中压线路树木接地故障放电特性试验

杨淳岚，陈天翔，杨博闻，张星海，范松海

(1.成都理工大学核技术与自动化工程学院，四川 成都 610059；
2.国网四川省电力公司电力科学研究院，四川 成都 610000)

导线对树木放电(树线放电)是电力系统运行中常见的故障，树木在没有人为管理的情况下自然生长，最后的高度会离输电导线越来越近引起树木放电和树木闪络[1-3]。在川西等地，如果因为树线放电而导致森林火灾，其扑灭难度和代价是非常大的[4]。文献[5-7]研究了高压输电线路下树木临近时电场的变化规律。当树木高度达到一定程度时，树木顶端表面场强达到一定，输电线路和树木间会先产生电晕放电，然后进一步演化为局部电弧放电[8-10]。

国内外许多机构及专家从不同角度对树木故障等高阻接地故障进行了研究。2005年加拿大卡尔加里大学以遗传算法和人工神经网络法2种人工智能算法为基础，同时结合故障电流小波变换后的高频暂态分量作为神经网络法的输入进行高阻接地故障的检测，但实际成功率不高[11]。2020年印度国家技术学院提出了一种基于希尔伯特—黄变换(HHT)的高阻抗故障检测技术[12]。2003年，西安交通大学提出的暂态无功功率法，利用特定频段内故障线路的无功功率方向与健全线路相反进行选线，能够实现200Ω接地故障的检测，但高阻情况下暂态过程不明显，容易出现误判[13]。2004年上海交通大学利用故障相与中性点电压之差与零序电流的积分获得暂态能量，提出了暂态有功能量法，该方法能够实现2000Ω以下接地故障的检测，但有功分量在高阻接地的情况下含量较低[14]。2015年清华大学基于交叉小波变换理论，将行波选线的时频窗自适应地定为零模电流行波具有最强相关性时的时频窗，在500Ω左右时也具有良好的选线效果，但在较大的过渡电阻下，行波初始波头的幅值较小，捕获较为困难，会影响选线的可靠性与灵敏性[15]。2021年山东理工大学对树线故障进行了研究，但限于其研究条件，其电压等级有限且没有模拟真实情况下线路电容的存在[16]。

较多研究聚焦于树线故障等高阻接地时故障波形的识别且实际运用成功率不高，但因为实际故障现场一些电气参量不可测的因素，对于树线故障时接地电阻的变化趋势和流经树木的泄漏电流变化趋势等还缺乏试验研究。同时，在输配电走廊内发生森林火灾时，除了雷电、人为等因素，是否为电力线路树木故障引发也是事故原因调查时争议很大的问题。

针对上述问题，本文设计能够较为真实模拟实际故障现场的试验平台，对树线故障时的电气参量变化进行理论推导与实际测量。同时，提出故障相经过不同放电通道放电时故障特征的辨识依据。

综合考虑长距离输电导线对地电容、绝缘耐受水平以及电网接地方式等因素，设计搭建如图1所示的试验平台。该试验平台选用不同的试验变压器，调整输电线路间距和互感器后可以模拟不同电压等级的中压线路；
通过调节电容补偿装置可模拟真实情况下线路对地电容。金属容器的下方有一个精密的升降平台，可随时精确控制容器与线路的间距。在容器里填满土壤、插上树木样本后，可模拟树木的真实接地情况，且该容器体积足够大，具备在内部点燃木垛模拟线路下方火灾的条件。整个试验系统为中性点不接地系统。

图1 试验平台Figure 1 Test platform

当树木临近导线到一定距离时，导线会击穿空气间隙向树枝尖端放电，电流经过电弧通道和树枝，在电流和电弧的共同作用下会引燃树枝，如图2(a)所示。当树木直接搭靠在导线上时，树木在电流的作用下也会引燃树枝。同时，在试验平台导线下方点燃木垛，模拟中压线路走廊下方发生火灾引发线路故障，如图2(b)所示，导线也会击穿空气通过火焰内部导电通道对地放电。

图2 不同放电通道Figure 2 Different discharge channels

对于树木造成的高阻接地故障与导线下方火焰造成的类似接地故障，暂时没有区分依据。在调查森林火灾发生原因时，不能排除因树线故障引燃树木导致森林火灾的可能性。为了对比不同放电通道放电特性的不同，在试验平台上，分别模拟导线击穿空气间隙对树木放电、导线对搭靠在导线上的树木放电和导线因下方出现火焰而对地放电3种情况。将记录的数据进行处理，得到时域和频域下的零序电压，如图3所示。

图3 不同放电通道下零序电压波形与幅频Figure 3 Zero sequence voltage waveform and amplitude-frequency diagram under different discharge channels

