森林火灾下典型植被火焰条件下的间隙放电特性

森林火灾下典型植被火焰条件下的间隙放电特性

0山火跳闸事故原理随着我国经济的快速发展，对能源的需求正在持续增长。而我国用电负荷与发电能源分布不均衡,为满足负荷中心的电能需求,需要大容量、远距离传输电能,因此超、特高压电网发展迅速。很多输电线路不可避免地会经过植被茂盛的高森林火险地区。山火可能导致输电线路间隙绝缘强度下降而跳闸,影响电网的安全稳定运行。2001年至2008年10月,南网超高压输电公司所辖线路发生山火故障共37起。2009年1月至2010年8月期间,贵州电网220kV和500kV线路分别发生山火事故44、27起,其中,仅2010年2月就发生44起山火跳闸事故,其中220kV线路26起,500kV线路18起。湖南省2009年2月至4月共发生因山火跳闸事故13起,其中4起为500kV线路,其余为220kV线路。湖北2009年至2010年统计发生山火事故13起,其中500kV线路8起,220kV线路4起。根据整理的现有山火引发输电线路跳闸故障的统计数据表明,线路下方山火可能引起不同电压等级的输电线路发生单相接地、相间短路等故障,导致线路跳闸停运事故。根据国内外对山火条件下发生跳闸故障的研究,导致线路绝缘强度下降的主要原因包括:火焰中高温导致空气密度下降,燃烧化学反应和高温产生的大量带电离子,山火中的大量颗粒和灰烬产生的触发放电。国内外学者在颗粒对空气间隙放电的影响方面做了大量研究。间隙中因天气因素引入固体和液体颗粒、飞鸟及鸟粪、作业工具及检修人员等都会向线路间隙中引入浮动电位的物体。至于火焰的影响,Sadurki在1977年实验研究表明,当间隙长度整体被火焰覆盖时不会导致击穿,而当火焰覆盖了60%的间隙并且存在颗粒时则会导致击穿。NaidooP也进行了类似实验,研究了不同植被颗粒在间隙中不同位置时对间隙的绝缘强度的影响,发现高介电常数或高电导率材料影响最为明显,颗粒在靠近高压导体时,击穿电压下降最为明显。但NaidooP的实验是空气中而不是在火焰中,并不能真实反映火焰中颗粒触发放电的特点。由于植被燃烧产生的颗粒与灰烬特性不同,而且受到火焰温度、气流、大量带电离子等的影响,其放电特性与空气中颗粒有很大不同。因此本文通过对火焰情况下间隙放电的实验研究和仿真分析,研究了火焰中颗粒对间隙放电特性的影响。1方法和结果1.1模拟山火植被实验装置在火灾科学领域,木垛由于简单、对称、可重复等特点,常常作为一种稳定的火源。山火和木垛火都是扩散火焰,因此可以本文实验采用木垛火源来模拟山火。火焰条件下的工频电压放电实验装置如图1所示。该装置由实验电源、模拟山火植被的木垛或叶垛、电极以及测量系统组成。电极的主要形式包括导线-板电极、球-板电极以及棒-板电极。木垛和叶垛放在网状金属支架上,而金属支架放在耐热绝缘板上作为板电极,通过电流采集装置接地。通过悬挂绳索高度调节间隙长度。实验方法如下:使用不同尺寸的木垛(本文木垛为杉木)进行实验,点燃木垛,待燃烧稳定后逐步升压直到放电;在木垛燃烧旺盛、间隙被火焰包络,以及半火焰时期、燃烧后期,分别进行多次实验,采集记录电压、电流与温度等信息,同时使用摄像机同步拍摄放电情况。