配电线路单相触树接地故障特征分析.pdf

电 力 系 统 及 其 自 动 化 学 报Proceedings of the CSU-EPSA第 35 卷 第 7 期2023 年 7 月Vol.35 No.7Jul.2023配电线路单相触树接地故障特征分析宁鑫1，2，胡馨月3，张华1，2，孙章3，雷潇1，2，王军3（1.国网四川省电力公司电力科学研究院，成都 610041；2.电力物联网四川省重点实验室，成都 610041；3.西华大学电气与电子信息学院，成都 610039）摘要：针对树线矛盾引发山火问题，本文搭建配电线路单相触树接地故障真型试验平台并以竹线搭接为对象进行研究。试验分析了树线放电引燃过程及其泄露电流变化特征，在此基础上界定初始搭接、放电击穿、水汽蒸发和明火蔓延 4 个发展阶段，并对引燃过程中的等效阻抗变化特征进行分析。试验分析表明，在一定范围内电压和含水率的增加使引燃时间减少；同时，本文从电场强度和植被电导率角度揭示了影响机理。研究成果对配电线路引发山火的防治具有一定指导意义。关键词：山火；单相触树；泄漏电流；等效阻抗；引燃时间中图分类号：TM75文献标志码：A文章编号：1003-8930（2023）07-0137-07DOI：10.19635/ki.csu-epsa.001245Characteristic Analysis of Tree-contact Single-phase-to-ground Fault in PowerDistribution LinesNING Xin1，2，HU Xinyue3，ZHANG Hua1，2，SUN Zhang3，LEI Xiao1，2，WANG Jun3（1.Electric Power Research Institute，State Grid Sichuan Electric Power Company，Chengdu 610041，China；2.Power Internet of Things Key Laboratory of Sichuan Province，Chengdu 610041，China；3.School ofElectrical Engineering and Electronic Information，Xihua University，Chengdu 610039，China）Abstract:Aimed at the problem of hill fires caused by contradictions between trees and lines，a true test rig for powerdistribution lines under tree-contract single-phase-to-ground fault was built，and bamboo wire laps were taken as the research object.The process of tree-line discharge ignition and the corresponding leakage current change characteristicswere analyzed through tests.On this basis，four development stages of initial lap，discharge breakdown，water vaporevaporation and spreading of open fire were defined，and the equivalent impedance change characteristics in the ignition process were analyzed.The experimental analysis shows that an increase in voltage and moisture content within acertain range will reduce the ignition time.Meanwhile，the mechanism of influence in terms of electric field strengthand vegetation conductivity is revealed.The research results are of certain guiding significance for the prevention andcontrol of hill fires caused by power distribution lines.Keywords:hill fire；single-phase tree-contact；leakage current；equivalent impedance；ignition time近年来，我国电网建设发展迅速，电力线路覆盖面积大幅增加1-3，加之输电线路穿越林区及众多草场区域，受到树木生长的严重威胁4。