壓出現(xiàn)明顯下降，說明植被燃燒過程中產(chǎn)生的無機鹽對輸電線路間隙擊穿特性具有重要影響，但3人的試驗結(jié)果差異比較大，所得結(jié)論準確性仍有待進一步驗證。

普子恒和黎鵬等對木垛火條件下間隙的直流電壓擊穿特性進行了試驗研究[22，41]。研究表明，在火焰情況下，火焰中大量電子和負離子更容易被正極性電極吸引，形成較大的泄漏電流，并能發(fā)展形成電弧。在負極性電極情況下，由于正離子與電子相比體積較大，在火焰熱浮力作用下更容易四散，被吸引到電極附近的正離子數(shù)量較低，產(chǎn)生較小的泄漏電流。因此，直流線路間隙擊穿電壓具有極性效應(yīng)，且負極性擊穿電壓大于正極性。但此結(jié)論的準確性有待進一步驗證。

火焰中電導(dǎo)率增加對輸電線路間隙擊穿特性的影響主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1）火焰中電導(dǎo)率增加到一定程度時，會產(chǎn)生一種類似于流注放電特性，使間隙在較低電壓情況，被流注放電貫通形成擊穿[13]。

2）植被燃燒過程產(chǎn)生的大量電子和離子使火焰呈現(xiàn)出弱等離子體性質(zhì)，降低了火焰與線路間隙橋接時的壓降，從而導(dǎo)致整個間隙被擊穿[36]。

3）山火條件下，直流線路中擊穿電壓具有極性效應(yīng)，電極為正極性時間隙更容易擊穿[22]。

4 固體顆粒物致線路跳閘研究現(xiàn)狀

Chalmers最早發(fā)現(xiàn)空中顆粒物以帶電形式影響周圍環(huán)境電場[42]，Chalmers認為這一現(xiàn)象與輸電導(dǎo)線電暈產(chǎn)生的負離子有關(guān)。Hoppel最早從理論上研究了輸電線路電磁環(huán)境受空中荷電顆粒物的影響[43]。Hoppel根據(jù)在1980年提交給美國電科院關(guān)于“輸電線路電暈產(chǎn)生的離子附著于顆粒物上形成空間電荷”的技術(shù)報告，計算得出了直流輸電線路電場強度受到空中帶電顆粒物的影響[44]。研究結(jié)果顯示，在較干凈空氣中和中度污染空氣中分別有3%～4%、10%～13%的電暈離子被轉(zhuǎn)移到空中顆粒物，而在重度污染空氣中被轉(zhuǎn)移到空中顆粒物的電暈離子達到34%～42%。為進一步研究雙極性直流線路受到顆粒物的影響，Hoppel還計算了直流導(dǎo)線周圍的離子密度[45-46]。結(jié)果顯示，當顆粒物濃度為5×103cm-3時，相對于沒有顆粒物存在的情況下，距離導(dǎo)線外20 m處地面合成電場可增大約2.6倍，且地面合成電場隨著顆粒物濃度的增加而增加。

