趙燊元, 陳天翔*, 徐會凱, 楊博聞, 任欣悅, 范松海, 吳馳
(1.成都理工大學 核技術與自動化工程學院, 四川 成都 610059;2.國網四川省電力公司電力科學研究院, 四川 成都 610072)
樹線故障引起輸電線路跳閘和山火已經成為電網發展面臨的一個重要問題[1-7]。樹線故障引發的原因一般是由于樹木過度生長或在風偏的作用下接觸輸電線路引起樹線放電和著火,從而使輸電線路發生故障[8-11]。樹線故障作為眾多輸電線路故障中的一種,大多數學者將其歸類為高阻接地故障[7]。
目前,國內外許多學者的研究主要是針對樹線故障下的電弧進行研究,將多種電弧外特性模型引入輸電線路樹線故障模型,用以研究分析電弧的非線性特性對輸電線路的電氣參數和絕緣的影響,而忽略樹木阻抗和內部的變化特性[12-17]。在實際情況中,不同地區引起樹線故障的樹木種類、內部結構、影響因素各不同,因此,研究樹線故障除了研究樹線放電的電弧特性,還需要研究樹木暫態阻抗變化特性。
現階段,針對樹線故障下樹木暫態阻抗變化特性的研究很少,主要集中在生物學領域,如研究樹木電阻和電導率的測量、樹木內部含水率的測量以及兩者在判斷樹木內部缺陷與病害方面的應用。國外學者Lin[18]提出木材比電阻d和含水率u與溫度T的關系,概括為d=f(u,T)。利用這一關系,金照懌等[19]設計了電導式木材測濕儀,利用樹木電導與含水率的關系,準確測量樹木的含水率。鮑震宇等[20]將電阻測試法應用于木材腐朽檢測技術,曾祥君等[21]計算出了單相接地發生前后故障相和非故障相電流之間的變化關系,在穩態下根據故障相電壓與泄漏電流之間的比值計算出過渡電阻的大小。董俊等[22]進行了零序分量與過渡電阻的關聯性分析,計算不同接地方式下的零序電壓和零序電流,推導出了零序電壓與過渡電阻成反比關系,故障電流與零序電壓成正比關系。這些方法可以參考應用于樹木阻抗測量研究中,但無法有效地研究高電壓下樹木暫態阻抗的變化特性。
本文通過搭建10 kV樹線故障試驗研究平臺,選取2種樹線故障頻發的典型樹木——松樹和竹子,進行高電壓下樹木暫態阻抗變化特性試驗研究,分析不同樹木對樹線故障下樹木暫態阻抗的影響因素和變化特性,基于樹木內部結構初步建立樹木阻抗等效電路,研究結論可為今后防治樹線故障提供理論和試驗依據。
1.1 試驗平臺與試驗對象
10 kV樹線故障試驗研究平臺如下頁圖1所示。
試驗平臺包括2臺型號為S11—400/10/0.4、聯結組標號為Yyn0的三相電力變壓器;6臺可以無線控制投切的10 kV電容器柜,可實現電容電流1 A級差調節,電容電流最大可調節為60 A;4臺用于無功補償的0.4 kV電抗器柜。
其余設備還包括最大檢測溫度660 ℃的紅外測溫成像儀、采樣頻率為2 GHz高速故障錄波器、精度為1 mm無線遙控升降平臺、攝像探頭。
試驗對象選取山火頻發地區的2種典型樹木,分別為松樹和竹子,如圖2所示。分別在松樹和竹子的同一長度下選取3組不同含水率的樹木,對其分類處理,試驗參數如表1所示。
(a) 試驗研究平臺現場布置示意圖
(b) 試驗研究平臺原理接線圖
(a) 松樹
(b) 竹子
表1 樹木試驗參數Tab.1 Tree test parameters
實際情況樹線故障下的樹木大多是樹枝頂部接觸或靠近導線,多數種類的樹木樹枝頂部為新生枝丫或嫩芽,該部位半徑較小且相近?；诖?本文試驗不考慮樹木半徑對阻抗暫態變化特性的影響。