随着树线矛盾日益突出，尤其是单相触树故障的发生，产生的泄漏电流热效应引燃植被，明火蔓延导致发生山火的危害5-6。例如，2020年发生在四川省凉山州西昌市“330”森林火灾7及2009年发生在俄勒冈州杰克逊县的一场山火，后果极其惨重。然而，导线触树接地故障 TSF（tree-contact single-phase-to-ground fault）的发展演变过程、特性参数变化、规律及机理尚未完全掌握。针对上述问题，国内外学者对TSF引燃特性开展了部分研究。文献8在12.5 kV三相输电线路上用树枝模拟单相触树接地故障，得到了电压、电流波形变化特点；文献9通过分析得到故障电流随炭化程度增加而增大；文献10利用稀疏编码技术提取TSF中的高频特征可用于故障检测；文献11分析得到35 kV的导线向树放电，在不同树种、枝条半收稿日期：2023-02-21；修回日期：2023-03-29网络出版时间：2023-05-05 13：51：32基金项目：国网四川省电力公司科技项目（52199720002V）通信作者：孙章（1986），男，硕士，高级实验师，研究方向为新能源发电、输配电山火监测预警技术等。Email：宁鑫等：配电线路单相触树接地故障特征分析电 力 系 统 及 其 自 动 化 学 报138第 7 期径、含水率条件下对临界击穿距离的影响规律，并建立了TSF泄露电流模型，但该模型较为理想，忽略了环境状态影响因子；文献12拟合不同放电阶段的特性和频率分布，明确电晕放电、隐性放电和闪络放电依次发生，即TSF的放电过程；文献13分析得到TSF引燃发展阶段，获得引燃机理及物理特征、电气特征；文献14构建基于树木电阻率、高度、半径、电阻率-温度特性等实际物理参数的TSF过渡阻抗工频时变模型，得到零序电压、电流随时间的变化规律；文献15得出TSF等效阻抗模型；文献16得出风速大小使树闪电弧的温度下降变快，持续时间变短等特征。然而，上述研究多采取理想模型或模拟试验方式，无法真实还原树线放电的复杂过程，缺乏对树线放电过程及特征的掌握。为此，本文搭建真型试验平台，以自然生长的竹子为试验对象，开展树线放电故障特征分析。试验同步测量泄漏电流和相电压，并依据电流变化对竹线放电过程进行分析，界定为4个发展阶段；在此基础上对等效阻抗动态变化进行分析，进一步研究电压与含水率对引燃时间的影响规律及影响机理。本文研究成果可为配电线路触树故障保护提供一定的支撑，对配电线路引发山火防治具有一定的指导意义。1试验平台设计与方法1.1试验平台及布置依托现有设备搭建导线触树接地故障真型试验平台如图1所示。变压器型号为SCB11-400/10，联结组别为Y/；利用0.2级的电压与电流互感器对电信号进行测量；裸导线为LGJ-70的三相钢芯铝绞线；高速摄像机，红外摄像仪记录试验现象与温度变化。1.2试验步骤（1）竹子选取。试验选取尺寸（接触部位直径）在2535 mm间的自然生长的小琴丝竹为对象，测量得到的部分竹子尺寸及含水率如表1所示。（2）竹线搭接。搭建如图1所示的试验平台，利用耐火绝缘绳将竹子与A相导线固定，搭接高度2 m。（3）数据记录。升压至指定电压，保证摄像机、红外摄像仪同步开启，记录试验现象及温升变化；通过计时器记录故障开始时间及明火出现时间。Pico采集器采样频率为5 kHz，带宽为20 M。（4）试验结束，重新选取竹子，重复上述步骤。2试验结果分析2.1引燃阶段界定试验过程所出现的现象如图2所示。单相触树后出现火星、炸裂、水汽蒸发、明火及蔓延贯穿等典型现象，竹线放电过程中的故障相电压即A相电压总体呈下降趋势，变化特征相较于电流不明显，如图3所示。本文依据泄漏电流的变化特征与试验现象对竹线放电全过程划分为4个阶段如图4所示。阶段阶段 初始搭接。泄露电流从70.1 mA缓慢上升至172.3 mA，无明显现象。阶段阶段 放电击穿。泄漏电流快速上升至758.4 mA，导线与竹子搭接处周围发生空气间隙击穿，出现微小火星及电弧；由于前期电流热效应的热量积累，水汽开始蒸发出现少量白烟如图2（b）所示。阶段阶段 水汽蒸发。