針對山火情況下固體顆粒物對輸電線路間隙擊穿特性的影響。1977年Sadurski K J和Reynders J P通過在空氣和火焰中引入顆粒后，空氣間隙的絕緣強度下降了20%～30%，而火焰中平均擊穿場強下降到7 kV/m[47]。日本研究者Naidoo P進行了類似試驗，研究工頻電壓下300 mm棒電極在500 mm的導(dǎo)線-導(dǎo)線間隙不同高度處的放電特性[48]。研究結(jié)果表明，擊穿電壓達到最低時，棒電極距離導(dǎo)線大約為10 mm，擊穿電壓達到極限值時，棒電極距離導(dǎo)線60 mm。同時Naidoo P研究了不同植被顆粒在間隙中不同位置時對間隙的絕緣強度的影響[48]。試驗發(fā)現(xiàn)，當顆粒物為高介電常數(shù)或高電導(dǎo)率材料時，隨著顆粒與高壓導(dǎo)體距離的減小，擊穿電壓發(fā)生顯著下降。墨西哥A.Robledo-Martinez等人通過分別燃燒甘蔗渣和甘蔗葉發(fā)現(xiàn)，試驗中甘蔗渣燃燒產(chǎn)生的碳顆粒平均尺寸為2.5 mm，而甘蔗葉燃燒產(chǎn)生的碳顆粒平均尺寸達到15 mm，燃燒甘蔗渣時，最大顆粒尺寸為5 mm，而燃燒甘蔗葉時，最大顆粒尺寸為40 mm，因此，不同的植被燃燒過程中產(chǎn)生的顆粒大小具有明顯的差異，當浮動電位顆粒出現(xiàn)在線路間隙時，間隙絕緣強度將會發(fā)生顯著下降[49]。Kubuki及Rizk通過將球形和棒形顆粒設(shè)置在導(dǎo)線-板、導(dǎo)線-塔及導(dǎo)線相-相間進行了試驗研究和數(shù)學(xué)模型計算，分析了放電通道中含有顆粒情況下的放電機理，通過前后電壓比Uc/U0和顆粒間隙比L0/d之間的關(guān)系從試驗和理論研究方面闡述了顆粒對間隙的影響[50-51]。Aroon Sukhnandan也進行了金屬顆粒及導(dǎo)線表面懸掛金屬棒對放電結(jié)果影響研究[52]。試驗結(jié)果顯示，當線路間隙布置金屬顆粒時，擊穿電壓隨著顆粒長度的增長而顯著降低，擊穿電壓下降的比例與顆粒鏈長度占總間隙比例相仿，這說明顆粒僅起到短接線路間隙即縮短實際擊穿有效距離的作用；通過將8 mm長黃銅棒懸掛在導(dǎo)線上進行放電試驗，得到在間隙距離為150 mm和180 mm的情況下，擊穿電壓分別為68.96 kV和73.25 kV。

國內(nèi)研究人員楊詠林和邵瑰瑋研究顆粒物對尖板電極電暈放電起暈特性的影響[53-54]。白金和許懷麗對顆粒物對尖板電暈放電伏安特性的影響進行研究[55-56]。研究結(jié)果表明，電暈放電特性是固體顆粒物產(chǎn)生的空間電荷與顆粒物自身對周圍電場畸變共同作用的結(jié)果，顆粒物對周圍電場的畸變效果隨顆粒物體積分數(shù)的增大而增大，隨著顆粒物體積分數(shù)增大，相當于線路間隙距離逐漸減小，因此越容易觸發(fā)放電，導(dǎo)線起暈電壓越低。鄧鶴鳴在氣固兩相介質(zhì)電暈放電領(lǐng)域中提出兩相體的擊穿電壓和路徑選擇上存在“粒徑效應(yīng)”，即顆粒物介電常數(shù)和體積分數(shù)對擊穿電壓的影響遠小于非氣相物質(zhì)顆粒粒徑的影響，顆粒粒徑的大小對放電發(fā)展的影響范圍也有關(guān)，顆粒對間隙擊穿電壓影響極限距離為偏離間隙軸線距離大于2.5倍顆粒粒徑[57]。普子恒通過攝像機記錄了火焰中顆粒觸發(fā)放電的過程[23]。研究證明了鄧鶴鳴所提出的顆粒物的“粒徑效應(yīng)”，當顆粒尺寸較大時，顆粒觸發(fā)放電更容易轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的電弧放電；并且通過試驗證明，當顆粒間的間隙為4倍的顆粒粒徑時，顆粒鏈短接間隙比達到20%，在標準大氣條件下，間隙的擊穿電壓將下降約20%，在山火條件下，間隙的極限擊穿電壓將下降約10倍。

黃道春和吳田等研究表明，固體顆粒物荷電飽和后對周圍電場的畸變范圍將增大到未荷電前的3倍左右，隨著顆粒長軸長度的增加和短軸長度的減小，顆粒對附近電場畸變程度增大，因此，形狀為針形的顆粒在火焰中更容易觸發(fā)放電，引發(fā)輸電線路跳閘[10]。