1.2炭黑火焰颗粒的变化植被完全燃烧的生成物主要是CO2、H2O、SO2和含碳、无机盐残渣的灰分以及灰分中能为烟气带走的较细粒子。但木垛火焰燃烧不完全,会出现黑烟,其中除CO2、H2O和飞灰外,还存在大量炭黑。炭黑的主要成分是碳粒,其尺寸很小,约在0.02~0.05μm范围,一般肉眼不可见。当火焰中含有炭黑时,其辐射力增强,火焰更加明亮。这些颗粒会聚集成较大(10~300μm)的颗粒,外形近似球形。采用差分运动颗粒粒径仪(DMPS)测量表明,木垛火焰生成颗粒粒径范围从0.01μm到超过43μm,并且双峰值为0.3μm和43μm。颗粒物质的成分在阴燃阶段和火焰阶段有明显差别:1~10%的物质由钾、氯、硫等示踪元素组成,并且阴燃阶段产生颗粒中示踪元素是火焰阶段的10~20%。颗粒中含有大量的K和Na等元素,这些碱金属元素在高温条件下,很容易被热游离,并且在电子碰撞颗粒表面时,很容易发生碰撞电离。颗粒等效介电常数远远大于火焰中空气的介电常数,而且木垛灰烬一般为碳化颗粒,电导率高。灰烬和木屑是植被燃烧过程中产生的大尺寸颗粒,为长条状。灰烬直径一般约为0.2~1mm,长度一般在1~7cm,也有形状不规则的。而在实际山火中,根据植被种类和山火强度,灰烬尺寸范围可能更大。1.3颗粒运动轨迹为得到火焰中颗粒与灰烬的运动情况,使用了21cm×21cm×10cm的方形桉树叶垛进行燃烧。燃烧后期在导线上施加50kV电压,悬挂导线与板间距50cm,记录了灰烬在电场下的运动轨迹,如图2。灰烬等颗粒在热对流作用下接近导线时,在导线附近会因电场极化增强而受到电场力作用。灰烬颗粒在火焰中的运动轨迹无法观测,而当颗粒处于半火焰区时,采用摄像机拍摄颗粒的运动过程。图2中,定义0ms时颗粒的位置为17.6cm,则每隔40ms其位置依次为26.2cm、35.2cm和42.3cm。通过颗粒在每帧的位置计算颗粒的平均运动速度,估算得颗粒在3个区间的运动速度为分别为2.15m/s、2.25m/s和1.78m/s。1.4木垛尺寸对火焰高度的影响为分析木垛大小对火焰温度及颗粒的影响,分别设计了21cm、33cm的木垛进行了相关的实验。2种木垛燃烧稳定后产生的火焰高度分别为62cm和90cm。对2个木垛火焰的温度进行了测量,都在810~900℃范围内。随着木垛尺寸增大,火焰中的颗粒量明显增多,如图3所示。21cm和33cm的木垛条件下,55cm间隙的击穿电压分别为48.3kV和45.5kV;其中在33cm木垛的实验过程中,出现了大量的颗粒,间隙在41kV下即发生击穿。1.5导线-板间隙泄漏电流的确定为研究火焰中带电离子对颗粒触发放电的影响,在不同植被条件下,利用高压直流发生器对间隙加压,测量间隙的泄漏电流。纯空气条件下,对于长40cm的导线-板间隙,加载直流电压-5kV时,泄漏电流小于1μA。选取21cm×21cm×10cm的桉树、杉树、松树的叶垛以及木垛分别作为燃料,将间隙距离调整为50cm并加载直流电压,测量泄漏电流所得的结果如表1所示。2分析与讨论实验结果2.1野外激发对比实验中,桉树叶火焰熄灭后,灰烬在热对流作用下上升,在接近导线的强电场区过程中,明显受到电场力的作用而接近模拟导线。当颗粒较多时,它们会沿着电场线排成一条线,形成颗粒链短接部分间隙而导致间隙击穿。