架空输电线路由于具有建造成本低、工期短、维护方便等优点，已成为主要的电力输送方式。作为电力系统中连接发电、变电和配电的重要纽带，架空输电线路的安全和稳定是电力系统运行中需重点关注的问题之一^[1]。然而，由于输电线路走廊大量经过山区、森林等植被丰富地区，因此常常遭遇山火威胁^[2]。当山火作用在架空输电导线附近时，其火焰、高温(1 000~1 177 ℃)以及烟尘颗粒等会显著降低导线和导线、导线和树木/建筑、导线和地面间空气间隙的绝缘强度，在两极间形成导电通道直至击穿，造成线路跳闸和停运事故，对设备和系统产生重大影响^[3]。中国《110 kV~750 kV架空输电线路设计规范》规定，110~750 kV级别架空输电线路对树木最小安全距离为4.0~8.5 m^[4]。然而，由于森林中可燃物种类繁杂、林区人口稀少、交通不便、林区管理水平低，再加上人为原因(祭祀、烧荒、吸烟等)和自然原因(雷击等)^[5]，在地形地貌、大气条件影响下，山火行为十分复杂，在一定条件下会形成对流柱、跳跃火团、爆发火、飞火、火旋风等特殊火行为，对架空高压输电线路击穿跳闸的有效影响高度可达数十米^[6]。2020年全国共发生森林火灾1 153次^[7]，不可避免地诱发了当地的高压输电线路跳闸事故。可见，《110 kV~750 kV架空输电线路设计规范》无法有效满足实际需求，山火易发地附近输电线路安全稳定运行受到严重威胁。

在此形势下，近年来国内关于山火引发输电线路跳闸事故的研究也日益增多。王振华等^[8]通过模拟实验研究了在木垛火和工频高压作用下单股、双分裂和四分裂模拟导线对地间隙击穿特性，并与空气间隙条件下击穿电压作比较，结果表明木垛火击穿实验中火焰高温效应是降低平均击穿场强的主要原因，而火焰电离作用相对次要。除了木垛火源外，杨康等^[9]基于正庚烷火源和棒-棒电极模拟研究了直流高压在火焰中击穿和放电现象，并对火焰温度和电阻参数进行测量，得到不同火源条件下放电间隙击穿电压，探讨了火场参数对放电间隙击穿场强的影响。黄勇等^[10]利用山火模拟试验平台开展了1.2~2.7 m导线-板间隙工频击穿特性试验，研究了全桥接和部分桥接时导线分裂数、植被种类、燃烧强度和火焰高度对间隙击穿特性的影响。国外学者的模拟山火诱导跳闸实验研究比国内开展得更早。Sadurski等^[11]采用棒-棒电级在丁烷火焰中设置空气间隙为0.1至1.2 m时，击穿场强分别为4 kV/m至70~90 kV/m。West等^[12]研究了木垛火源下垂直于铁质杆塔架设的两相实验线路的间隙击穿场强，发现棒-板、棒-棒间隙平均击穿场强分别为49.3和65.0 kV/m。Albini^[13]采用木垛火源(尺寸为3.0 m×3.0 m×4.9 m)，测试了导线-地间隙10.7 m和导线-导线间隙7.6 m时的击穿场强，发现导线-地间隙和导线-导线间隙的放电次数基本相同，得到平均击穿场强分别为26.7和65.0 kV/m。Mitchell^[14]、Winands等^[15]、Briels等^[16]通过模拟木垛火源发生火灾，研究了棒-板间隙中颗粒物对直流和交流输电线路间隙击穿特性的影响。

前人研究多集中在利用中尺度木垛火等火焰诱发交流放电以及通过中尺度实验平台测定和分析间隙击穿场强。本文采用丙烷喷射火焰模拟山火火源。丙烷是一种无色有机气体，燃烧时高效洁净，其燃烧热为2 217.8 kJ/mol，与实际山火温度场相似，与山火对电极击穿的影响相似，并且丙烷火焰是气体火焰，方便控制。本文选用棒形、板形电极作为放电端，探讨不同电极形状、间隙距离对击穿电压等击穿特性及击穿瞬间电弧特征和极性效应的影响，为山火防治、高压输电导线路布置与规划等提供参考。