水汽开始大量向外喷射并伴随明显的排气声，竹子表面开始炭化，并逐渐向图 1模拟试验平台Fig.1Simulation test rig接地方式转换装置电抗器组及电流传感器电压传感器380 V电源调压器升压变压器三相并联电容器组10 kV线路树线放电烘箱红外热像仪 高速摄像机高精度无感采样电阻表 1试验植被Tab.1Test vegetation序号12345678910111213141516171819植被及编号竹子1#竹子2#竹子3#竹子4#竹子5#竹子6#竹子7#竹子8#竹子9#竹子10#竹子11#竹子12#竹子13#竹子14#竹子15#竹子16#竹子17#竹子18#竹子19#绝对含水率/%111.3084.50114.14137.45116.50103.40109.94122.40115.99110.52105.36114.6683.73161.58172.90165.45146.63157.66125.78接触部位直径/mm26.525.531.530.029.026.526.533.030.529.025.528.525.027.530.028.027.026.530.0宁鑫等：配电线路单相触树接地故障特征分析139第 35 卷前发展形成炭化路径，电流值稳于750 mA附近；同时，由于电流热效应和竹子内部热量的大量积累，竹子的中部发生炸裂伴随大量白烟，泄漏电流出现细微下降（差值低于5mA）；随着热量的持续累积，竹子根部发生炸裂，泄漏电流值断崖式下降（由800 mA附近降至500 mA附近），产生的现象如图2（c）、（d）所示。阶段阶段 明火蔓延。图4中标识t时刻开始出现明火，其现象如图2（e）所示，电流值保持在750 mA附近。火焰和炭化路径快速向前发展进而贯穿整棵竹子，如图2（f）所示，由于水汽蒸发剧烈使电流值出现短暂下降，但持续放电和炭化路径的发展使电流值总体为上升趋势，最后即将贯穿时刻对应的电流升至2.447 A。2.2等效阻抗特征分析树线放电故障发展到明火阶段，存在引燃周围植被的风险，伴随燃烧颗粒物掉落，也可能引燃地面枯落物，蔓延导致发生山火。等效阻抗是影响泄漏电流发生变化的根本原因，本文针对竹子等效阻抗动态变化，依据树线放电引燃4个阶段进行分析，得出等效阻抗动态变化如图5所示。阶段阶段 阻抗急剧降低。泄漏电流热效应导致竹子的温度持续上升，此时阻抗值急剧下降，在110 s内，由82.23 k下降至29.75 k，平均下降速率为477/s。阶段阶段 阻抗快速降低。水汽蒸发会使阻抗值升高，但由于温度升高及竹子表面开始炭化对阻抗值降低的影响更大。竹子的等效阻抗值总体快速下降，在75 s内，由29.75 k下降至7.39 k，平均下降速率为298/s。阶段阶段 阻抗缓慢变化。水汽蒸发、温度和炭化路径对竹子等效阻抗值的影响相互持平，变化趋于水平，但由于温度较高，竹子内部压强增大，发生炸裂，水汽突然大量喷出，阻抗值出现短暂上升，再次逐渐稳至6 k左右。阶段阶段 阻抗持续降低。由于温度升高、水汽剧烈蒸发、炭化路径持续发展及电弧对植被导电性均有影响，进而影响等效阻抗值，但影响程度时刻在变化，所以阻抗值存在起伏；蒸发的影响逐渐减图 2引燃全过程实景Fig.2Whole ignition process in real life（e）明火产生（f）蔓延贯穿（d）竹线炸裂图 3引燃过程的 A 相电压Fig.3Phase-A voltage in ignition process5.85.75.65.55.4A相电压/kV时间/s503500100150200250300（b）火星出现（c）水汽喷射（a）竹线搭接图 4引燃过程的泄漏电流Fig.4Leakage current in ignition process2.52.01.51.00.50泄漏电流/A时间/s5035001001502000.070 12503002.4472.0830.759 90.758 40.172 3图 5引燃过程的等效阻抗Fig.5Equivalent impedance in ignition process100806040200电阻值/k时间/s503500100150200625030082.2329.757.39电 力 系 统 及 其 自 动 化 学 报140第 7 期弱，电弧促进炭化通道的发展，炭化使竹子的导电率显著提升，也是阻抗变化总体呈现下降趋势的主要原因，到贯穿时刻等效阻抗值下降至5 k左右。2.3引燃时间特征分析植被引燃时间是树线放电过程中极为重要的特征参数，决定故障切除的响应时间裕度。依据已有文献和试验现象，重点针对外部电压和内部植被含水率两大影响因素进行研究，探究电压和植被含水率对导线触树接地故障引燃时间的影响规律。（1）不同电压下引燃时间变化。试验保持除电压以外的其他条件基本不变，选取2.7 kV、3.0 kV、3.5 kV、4.0 kV、4.5 kV、5.0 kV、5.5 kV、5.8 kV、6.5 kV和7.0 kV这 10组不同的电压，对最极端的试验结果（引燃时间最短）进行对比分析。多次重复试验验证得到电压低于2.7 kV之后，无论搭接时间多长，均不会引燃竹子。因此对2.7 kV及以上电压进行分析，试验结果如图6所示。由图6可知，随着电压升高，引燃时间锐减至194 s，仅为最长引燃试验的3.7%。（2）不同含水率下引燃时间的变化。以含水率在50%200%范围内的10组试验数据进行对比分析，其结果如图7所示。由图7可以看出，含水率与引燃时间呈负相关，含水率的升高使引燃时间锐减至最长时间的16%。