由图2可以看出,即使在燃烧后期,前段距离灰烬的运动仍主要由热对流提供,在接近强电场区域的时候才明显受到电场力的影响向导线运动。实际发生山火时,由于燃烧更猛烈,加上风势的影响,未完全燃烧的木屑在热对流和风力的作用下飘向远方引发新的山火,导致大范围火灾事故。很多研究者对灰烬和大颗粒在火羽中的运动特性进行了研究。在输电线路下,植被附近电场强度最大可以到达10kV/m左右,而这个电场强度下由于颗粒荷电量小,受力较小,与风力和热对流产生的拉力相比可以忽略。而且野外山火火势大,热对流更加强烈,颗粒主要受热流场产生的拉力,飘向植被上方,接近导线。颗粒在火焰中的运动速度、抬升的颗粒粒径以及上升的高度等都与颗粒密度和山火强度有关。因此,山火强度越大,颗粒密度越小,进入线路间隙中颗粒的粒径越大,颗粒数也越多,在触发放电后短接间隙的长度也越大,间隙的击穿电压下降也越明显。2.2颗粒触发放电分析当木垛火焰完全包络导线时,每当颗粒靠近导线,局部放电就会增强,甚至出现明显的电晕放电声音。在全火焰区中,颗粒触发放电现象难以观测。但当火焰刚好接触导线时,由于火焰的紊流振荡,可以观测到颗粒触发放电形成的微弱电弧。图4给出了一组火焰几乎完全包络导线时颗粒触发放电过程示意图。当火焰包络高压模拟导线时,颗粒在接近模拟导线时就会产生明显的颗粒触发放电,泄漏电流的幅值约2mA,而颗粒触发放电的电流脉冲幅值接近100mA,显然会形成微弱的电弧,由于电场强度太小,且火焰中电子和离子不能提供电弧发展所需要电流,电弧就会熄灭,如图5所示。在木垛燃烧后期,火焰只达到间隙的一半区域,所以此时更容易观测到颗粒触发放电现象。当火焰高度减小,仅覆盖一半间隙时,可清楚观测到颗粒触发放电后出现的电弧,如图6所示。火焰中电弧向间隙上方漂移,所以事故现场导线表面的电弧灼烧的痕迹有部分位于导线上表面。参文中提出,两相体的击穿电压和路径选择上,存在非气相物质颗粒粒径的影响远大于颗粒物介电常数和体积分数影响的粒径效应,颗粒对流注放电发展的影响程度与颗粒的尺寸正相关,颗粒越大触发放电的能力越强。颗粒在火焰中放电存在明显的粒径效应,大尺寸颗粒触发的放电易转变为稳定电弧放电。通过摄像机记录了多次实验中颗粒触发放电的过程,很好地证明了这一点。如图7中2次不同尺寸的颗粒触发放电过程:灰烬的尺寸为3cm时,触发放电形成了微弱的蓝色电弧,如图7(a),由于没有转变为稳定的电弧而熄灭;随后一次灰烬的尺寸为5cm,触发放电后形成稳定电弧,如图7(b)所示。颗粒粒径越大,在火焰中的荷电量越多,畸变电场的能力越强,并且电场畸变的范围也越大,触发放电能力也越强,触发放电后电弧短接间隙的比例越大,越容易形成稳定的电弧。2.3非典型辐射的影响1浮动导电电极内放电当颗粒接近高压电极时,无论电极电压为正极性还是负极性,由于正极性流注放电更容易放电,大多数情况下在电流的正半波出现明显的高幅值脉冲,颗粒与电极之间的气隙被局部电弧短接;当颗粒和电极具有相同电势后,颗粒与电极之间交替出现间歇性电弧;电弧熄灭后,颗粒成为悬浮电位导体,导致颗粒靠近主间隙侧的电场波动。当间隙中存在悬浮电位导体时,随着浮动导体在间隙中位置的变化,一定存在一个最低放电点。根据国际大电网(委员会)的报告,组合间隙在距离高压端1/3~1/4位置时有一个最低放电电压点。