• 头条不断生长的树木极大影响电网安全,如何实现隐患的智能识别?
    2021-09-08 作者:曾华荣 杨旗 等  |  来源:《电气技术》  |  点击率:
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    导语输电线路作为电力系统的重要组成部分,其安全运行直接关系着电网供电可靠性。在实际运行过程中,线路走廊内的树木是输电线路极大的安全隐患,不断生长的树木造成输电线路发生闪络、跳闸事故。如何及时发现、处理和预防树障以保障电力安全供应成为电力运维人员关注的焦点。贵州电网有限责任公司电力科学研究院的研究人员曾华荣、杨旗、马晓红、张露松、罗国强,在2020年第8期《电气技术》杂志上撰文,搭建了输电线路树障隐患预放电模拟试验测试平台,研究得到不同阶段树障预放电过程的特征参数,为构建输电线路故障数据库实现智能识别提供了参考。

    输电线路树障是指树木在生长过程中,其与导线之间的距离不断减小,引起导线表面电场畸变,导线与树之间形成的电场强度不断增大,最终导致线路发生闪络并引发跳闸停电事故。

    2003年著名的美加大停电,主要原因就是三条输电线路发生树闪故障退出运行,最终导致系统解列。2006—2007年间,马来西亚东部地区就因树木生长过高发生爆炸,导致大面积停电事故。在我国南方电网地区,由树障引发的线路跳闸事故已然成为威胁供电可靠性的主要因素。因而,输电线路树障成为电力巡检最为重点关注的问题。

    目前针对输电线路树木隐患,我国电网仍以人工巡检方式为主。近年来,研究人员提出在杆塔上安装摄像头,通过监测图像判断输电线路下方的树障隐患。但是由于地形的起伏变化,杆塔上的图像监测难以实现对远处的弧垂点和树冠高度的捕捉和判断。

    在理论分析上,研究人员提出利用行波法来分析输电线路树障。随着无人机技术的发展,我国开始出现借助无人机掌握输电线路通道的情况,主要包括结合小型激光扫描仪的无人机+LiDAR巡检方法以及采用基于摄影测量和计算机视觉的倾斜摄影技术。

    现有方法在降低输电线路树障方面起到了一定的作用。但在实际运行过程中,输电线路由于受自身载流变化、外界天气的影响,其与下方树木发生树闪的不确定性进一步增加。随着智能电网的建设,对于全面、实时掌握电网运行状态提出了更高的要求,因而亟需开展对输电线路树障预放电特征的分析,进而提高输电线路在线安全运行水平,为在线故障智能诊断提供数据支撑。

    1 输电线路树障分类简介

    输电线路树障形成的根本原因是树木不断生长与输电线路之间的矛盾。其产生原因为:①树障清理工作不便;②输电走廊宽度不足;③输电走廊保护区控制力度不够。

    树障距离过小,往往会造成输电线路烧毁,影响生活生产,甚至造成人员伤亡,因此国家制定了不同电压等级下的树木与导线安全间距的相关标准,见表1。

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    表1 不同电压等级下的树木与导线安全间距

    根据树障的产生,主要分为3种类型:

    1)在雨雪雷电等恶劣条件下,输电线路走廊内/外树木或者树枝掉落在导线上,造成线路发生闪络。在这种情况下,一般通过重合闸及系统调度员的操作,可以避免发生大规模停电事故,对于电力系统的影响往往比较小。

    2)输电线路走廊范围发生大风,造成线路发生摇摆,当线路摇摆幅度过大且与走廊内的树冠靠近时,线路与树木发生闪络。这种类型是比较常见的瞬时性故障,一般通过重合闸往往能够确保线路的正常运行,不会造成较大的故障。

    3)系统负荷电流增大,导线温度上升,线路的弧垂由原f变化至f1。同时线路走廊下树冠没有及时修剪,其生长高度达到h1,如图1所示。

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    图1 典型输电线路下树障示意图

    此时,d1小于临界距离d,输电导线与树冠空间合成电场强度小于最小击穿电场,线路发生树闪故障。该类树障时常发生于夏季,极易引发大面积停电事故。

    2 输电线路树障预放电试验设计

    2.1 试验原理

    树木故障的形成是一个渐进过程,随着树木逐渐临近输电导线,树木顶部场强逐渐增大,树木与导线之间空气间隙出现了由弱变强的放电,直至完全击穿。为研究输电线路树障预放电特征,进而为输电线路树障在线监测提供数据支撑,在贵州梅花山试验基地搭建树障隐患预放电试验平台,其原理图如图2所示。

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    图2 树障隐患预放电试验原理图

    图中使用试验变压器模拟线路高压环境,试验变压器额定容量1200kVA,额定输出电压0~400kV,额定输入电压0~10kV,额定输入电流120A,额定输出电流3A。

    模拟试验采用电容分压器测量模拟变压器输出电压,标称电容器500pF,额定电压400kV,标称分压比1000:1,电容分压器用以测量模拟试验高压环境的工频电压。

    梅花山防冰试验基地雨凇架为12m×12m×12m的钢结构架,用于悬挂各种型号的绝缘子、导线,在本试验中用于固定悬挂模拟导线、模拟树木。模拟导线采用外径为3.1cm,长度为3m的均质钢管,其两端通过绝缘子悬挂于横担下面,其空间位置可以随意调整。

    模拟导线正下方放置5m×5m铝制薄板以模拟大地。图中树障模拟试验采用种类相同、高度相近且生长状态基本一致的树木作为试品,通过绝缘绳悬挂试品树木,改变试品与模拟导线之间的距离,模拟自然状态下树障不断靠近输电导线的放电过程。