1.2 試驗過程與方法
表1中試驗樹木含水率的測量方法為:截取試驗樹木下部5 cm長的塊狀木材,使用精度為0.01 g的稱重儀測量該部位的質量,隨后將塊狀木材烘干至質量沒有變化,依據公式(1)計算:
(1)
式中:s為含水率;m1為原始質量,g;m2為烘干后的質量,g。
在試驗過程中,保證2種樹木的擺放位置、接觸導線的相序、室內環境一致。為了便于研究樹線故障暫態阻抗變化特性,使用10 kV電壓等級試驗研究平臺,同時調整系統電容電流。為了能夠更好地模擬實際樹線故障,在升降平臺上放置一個鐵箱,在鐵箱里放入土壤,并定期噴水保持濕潤,將新鮮樹木栽入土壤中,且正對于故障相導線的正下方,利用升降平臺調整樹木與導線距離。在鐵箱外壁連接銅導線并接入地網,接地網電阻為0.28 Ω,在接地銅導線串接一個1 Ω的無感電阻,用于量取電阻兩端電壓信號以測量泄漏電流。三相電壓及零序電壓取自三相導線末端的電壓互感器,上述電壓信號接入高速故障錄波器用以采集三相電壓、零序電壓及泄漏電流波形,信號采集頻率為2 GHz,信號采集與視頻錄制可同步進行。
為了更好地模擬真實情況,將樹木根部與土壤密切接觸無縫隙,保留樹木上的新鮮樹葉。在每組試驗進行之前,測量試驗樹木的含水率,并觀察試驗樹木表面狀況及生長情況。為了保證樹木頂端能夠與導線接觸,每次試驗前使用升降平臺調節導線與樹木之間的距離,將紅外測溫儀與視頻錄制器放置在試驗平臺正前方。本文不考慮大氣環境因素對試驗的影響,所有試驗均在相同試驗室內部環境中進行,以排除大氣環境對試驗的干擾。
2.1 試驗樹木與原生樹木的一致性分析
由于試驗研究平臺條件限制,無法利用原生高大松樹和竹子進行試驗研究,因此用于試驗的樹木為原生樹木上截取而來。為了驗證試驗樹木與原生樹木的一致性,在戶外采用接地電阻測量儀測量原生樹木的阻抗,并結合樹木結構與電流理論解釋說明該試驗方法是可靠的。
首先,使用接地電阻測量儀測量戶外原生高大松樹的阻抗,經過多次反復測量,平均阻抗為500～600 kΩ,從該松樹上截取部分樹枝測量阻抗值范圍在400～800 kΩ,兩者的阻抗值相近。
接地電阻的測量方法為:將兩顆地釘打入距被測物體的20、40 m處,分別將兩顆地釘連接測試儀內部電壓端和電流端接線處,使用BY2517接地電阻測試儀進行電阻測量,測量多次取平均值。
電流的速度一般認為2.997 924 58×108m/s[23],無論對于1～2 m的樹枝還是十幾米甚至更高的樹干,都能在納秒級時間內形成電流通路,完成電子或導電離子在穩定電流通路內部的定向移動。根據樹木內部結構和機制,樹木內部的導管和篩管貫通樹葉、樹枝、樹干直到樹根,導管和篩管內部為運輸樹木吸收和產生的水分和有機物,這些水分和有機物不斷流通直到樹木死亡。由于導管和篩管含水率較高,且內部含有大量不斷移動的導電離子,如Na+、K+等[24],因此電導率較大。樹線故障形成電弧并擊穿密度最高的木栓部后,電子到達導管和篩管處,由于該通路的電導率較大且通透性較好,因此,電流沿著導管和篩管流通?；诖?樹線故障發生后,形成的電流通路無論是樹枝還是樹干都在相同部位,且該部位的電導率與樹木的長度和體積沒有關系,只與內部的含水率和離子數量有關系。
綜上,可以證明試驗樹木和原生樹木的一致性。
2.2 2種樹木試驗現象分析
松樹和竹子在相同試驗條件下的試驗現象差異較大,除沒有其他干擾因素外,電壓等級統一為10 kV,電容電流統一為3 A,統一為樹木頂端接觸C相導線。