而国内500~1000kV特高压输电线路带电作业间隙操作冲击电压放电实验表明,最低放电电压点位于距离模拟导线0.4m的位置处。Naidoo采用500mm的导线-导线间隙,研究了工频电压下300mm棒电极距离高压导线不同位置的放电特性,结果表明:颗粒在距离导线大约10mm时,击穿电压达到最低;随着距导线距离的增大,击穿电压逐渐升高,在距导线60mm时达到饱和。因而颗粒触发放电的范围与其粒径有关(对于针形颗粒则为轴向长度),粒径越大,其触发放电范围也越大。因而对于一定粒径的颗粒,在距离高压电极的特定间距时存在一个最低放电电压点。2间隙击穿电压对于多个浮动电位颗粒分布的间隙,为简化分析设颗粒为球形并且在间隙中均匀分布,当第1个颗粒距高压电极为30%间隙长度位置且颗粒短接间隙比在10%以下时,颗粒间的平均间距为颗粒长度的6倍,组合间隙的击穿电压提高了约10%,考虑到颗粒短接了10%的间隙长度,因此间隙总体绝缘水平相对来说不变;当颗粒短接间隙比增加到20%以上时,颗粒间平均间距为颗粒长度的2.5倍,组合间隙击穿电压约为80%,考虑被短接的间隙部分,击穿电压下降到原间隙的60%左右。邓鹤鸣分析了颗粒粒径与电场畸变范围和放电路径选择概率之间的关系,认为颗粒粒径越大,电场畸变范围越大,并且颗粒畸变电场范围约2.5倍粒径。在大气条件下,当背景电场强度能满足流注发展要求时,颗粒之间的放电可以为自持放电。当第1个颗粒与高压电极之间的间隙被击穿后,第1个颗粒起始正极性流注放电,而在另外一个颗粒的一段起始负极性流注。当该负极性流注汇入正极性流注后,其电子崩被抑制,大量的空间电荷汇入颗粒,在颗粒的另一端起始新的正极性流注。放电在颗粒之间逐级发展,流注在接近下一个颗粒过程中,流注被颗粒捕获而形成电弧。颗粒之间的间隙被电弧短接,形成颗粒链,随着施加电压的升高,被电弧短接的颗粒越来越多。颗粒之间间隙击穿与颗粒间电场密切相关,在靠近高压电极的一个颗粒与电极间的间隙被击穿后,逐步向远离高压电极的方向发展,类似于“多米诺”效应,最终导致整个间隙被击穿。所以距离高压电极最近的颗粒在触发放电过程中具有重要的作用,其中颗粒粒径对放电发展的影响尤为关键,这与实验观测分析得到的颗粒触发放电的“粒径效应”相一致。2.4颗粒触发放电能力山火是一种扩散火焰,固体燃料产生的挥发成分与空气相互扩散并反应。火焰中的烟雾颗粒完全燃烧需要在800℃以上环境中暴露比较长的时间,然而当这些颗粒脱离反应区后就变为烟雾。因而木垛火焰多为不完全燃烧。木垛火焰的主要成分是高温空气,电子和离子、烟雾与灰烬的混合体,并且颗粒在热羽流的下游端(接近高压电极端),因流场作用导致空气密度比上游端低。并且实验中火焰特别是叶垛火焰中含有大量的K和Na等元素,它们极易被电离。这些因素影响使火焰中多颗粒系统触发放电有如下特点:1)高温与上升的热气流更易抬升颗粒到强电场区域,并促进颗粒的触发放电。颗粒与导线间隙以及颗粒间的间隙击穿的最小电压为Uamin=Ecrd(Ecr为间隙击穿的最小场强,d为间隙长度)。在火焰高温(1000℃)条件下,流注放电发展所需要的场强近似为Efcr=δEcr(δ为温度的影响系数),下降到标准大气条件下的23%,这样颗粒触发放电的范围就更大,更容易形成颗粒链。