山火引发输电线路间隙放电机理与击穿特性综述

山火引发输电线路间隙放电机理与击穿特性综述

刘福

广西电网有限责任公司来宾供电局 广西壮族自治区来宾市 546100

摘要：输电线路受到山火的影响后，线路的绝缘强度显著降低，这是由于在火焰高温影响下可以击穿线路，使得导电率显著提升，造成线路跳闸，进而威胁电网安全，以上现象与发生山火存在直接关系，不加以干预会威胁群众的生命财产安全。本文从线路间隙放电的基本原理入手，讨论输电线路具备的击穿特性，希望对相关研究带来帮助。

关键词：山火；输电线路；间隙放电机理；击穿特性

近年来我国多处林区电网受到山火威胁，进而出现大规模的间隙放电，当前输电线路具有覆盖面广、线路通道长的特征，部分线路穿越茂密的林区。如果在这些地区的输电线路管理疏忽会暴露在山火之下，会出现跳闸或者绝缘强度降低等情况，影响电力的正常输送，这就要求相关部门分析线路击穿特性和间隙放电机理，以此提升防火能力。

一、线路间隙放电的基本原理

当前情况下，诸多电网设置在植被生长茂密的林区，所以受到山火的威胁性更大，要求对山林地区的线路设置加强管理，明确线路击穿特点以及线路放电特征的差异性。从间隙放电的角度出发，山火击穿输电线路的状态具有不确定性，所以需要建立相关模型。当前线路间隙放电主要利用热游离模型、空气密度模型、颗粒触发模型和电导率模型，在全面构建模型的前提下对线路研究能够分析间隙放电的有关要素，其中主要考虑到火焰温度、灰烬颗粒、电导率，以上三方面因素会不同程度的影响绝缘强度，特定情况下线路会出现跳闸情况。输电线路在大气环境下可能会受到温度、湿度、气压以及其它因素的影响，比如温度升高、空气密度下降或者气压下降会影响间隙绝缘强度，当线路间隙达到相关条件时，比如电子吸附碰撞过程、电子自由形成空气密度都会产生不同影响。通过上述要素与击穿特性之间的关系分析，闪络电压主要受线路温度的影响，所以需要利用空气密度模型进行全面分析^[1]。

二、输电线路具备的击穿特性

对于输电线路来说，其主要作用在于提供电力资源，比如满足城市、乡村等地区人们用电需求，不过近年来部分输电线路受到山火等因素的影响导致整条线路的运行效能不足，所以需要对输电线路的山火威胁进行防控，因地制宜的加强保护，其中包括以下措施：

（一）线路导电率

间隙放电的特性本质上取决于粒子总数、粒子密度和离子种类，处于正常大气状态下线路放电现象与流柱存在直接关系。结合流注放电原理，前端电场和空间电荷也存在着密切关系，以上两个要素都对间隙击穿特性产生影响。此外，火焰温度的上升也会增强电子水平，出现高强度的可见光辐射以及紫外线辐射，这是由于林区中含有大量纤维素，而火焰当中含有大量的电子和离子，因此会在客观上增加电导率。

间隙的放电特征和间隙之间的离子种类密度相关，其中流柱是放电的主要过程。在火焰燃烧的过程中，紫外线辐射以及可见光能够体现出火焰分子，电子激发过程随着电子和离子的产生导致火焰在电场作用下容易出现放电和击穿。从电荷主要来源的角度讲通常来讲，火焰平衡状态下如果含有碱金属盐，那么碱金属的热电离成为了电离主要来源，尽管含量极少，但是依然可以产生大量电子。碱金属在植被无机盐成分下，钾盐占有较大比例，如果植被钾盐的质量分数达到3.4%，这些盐分会以离子或者有机结构结合的形式存在。营养物质的循环证实当植被燃烧效率达到98%，钾盐当中的28%处于离解挥发状态。从电荷影响的角度讲，植被燃烧过程中化学反应和碱金属热电离会产生大量电子。由于火花放电电流比离子提供的电流大，火焰需要足够电压产生电子和离子，以此保证电弧发展^[2]。