对比图3(a)、(b)、(d)可知，火焰引发线路故障时零序电压幅值变化较为连续，零序电压的低频分量频率较为集中，主要分布在50 Hz工频附近；
而树枝临界放电导致线路故障时零序电压幅值变化剧烈，零序电压的低频分量频率很不连续，分散性很大。这是因为在线路下方出现火焰时，火焰是一种等离子体通道，而伴随着火焰产生的高温会显著降低线路对地的击穿电压[17-18]。当火焰高低不断变化时，温度仍是一个变化较为平缓和滞后的变量，故当线路下方出现火焰时，线路的故障能够比较好地持续而不随着火势的大小瞬间出现变化，体现在零序电压平缓的变化上。而当导线击穿空气间隙对树枝放电时所产生的是高频的电弧，导电通道随着电弧的产生而产生，随着电弧的熄灭而消失。因此，产生的故障也是一个间歇性的高频故障，具体体现在系统零序电压的间歇性变化以及波形的陡峭。

对比图3(a)、(c)可知，较线路下方的火焰引发线路故障，树木直接搭靠在导线上时引发的线路故障更加为稳定。体现在树木搭靠在导线上时系统零序电压变化更加连续，且幅值变化十分缓慢。这是因为当树枝搭靠在导线上时是一种稳定的接触，导电通道也十分的稳定。同时从图3(d)上可以看出，在树木搭靠在导线上放电时，零序电压的低频分量以50 Hz为主，体现在频谱图上只在50 Hz下出现了明显的波峰。

在调查输配电走廊森林火灾事故原因时，可以通过对比故障波形的特征判断线路初始故障的放电类型。若初始故障波形符合树线放电特征，则有可能是因树线放电引燃树枝造成森林火灾；
若初始故障波形符合火焰放电特征，则线路下方应先发生了森林火灾而后导致了线路故障。

图4 中性点不接地系统单相触树故障等效电路Figure 4 Equivalent circuit of single-phase contact tree fault in ungrounded neutral system

3.1 电压

在忽略导线电阻和电感的情况下，因在中性点处电流满足KCL定理，故由节点电压法可得：

(1)

等同于

(2)

假设每相输电线路对地电容相等，令Ca=Cb=Cc=Cx，Cx表示单相对地电容，可得：

(3)

又因为三相电源对称，则有

(4)

于是有

(5)

进而得出：

(6)

由图4可知，故障点处有

(7)

令tanθ=1/3ωCxRf，则式(7)可化为

(8)

从式(8)可以看出故障相的幅值与相位受Cx和Rf的共同影响。同理，非故障相和零序电压也会受到类似的影响。在试验平台下，以相同的树木样本作为试验对象，分别在10、35 kV线路下进行A相树线放电试验，10、35 kV系统下三相共补偿电容分别约23.76×10-6、3×10-8F，得到故障波形，如图5所示。

在10 kV电压下，树木搭靠在线路上引起的三相电压不平衡程度很小，零序电压幅值较小，整个试验过程中也无较大波动；
在35 kV电压下，树木搭靠在线路上引起三相电压的严重不平衡，较10 kV而言，故障相的相位出现了明显的变化。试验结果符合理论推导。

图5 不同电压等级树线故障波形Figure 5 Tree-line fault waveform of different voltage levels

3.2 电流

将式(6)带入式(7)可得：

(9)

将树木放置于试验平台中进行模拟10 kV单相树线放电试验，可调节电容补偿装置三相共投入90.21 kVar的补偿电容，实际测得流经树木的泄漏电流有效值If变化如图6所示，将If进行拟合，得到：

(10)

根据式(9)推算泄漏电流有效值表达式并与式(10)联立求解，可得Rf随时间t的表达式：

Rf=12 832.37+481 562.76e-0.025 69t

(11)

将式(11)绘制如图7所示，随着时间的推移，故障点对地的电阻成指数下降。试验过程中树枝的温度不断上升。试验结果符合电介质理论中高损介质的电导率随着温度的升高而指数上升的结论[19]。

图6 泄漏电流变化与拟合Figure 6 Leakage current variation and fitting graph

图7 故障点对地电阻变化Figure 7 Resistance of fault point to ground

根据实际情况，将Rf按照公式拟合，即

Rf=k1+k2ek3t

(12)

其中，k1、k2、k3为常数。将式(12)带入式(8)、(9)，可得不接地系统树线故障零序电压、泄漏电流暂态变化公式，分别为

(13)

(14)

本文通过设计试验平台并进行相关试验，得到了以下结论。

1)试验模拟了树枝临界放电、树枝搭靠导线放电和线路下方出现火焰放电3种故障情况，对比了时域与频域下的零序电压并找到了各自的特征，可为山火事故成因调查提供参考依据。

2)建立了中性点不接地系统单相触树故障的模型，对其电压和泄漏电流等电气参量变化进行了理论推导与试验模拟，并得出了相应的暂态变化公式。在实际故障现场，泄漏电流不可测，通过本文提出的泄漏电流暂态变化公式可以预测故障点流过的电流值，为掌握故障演化阶段具有参考意义。同时，结合本文得到的故障点对地阻抗变化趋势以及零序电压暂态变化公式，可以为类似故障的识别和保护提供参考依据。

国内外对于非有效接地配电网单相接地故障的定位技术做了大量研究，仍有许多技术难点[20]。研究树木故障定位技术并及时遏制山火的形成也是进一步需要展开的工作。