    为保证树木良好接地,在树木底部用导电性良好的铜线进行多层缠绕,并接在接地电极上。导线上安装带宽为1kHz~5MHz罗氏线圈构成架空线路故障放电行波电流测量终端,并采用紫外成像设备和高速摄像机观测树障放电过程。

    2.2 试验步骤

    1)样品准备。准备若干种类相同、高度相近且生长状态基本一致的盆栽植物,试验前将植物顶部进行一定的修理,使其顶部形状尽量保持较高的相似性,避免结构对电场分布的影响。

    2)设置采集参数。将监测终端触发阈值调整为回路电晕放电电流幅值的1.2~1.5倍左右,可以避免因电晕放电带来的干扰,接地端电流传感器采集参数设置方法与此相同。

    3)升压。检查试验回路并确保接线无误,调整树木悬挂高度,按均匀升压法缓慢升高电压直至额定值,对于110kV电压等级,模拟导线上施加的电压为63.5kV。

    4)调整树木悬挂高度。每次高度增加约3cm左右,在不同的高度下观察回路是否有放电,如有放电,则通过高压端监测终端实时记录放电电流。与此同时,记录树木与导线的净空距离。每组数据重复3次并取平均值。

    3 结果分析

    在模拟树木隐患靠近输电导线的放电时,首先测试记录110kV回路电晕噪声水平,避免电晕噪声造成的干扰影响。图3所示为树木逐渐临近模拟导线时紫外成像设备拍摄的放电过程。随着树木顶部逐渐临近模拟导线时,首先出现不可见的放电,伴有一定强度嘶嘶声,此时树线净空距离约40~45cm,紫外成像设备光子数达到400~700范围。

    当树线净空距离进一步临近时(25~40cm),产生程度更加剧烈的放电,放电声音变大,且放电声音呈时断时续的特征。此时监测终端和示波器上均监测到了较为稳定的放电脉冲,光子数在850~1600之间来回波动,产生稳定的放电。

    与电晕放电过程不同的是,树障隐患与导线间呈现强脉冲放电过程,并在维持一段时间后,树木顶部出现烧焦痕迹。当净空距离低于25cm时,间隙瞬间击穿,变压器保护动作并跳闸。

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    图3 树木临近模拟导线时紫外成像设备拍摄的放电现象

    图3所示放电过程中,紫外成像仪上监测到的紫外光子数相对稳定,且放电持续较长时间,通过监测终端监测了大量放电波形,典型波形如图4所示。

    从图4可以看出,放电脉冲主要发生在导线施加电压正负峰值附近,且在一个峰值附近,往往伴随3~10次密集放电。由于放电存在分散性,对大量波形数据进行统计分析,得到放电脉冲的特征参数。试验过程中,对每个阶段的放电下的电流脉冲平均值、上升沿时间、半峰值时间、持续时间、相位区间、脉冲频度进行统计。上升沿时间表示电流波形从峰值的10%上升到处90%所需时间。

    半峰值时间为波形上升阶段10%峰值处到下降阶段50%峰值处时间。持续时间为电流波形从上升阶段10%峰值处到下降阶段10%峰值处时间。上述几个时间指标均采用平均值。相位区间的下限为所有脉冲相位的最小相位,上限则为所有脉冲相位的最大相位。

    脉冲频度为每1s放电过程中出现的脉冲数的平均值。通过对大量脉冲进行统计分析,得到统计结果见表2。

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    图4 树障隐患临近输电导线不同阶段放电波形

    从表2可知,随着树-线放电增强,放电脉冲特征参数也呈现正相关变化趋势:

    1)在放电初始阶段,放电脉冲电流平均值为45.19mA,此阶段对应的放电光子数范围为400~700。放电电流上升沿时间均值为0.17◆s。半峰值时间为1.42◆s。放电频率为144.75次/s,相位区间为[84°, 95°]∪[261°, 279°]。

    2)当放电脉冲电流范围为60~200mA时,放电脉冲电流平均值从45.19mA增加到174.23mA。该隐患起始阶段放电光子数在850~1600之间波动。放电脉冲电流上升沿时间从初始阶段0.17◆s增加至0.19◆s,半峰值时间也呈现增加趋势,从放电初始阶段1.42◆s提高到2.89◆s。放电频率为166.14次/s,相位区间为[77°, 126°]∪[244°, 288°]。

    3)随着放电电流超过200mA,该阶段对应的放电光子数超过1600。单次放电上升沿时间显著增加到0.26◆s,半峰值时间达到3.64◆s。由于单个放电上升沿时间及峰值时间的增长,单位时间内的放电次数相较于起始阶段降低至158.63次。放电相位区间拓展至[36°, 133°]∪[248°, 285°]。

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    表2 不同放电阶段高频脉冲波形参数统计结果

    4 结论

    本文针对树障隐患对输电线路安全运行的影响,分析了输电线路树障的类型及其风险,并在梅花山试验基地搭建了输电线路树障隐患模拟试验平台。通过紫外成像设备拍摄放电过程,获得了树障不同阶段的光子数特征。

    同时,基于罗氏线圈的放电行波电流测量终端获得了树障放电过程中脉冲电流信息,并通过统计获得了不同阶段的放电脉冲电流特征参数,为提高输电线路在线安全运行水平与在线故障智能诊断能力提供了支撑。

    本文编自2020年第8期《电气技术》,标题为“输电线路树障隐患预放电特征模拟试验研究”,作者为曾华荣、杨旗、马晓红、张露松、罗国强。

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