當樹干接觸C相導線瞬間,樹干頂端與導線之間會產生微小的電弧,此時樹干溫度略高于室溫(25 ℃);隨著時間的推移,樹干與導線之間的電弧越來越劇烈,樹干頂部的溫度越來越高,樹干最外層的木栓部被涌入大量的電子能量擊穿,使得電子進入樹干內部,電流有了新的流通通道,此時,樹干頂端的溫度大于100 ℃。隨著樹干往下延伸,溫度越來越低,樹干最底部溫度沒有變化。樹干頂端開始出現因溫度過高以及電弧能量的沖擊而導致樹干有機物的燃燒,不斷侵蝕樹干頂端,侵蝕痕跡沿著樹干表面不斷向下延伸。樹干與導線之間因燃燒以及電弧的沖擊而出現了間隙,電弧長度隨之延長,樹干頂端溫度隨之升高,隨著時間的推移,樹干火焰燃燒面積越來越大,且沿著樹干表面繼續向下延伸焦炭通道,在焦炭通道中伴隨著電弧不定期地重燃與熄滅。當樹干頂端溫度達到350 ℃以上時,樹干部分區域開始向外噴射水蒸氣和其他氣體物質,2種氣體的顏色明顯不同,水蒸氣的顏色偏白色,其他氣體物質的顏色偏灰色。
當樹干與導線之間的空氣間隙絕緣強度大于電弧重燃絕緣強度時,電弧不再重燃,樹干火焰燃燒與電弧放電隨之消失,留下火焰燃燒后的焦炭通道,實驗現象如圖3所示。這是因為當樹干接觸導線后,樹干與導線之間的接觸電阻與周圍空氣間隙為并聯關系,該接觸電阻(經測量為105～106Ω)相較于空氣間隙電阻要大得多,致使空氣間隙被擊穿。大量帶電質子從導線側涌入樹木側,形成的能量不斷沖擊樹干頂端,直至樹木木栓層被擊穿后,電流流入樹木內部,通過樹木內部的橫向木射線,在韌皮部的篩管和木質部的導管形成導電通道。此時,泄漏電流幅值明顯增大,在這一過程中,樹干頂端溫度急劇升高,在固體介質的熱效應作用下,溫度高于樹木內部部分有機物的燃點,使得樹木內部有機物被點燃,形成著火現象,并形成前文所述的焦炭通道。
在此過程中,泄漏電流不斷增加,最大有效值可增至2 A,在泄漏電流波形周期峰值處出現明顯的高頻信號,故障相電壓小于非故障相電壓,且隨著樹干火焰燃燒與電弧劇烈放電而降低,零序電壓不斷升高?；鹧嫱Ｖ谷紵c電弧熄滅后,三相電壓趨于平衡,零序電壓為零,泄漏電流為零,樹線故障消失,三相線路恢復正常運行水平。
上述試驗現象為2種樹木試驗過程中的共性現象,不同樹木種類的試驗現象有差異。在相同含水率和長度情況下,松樹和竹子試驗現象如圖3所示。松樹的火焰燃燒與電弧劇烈發展的起始時間相對較長,且故障發生后,松樹樹干接觸導線處與其他部分表面出現多處白色黏稠物質,判斷該物質為松樹內部的松油,由于溫度過高隨著水蒸氣及其他物質被噴發出來,試驗結束后溫度逐漸降低,在樹干表面凝結成白色固態物質。試驗過程中,電弧首先在樹木與導線接觸點處形成,隨著時間的推移電弧沿樹木徑向發展,并且同一部位的著火現象出現在電弧之后,剝開松樹樹皮可以發現在樹皮內部形成了樹狀痕跡。
(a) 松樹焦炭通道
(b) 竹子焦炭通道
竹子是一種比較特別的草本植物,生長時分段,每一段的兩端是密封、中間為中空的結構,較難進行氣體交換。試驗過程中,在電壓和電流的作用下,由于通透性較差,竹子內部溫度升高,高溫下的氣體無法及時與外界氣體進行交換,因此導致內部氣壓過高,發生爆竹現象,爆竹后的爆裂痕跡是沿著竹子徑向排列。由圖3可知,竹子的表面出現與松樹內部相同且非常明顯的放電或炭化痕跡,但松樹必須剝開樹皮才能看見。
試驗樹木接觸導線后,造成系統單相接地故障,樹線故障示意圖如圖4所示。