1 实验设计 1.1 实验材料与装置

实验采用棒形、板形两种放电电极。棒形电极材料为铜，长为300.0 mm，直径为10.0 mm，圆锥锥角为60°；板形电极材料为不锈钢，直径为120.0 mm，厚度为3.0 mm。电极加工制作单位为南京陆达实验仪器公司。丙烷压缩钢瓶由山东永安特种设备公司生产。图 1为中尺度模拟火焰诱导间隙放电击穿实验装置示意图，包括工频放电系统、模拟火源及其控制系统、示波器、组合电极、耐高温绝缘支架、摄像机等。

1.1.1 工频放电系统

工频放电系统装置由武汉市华电美伦电力技术有限公司生产，型号为TDM-30 kV·A/50 kV，主要由控制台、变压器、水电阻、分压器组成。变压器为型号YDJ-30 kV·A/50 kV交直流试验变压器，如图 2a所示，额定容量为30 kV·A，输出电压为0~50/0~70 kV(交/直流)可调，变比误差 < ±1.0%，阻抗 < 8%；分压器为阻容分压器，型号为FRC-50 kV，如图 2b所示，电压等级为50 kV，精度为1.0%(交/直流)，分压比1 000∶1，阻抗为600 MΩ。

1.1.2 示波器

示波器型号为MDO3014，如图 2c所示，带宽100 MHz，采样频率为2.5×10⁹ Hz，最大存储容量为10 MB。

1.1.3 喷射火及其控制系统

喷射火及其控制系统主要包括喷头、转子流量计、丙烷气瓶、固定和调节喷口方向的调节架和连接各部分的气管。圆柱形喷头材质为钢，长为180.0 mm，外径为10.0 mm。圆柱中心为喷口，贯穿整个喷头，喷口为圆形，直径为3 mm。流量计类型为丙烷转子流量计，型号为LZB-10WBF，可调节体积流率范围为0~30 L/min。

火焰参数测量实验装置示意图如图 3所示，由丙烷喷射火源、温度采集系统、摄像机组成。温度采集系统主要包括：铠装热电偶束、温度采集仪和笔记本计算机。实验中主要测量火焰中轴线温度分布，以分析火源温度对间隙击穿特性的影响。

1.2 实验方法及过程 1.2.1 火焰参数实验测定方法

考虑丙烷喷射火实验的稳定性，经过测试，采用丙烷喷射的体积流率为10 L/min。喷头出口流速换算公式为

$ V=\frac{Q}{A}=\frac{Q}{\left(\frac{d}{2}\right)^{2} {\rm{ \mathsf{ π} }}}. $

(1)

式(1)中：V为流速，m/s；Q为体积流率，m³/s，A为过流截面积，m²；d为喷口直径，m。将本实验相关参数代入式(1)，算得丙烷喷射火出口流速为23.6 m/s。丙烷喷射火总长度约为80.0 cm，喷射火最大宽度约为30.0 cm，从顶部到底部(喷口处)逐渐变窄。如图 3所示连接各装置。热电偶共15根，在喷口处上方3.0 cm处布置第1根；沿着火焰轴线依次每隔7.5 cm布置热电偶。图 4为热电偶测量丙烷喷射火温度实景图。

图 4中，将丙烷喷射火焰分为3个区，分别为连续区1、连续区2、间隙区。连续区2大约位于第6根和第8根热电偶之间，该区火焰振荡程度低，温度稳定在802.0 ℃左右，火焰宽度约为25.0 cm。将该区火焰作为模拟诱导击穿火源。

1.2.2 不同形状电极诱导击穿实验方法

在电极正下方布置垂直向上燃烧的丙烷喷射火。将阳极电极向阴极电极放电通道方向定义为击穿方向。由于阳极电极始终放置在阴极电极上方，因此火焰扩散方向与击穿方向成180°(相反)。采用棒(阳极)-棒(阴极)、棒(阳极)-板(阴极)、板(阳极)-棒(阴极)3种电极形式。棒(阳极)-棒(阴极)电极设计间隙距离分别为3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0 cm，棒(阳极)-板(阴极)、板(阳极)-棒(阴极)电极设计间隙距离均分别为2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0 cm。

