单相触树接地故障引燃特性及模型分析.pdf
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1、消防理论研究Fire Science and Technology,August 2023,Vol.42,No.8单相触树接地故障引燃特性及模型分析宁鑫1,何鑫2,王军2,孙章2(1.国网四川省电力公司电力科学研究院,四川 成都 610041;2.西华大学 电气与电子信息学院,四川 成都 610039)摘要:针对单相触树引燃植被进而引发森林火灾问题,为明确植被的引燃特性与温升机理,搭建试验平台对导线接触松木进行研究,分析导线触树引燃植被过程中的引燃现象与温度变化。分析发现植被引燃分为初始接触、水分蒸发、炭化通道、蔓延贯穿 4个阶段;同时,泄漏电流受温度影响也呈现出明显的4 个发展阶段特点;植被
2、温度升高的热量来源于电流热效应与物体传热。根据热量作用途径与温升机理,提出计算燃点-时间的温升模型,对植被蔓延至不同位置的明火时间进行预测分析。验证结果表明,计算模型具有较高的准确性,对指导线路引发森林火灾防治工作具有重要意义。关键词:单相触树;森林火灾;引燃特性;温升模型;明火时间中图分类号:X954;D631.6 文献标志码:A 文章编号:1009-0029(2023)08-1046-05配电线路故障多且危害较大,调研发现最易发生的故障为单相接地故障,占比约为 80%1。特别是,架空线路单相高阻接地故障中有一部分是导线触树接地故障。配电线路由于风偏、断线坠落等产生单相触树接地故障2-4(T
3、reecontact Singlephasetoground Fault,TSF),可能导致树线放电引燃植被。架空线路故障也是引发森林火灾的原因之一5-6,如 2009年澳大利亚发生的“黑色星期六”特大森林火灾7和 2020年美国加州山火,均为树线矛盾接地故障引起。现阶段,树线放电,引燃植被过程中的电压、电流、阻抗、温度等参数演变复杂,引燃机理尚未完全掌握,亟待研究。针对上述问题,SULLIVAN A 等8开展了树枝搭接高压导线引燃试验,获得引燃现象及泄漏电流变化特点。梁栋等9建立了 TSF 仿真模型,重点研究故障识别方法。丛子涵等10开展单相触树接地故障初期的仿真研究,分析了树线接触位置的电
4、弧特性,关注了接触位置的电弧作用。目前的研究中针对温升机理与温升对泄漏电流的影响特性尚未明确,缺乏不同位置温升及引燃时间的计算模型。本文针对 TSF 条件下植被引燃问题,搭建试验平台,以松木为对象重复试验,分析引燃过程的泄漏电流及温度的演变规律,探究泄漏电流与温升之间的影响特性,并从热量作用途径角度揭示植被引燃机理;研究建立植被温升数值计算模型,对植被不同分布位置的燃点,即引燃时间进行预测,实现对植被引燃蔓延全过程的掌握。1TSF模拟试验搭建的 TSF 模拟试验平台见图 1。三相变压器额定容量为 100 kW,变压器输出与 LGJ-120 钢芯铝绞线相连,该线型常用于国内 10 kV 配网线路
5、;线路电压由高压探头测量;马尾松试验样本与升降台连接,为防止回路噪声干扰以及过电流,采用功率为 100 W、阻值为 1 的无感采样电阻接地,流经植被的泄漏电流由电阻两端电压得出。示波器为 PicoScope-4000A 系列,采样频率为 5 kHz,带宽为 20 M,实现对故障电压与电流数据全程采集。红外热像仪 FLIR-T640 温度范围为 02 000,温度分辨率为 0.1,用以记录植被整体温度,高速摄像机记录植被引燃及火蔓延现象。每组试验的试验样本是同株植被树枝截取,制备长度、尺寸一致的多段,利用烘干箱对样本进行绝对含水率控制。样本绝对含水率计算11见式(1)。AMC=M1-M2M2 1
6、00%(1)式中:M1为样本湿重;M2为样本绝对干重。绝对干重的通用测试方法参照文献 12:每组样品取 3 个试样进行处理,在 105 下烘干 8 h 后,每隔 2 h 称量试样 1 次,直至两次称量之差不超过试样质量 0.5%时的值。试验时,保证无风,环境温度为 2628,空气相对湿度为 79%。试验中,控制样本升降,模拟坡面树枝向外伸展接触导线,并确保样本与导线紧密接触,试验次数不少于 10次。工频电源升压变压器红外热像仪高速摄像机裸导线电压探头示波器采样电阻升降台图 1TSF模拟试验平台Fig.1TSF simulation test platform基金项目:国家电网有限公司科技项目资
