单相触树接地故障引燃特性及模型分析.pdf

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（Treecontact 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；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 100%（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：528.9 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。（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（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 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（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，t时间内燃烧部分传导热量 QT见式（6）19。QT=vTxxS t（6）式中：v为物体的导热系数，本文中特指松枝导热系数；S为松枝横截面面积；Tx为预测点与燃烧部分温差；x为预测点与燃烧部分的距离。（3）对流换热。流过固体表面的空气将带走部分热量，热量的传递过程称为对流换热，t时间内植被表面的对流传热热量 QC可以用式（7）表示。QC=h(Tv-T0)t（7）式中：h 为无量纲的空气对流换热系数；Tv为植被表面温度；T0为环境温度。（4）热辐射。根据 Stefan-Boltzman方程，单位时间植被对外热辐射热量 E表示为式（8）。E=v(T4vK-T40K)（8）式 中：为 Stefan-Boltzman 常 数，=5.6710-8 W/（m2K4）；v为植被表面发射率；TvK为植被开氏温度；T0K是环境开氏温度。（5）水分蒸发散热。植被内部水分蒸发消耗热量，水蒸发的热量参数公认值 l2 260 kJ/kg，水分蒸发消耗热量 L的计算式见式（9）。L=mwl（9）式中：mw为植被水分质量，可由式（1）求得；为系数，在100120 时 1，其他情况 0，表示 100120 水分大量蒸发。本文取该时间段的平均水分蒸发消耗热量进行计算。因此，式（9）改写为式（10）。L=mwlt100120（10）式中：t100120为 100120 的时间。3.2燃点-时间关系计算模型在建立计算模型前需做以下假设：忽略温度上升过程中树枝的体积变化，忽略挥发性成分的热解，以及植被体内化学反应释放的热量，设火蔓延速率相对恒定型。植被初始导热系数 v0可参考文献 20 计算得到，见式（11）。v0=0.023 8+0(0.200 5+0.004W),W QCE，植被水分蒸发耗热 L占比最大，空气对流换热 QC次之，植被向外界热辐射热量 E最小，只占总散失热量的 5%以下。5结 论（1）TSF 条件下植被引燃过程包括 4 个阶段，每个阶段都具有明显的现象特点，对应的植被温度、泄漏电流也均出现阶段特征。（2）经过分析，植被温度的变化导致通过植被的泄漏电流呈现出明显的阶段现象。可根据电流的变化特点，开展植被高阻接地故障识别研究。（3）植被温升的热量来源于电流的焦耳热和火焰的热传导，热量的损失途径为空气热对流以及热辐射。焦耳热是引起植被温度升高的主要热量来源；在热量散失中，植被水分蒸发耗热带走的热量最多。（4）建立了温升数值计算模型，预测点引燃时间的相对误差低于 7%。利用该模型可对树线接触后植被其他位置引燃时间进行计算，进而可获得植被贯穿燃烧的时间，为防治配电线路引发森林火灾提供技术支撑。参考文献：1 乔东伟,宫德锋,谢松伟,等.小电流接地故障熄弧后电气量对暂态选线方法的影响J.电力系统及其自动化学报,2022,34(12):114-120.2 张阳,张良,李耕晨.10 kV 架空导线单相触树接地故障火灾的调查J.消防科学与技术,2022,41(12):1763-1766.3 GOMES D,OZANSOY C,ULHAQ A.HighSensitivity vegetation high impedance fault detection based on signals highfrequency contentsJ.IEEE Transactions on Power Delivery,2018,33(3):1398-1407.4 OZANSOY C R,GOMES D.Volatility diagnosis in phasetophase fault detection for branch across wire faultsJ.IEEE Transactions on Power Delivery,2021,36(1):9-29.5 栾婷婷,王亚坤,张馨仪.2008-2018 年我国森林火灾事故统计分析J.安全,2020,41(10):32-38.6 凉山州西昌市“330”森林火灾事件调查结果公布J.中国消防,2021,(1):66-67.7 CRUZ M G,SULLIVAN A L,GOULD J S,et al.Anatomy of a catastrophic wildfire:the black saturday Kilmore East fire in Victoria,AustraliaJ.Forest Ecology&Management,2012,284:269-285.8 SULLIVAN A,MATTHEWS S.Determining landscape fine fuel moisture content of the Kilmore East black saturday wildfire using spatiallyextended pointbased modelsJ.Elsevier Science,2013,40:98-108.9 梁栋,徐丙垠,王鹏玮.10 kV 架空导线单相触树接地故障检测方法J.电力系统自动化,2021,45(14):149-157.10 丛子涵,刘亚东,严英杰,等.配电线路树线早期故障动态特性仿真与试验J.高电压技术,2023,49(3):1224-1233.11 GLASS S V,ZELINKA S L.Moisture relations and physical properties of woodR.America,2010.12 秦瑞霞,徐华东,陈能志,等.基于介电谱的介电常数与木材含水率的相关性J.中南林业科技大学学报,2022,42(3):162-169.13 郭再富.线性上升热流下木材热解过程的温度分布及炭化速率研究D.合肥:中国科学技术大学,2006.14 何小东,于大伟,王子奇,等.木材含水率值电阻法标定及校验方法的研究J.林业科技,2016,41(3):49-51.15 李坚.木材科学M.北京:科学出版社,2014.16 胡娜娜,傅峰.木材高温炭化及导电功能木炭研究进展J.世界林业研究,2010,23(4):51-55.17 张文标,华毓坤,叶良明.竹炭导电机理的研究J.南京林业大学学报(自然科学版),2002,(4):47-50.18 SONG Y,WANG C P.Electromagnetic shielding efficiency of the electric field of charcoal from six wood speciesJ.Journal of Wood Science,2003,49(5):450-454.19 杨世铭,陶文铨.传热学(第三版)M.