图 5为火焰条件下电极布置示意图。按图 5连接装置设备。在电极正下方引入垂直向上燃烧的丙烷喷射火，调整丙烷流量计为10 L/min，通过升降式调节台调整喷口位置，使得喷射火焰的连续区2桥接电极间隙。在开始阶段，对设备均匀升压，当电极间隙出现“嗞嗞”电晕放电声时，缓慢升压，直至电极间隙击穿出现电弧并引发装置跳闸。击穿电压波形数据通过示波器记录并保存至计算机，放电电弧通过摄像机记录并保存。为保证实验结果的可靠性，统计正负周期击穿次数(极性效应)。每项实验重复6~8次。当前6次击穿方向均为电压波形正(或负)周期时，终止实验，如果出现不同击穿方向则再重复2次。改变间隙距离和更换电极继续完成实验。击穿方向均为阳极到阴极，击穿位置为棒电级尖端与板电极中间位置。

2 结果与讨论 2.1 丙烷喷射火焰中轴线温度分布

图 6为体积流率10 L/min、出口流速23.6 m/s条件下丙烷喷射火在距喷口3.0 cm处沿着火焰中轴线垂直向上112.5 cm内的温度梯度变化。从图 6中可以看出，火焰最高温度835.3 ℃，在火焰距喷口25.5~55.5 cm (第4到8个热电偶之间，即连续区2)处温度较为稳定，平均温度约为802.0 ℃。因此，选择该区域进行火焰条件下电极击穿实验。

2.2 不同电极组合形式击穿电压、击穿场强和波形对比

根据电压波形可得击穿电压峰值，根据式(2)可算出击穿电压有效值，每个工况下击穿电压有效值取平均值作为该条件下击穿电压。再根据式(3)计算击穿场强。

$ U=\frac{u}{\sqrt{2}}. $

(2)

$ E=\frac{U}{\Delta d}. $

(3)

式(2)中：u为电压峰值，kV；U为击穿电压，kV。式(3)中：E为击穿场强，kV/cm；Δd为导线-导线间隙距离，cm。

表 1为3种电极组合形式在空气条件下平均击穿电压和平均击穿场强。表 2为3种电极组合形式在丙烷喷射火焰条件下平均击穿电压和平均击穿场强。

从表 2中可以看出，引入火源后，各个电极间隙的击穿电压和击穿场强比空气条件下显著降低。丙烷喷射火焰作为一种扩散层流碳氢火焰，在燃烧过程中，火焰发生电离反应所产生的大量带电粒子(H₃O⁺、CHO⁺、CH₃⁺、C₃H₃⁺等)和自由电子充斥在间隙里，极易在外界电场作用下迁移而产生电流，导通间隙。从表 2可以看出，火焰条件下当间隙距离为1 cm和1.5 cm(较小间隙距离)时，由于击穿电压超过装置能达到的最大电压，致使该条件下无法发生放电击穿，故瞬间击穿电流过小不足以使保护装置启动跳闸保护。

图 7为3种电极组合在火焰条件下平均击穿电压和平均击穿场强随间隙距离的变化趋势。从图 7a中可以看出，同空气条件下一致，在火焰条件下3种电极组合的间隙击穿电压均随间隙距离增大而增大。其中：棒-棒电极击穿电压增加速率最低，棒(阴极)-板(阳极)增加速率最高。可见，在较短间隙范围内，火焰充斥间隙会改变击穿电压大小，但电极形状对放电击穿的影响没有改变。从图 7b中可知，同空气条件下一致，各电极组合平均击穿场强总体上随着距离增大呈下降趋势。

图 8为3种电极组合在火焰下间隙击穿的瞬时电压波形。由于火焰下各工况的击穿电压波形具有一致性，每种电极在最大间隙距离综合选取一组代表性波形。由图 8可知，火焰条件下间隙击穿过程可分为“两期两点”，即击穿前“放电诱导期”、临界击穿时“间隙击穿点”、击穿产生电弧后“电弧导通期”、电弧阶段性消失时“击穿消失点”。此后电弧又进入“放电诱导期”，如此循环。可以看出，电极形状对电压波形无明显影响，小间隙距离下“电弧导通期”波形各组电极基本一致。

2.3 不同电极组合形式击穿极性效应

从图 8中各电极组合击穿瞬时电压波形可以看出，间隙击穿点发生在交流电波形正周期或负周期峰值，具有正负极性效应。根据统计学中心极限定理，统计每种电极组合间隙放电30~50次(不同间隙距离)在正、负周期的击穿次数，确定每种电极组合下正极性击穿或负极性击穿概率。表 3为火焰条件下各电极组合间隙击穿统计结果。