依据GB/T 19312009木材含水率测定方法，采用绝对含水率来衡量植被含水率的大小，其通用计算公式为17W=m1-m0m0100%（1）式中：m1为试样湿重；m0为试样绝对干重；W为绝对含水率。（3）作用效果对比分析。上述分析表明电压和含水率均对引燃时间有较大影响，利用线性回归方程可获得这两种因素对引燃时间的影响程度，即t=-270.67Z1-7.415Z2+2 678.11（2）式中：Z1为电压，其标准化系数（消除因变量和自变量所取单位的影响之后的回归系数）为-1.276；Z2为含水率，其标准化系数为-0.810；t为引燃时间。拟合相关系数R2为0.9，表示回归方程能解释因变量90%的变异，证明了拟合的有效性。其预测值与真实值的对比如图8所示。假设回归方程的形式可表示为Y=b0+b1X1+b2X2（3）式中：Y=Y1,Yi,YnT为估计值；b0、b1和b2为常数，可通过最小二乘法获得；X1=a1,ai,anT、X2=c1,ci,cnT为自变量；ai，ci为常数，且i=1,2，,n，n为正整数。X1的标准化系数1可表示为1=b1(i=1n(ai-a_)2n-1i=1n(Yi-Y_)2n-1)（4）式中：a_为X1中所有元素的平均值；Y_为Y中所有元素的平均值。标准化系数的绝对值大小直接反映了自变量对因变量的影响程度，即在一定条件下，电压对引燃竹子时间的影响效果明显大于含水率。残差分析如图9所示。由图9可知，标准化残差值对称分布在-22区间范围，且分布特征不随预测值的增加而改变。分析表明电压、含水率与引燃时间关系的拟合曲线满足方差齐性和独立性条件，拟合效果较好。图 6电压对引燃时间的影响Fig.6Effect of voltage on ignition time6543210引燃时间/（103s）电压/kV3.07.52.53.5 4.0 4.5 5.05.56.0 6.57.0图 7含水率对引燃时间的影响Fig.7Effect of moisture content on ignition time3.02.52.01.51.00.50引燃时间/（103s）植被含水率/%18080100120140160图 8预测值与真实值对比曲线Fig.8Curves of comparison between prediction and truevalues1.21.00.80.60.40.20时间/（103s）电压/kV3824567真实值预测值宁鑫等：配电线路单相触树接地故障特征分析141第 35 卷3植被引燃时间影响机理3.1电压对引燃时间影响分析由试验现象可知，树线搭接周围有电弧产生，即发生击穿，则从电压与电场强度的关系来分析电压对引燃时间的影响。工频交流电流中的电荷按50 Hz随时间正弦变化产生的电场即为工频电场，空间中某一点的电场强度E将由等效电荷法计算得出。导线等效电荷Q可表示为18Q=U（5）=120ln2hd（6）式中：为导线的电位系数；0为空气介电常数；h为导线架设高度；d为导线半径；U为导线对地电压。电场强度E可表示为E=Ex+jEy（7）Ex=120Qx-xiL2i-x-xi()Li2（8）Ey=120Qy-yiL2i-y+yi()Li2（9）式中：Ex为电场强度的水平分量；Ey为电场强度的垂直分量；xi为导线i的位置坐标；Li、Li为分别为导线i及其镜像至计算点的距离。接触部位存在微小的空气间隙，由式（5）、（7）（9）可知，电压越高产生的电场强度越大，间隙中的平均场强越大，击穿场强越小。因此电压越高，则树线间隙越容易击穿，导致发生导线触树到间隙击穿的时间越短。以A相为例，运用节点电压法可计算泄露电流为If=-3VajwCx1+3RfjwCx（10）式中：负号为泄漏电流由大地流回输电线路，即表示电流的方向；If为流经树的泄漏电流；Va为A相电源电动势；Cx为三相输电线路中单相的接地电容值；Rf为树的等效阻抗值。电压越高，流入植被的电流越大，大量电荷聚集更容易导致局部放电。植被表面因高温出现炭化路径，炭化路径减小了植被的等效阻抗，增大流经植被的电流，加快火焰产生的时间。因此，电压越高，击穿时间缩短、炭化路径发展与蔓延速率加快，导致引燃植被出现火焰的时间减小。3.2含水率对引燃时间影响分析由第2.3节的分析可知，植被含水率同是影响导线触树单相接地故障引燃植被的重要因素，在保证其他条件基本不变，选取不同含水率下的竹子进行分析。发生TSF故障时，炭化路径只在植被表面，如图10所示。由于电流热效应，电流通过的地方热量最高，故障发展热成像如图11所示，由图11可知炭化路径仅为一条。综上，树线放电主要影响植被的表皮，则分析竹子的含水率特性时可借鉴木材的特性。影响植被导电性能的因素主要有两个，一是植被中导电离子的数目；二是离子的迁移率。根据这一关系，植被的电导率可表示为19log=B-0.432rT（11）式中：B为常数；为真空中离子的电离能；为物质的介电常数；r为气体常数；T为绝对温度。