吴 田，刘 凯，刘 庭，肖 宾，彭 勇

（中国电力科学研究院武汉分院，湖北 武汉 430074）

近年来极端气候频繁出现，2008年冰灾造成严重的输电线路倒塌和覆冰闪络事故［1－2］并造成大量树木死亡干枯，导致2009年出现大量的山火事故.2010年初中国西南地区出现罕见的旱灾，造成云贵两省出现大量森林火灾，导致经过这些区域的输电线路频繁跳闸，严重影响了电力外送［3］.2010年5月2日，1 000kV晋东南－南阳－荆门特高压交流试验示范工程输电线路长南I线31～33号部分线路对下方山火放电，导致长南Ⅰ线C相故障跳闸［4－5］.现有统计数据表明：极端天气下大规模爆发的山火严重影响输电线路运行的可靠性和电网的安全运行.随着中国电网的快速发展，特别是超特高压电网的建设，山火对电网的影响将越来越大，并且危害也将更为严重.当前，国内对输电线路在山火条件下绝缘特性方面的研究开展工作较少，在输电线路山火防治、山火条件下的控制与调度以及人员防护等方面都存在空白.笔者从输电线路因火击穿机理、绝缘特性等方面分析山火对输电线路外绝缘的影响，并结合山火特性和输电线路在山火条件下的电气特性，提出输电线路山火防治的技术措施.

1 山火对输电线路影响的研究现状

由于中国能源分布与负荷中心分布不平衡，电能生产后需经超、特高压输电线路远距离、大容量送到东部的负荷中心［6］，而这些输电线路跨越大量的林区和农业区.输电线路走廊附近的植被发生火灾时，会威胁火灾区域的杆塔及导线设备以及外绝缘的安全.山火主要特性为高温、电导率（电子及离子）以及大量的灰烬与烟雾，这些因素会对输电线路的杆塔、导线、绝缘子以及导线与导线和地面之间的电气与机械特性造成一定影响.

山火温度一般在600～2 000℃［7］，火焰的高温对铁塔、导线和绝缘子的电气和机械性能造成明显影响.如：2006年某供电公司所辖1条220kV输电线路因人为燃烧废弃物导致塔材失去强度而变形倾倒事故［8］.山火产生高温对导线的影响包括：导线因热膨胀而导致弧垂增大；导线在温度超过400℃以上就会失去部分弹性［9］；并且火焰高温会加快导线老化，甚至张力过大时导线在山火下出现断线事故.韩国的Sung－Duck K等人［10］通过测量ACSR导线在火焰高温下铝、锌和钢等材料的张力负荷和伸展率来评估导线的老化特性，表明随着导线暴露在火焰中时间的增加，导线机械强度急剧下降，并且ACSR导线劣化后，拉伸负荷低于正常状态，另外，在高湿和高温条件下导线腐蚀加快.因而输电线路下方发生山火后，要加强导线的外观与机械性能检查，及时更换或修补缺陷导线，确保线路的运行安全.