如表 3所示，各电极组合在火焰条件下击穿方向具有正负极性效应。引入火焰对棒-板电极击穿过程影响较大。在棒作为阳极荷载正电压(电子聚集此处)时，间隙优先从负周期击穿；在棒作为阴极荷载负电压(阳离子聚集此处)时，间隙优先从正周期击穿。对于荷载正电压棒(阳极)-板(阴极)电极，由于火焰流场和热浮力方向均向上，火焰中正离子受其影响聚集在靠上部位置的阳极附近，起到类似增大阳极棒电极曲率半径的作用，抑制荷电粒子形成流注通道，由此降低正周期形成导电通道的概率；对于荷载负电压棒(阴极)-板(阳极)电极，情况刚好相反。可见，火焰流场和热浮力会影响电极间隙击穿极性特征。

2.4 不同电极组合形式放电电弧特征对比

针对3种电极组合，选取最大放电间隙距离(8.0 cm)下代表性电弧图像进行分析。由于间隙距离较小，火焰条件下放电一直存在，电弧呈断续状态一直存在。图 9—11分别为火焰条件下棒-棒和棒-板间隙电弧图像。

由图 9可见，火焰条件下较小间隙击穿电弧主要分为2种状态：电弧导通和电弧燃烧状态。前者主要为蓝色细长弧柱(图 9a和9b)；后者是黄色弧柱，弧柱形状较粗且不规则(图 9c—9f)。由于火焰燃烧复杂，受火焰流场和热浮力作用，火焰结构不稳定，在实际实验过程中，火焰焰体内部流场会左右偏斜，电弧弧柱在间隙中受流场作用摆动，弧柱长度加长、形态曲折，甚至影响到弧根，改变预设放电位置，如图 9b、9d—9f所示。此外，电弧在火焰下燃烧时，弧体体积明显增大，如图 9c所示。这是因为火焰中带电粒子数目远大于空气中，阴阳粒子复合数量也高于空气间隙。火焰条件下电弧燃烧不仅自身产生热浮力，同时也受火源热浮力作用，弧体向上漂移程度比空气条件下更明显。

由图 10和11可见，火焰条件下棒-板间隙击穿电弧形变的曲折程度明显高于棒-棒电极间隙，甚至出现环形电弧，如图 10c和图 11b所示。当火焰包裹板电极时，弧根会转向板电极边缘位置(图 10c—10f))。同时，受火焰流场作用，靠近棒电极的弧根位置由棒尖转到棒体(图 11d—11f)。

3 结论

利用30 kV·A/50 kV工频放电系统，通过实验模拟空气和火焰条件下棒-棒、棒(阳极)-板(阴极)、棒(阴极)-板(阳极)3种电极组合的间隙击穿过程，测量和记录了在一定间隙距离下平均击穿电压、平均击穿场强、击穿电压波形、电极极性效应和击穿电弧图像特征。主要结论如下。

1) 空气和火焰条件下间隙距离相对较小(小于8.0 cm)时，3种电极组合下平均击穿电压总体上均随间隙距离增大而增大，平均击穿场强总体上均随间隙距离增大而减小并趋于稳定。当间隙距离更小(2.0 cm)时，平均击穿场强出现增大趋势，且易受到火焰影响。

2) 火焰条件下，较小间隙距离时击穿电压较低，瞬间击穿电流过小不足以使保护装置启动跳闸保护。击穿波形呈现“两期两点”，即击穿前“放电诱导期”、临界击穿时“间隙击穿点”、击穿产生电弧后“电弧导通期”和电弧阶段性消失时“击穿消失点”。3种电极组合在火焰条件下击穿方向具有极性特征。对于棒-板电极组合，在棒作为阳极时，间隙优先从负周期击穿，而棒作为阴极时，间隙优先从正周期击穿。火焰流场和热浮力会影响电极间隙击穿极性特征。

3) 电弧演变过程可分为导通阶段、燃烧阶段和熄灭阶段。火焰条件下电弧体积更大，向上漂移程度更剧烈，且火焰流场和热浮力会改变电极预设放电位置，弧根位置随击穿点不断变化，弧柱形变曲折程度变大。

根据实验结果，可在现实高压输电电网中调整交流电压输出周期甚至设计特殊线路，控制山火跨接线路时间隙击穿概率。

下一步研究拟搭建新实验平台，研究湿度、海拔、植被种类等因素对间隙击穿的影响。