图 9标准化残差分布Fig.9Standardized residual distribution3210-1-2-3标准化残差回归预测值1 20002004006008001 000标准化残差图 10竹子表面焦痕Fig.10Scorch marks on bamboo surface图 11TSF 故障发展热成像Fig.11Thermal imaging of TSF development电 力 系 统 及 其 自 动 化 学 报142第 7 期水的介电常数很大，植被的介电常数随含水率的增加而明显增大。由式（11）可知，电导率随含水率的升高而增加，即含水率越高的植被导电性能越好，初始等效阻抗越小，如图12所示，在试验中也得到了验证。若加在接触部位的电压相同时，含水率越高的植被初始阻抗越小，流经树干的泄漏电流越大，温度升高越快。由于空气间隙的击穿电压随着空气密度的降低而减小20，植被温度变化影响周围空气的温度，温度越高，空气密度越小21，更易击穿。在一定范围内，含水率高的植被从接触开始到发生击穿的时间和出现炭化路径产生明火的时间均变短。此外，由图12可知，不同含水率的植被初始等效阻抗变化范围较大，初始阻抗值直接影响流经植被的电流，而初始电流值的大小是决定植被是否被引燃的重要因素13，因此含水率大小也是决定植被是否引燃的重要判断指标。4结论本文试验研究分析了导线触树引燃植被的过程及电压、电流、阻抗等参数变化特性，得到了植被引燃过程中的初始搭接、水汽蒸发、放电击穿和明火蔓延4个典型阶段，以及含水率和电压对引燃时间的影响规律，即，在其他条件一致情况下，电压对引燃时间的影响更大。得出的结论如下。（1）在本文试验条件下，通过多次重复试验得到，TSF故障引燃竹子的临界最低电压为2.7 kV；由分析可知，在配电通道所处的具体环境下，导线触树接地故障引燃植被需要达到一定电压值，否则植被不会被引燃。由此得出，在防山火期间或特殊自然气候下，穿越林区草场等高风险区域的电力线路可以采取降压运行方式，从而兼顾山火防治和供电可靠性。（2）试验得到了电压对引燃时间的影响规律，即，电压大小与引燃时间呈负相关，当电压升高至7.0 kV时的引燃时间锐减至2.7 kV的3.7%。由此得出，随着电压的升高，引燃植被时间急剧缩短，保护控制的挑战更大。（3）试验得到了植被含水率对引燃时间的影响规律，即，绝对含水率在50%200%变化范围的情况下，植被含水率越高，引燃时间越短且最短至464 s。由此得出，不同植被、季节交替下含水率的不同，电力线路防山火运行控制方式应做相应调整。参考文献：1孙祺智（Sun Qizhi）.我国输电线路运行现状及防雷保护（Current status of transmission line operation and lightning protection in China）J.电气技术与经济（ElectricalEquipment and Economy），2022（4）：146-149.2杨森霖，杨长青，梅吉明，等（Yang Senlin，Yang Changqing，Mei Giming，et al）.架空输电线路森林火险评估及监测的研究应用现状（Research and application statuson forest fire risk assessment and monitoring for overheadtransmissionlines）J.四川林业科技（Journal of SichuanForestry Science and Technology），2021，42（6）：126-130.3叶立平，陈锡阳，何子兰，等（Ye Liping，Chen Xiyang，He Zilan，et al）.山火预警技术在输电线路的应用现状（Present situation of forest fire early warning technologyused for transmission line）J.电力系统保护与控制（Power System Protection and Control），2014，42（6）：145-153.4陈伟俊（Chen Weijun）.输电线路通道树线矛盾与树木生长控制技术（Tree line conflict and tree growth controltechnology for transmission line access）J.上 海 电 力（Shanghai Electric Power），2015，28（5）：35-41.5杨淳岚，陈天翔，杨博闻，等（Yang Cunlan，Chen Tianxiang，Yang Bowen，et al）.中压线路树木接地故障放电特性试验（Discharge characteristic test of tree 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