输电线路绝缘子在山火条件下电气与机械性能是线路可靠性的重要保障.韩国Se－Won H和Won－Kyo L分别研究了瓷与复合绝缘子在山火条件下的机械性能［11－12］，Se－Won H［11］采用温控电炉研究瓷绝缘子在热冲击下的机械性能，当温度高于300℃时绝缘开始失效并且暴露在火焰中的时间越长失效概率越大，并且绝缘子采用水淬火后出现明显破裂和裂纹.而 Won－Kyo L［12］研究了600～820℃火焰对复合绝缘子机械性能、工频干闪电压和冲击闪络电压特性的影响，研究表明绝缘子的电气性能没有明显劣化.但绝缘子劣化与暴露在火焰中时间长短有关，Won－Kyo L试验时绝缘子暴露在火焰中的时间不到2min，而Se－Won H的试验时间持续10 min以上.在输电线路走廊运行维护过程中，一般都会加强杆塔附近植被的清除工作，避免山火造成塔材失去强度而造成倒塔事故，并且绝缘子很少暴露在火焰高温条件下，因而绝缘子在山火条件下失效的事故报道很少.山火对绝缘子的另外一个影响就是导致绝缘子表面的污秽量增加，有可能导致污闪的风险.山火存在明显的热对流，大量的灰烬以及碳化颗粒被送入空中，一部分进入输电线路的相地和相间间隙影响线路的外绝缘特性，另外一部分积聚在绝缘子表面形成积污，增加污闪的风险.Fonseca J R［13］测量绝缘子在甘蔗火后的积污特性，大部分地区绝缘子的ESSD（Equivalent Salt Deposit Density）并不明显，仅在某些线路上，ESDD达到了0.1 mg/cm2.而Fonseca J R认为绝缘子在甘蔗火条件下绝缘强度的下降可以通过相对空气密度公式来进行修正，绝缘子串附近的温度取120℃，不考虑气压影响后，绝缘子的闪络电压下降到正常条件下的75%，与绝缘子淋雨条件下的闪络电压相当.然而，山火在燃烧过程会产生大量的荷电的烟雾与灰烬，这些颗粒物在直流绝缘子上的集聚与沉降将更为严重；桉树和松树等挥发油含量较高的植被在燃烧过程中，除了产生灰烬外，还生成大量炭黑，由于吸附性较强，吸附到瓷或复合绝缘子表面，有可能降低绝缘子的自洁能力，还有可能导致复合绝缘子憎水性的丧失，增加了复合绝缘污闪的风险.

植被含有大量的无机盐，其中碱金属盐和碱土金属盐因电离势低，在高温条件很容易产生热游离而 增 加 火 焰 的 电 导 率［14－17］.Mphale K M 等人［16－17］对野火的电导率进行大量测量与分析工作，植被火焰的电导率与其含有的碱金属盐含量以及火焰的温度直接相关，碱金属盐含量越大和火焰温度越高，火焰电导率就越高.Uhm认为火焰中离子对放电的影响类似于流注，能为放电通道注入大量的电荷［18］，而Wilson H A认为火焰中的电荷不能为电弧电流提供足够的电流，因而对放电发展的影响不大［19］.Sukhnandan A研究了火焰电导率对导线表面和火焰头部电场的影响，结合流注发展所需场强随温度降低的关系，分析了火焰距离导线不同距离下，发生击穿所需要的火焰电导率［20］.火焰中电子和离子，对山火中放电的影响类似于流注放电过程中通道内的空间电荷，畸变电场并为放电提供中子、电子和向放电通道内注入电荷等，因而山火电导率对放电发展具有重要影响.

输电线路因火跳闸多数发生在线路档距中间［13］，线路对地或植被净距较小等绝缘薄弱部位，因而输电线路的塔形、相间和相地距离对输电线路因火跳闸特性有较大影响［21－23］.Fonseca J R对巴西输电线路因火跳闸事故进行了统计，138kV以下电压等级的输电线路主要发生相间击穿，而230kV以上电压等级的输电线路主要发生相地击穿，同一电压等级线路相间距离较小时，发生相间击穿的比例明显增加.中国的统计数据也表明110kV以下电压等级的输电线路在山火条件下主要为相间闪络，而220kV以上电压等级的线路主要为相地闪络.但是，在某些地区220和500kV输电线路因山火出现相间跳闸的比例非常高，则是山火强度大并且线路的相间距离相对较小（如同塔双回和紧凑型线路等）.输电线路的塔形和导线布置决定了导线的相地和相间距离，而相地和相间距离对输电线路在山火条件下的绝缘特性有明显影响，韩国的Kim［21］和墨西哥 Robledo－Martinez［22］研究了导线的相间距离和导线布置对间隙绝缘性能的影响，并认为增大相间距离也可以有效增加输电线路在山火条件下的绝缘性能.