普子恒研究了將金屬顆粒物布置在棒-板間隙中后對空間電場的影響[30]。通過在高壓棒電極設(shè)置電壓100 V，板電極可靠接地，采用4根長度15 mm，相互之間間距為40 mm，曲率半徑0.5 mm的相同灰燼顆粒布置在400 mm長間隙通道中，其中棒電極到最上面顆粒之間距離為40 mm，結(jié)果表明，顆粒距離高壓電極遠近與其對空間電場的畸變程度無關(guān)，但是顆粒距離電極越近，顆粒周圍產(chǎn)生的畸變幅值越大，最大幅度可達到20%左右。國際大電網(wǎng)（委員會）報告指出，距離高壓端位置時，組合間隙存在一個最低放電電壓點[58]。國內(nèi)輸電線路帶電作業(yè)間隙操作沖擊電壓放電試驗表明，距離500～1000 kV特高壓模擬導(dǎo)線0.4 m的位置處存在最低放電電壓點[59]。

吳田和普子恒等通過試驗研究電極形狀對球-板間隙擊穿機理[13]。研究發(fā)現(xiàn)，植被燃燒過程中產(chǎn)生的大量顆粒在接近導(dǎo)線過程中觸發(fā)放電，部分顆粒粘附在電極上形成突出物，導(dǎo)致附近電場發(fā)生畸變。因此，電極本身形狀對電場的畸變被粘附在電極表面以及電極附近的顆粒所取代，電極形狀對電場畸變的影響可以忽略不計，故在山火條件下，電極形狀對擊穿電壓沒有影響。

火焰中固體顆粒物對輸電線路間隙絕緣性能影響主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1）對電場的畸變作用。植被枝葉燃燒過程中會產(chǎn)生尺寸較大的針狀顆粒，當這些顆粒進入間隙強電場區(qū)域時，顆粒會吸附電荷觸發(fā)放電，同時顆粒兩尖端會導(dǎo)致周圍電場發(fā)生畸變。

為了簡化分析，利用橢球性顆粒來分析灰燼等顆粒對電場的畸變。對于橢球性顆粒，在顆粒附近產(chǎn)生的畸變電場最大值Emax為[60]

式中：E0為背景電場強度；ε1、ε2分別為顆粒的介電常數(shù)和介質(zhì)的介電常數(shù)；a1、a2分別為橢球的長軸長和短軸長。

2）顆粒鏈短接線路間隙。植被燃燒過程中產(chǎn)生的大量顆粒形成顆粒鏈，顆粒鏈導(dǎo)致大部分線路間隙短接，如果顆粒周圍電場強度超過火焰中氣體的臨界擊穿電場強度，那么顆粒與顆粒間、顆粒與高壓電極間的間隙會被擊穿[16]。

5 山火模擬試驗研究現(xiàn)狀

國外最先開展了山火引發(fā)輸電線路跳閘試驗研究，主要采用山火模擬試驗的方法，考慮不同環(huán)境下輸電線路間隙擊穿特性研究。

美國電科院采用導(dǎo)線-地模擬山火試驗，導(dǎo)線對地高度H=10.7 m，導(dǎo)線相間距離S=7.6 m，模擬植被采用長寬高為4.9 m×3 m×3 m的木垛，試驗布置見圖1[61]。試驗過程中發(fā)生了幾乎相同次數(shù)的相地和相間放電?？紤]木垛所占間隙高度后平均擊穿場強為49.3 kV/m，相間間隙的平均擊穿場強為65.0 kV/m；不考慮木垛所占間隙高度，相地間隙的平均擊穿場強為26.7 kV/m。

圖1 美國電科院試驗平臺Fig.1 Test platform of EPRI in USA

加拿大水電研究中心Lanioe R等開展了在桉樹火條件下，±450 kV直流輸電線路間隙絕緣特性，試驗布置見圖2[21]。若不考慮桉樹所占間隙高度的情況，間隙平均擊穿場強為32.8 kV/m；若考慮桉樹所占間隙高度，間隙平均擊穿場強為58.4 kV/m。

圖2 加拿大水電站研究中心試驗平臺Fig.2 The hydropower station test platform of Canadian research center

墨西哥A.Robledo-Martinez等針對不同燃燒物及燃燒條件下不同距離空氣間隙的絕緣特性開展了試驗研究，模擬山火試驗平臺采用70 kV的三相交流線路，導(dǎo)線高度調(diào)整范圍為0.85～2.0 m，試驗布置見圖3[20]。

南非和巴西研究人員分別采用草原火災(zāi)和甘蔗等當?shù)卮硇缘闹脖换鹪?，模擬輸電線路山火試驗，火焰橋接間隙條件下，甘蔗火源平均耐受電場強度為35 kV/m，試驗布置見圖4[15]。