圖4 樹線故障示意圖Fig.4 Schematic diagram of tree line fault
由于試驗系統輸電導線長度有限,因此無法根據線路長度增大線路對地電容,采取的方式是在變壓器一次側出線端并入用以模擬對地電容的耦合電容器,根據并入電容器容量大小模擬線路對地電容,據此可計算線路電容電流。
根據能量平衡理論,“控制論”電弧模型的一般表達式為[25]
(2)
式中:g為瞬時電弧電導;Gb為穩態電弧電導;τb為電弧時間常數。穩態電弧電導為
(3)
得到穩態電弧電阻為
(4)
式中:i為流經電弧的電流,即泄漏電流;Ub為單位弧長電壓,一般取15 V/cm;lb為電弧長度。
在試驗過程中,樹木頂端與導線之間出現電弧后,除非由于電弧侵蝕或樹木受高溫影響軟化,使樹木與導線距離增加大于電弧絕緣熄滅距離時電弧不會重燃,否則電弧以穩態狀態在樹木與導線之間燃燒,因此,試驗過程中的電弧可認為穩態電弧。根據上式計算可得到試驗過程中的電弧電阻在1～100 Ω范圍內,因此,電弧電阻遠小于樹木電阻,可以忽略。
當電弧產生并擊穿樹木表皮后,樹木接觸電阻與電弧電阻為并聯關系,由于電弧電阻遠小于樹木接觸電阻,因此,樹線故障發生時樹木接觸電阻不計入接地電阻中。
土壤電阻率隨著土壤濕度和溫度的變化而變化,不同的土壤溫度和濕度對土壤電阻率影響不同[26],但土壤種類一定且土壤溫度與濕度為定值時,不考慮雜質、石頭及其他情況,可以確定土壤電阻值,因此,土壤電阻為一定值。在實際環境中,樹木的樹根根植于土壤之中,即使土壤內部結構含有其他多種雜質,樹根也能完全扎根并充分深入土壤內部吸收營養物質,不論是直根系植物還是須根系植物,其根部與土壤的接觸面積非常大,根據電阻計算公式:
(5)
式中:ρ為電阻率;s為截面積;l為樹木長度。
可以得到:接觸面積越大,電阻越小,所以,樹木根部與土壤之間的接觸電阻可以忽略。綜上,接地故障點電弧電阻Re、樹木電阻Rt、土壤接觸電阻Rg的串聯簡化為樹木電阻Rt。樹木電阻Rt的計算公式為
(6)
式中:U0為故障相電壓;I0為流經樹木的泄漏電流。
3.1 松樹暫態阻抗變化特性分析
絕大多數被子植物具有導通的篩管和導管,為活細胞首尾相連而成,其水分和有機物的導通率相對于裸子植物較高。松樹屬于裸子植物,其內部結構中的運輸部位較被子植物不同。松樹內部的運輸部位由沿樹干徑向排列的一系列導胞和篩胞構成,這些細胞排列緊密,沒有完全把細胞之間的細胞膜褪掉,至今保留著一層膜,用于過濾雜質和運輸營養物質,有一定的阻礙作用[19]。
為了分析長度和含水率對松樹阻抗變化特性的影響,根據表1分類的松樹進行試驗,松樹阻抗變化特性如圖5所示。
(a) 長度為0.8 m松樹阻抗變化特性
(b) 長度為1.0 m松樹阻抗變化特性
(c) 長度為1.2 m松樹阻抗變化特性
由圖5可知,長度為0.8、1.0、1.2 m的松樹的阻抗都是隨著含水率的增大而減小,含水率越高,松樹阻抗越小,其中,長度為1.2 m、含水率為15%的松樹阻抗最大,超過了400 kΩ,長度為1.0 m、含水率為63%的松樹阻抗最小,為40 kΩ。長度變化對松樹阻抗的變化沒有明顯的影響。