2 输电线路在野火条件下的绝缘特性

输电线路在野火条件下的相地与相间间隙绝缘发生剧烈下降而出现跳闸事故，并且重合闸常常失效而造成线路停运的严重事故.了解输电线路在野火条件下的绝缘特性，为输电线路的设计、运行维护以及山火条件下的紧急控制提供依据.在20世纪80年代，巴西、墨西哥和南非等国曾大面积种植甘蔗，农民燃烧甘蔗秸秆等造成输电线路出现大量跳闸事故［13，20，22］.因而这些国家的研究者主要对甘蔗等农作物火导致输电线路相地间隙击穿特性进行了研究.而美国、加拿大以及韩国的研究者主要针对山火导致线路跳闸的特性进行了研究.Fonseca J R研究了1m的导体－导体和导体－板间隙在甘蔗叶火下的耐受电压为35kV，并根据该耐受电压水平提出了不同电压在农作物火下的线路绝缘设计要求.墨西哥的 Moreno［24］研究了3m导体－板间隙在不同温度与燃料火焰条件下的工频闪络电压，如表1所示.在无火条件下，间隙的绝缘强度随温度的升高而降低，说明温度是导致间隙绝缘强度下降的主要因素，然而相比汽油或酒精火，甘蔗秸秆或枝叶燃烧的温度并不比两者高，而在甘蔗秸秆火焰条件下，绝缘强度下降更明显，Moreno认为是甘蔗秸秆燃烧秸秆的作用，显然该观点并不全面，农作物含有大量的无机盐，这些无机盐将明显增大火焰中离子和电子的含量.

表1 3m导体－板间隙在工频电压下的绝缘强度Table 1 Insulation strength of 3mconductor－plane gap under AC power frequency voltage

West和 MacMullam［25］采用两相试验线路，在线路下方摆放木柴燃烧，研究了导线－板间隙在火焰条件下的绝缘特性，研究结果为导线－导线间隙：65kV/m；导线－杆塔间隙：49.3kV/m.加拿大的Lanoie R和Mercure H P［26］采用对地高度13.7m，极间距离11.75m的极导线，极导线下方布置桉树，极导线对树木净距6.7m，2根极导线分别施加±450kV的直流电压，在树木燃烧过程中，当火焰距离导线1m时出现闪络.该研究据此采用33kV/m来设计直流输电线路在山火条件下的绝缘水平.含水分较高的树木可以视为导体，若除去树木后，间隙在山火条件下的击穿电压为67kV/m，美国电科院（EPRI）［24］采用2根长为76m、直径为4.22cm的导线，相间间隙为7.6m，相地间隙为10.7m，加压为495kV，在模拟线路中间布置3m×3m×4.9 m的木结构平台燃烧模仿山火，得到击穿水平为46.3kV/m.

Lanoie R［26］结合试验视频和试验电压与泄漏电流之间关系的分析，火焰电阻Rf和电阻率ρf范围：50kΩ＜Rf＜1 000kΩ，70×103Ω·m＜ρf＜500×103Ω·m.美国电科院对交流导线－板间隙在火焰下，在试验初期泄漏电流主要为100μA的电容电流，随着火焰的逐渐增强，在临近击穿前，泄漏电流达到了2.3mA［27］，说明山火火焰中的离子增加了线路间隙的导电率.而Mphale K M［19］对野火的测量也表明，植被燃烧过程产生的电荷明显增大了火焰的电子数量，电子的碰撞频率为1.0×1011s－1，最大电子密度为5.061×109cm－3.流注通道内正离子浓度约为1013cm－3，先导通道内离子浓度为nn＝2×1018cm－3，电子浓度ne＝4×1018cm－3.说明火焰燃烧过程中的电荷密度远小于流注和先导通道内的电荷密度，因而把火焰完全作为导电体来分析输电线路因山火击穿并不科学.