（二）火焰温度

受到火焰灼烧的影响，输电线路当中的部分碱土金属以及植被会迅速燃烧，导致电荷影响显著。究其原因，主要在于碱土金属受到热电力的作用出现电子能量增加，导致当前电流密度的特性受到影响，所以说在保护输电线路的过程中需要考虑到基本的电弧强度，火焰自身的导电特征也会受到外界电场的影响。

电气击穿与电压、温度、湿度等大气条件密切相关，这是由于大气压强、湿度、温度对空气密度以及电子自由行程产生影响，比如温度升高或者压强降低而造成间隙绝缘强度下降。近年来由于海拔升高造成间隙击穿电压下降成为研究热点。相关人员对空气和间隙放电的关系进行了分析，利用空气密度模型证实在同一空气间隙下闪络电压与温度密切相关，并且火焰中的气体密度会随着温度上升而下降。还有相关人员在高温状态下分析了雷电冲击，冲击电压与温度之间的关系证实，在雷电冲击下随着间隙冲击电压温度的上升而下降，还要相关人员对空气温度影响导电直流电晕特性进行分析，在零下15-40℃温度条件下，如果湿度不变化，随着温度升高下调导线的起晕电压发现空气温度和起晕电压存在线性关系。此外，在气压条件不变的情况下温度升高对放电影响体现在以下方面：其一，是增大电荷数量。火焰高温能够促进电离与热电离碰撞，增加火焰当中带电粒子数量；其二是电晕起始电压下降。如果气体温度发生变化，密度也会随之变化，导致电子平均自由行程发生改变。高温状态下的电子在电场当中强度下降随着温度升高以及空气密度下降，会导致电压以及电晕起始场强下降；其三，击穿电压的极性效应。当火焰温度较高时，击穿电压的极性效应十分明显。处于正负极性电压条件下，温度会对击穿电压以及起晕电压的影响存在差异

^[3]。

（三）颗粒影响

在击穿特性当中颗粒主要是受到介电常数和电导率的影响，如果把颗粒放置到气态介质、液态介质、固态介质当中会导致电导率差异性较大，随之绝缘性也会存在很大差异。具体说来：部分颗粒自身导电性显著，所以更容易触发放电，该情况下会降低间隙绝缘强度。此外，颗粒自身的电导率以及介质常数需要符合相关规律，在部分介质内部微小颗粒会触发放电，使得绝缘设施的绝缘强度迅速下降^[4]。

当固体液体和气体绝缘介质引入带有电导率的颗粒之后，介质的绝缘性会出现明显变化，比如处于真空状态下容易触发放电。从电场的畸变作用角度分析，颗粒进入间隙之后会导致颗粒附近的电场形变，还会对附近的电荷吸附，进而触发放电。颗粒在电场中的荷电机理受到颗粒粒径的影响，如果半径大于0.5微米，那么电场和电起到主要作用；如果颗粒半径小于0.2微米，扩散荷电发挥主要作用；当数值处于0.2-0.5微米之间需要同时考虑，结合颗粒触发放电以及颗粒粒径因素，山火当中的炭黑以及灰烬粒径普遍大于0.5微米。

结束语：

综上所述，在当前的电网建设过程中，架设输电线路需要避免山火隐患。因此在实践的过程中，必须考虑到线路间隙放电特征以及线路的击穿特征。当地林业部门需要采取多种措施减少山火发生与蔓延，以此保护林业资源，确保群众的正常用电。

参考文献：

[1]林登旅.山火引发输电线路间隙放电机理与击穿特性综述[J].数字化用户，2018，24(10):68.

[2]杨旗，曾华荣，黄欢.基于BP神经网络的输电线路隐患预放电识别研究[J].电力大数据，2020，23(3):47-54.

[3]曾华荣，杨旗，马晓红，.输电线路树障隐患预放电特征模拟试验研究[J].电气技术，2020，21(8):93-97.

[4]李延龙，寸杰宏，杨尚玉，.无人机技术在输电线路电晕放电检测中的实际应用[J].电工技术，2019，16(22):67-68，71.