7、助(521997220001)2试验现象及特性分析2.1试验现象综合多组试验,样本引燃过程典型试验现象如图 2所示。根据试验现象,引燃过程可大致分为 4个阶段。(1)初始接触阶段。树线接触位置产生高温电弧,灼烧样本,形成局部火焰。(2)水分蒸发阶段。此阶段产生大量白色雾状水蒸气喷出现象,并伴随水蒸气析出的啸叫声,表层斑状炭化通道开始发展。(3)炭化通道发展阶段。炭化通道向前发展,火焰沿炭化通道剧烈燃烧。(4)蔓延贯穿阶段。火焰通道贯穿样本,火焰通道内产生间歇性电弧,短时间后即发生跳闸。2.2植被不同位置的温升-时间特性分析利用 JL-DW-02型点着温度测定仪进行多组重复试验测量,松木样本燃点
8、约为 270,温度到达植被燃点后植被开始燃烧,植被温度测量如图 3所示。由图 3(a)可知,初始接触时,接触点 A 点附近由于产生电弧,温度较高且有局部火焰,距离 A 点越远温度越低,如 B 点、C 点;随着炭化通道向前发展,植被其他位置温度上升,如图 3(b)所示,B 点温度上升至 250;随着 B点燃烧,炭化路径进一步发展,C 点温度上升,如图 3(c)所示。对 C 点的温度变化进行分析,如图 4所示。C 点的起始 温 度 是 环 境 温 度,为 26.2 ;25 s 时,温 度 升 高 到100,当植被内部温度达到 100120 时,高温蒸发植被内部水汽而产生压力13,观察到有大量水汽从
9、树皮破裂处喷出;4050 s区间,C点温度快速上升,超过 270,C 点产生炭化通道并伴有明火;随火焰燃烧剧烈程度增大,C点温度进一步快速提高。由以上分析可得,植被温度的变化也存在阶段现象,并非呈现出简单的线性上升趋势。2.3植被温升-泄漏电流特性分析为了更好地描述泄漏电流的变化规律,计算泄漏电流的有效值,如式(2)所示。Irms=1Ti0Tii2dt(2)式中:Irms和 i分别为电流有效值和电流瞬时值;Ti为电流周期。取典型试验样本,测量并求解泄漏电流有效值曲线,如图 5所示,泄漏电流同样具有阶段性。温升可引起植被电导率增大14、植被表层炭化、含水率减小,造成植被等效电阻变化。将从 4个阶
10、段分析温升对电导率的影响。I 阶段:接触点的高温使木质炭化并产生明火,电流焦耳热引起样本温度升高。木材的电导率 可以表示为式(3)15。log =D-0.434U02RT(3)式中:D 为常数;U0为真空中离子的电离能;R 为气体常数;T为绝对温度;为物质的介电常数。由式(3)可知,随温度的升高,T 增大,植被电导率增大,因此第阶段泄漏电流呈现逐渐上升趋势。水气(a)初始接触阶段 (b)水分蒸发阶段(c)炭化通道发展阶段 (d)蔓延贯穿阶段图 2引燃过程典型试验现象Fig.2Typical phenomenon of ignition process352.0 38.5 45.7 最大:528
11、.9 最小:33.6 538.1 250.1 110.1 1最大:603.7 最小:30.0 515.8 507.7 112.1 1最大:739.1 最小:32.2 1(a)第一阶段(b)第二阶段(c)第三阶段图 3引燃过程红外成像图Fig.3Infrared image of ignition process时间/s0 10 20 30 40 50 60 70500450400350300250200150100500温度/270 图 4C点温度变化曲线Fig.4Temperature change curve at point C时间/s0 20 40 60 80 100 1203210电
12、流有效值/A图 5流经样本泄漏电流有效值曲线Fig.5RMS value of leakage current flowing through the sample1046消防科学与技术2023年 8 月第 42 卷第 8 期2试验现象及特性分析2.1试验现象综合多组试验,样本引燃过程典型试验现象如图 2所示。根据试验现象,引燃过程可大致分为 4个阶段。(1)初始接触阶段。树线接触位置产生高温电弧,灼烧样本,形成局部火焰。(2)水分蒸发阶段。此阶段产生大量白色雾状水蒸气喷出现象,并伴随水蒸气析出的啸叫声,表层斑状炭化通道开始发展。(3)炭化通道发展阶段。炭化通道向前发展,火焰沿炭化通道剧烈燃烧
13、。(4)蔓延贯穿阶段。火焰通道贯穿样本,火焰通道内产生间歇性电弧,短时间后即发生跳闸。2.2植被不同位置的温升-时间特性分析利用 JL-DW-02型点着温度测定仪进行多组重复试验测量,松木样本燃点约为 270,温度到达植被燃点后植被开始燃烧,植被温度测量如图 3所示。由图 3(a)可知,初始接触时,接触点 A 点附近由于产生电弧,温度较高且有局部火焰,距离 A 点越远温度越低,如 B 点、C 点;随着炭化通道向前发展,植被其他位置温度上升,如图 3(b)所示,B 点温度上升至 250;随着 B点燃烧,炭化路径进一步发展,C 点温度上升,如图 3(c)所示。对 C 点的温度变化进行分析,如图 4