火羽是热对流体，随着火焰高度的增加，火焰中气体的温度降低，密度增大，因而绝缘强度随着高度的增加而逐渐恢复，特别是间隙被部分火焰桥接时，绝缘强度恢复比较明显，Lanoie［26］给出了火焰桥接不同比例间隙时的绝缘强度，当间隙完全被火焰覆盖时的绝缘强度约为正常条件下的1/7，并且随着火焰覆盖间隙比较的减小，绝缘强度逐渐恢复，因而提升导线对地高度或降低植被与火焰的高度是一种提高输电线路在山火条件下可靠性的有效手段.

山火有2个最明显的特征：温度高和灰烬与烟雾多.火焰温度对间隙绝缘强度的影响是多方面的，颗粒对间隙绝缘强度的影响也是一个很重要的因素，Sadurski K J［28－29］研究了灰烬等对空气和火焰中的击穿特性的影响，在含有灰烬的火焰中，绝缘强度下降到7kV/m，并且当间隙中含有大量颗粒时，电极外形对放电电压的影响就不明显，不同电极的放电电压几乎相同，这也说明颗粒能触发放电，明显降低间隙的绝缘强度.

3 输电线路因火跳闸机理

根据气体放电理论，大气条件、空间电荷以及导电颗粒都会对电子崩和流注放电的发展造成影响.而火焰体的高温、因氧化反应和热游离产生的电荷以及烟雾与粒径较大的灰烬都会对输电线路间隙的绝缘强度造成明显影响.因而根据山火的温度、空间电荷和烟雾与灰烬等因素，提出不同模型.

3.1 空气密度降低模型

最初由 West和 Mcmullam［25］于1978年对长间隙的绝缘特性进行了研究，给出闪络电压与温度和湿度之间的关系为

式中 H 为湿度校正系数；δ为相对空气密度；Vs为标准大气条件下的击穿电压；Vt为实际条件下的击穿电压.在山火条件下，空气密度对击穿电压的影响很明显，空气的相对密度确定：

式中 P为以水银高度为单位的气压，mm；T为温度，℃.由于山火中湿度的影响不大，可以忽略湿度的影响，得到

式（3）表明击穿电压与气压成正比，与温度成反比，温度越高，输电线路周围的相对空气密度越小，越有利于流注放电形成.

3.2 颗粒触发闪络模型

在山火过程中，除了产生大量的烟雾外，还有粒径较大的灰烬在热对流的作用下进入导线－导线和导线－地间隙.这些颗粒大部分为碳化的枝叶，具有较好的导电性，在火焰浮力作用下进入导线附近的强场区.这些导电颗粒一方面畸变电场、吸附电荷而触发放电，在火焰产生的高温和电荷作用下，增强了颗粒附近电场畸变的程度并降低了颗粒触发放电所需的场强，因而扩大了触发放电的范围.另外，这些颗粒与高压导线以及颗粒之间的放电相互吸引形成放电通道而短接大部分线路对地间隙而引发输电线路间隙被击穿.Sadurki（1977）最初对该现象进行了研究，试验表明当间隙长度整体被火焰覆盖时不会导致闪络，而当火焰覆盖了60%的间隙并且含有颗粒时则会导致闪络［29］.Naidoo P［30］也进行了类似试验，研究了不同植被颗粒在间隙中不同位置时对间隙绝缘强度的影响，发现高介电常数或高电导率的材料和颗粒在靠近高压导体时击穿电压下降最为明显.

3.3 电导率模型

电导率模型表明间隙的绝缘强度受火焰中电子和离子影响，随火焰中电荷的增加击穿电压下降.火焰中电子的来源有2个方面：①植被在氧化反应过程中生成的 H3O＋离子和CH3＋［18］，碳氢化合物在反应过程中生成电子和离子过程：

②植被的碱金属和碱土金属离子，由于电离势低，在火焰的高温下发生热游离，当火焰中含有碱金属和碱土金属［S（g）］的热游离时遵循以下过程［13］：

随着火焰温度的增加，火焰中的电子会明显增加，因而火焰的电导率会明显增加，Suknandan［20］通过计算认为，当火焰的电导率增大到一定程度时就会导致线路发生闪络.