每組試驗過程中的松樹阻抗都會出現不同程度的變化,且變化趨勢不同,含水率較低時,松樹阻抗的變化程度較小,含水率較高時,松樹阻抗的變化程度較大。長度0.8 m、含水率為21%的松樹阻抗總體呈減小趨勢,含水率為28%的松樹阻抗明顯減小,含水率為28%的松樹阻抗基本不變,含水率為33%的松樹阻抗略有增加;長度1.0 m、含水率為31%的松樹阻抗沒有明顯變化,含水率為51%的松樹阻抗呈增大趨勢,含水率為63%的松樹阻抗總體沒有明顯變化;長度1.2 m、含水率為15%的松樹阻抗沒有明顯變化,含水率為42%的松樹阻抗總體呈增大趨勢,含水率為49%的松樹阻抗呈下降趨勢,較初始阻抗減小了超過50%。9組松樹阻抗試驗皆呈現含水率越高阻抗越低的規律特性。
在試驗發生樹線故障這一過程中,一方面,樹木的溫度越來越高,隨著溫度升高,樹木內部的水分子移動速度加快,加速樹木內部水分的蒸發,使樹木內部水分減少,從而使樹木阻抗增大,同時,松樹經過高溫后會產生黏性很大的松油物質,該物質的電導率較低,也會使得測量的阻抗增大;另一方面,樹木在高溫作用下著火后形成炭化通道,炭化通道內部含有空氣間隙,在電場作用下該空氣間隙會被擊穿從而形成穩定的電流通路,測量的樹木阻抗會減小。
根據不同含水率和長度的松樹試驗現象及其阻抗變化特性曲線總結以下幾點規律:
① 含水率越大,松樹放電和著火現象越劇烈,使得松樹阻抗變化越明顯;
② 松樹阻抗大小與松樹含水率呈反比,表現為含水率越大,松樹阻抗越小;
③ 松樹長度變化對松樹阻抗變化無明顯相關性。
3.2 竹子暫態阻抗變化特性分析
竹子阻抗變化特性如圖6所示。圖6中,長度為0.8、1.0、1.2 m的竹子的阻抗都是隨含水率的增大而減小,含水率越高,竹子阻抗越小,其中,長度為1.2 m、含水率為40%的竹子阻抗最大,為62 kΩ,長度為 1.2 m、含水率為64%的竹子阻抗最小,為2.1 kΩ。長度變化對竹子阻抗變化沒有明顯的影響。
(a) 長度為0.8 m竹子阻抗變化特性
(b) 長度為1 m竹子阻抗變化特性
(c) 長度為1.2 m竹子阻抗變化特性
長度0.8 m的3組竹子的阻抗均減小,三者的含水率相差不大。初始阻抗相近,含水率為51%與52%的2組竹子在30 s時間內阻抗較初始阻抗減小了超過50%,之后阻抗減小速率較為穩定;長度1.0 m、含水率為41%的竹子阻抗呈現U形曲線先減小后增大,含水率為51%的竹子阻抗呈減小趨勢,含水率為62%的竹子阻抗減小幅度較大,最低降至5 kΩ以下;長度1.2 m、含水率為64%的竹子阻抗沒有明顯變化,其阻抗值也是試驗中最小的。9組竹子阻抗試驗皆呈現含水率越高阻抗越低的規律特性。
根據不同含水率和長度的竹子試驗現象及其阻抗變化特性曲線總結以下幾點規律:
① 含水率越大,竹子放電和著火現象越劇烈,竹子阻抗變化越明顯;
② 竹子阻抗大小與竹子含水率呈反比,表現為含水率越大,竹子阻抗越小;
③ 竹子長度變化對竹子阻抗變化無明顯相關性。
比較松樹和竹子兩者的阻抗變化特性發現,在實驗過程中,松樹的阻抗大于竹子的,松樹阻抗最大值超過了400 kΩ,而竹子阻抗最大值為62 kΩ,松樹阻抗的最小值也大于竹子阻抗的最小值,含水率不同固然是其中的一個原因,另一個原因為兩者內部結構不同。
4.1 樹線故障樹木阻抗變化4個階段
樹線故障下樹木放電與樹木阻抗的變化過程較為復雜,樹木為復雜的有機生命體,內部含有大量鮮活細胞和有機物質構成的不同的組織和結構,這些組織和結構執行著不同的功能和作用,支撐著樹木不斷生長,所以,樹木阻抗變化特性也并不只是單一因素影響,根據試驗過程和現象,樹木阻抗變化主要分為以下幾個階段:
① 樹木接觸導線階段。樹木首先接觸導線的部位是樹木最表面的木栓部,木栓部細胞排列非常緊密,大多為死細胞,其密度和硬度較大,因此短時間內木栓部無法被擊穿,此時樹木與導線之間的接觸電阻極大,大量帶電粒子正在高速運動,但尚未形成電子崩和穩定的電流通路。此時溫度逐漸升高,能量逐漸增強,木栓部正在被慢慢侵蝕,木栓部的部分物質被能量改變成為固體顆粒或氣體形態揮發出來。此時泄漏電流較小,故障相電壓變化不明顯,樹木阻抗較高。
② 樹線放電階段。在電場強度的作用下,樹木與導線接觸點處的能量不斷增強,溫度不斷升高,在某一時刻,大量帶電粒子形成電子崩和穩定電流通路,在樹線接觸點形成穩定的電弧。木栓部被電弧擊穿后,電弧作用至韌皮部,由于韌皮部含水率極大且含有通透率較高的運輸結構——篩管,因此電流沿著篩管流通。此時泄漏電流逐漸增大,故障相電壓下降明顯,樹木阻抗逐漸減小。
③ 樹木著火階段。當樹線放電發生后,樹木溫度上升速度逐漸加快,樹木溫度不斷升高,樹木內部的水分在高溫的作用下被揮發出來。樹木內部的有機物質在溫度和電弧的雙重作用下逐漸氣化,通過木射線和木栓部薄弱點揮發出來,并且部分有機物質達到燃點,火焰開始燃燒,樹木頂部火焰燃燒至導線,火焰沿著樹木徑向不斷蔓延。當火焰燃燒過后,有機物質在火焰作用下被炭化,形成焦炭通道,焦炭通道內部含有空氣間隙,在電場強度作用下,間隙被擊穿,電流通路依然存在。此時泄漏電流幅值較高,故障相電壓下降明顯,樹木阻抗繼續減小。
④ 樹線分離階段。由于樹木頂部溫度最高,火焰最先開始燃燒,并且該部位較小,在火焰燃燒一段時間后,該部位被炭化或燒蝕殆盡,使得樹木與導線分離,若該空氣間隙無法使電弧熄滅,則電弧持續,樹線故障繼續存在,直到該空氣間隙使得電弧不再重燃,樹線故障結束。此時泄漏電流變為0,故障相電壓恢復正常。
樹線故障的4個階段變化如圖7所示。
(a) 樹木接觸導線
(c) 樹木著火
(d) 樹線分離
4.2 樹木內部結構對樹木阻抗變化影響機制
樹木的莖沿橫向由外向內主要分為木栓部、韌皮部、木質部和髓[23]。木栓部是樹木的莖最外面一層,由最外側的死細胞和內側的活細胞緊密排列而成,多數細胞呈方形,結構緊湊,主要作用是保護內部結構和支撐樹干;韌皮部位于木栓部與木質部之間,韌皮部的含水率較大,營養物質較多,篩管生長、發育在該部位,篩管主要作用是運輸根部吸收的水分和養料至樹冠,韌皮部的主要作用是向外向內生成新的細胞和組織結構,所以韌皮部多為新生細胞且該部位水分流動性強;木質部為樹木莖中占比最大的部位,靠近韌皮部的部分含有導管,導管的主要作用是將樹葉經光合作用轉化的營養物質和水分運輸至根部和其他部位,木質部的主要作用是運輸和機械支撐;髓是樹木莖最中心的部位,主要作用為支撐和固定。
樹線故障內部結構示意圖如圖8所示,圖8(a)為樹木接觸導線起始階段,圖8(b)為樹線放電及炭化后階段,圖8(c)為樹木內部的電流通路示意圖。
樹木接觸導線初始階段會出現2種情況:第一種情況,樹木與導線的接觸點避開了木射線聯通外界的開口處,這種情況下導線接觸的樹木部位是堅硬的木栓部,木栓部的密度較大,導電性低,且沒有橫向通道,使得此時測得的初始樹木阻抗較大,在電弧的沖擊與強場強的作用下,木栓部受溫度升高與能量作用逐漸分解炭化,導致電流通路轉變為含水率高、導電性強的韌皮部。除此之外,木栓部的不同部位也具有差異性,更厚、更堅硬的木栓部部位可能導致樹木初始阻抗更大。第二種情況,樹木與導線的接觸點為木射線聯通外界的開口處,木射線是直接將樹木的木質部、韌皮部和木栓部相互聯通的部位,主要作用為橫向運輸營養物質,該部位的含水率與導電性相對于木栓部較大,導致初始階段電流通路就經過木射線流向韌皮部,此時測得的初始樹木阻抗較小,在試驗過程中樹線放電現象也更加劇烈,著火時間更加迅速。樹線故障初始接觸部位的不同反映的是初始樹木阻抗大小的不同以及樹線故障早期現象劇烈程度的不同。