14、所示。C 点的起始 温 度 是 环 境 温 度,为 26.2 ;25 s 时,温 度 升 高 到100,当植被内部温度达到 100120 时,高温蒸发植被内部水汽而产生压力13,观察到有大量水汽从树皮破裂处喷出;4050 s区间,C点温度快速上升,超过 270,C 点产生炭化通道并伴有明火;随火焰燃烧剧烈程度增大,C点温度进一步快速提高。由以上分析可得,植被温度的变化也存在阶段现象,并非呈现出简单的线性上升趋势。2.3植被温升-泄漏电流特性分析为了更好地描述泄漏电流的变化规律,计算泄漏电流的有效值,如式(2)所示。Irms=1Ti0Tii2dt(2)式中:Irms和 i分别为电流有效值和电流瞬
15、时值;Ti为电流周期。取典型试验样本,测量并求解泄漏电流有效值曲线,如图 5所示,泄漏电流同样具有阶段性。温升可引起植被电导率增大14、植被表层炭化、含水率减小,造成植被等效电阻变化。将从 4个阶段分析温升对电导率的影响。I 阶段:接触点的高温使木质炭化并产生明火,电流焦耳热引起样本温度升高。木材的电导率 可以表示为式(3)15。log =D-0.434U02RT(3)式中:D 为常数;U0为真空中离子的电离能;R 为气体常数;T为绝对温度;为物质的介电常数。由式(3)可知,随温度的升高,T 增大,植被电导率增大,因此第阶段泄漏电流呈现逐渐上升趋势。水气(a)初始接触阶段 (b)水分蒸发阶段(
16、c)炭化通道发展阶段 (d)蔓延贯穿阶段图 2引燃过程典型试验现象Fig.2Typical phenomenon of ignition process352.0 38.5 45.7 最大:528.9 最小:33.6 538.1 250.1 110.1 1最大:603.7 最小:30.0 515.8 507.7 112.1 1最大:739.1 最小:32.2 1(a)第一阶段(b)第二阶段(c)第三阶段图 3引燃过程红外成像图Fig.3Infrared image of ignition process时间/s0 10 20 30 40 50 60 7050045040035030025020
17、0150100500温度/270 图 4C点温度变化曲线Fig.4Temperature change curve at point C时间/s0 20 40 60 80 100 1203210电流有效值/A图 5流经样本泄漏电流有效值曲线Fig.5RMS value of leakage current flowing through the sample1047Fire Science and Technology,August 2023,Vol.42,No.8阶段:当温度到达 100 后,植被内部水分蒸发并大量喷出。根据离子浓度与迁移速率的关系,植被的电导率 可表示为式(4)。=VgF(
18、4)式中:V 为电解质或盐的浓度;为离子迁移速率;g 是导电离子的电解度;F为电荷系数。水分的减少会导致 与 g减小,进而造成植被电导率下降,因此,这一阶段泄漏电流呈减小趋势。阶 段:当 温 度 上 升 到 木 材 的 炭 化 温 度(270450)时16,植被表面产生炭化路径。而炭的电导率较大,并随温度的升高而增大17,导致植被的等效阻抗减小,因此该阶段的泄漏电流呈现急剧上升现象。阶段:样本表层炭化通道贯穿样本,同时火焰通道沿样品表面贯通两极,而在高温条件下,木炭电阻率急剧下降18,植被等效电阻急剧下降,泄漏电流过大而引起跳闸。温升在不同阶段对植被的电导率将产生不同的影响,进而导致电流的变化
19、呈现阶段现象。反之,通过泄漏电流变化曲线,也可推断植被温度分布特性及引燃阶段,可为 TSF故障辨识提供依据。3植被温升机理与时间计算模型依据电流热效应以及传热原理,对植被引燃机理进行分析,建立距离接触点其他位置的温升计算模型。3.1植被温升的热量传递途径(1)泄漏电流焦耳热。泄漏电流焦耳热为引燃的主要热源之一。取足够小时间段 t进行分析,t内等效电阻为 R,总焦耳热 QJ可表示为式(5)。QJ=I2iRit(5)式中:Ii和 Ri分别为第 i 个周期内电流的有效值和等效电阻。(2)燃烧部分热传导。根据试验测定,植被燃烧部分平均温度为 500,燃烧部分沿树枝向未燃烧部分传导热量。简化为一维导热,
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