國內(nèi)武漢大學(xué)研究人員建立了火焰條件下間隙的擊穿特性模擬試驗平臺，該試驗臺考慮了更多參數(shù)，例如：高壓電極形狀（球形、細棒等）、植被種類，還能實時采集試驗過程中從電極穿過火焰間隙到達地面板電極泄漏電流的波形，試驗布置見圖5[13]。中國科技大學(xué)尤飛和陳海翔等模擬單股導(dǎo)線、雙分裂導(dǎo)線和四分裂導(dǎo)線在木垛火作用下對地面的擊穿特性試驗[16-17]。研究表明，依據(jù)木垛火溫度分布，通過計算可以得到高溫對擊穿電場強度下降的影響程度。

圖3 墨西哥試驗平臺Fig.3 Test platform in Mexico

圖4 巴西試驗平臺Fig.4 Test platform in Brazil

圖5 火焰條件下間隙擊穿特性試驗平臺Fig.5 Test platform of gap breakdown characteristics under fire condition

6 研究成果、存在不足及研究建議

6.1 山火致輸電線路間隙擊穿特性研究成果

國內(nèi)外研究人員對山火導(dǎo)致輸電線路間隙擊穿特性方面進行了大量模擬試驗研究，取得了較多具有價值的研究成果。

1）植被燃燒過程中的高溫高壓環(huán)境使空氣密度降低，進而使電子崩和流注放電發(fā)展所需要的外界場強降低，導(dǎo)致絕緣間隙擊穿場強發(fā)生顯著下降，實驗表明：山火條件下對于單股導(dǎo)線在穩(wěn)定火焰中和熄滅火焰中擊穿場強會分別減小到相應(yīng)空氣條件下的27.3%和48.4%。

2）植被燃燒過程中，水蒸氣、無機鹽和堿金屬鹽電離會產(chǎn)生高濃度的電子和正、負離子，通過實驗測量得到當火焰溫度達到500～800℃時，火焰中電子密度為0.32～3.21×1016m-3，正、負離子密度為1014～1016m-3。

3）通過在火焰中添加氯化鉀后，由于火焰高溫增強了氯化鉀電離能力產(chǎn)生大量帶電粒子，同時高濃度的帶電粒子使得間隙絕緣強度顯著下降，從而引發(fā)線路間隙擊穿，間隙擊穿電壓相對未加入氯化鉀前下降幅度最大可達到33%。

4）植被枝葉在燃燒過程中會產(chǎn)生針狀顆粒，這些顆粒會使其周圍電場發(fā)生畸變，火焰中針狀顆粒最大畸變幅度可使場強增加約20%，顆粒物激發(fā)放電范圍會達到8.83倍顆粒直徑。同時相互連接的顆粒鏈會短接線路間隙，使得間隙擊穿電壓降低，當顆粒鏈短接線路間隙達到20%時，山火情況下線路間隙擊穿電壓與正常運行情況相比下降約10倍。

6.2 山火致輸電線路間隙擊穿特性研究不足

目前，國內(nèi)外針對山火與輸電線路間隙擊穿特性的關(guān)系進行了廣泛研究，但對于山火導(dǎo)致輸電線路跳閘機理的認識仍舊停留在初步階段，對于指導(dǎo)山火導(dǎo)致的輸電線路跳閘等安全保護方面具有一定局限性。

1）理論研究方面，雖然正常運行條件下輸電線路場強的計算公式已得到國際認可，但針對山火條件下輸電線路電場強度的精確計算公式尚沒有給出具體的數(shù)學(xué)計算模型。研究表明，山火導(dǎo)致輸電線路間隙擊穿是火焰高溫、火焰高電導(dǎo)率和火焰中固體顆粒物等因素綜合作用的結(jié)果，目前國內(nèi)外研究人員尚沒有建立出三者與電場的耦合關(guān)系。

2）仿真研究方面，目前僅國內(nèi)少數(shù)研究人員對山火條件下輸電線路間隙擊穿特性進行仿真研究，且仿真研究基本集中在固體顆粒物形狀、大小以及顆粒鏈對線路間隙的放電特性影響方面，對于溫度、電導(dǎo)率等單種因素的定量研究以及多種因素的綜合作用機理研究較少。