(a) 樹木接觸導線階段
(b) 樹線放電及炭化階段
(c) 樹木內部電流通路
當電弧擊穿木栓部后,電流流向經韌皮部的篩管和木質部的導管沿樹木徑向流動,根據試驗分析,樹木的電導性強弱受樹木含水率影響較大,水分子與各種導電離子在樹木內部充當導電載體,一棵鮮活樹木的含水率一般在60%左右,樹木內部所有的細胞、組織和結構都含有大量的水,尤其是韌皮部和木質部中的篩管和導管更是運輸水與營養物質的主要部位,該部位的含水率較樹木其他部位更大,導致該部位的阻抗較其他部位更小。樹木阻抗的主要測量部位實際就是樹木內部的韌皮部與木質部的篩管與導管這一導電通路的阻抗。木質部較韌皮部的體積更大,含水率更小,越向樹木結構中心密度越高,電導率越低,導致其阻抗較韌皮部更大。
電流流經樹木內部這一過程中會使樹木溫度逐漸升高,最高溫度能夠升至500 ℃以上,在電流沖擊與高溫的共同作用下,樹木枝干不同部位發生著火現象,最終會引起樹木部分部位炭化,同時使得樹木內部的有機物質發生變化,影響了樹木的電導率,當炭化部位連接在一起時,會形成炭化通路。使用LCR電橋測試儀測量炭化部分的樹木阻抗約為炭化前的5～10倍,阻抗增大有以下2種原因:一是樹木纖維與其他有機物試驗后含水率大幅下降,使得電導率減小;二是炭化通路內部含有大量空氣間隙,電流通路被阻斷。
木栓部與韌皮部在樹木結構中的比例較小,影響橫向寬度占比最大的是木質部,根據圖8(c)樹木內部電流通路中可以看出,實際測量樹木阻抗的大小與樹木木質部沒有關系,影響實際測量樹木阻抗大小的是木栓部與韌皮部,即樹木單位橫截面的大小與樹木阻抗沒有直接關系。
3.1與3.2試驗研究證明:松樹與竹子都滿足含水率越高,樹木阻抗越小的變化特性。木栓部的含水率與密度影響著初始樹木阻抗的大小,韌皮部與木質部的含水率影響著樹木實際測量阻抗的變化特性,水分蒸發與有機物的炭化情況影響著樹線故障過程中樹木阻抗的變化,即
Za=f(W)。
(7)
松樹阻抗隨含水率變化的擬合關系為
Zas=1.951×106e-8.426W,
(8)
竹子阻抗隨含水率變化的擬合關系為
Zaz=6.488×109e-28.85W,
(9)
式中:Za為樹木阻抗;W為含水率;Zas為松樹阻抗;Zaz為竹子阻抗。式(8)的擬合系數為0.995 1,式(9)的擬合系數為0.995。
當含水率為一定數值的條件下,樹木內部結構影響著樹木阻抗的大小與變化特性,具體表現為:若樹木與導線接觸點為木射線向外界的開口處,則測量的初始樹木阻抗相對較小;若接觸點沒有在開口處,則測量的初始樹木阻抗相對較大,當木栓部密度較大或含水率較小時,測量的初始樹木阻抗較大,反之較小;當電流流入韌皮部后,韌皮部充當電流通路,韌皮部的含水率越大,測量的樹木阻抗越小,反之越大;測量的實際樹木阻抗與木質部沒有直接關系。
4.3 樹線故障樹木阻抗等效電路
根據試驗現象得到不同樹木部位的阻抗值不同,不同部位對樹木暫態阻抗變化關系密切,樹木橫向截面示意圖如圖9(a)所示?；跇淠窘Y構建立了樹木阻抗等效電路,如圖9(b)所示,簡化的樹木阻抗等效電路如圖9(c)所示。