如图8所示,在不考虑颗粒荷电量对电场E影响情况下,导电球形颗粒处于背景电场强度为E0的间隙中时,颗粒畸变电场的范围为2.83D(D是粒径),若颗粒触发放电的临界电场强度EC1为7E0,在标准大气条件下颗粒不会触发放电。而当颗粒处于火焰中时,火焰的高温导致颗粒触发放电的临界电场强度下降到1.4E0,颗粒触发放电的范围为1.25D,所以在火焰中颗粒触发放电的能力明显增强。当颗粒在热流场的作用下接近强电场区,颗粒在标准大气条件下触发放电的临界电场强度EC2为5E0,若火焰高温导致颗粒触发放电的临界电场强度下降到E0,那么颗粒触发放电的范围增加到2.83D,颗粒触发放电的范围明显增大。因而火焰中高温以及热流场把颗粒送入线路附近的强场区是导致山火中颗粒触发能力增强的重要因素,且当火焰中混入颗粒后,间隙击穿电压会明显下降。2)植被火焰产生大量的炭黑颗粒,电导率高。且炭黑颗粒电离势低,有利于放电的产生。在火焰高温和流注放电的光电效应和场致发射作用下,炭黑颗粒会向流注通道内注入大量的电子和电荷,促进流注放电的发展。另外在颗粒的电场力作用下,大量炭黑颗粒会吸附到灰烬颗粒上,增加灰烬的长度,增大颗粒触发放电的范围。3)火焰气流的特性决定了在颗粒荷电条件下,在颗粒的迎风端气压较高但场强也高;而在颗粒逆风端,场强较低但是气体密度也较低,流注发展的过程中也较容易触发放电。颗粒间间隙容易被流注击穿而形成电弧,颗粒链的长度增加,触发放电的能力随之增强。4)植被火焰中含有大量的K和Na等碱金属和碱土金属盐类,会提供大量离子。由表1中可看出,在K,Na等元素含量大的叶垛火焰中,泄漏电流峰值较大,且图4中泄漏电流波形有许多脉冲,显示了颗粒触发放电引起的电流瞬间增大。钾盐和炭黑的电离能很低,分别为4.34eV和4.35eV,在火焰中由于高温及化学反应发生电离,因而提供更多的带电离子和颗粒。而且叶垛的燃烧过程中会产生更多更大的颗粒和灰烬,其触发放电也更强烈。山火中电子和离子浓度都很高,一般在109~1012cm-3范围内,灰烬会明显荷电。在火焰中这些颗粒易形成颗粒链,短接大部分空气间隙。此时畸变电场的范围明显增大,并且在背景电场相同的方向上,电场畸变明显增强,范围明显增大,更容易形成链式放电而短接大部分间隙,如图9所示。临界电场强度为EC1=7E0,在大气条件下颗粒不会触发放电,当间隙中温度升高后,电晕起始电压和流注发展所需要的场强按照相应比例下降。若因温度升高,流注发展场强下降到标准大气条件下的1/5时,颗粒触发放电范围为5.5D。当颗粒接近强电场后,背景电场强度增强,临界电场强度EC2=5E0,在大气条件下,颗粒也能触发放电。若颗粒位于火焰中,触发放电的范围增加到8.83D。当颗粒短接间隙的比达到20%时,颗粒间的间隙为4D,在标准大气条件下,间隙的击穿电压下降约20%。而在火焰中,极限的击穿电压将下降约10倍。3颗粒畸变特性分析为分析棒-板间隙在木垛火条件下,灰烬等颗粒对间隙击穿特性的影响,对多浮动电位颗粒对电场和电位分布的影响进行了仿真,计算模型的具体参数如图10所示。计算中在棒电极加载电压为100V,板电极加载零电位。根据棒-板间隙布置,间隙长度Lg为40cm,颗粒与棒间距L1为40mm,颗粒间距离L2设为40mm,均匀分布。颗粒间隙实验过程中灰烬的平均长度为15mm,因此