3）實驗研究方面，首先，國內(nèi)外研究都采用山火模擬試驗平臺，該試驗平臺相比實際輸電線路結(jié)構(gòu)尺寸較小，難以綜合考慮實際輸電線路結(jié)構(gòu)類型、地理條件、氣象條件等參數(shù)。其次，采用山火模擬試驗時，研究手段較為單一，目前對于輸電線路間隙擊穿特性的研究均通過獲得間隙放電電壓以及測量泄漏電流波形進行研究，其他研究手段涉及較少。最后，模擬試驗多采用木垛作為燃燒材料，極少數(shù)國家采用當?shù)卮硇灾脖蛔鳛槿紵牧?，但燃燒材料均較為單一，所獲數(shù)據(jù)不能反映實際輸電線路走廊植被情況，所得結(jié)論存在局限性。

6.3 后續(xù)研究建議

為深入研究山火條件下輸電線路間隙的擊穿特性，掌握更加快捷有效的防治措施，為輸電線路安全穩(wěn)定運行以及運行維護提供指導(dǎo)，需要進一步開展以下研究：

1）建立山火條件下輸電線路電場強度的非線性數(shù)學(xué)模型，綜合考慮火焰高溫度、火焰高電導(dǎo)率和固體顆粒物3種因素相互耦合以及對輸電線路電場強度的影響，再利用山火條件下輸電線路電場強度的實測數(shù)據(jù)修正數(shù)學(xué)模型，實現(xiàn)對山火條件下輸電線路電場強度的精確計算。

2）開展山火條件下輸電線路間隙擊穿特性的仿真研究，定量研究燃燒材料、火焰溫度、電導(dǎo)率、固體顆粒、空間電場等因素對輸電線路間隙擊穿特性的影響，進而確定山火引發(fā)輸電線路跳閘的綜合作用機理。

3）建立更加完備的山火試驗?zāi)M平臺，綜合考慮不同的火源植被類型、線路走廊的地理環(huán)境、電壓等級以及電極類型等，通過模擬試驗獲得更加真實可靠的線路間隙擊穿特性數(shù)據(jù)，用于指導(dǎo)輸電線路火險預(yù)警。

由于山火導(dǎo)致輸電線路跳閘是多種因素綜合作用的結(jié)果，該過程復(fù)雜且現(xiàn)場實測難度較大，因此在數(shù)學(xué)模型建立過程中各種因素之間的耦合關(guān)系，仿真分析過程中邊界條件和參數(shù)的確定，試驗?zāi)M過程中對于各種因素的定量和定性控制、絕緣間隙放電發(fā)展過程的觀測和分析都需要進行進一步研究。

7 結(jié)論

1）輸電線路走廊發(fā)生山火引發(fā)跳閘時，線路自動化保護裝置會重合閘，但由于山火持續(xù)時間長，在此期間線路自動化控制會發(fā)生多次跳閘和重合閘事故，對輸電線路安全穩(wěn)定運行造成嚴重威脅，特別是隨著特高壓骨干網(wǎng)架的加快建設(shè)，山火引發(fā)輸電線路跳閘事故應(yīng)引起足夠重視。

2）山火導(dǎo)致輸電線路間隙擊穿是由于火焰高溫、火焰電導(dǎo)率以及固體顆粒物等因素綜合作用的結(jié)果。首先，山火發(fā)生時的高溫高壓環(huán)境使得空氣密度降低，進而電子崩和流注放電發(fā)展所需要的外界場強降低；其次，燃燒過程中產(chǎn)生的高密度電子和正、負電荷使線路間隙絕緣性能降低；最后，植被枝葉燃燒時產(chǎn)生的針狀顆粒物連接成顆粒鏈短接線路間隙，導(dǎo)致?lián)舸╇妷航档汀?/p>

3）目前，國內(nèi)外所建立的山火模擬試驗都沒有綜合考慮山火條件下火焰溫度、火焰電導(dǎo)率、固體顆粒物以及電場之間的耦合作用，所獲數(shù)據(jù)對于指導(dǎo)輸電線路設(shè)計、施工以及運行維護等方面具有局限性。

4）需要進一步從數(shù)學(xué)模型建立、仿真分析以及山火模擬試驗等方面對山火條件下輸電線路間隙擊穿特性進行深入研究。