(a) 樹木橫向截面示意圖
(b) 樹木阻抗等效電路
(c) 樹木阻抗簡化等效電路
圖9(b)中:U0為故障相電壓;R1、R2為樹木木栓部等效電阻;C0為間隙等效電容;R3為間隙等效電阻;R4為樹木韌皮部等效電阻;R5為樹木木射線等效電阻;R6為樹木木質部等效電阻。
圖9(c)中:U0為故障相電壓;R0=R1//R2為木栓部簡化等效電阻;C0為間隙等效電容;R3為間隙等效電阻;R7=R4//(R5+R6)為韌皮部與木質部簡化等效電阻。
樹木阻抗等效電路是依據不同樹木部位的性質和試驗測量數據建立的,能夠定性地反映不同樹木部位之間的電阻大小關系和性質。樹木木栓部等效電阻取值范圍為100～1 000 000 Ω,測量木栓部與韌皮部之間的阻抗呈容性,間隙等效電容取值為1～10 nF,間隙等效電阻取值為10～100 000 Ω,樹木韌皮部等效電阻取值為10～200 000 Ω,樹木木射線等效電阻取值為100～500 000 Ω,樹木木質部等效電阻取值為100～1 000 000 Ω。影響不同部位等效電阻的最主要因素是含水率,含水率越高,等效電阻越小。
(10)
式中:R1、R2、R3、R4、R5、R6、C0為樹木不同部位電阻和電容;Zt為樹木等效阻抗;W為樹木不同部位阻抗受含水率的影響。
將式(10)簡化,得到等效樹木暫態阻抗為
(11)
將(11)式化簡為
(12)
韌皮部等效電阻與木射線等效電阻、木質部等效電阻為并聯關系,且前者等效電阻小于后兩者等效電阻。根據前文分析,木栓部被擊穿后,樹木內部的主要電流通路為韌皮部,因此,木射線和木質部等效電阻對樹線故障下的樹木暫態阻抗影響較小,將兩者等效電阻進行簡化。將式(12)簡化后,得到實際測量等效樹木暫態阻抗為
Zt=f(W(R7))=W(R7)。
(13)
含水率W與樹木等效電阻R之間的關系表達式參照式(8)、(9)的擬合公式。
分析樹木阻抗等效電路可得:樹線故障下木栓部阻抗對樹木與導線之間的接觸阻抗影響最大;韌皮部阻抗對樹線故障下樹木阻抗的變化特性影響最大;木質部阻抗對樹線故障下樹木阻抗沒有直接影響;影響上述三者電阻變化的主要因素是含水率。
本文搭建了樹線故障試驗研究平臺,選取了易發生樹線故障的2種典型樹木,在對地電容電流一定條件下,對2種樹木的暫態阻抗變化特性進行了試驗研究,分析了松樹和竹子阻抗的試驗現象、影響因素和變化特性,初步建立了樹木阻抗等效電路和模型,結論如下:
① 總結了松樹和竹子在樹線故障下試驗現象的規律,樹線故障下都會出現冒煙、放電、著火以及炭化現象,樹木溫度從導線接觸點沿徑向向兩端不斷升高,樹木炭化后的焦炭通道內部具有空氣間隙,可使得樹木內部產生局部放電;
② 含水率對樹木阻抗的變化特性影響極大,含水率越大,樹木阻抗越小,樹木阻抗與樹木的長度無明顯相關性。樹線故障下樹木的初始阻抗與導線接觸點木栓部電阻有關系,接觸點阻抗越大,樹木初始阻抗越大;
③ 基于樹木阻抗變化特性建立了樹木阻抗模型,將樹木試驗現象與阻抗變化分為4個階段,基于樹木結構建立了樹木阻抗等效電路,韌皮部等效電阻最小,木栓部等效電阻最大,樹木內部結構對樹木阻抗變化有著密切關系,影響不同部位阻抗大小的主要因素是含水率;
④ 樹線故障樹木暫態阻抗變化特性試驗研究為后續更深入的研究提供試驗基礎,為防治樹線故障提供試驗和理論依據。
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