3.4 热游离模型

热游离模型认为火焰导致空气产生明显的热游离，并且可视为导体，而火焰上方一部分烟雾区为绝缘体，而导线附近由于电晕放电等而存在一部分电荷区［31－32］.实际上热游离模型也考虑了火焰中离子对放电的影响，但火焰中的离子主要来源于植被的氧化反应和碱金属盐的热游离.所以明确火焰中离子的来源对山火的防治具有重要的意义，利用该特性可以对线路附近易燃且含有丰富碱金属盐的植被进行清理与控制.

4 分析与讨论

山火是一种涉及气体、固体和等离子的多相体，其放电特性受火焰温度、电导率和导电颗粒等多种因素的影响.火焰电导率（离子数量）随温度的升高而增加［16－17］.导线－地间隙下的电场分布、火焰的温度以及火焰电导率的分布特性如图1所示.根据气体放电常用的E/N 参数［33］，虽然在距离导线较远的位置，电场强度减小，而温度升高导致气体密度减小，因而E/N 并没有发生明显减小，另外在场强较小的区域，火焰温度高，电导率高，能为放电发展提供中子、电子以及向流注通道提供大量的空间电荷，促进放电发展.

图1 在山火条件下输电线路间隙的温度、电导率和电场分布特性Figure 1 Distribution characteristics of transmission line air gap under forest fire conditions

火焰中的颗粒对放电的发展有促进作用，体现在3个方面：①颗粒附近电场的畸变，触发局部放电，进一步增加了空间的电荷；②火焰中的高温和离子增强了颗粒触发放电的能力，高温降低了颗粒触发放电所需要的电场，而离子增加了颗粒畸变电场的能力；③当颗粒吸附到导线附近时，颗粒与颗粒之间的放电形成颗粒链短接大部分间隙并增强剩余间隙的空间电场，进一步促进放电，最终导致间隙被击穿.

通过上述分析，山火的温度、电导率和灰烬等参数随植被的不同而存在较大的变化，因而在不同火灾现场和试验条件下，得到了不同的闪络特性与机理.

以往的输电线路防山火技术措施没有考虑山火特性［31－32］，若结合输电线路在山火条件下的绝缘特性以及植被的燃烧特性，可以采取技术措施：

1）在山火多发地区采用耐热导线，避免导线在负荷和火焰高温条件下，弧垂过大而造成导线受损和对植被净距不够而出现跳闸事故；

2）对于220kV以上线路提升导线高度；对于220kV以下的输电线路增加相间距离，在条件允许的情况下提升导线对地高度；

3）在植被清理困难地区，种植高度不超过2m的不易燃烧的林木，并控制植被密度；

4）对输电线路走廊附近的松柏和杉树以及高度在1m以上的茅草，要设法清理.

5 结语

笔者分析了山火对输电线路杆塔、导线、绝缘子、相地和相间绝缘特性的影响，探讨了山火防治的技术措施，得到结论：

1）输电线路附近发生的山火可能导致铁塔强度降低而出现倒塌事故，导线在火焰高温的作用下则会加速老化、机械强度下降甚至出现断线的严重事故.

2）无论是瓷绝缘子还是复合绝缘子在山火条件下，其机械性能不会出现明显劣化，但在长时间的山火条件下，绝缘子表面的积污会明显增加，因而山火后需要加强绝缘子表面污秽的检测与清扫.

3）输电线路在山火条件下，绝缘水平发生剧烈下降，而跳闸的机理是火焰温度、电导率（空间电荷）以及烟雾与灰烬共同作用的结果，不同植被因这三方面的特性不同，线路在不同植被产生相同强度火焰下的绝缘特性也明显不同，利用该特性可加强线路附近植被的管理.

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