北京:高等教育出版社,1998.20 林其钊,舒立福.林火概论M.合肥:中国科学技术大学出版社,2003.21 陈鹏.典型木材表面火蔓延行为及传热机理研究D.合肥:中国科学技术大学,2006.表 2时间预测结果Table 2Time prediction results项目组 1组 2组 3测量值/s45.1172.0175.01计算值/s43.6267.5271.56相对误差-3.30%-6.24%-4.60%组别123百分比100%90%80%70%60%50%40%30%20%10%0%QJQT（a）注入热量组别123百分比100%90%80%70%60%50%40%30%20%10%0%QcEL（b）散失热量图 8热量占比Fig.8Percentage of heat values1050消防科学与技术2023年 8 月第 42 卷第 8 期消防理论研究Singlephase contact tree ground fault ignition characteristics and model analysisNing Xin1,He Xin2,Wang Jun2,Sun Zhang2(1.State Grid Sichuan Electric Power Research Institute,Sichuan Chengdu 610041,China;2.School of Electrical Engineering and Electronic Information,Xihua University,Sichuan Chengdu 610039,China)Abstract:For singlephase tree ignition of vegetation and thus forest fires,in order to clarify the ignition characteristics and temperature rise mechanism of vegetation,this paper laps the test platform to conduct a study of the wire contacting pine trees and analyze the ignition phenomenon and temperature change during the ignition of vegetation by the wire contacting the tree.The analysis found that the vegetation ignition is divided into four stages:initial contact,water evaporation,carbonization channel,and spreading through;meanwhile the leakage current is also affected by the temperature showing obvious characteristics of the four stages of development;the heat of the vegetation temperature rise comes from the thermal effect of the current and heat transfer from the object.Further,according to the heat action path and temperature rise mechanism,the temperature rise model of calculating ignition pointtime is proposed to predict and analyze the open flame time of vegetation spreading to different locations.The validation results show that the calculated model has high accuracy and is important for guiding the prevention and control of forest fires started by wire.Key words:singlephase contact trees;forest fires;ignition characteristics;temperature rise model;open fire time作者简介：宁 鑫(1986-)，男，国网四川省电力公司电力科学研究院高级工程师，博士，主要从事高电压与绝缘技术、输配电线路防山火等研究工作，四川省成都市郫都区西华大学，610039。通信作者：何 鑫（1998-），男，西华大学电气与电子信息学院硕士研究生。收稿日期：2023-02-25（责任编辑：董 里）多孔介质和 CO2抑制低氢比甲烷爆炸的效应研究郑露露1,2,段玉龙1,2,李泽欢1,2,贾海林3（1.重庆科技学院 安全工程学院，重庆 401331；2.重庆市油气生产安全与风险控制重点实验室，重庆 401331；3.河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室，河南 焦作 454003）摘要：为了研究管道内掺氢天然气的抑爆技术,在定制的100 mm100 mm1 000 mm 有机透明玻璃管道中，使用多孔介质和 CO2抑制掺氢比为 10%的甲烷爆炸的协同效应，探究了多孔介质协同 CO2作用于火焰发展的不同时期以及喷气位置的变化对爆炸的影响。结果表明：多孔介质协同 CO2作用于火焰发展的不同时期，CO2左侧贴壁喷气均不能使火焰于多孔介质处淬熄，CO2作用于指头形火焰，且火焰前峰处于喷头正下方时对火焰的传播有明显的抑制作用，而 CO2右侧贴壁喷气可成功阻挡火焰传播，对火焰速度峰值、火焰平均速度以及爆炸超压峰值均起到良好的抑制作用，说明多孔介质协同 CO2的气固两相双重抑爆机制效果优于单一多孔介质抑爆，为掺氢天然气管道工程的复合抑爆技术提供理论参考。关键词：CO2；多孔介质；低氢比甲烷；协同抑爆中图分类号：X932；TE832 文献标志码：A 文章编号：1009-0029（2023）08-1051-06面对日益严重的能源紧缺和环境污染问题，氢能以其低成本、零碳排、高热值等特点被认为是最理想的清洁能源1。目前氢能的有效利用方法是在天然气中掺入氢气，但掺氢会改变甲烷的燃烧特性2，扩大甲烷的可燃性极限范围3，增强其爆炸危害性。因此，研究降低掺氢甲烷爆炸危害的高效阻燃防爆方法和技术，对保证掺氢天然气的安全运输至关重要。现有研究中常用的抑制剂有多孔介质、惰性气体、细水雾和固体粉末。其中多孔介质具有防爆性能优异、可重复使用、易于填充等优点，在天然气管道工程阻燃防爆领域得到了更广泛的探索和实施4。SHAO H 等5研究发现多孔材料对预混气体爆炸的火焰速度和爆炸超压有抑制作用。CHEN X F 等6研究指出多孔介质能影响火焰传播和火焰前锋表面的结构特征，导致火焰变形，也能适度抑制燃烧压力波的传播。WANG M M 等7试验研究表明多孔金属泡沫对气体爆炸有显著的抑制作用。基金项目：河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室-省部共建国家重点实验室培育基地开放基金项目（WS2021A04）；重庆市教育委员会科学技术研究项目（KJQN202101503）；油气生产安全与风险控制重庆市重点实验室开放基金项目（cqsrc202111）；重庆市研究生科研创新项目（CYS22732）1051