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輸電線路走廊日益緊張，遠(yuǎn)距離輸電線路不可避免地經(jīng)過(guò)植被茂盛的高森林火險(xiǎn)地區(qū)，山火可能導(dǎo)致輸電線路相地和相間絕緣強(qiáng)度下降而發(fā)生跳閘事故。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近年來(lái)我國(guó)電網(wǎng)因山火跳閘事故達(dá)數(shù)百起，嚴(yán)重影響了電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

目前，國(guó)內(nèi)外主要通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量不同植被火焰離子濃度、溫度及擊穿電壓等，但由于植被類型、模擬試驗(yàn)尺度、試驗(yàn)方法等差異，所得擊穿特性差異較大；擊穿機(jī)理方面主要建立了考慮溫度、火焰電導(dǎo)率、灰燼顆粒等單一因素為主的放電模型，未見綜合考慮多環(huán)境因素相互影響的火焰條件下間隙放電模型，缺乏火焰下間隙電場(chǎng)特性的數(shù)值模擬分析。

直流條件下的火焰間隙擊穿特征研究相對(duì)較少，部分研究通過(guò)木垛火焰間隙的直流耐壓試驗(yàn)得到不同間隙擊穿電壓，分析火焰間隙擊穿機(jī)理，以及通過(guò)測(cè)量不同植被燃燒條件下的泄漏電流特性分析對(duì)間隙放電特性的影響?；鹧嬷械念w粒物和灰燼受火焰中離子影響而荷電，并在氣流、電場(chǎng)力等作用下進(jìn)入輸電線路下方間隙并形成顆粒鏈，使空間電場(chǎng)畸變并發(fā)生局部放電，進(jìn)一步造成整個(gè)間隙擊穿。

現(xiàn)有研究表明，荷電顆粒鏈畸變電場(chǎng)并產(chǎn)生局部觸發(fā)放電是導(dǎo)致整個(gè)間隙擊穿的關(guān)鍵因素，需要分析火焰間隙情況下顆粒荷電和運(yùn)動(dòng)特性對(duì)間隙放電的影響。在顆粒荷電方面，學(xué)者們研究了輸電線路附近顆粒、靜電除塵中不同粉塵顆粒、風(fēng)沙中沙粒、碳?xì)浠衔锶紵a(chǎn)生的碳煙顆粒等的荷電機(jī)理及數(shù)學(xué)模型，可為建立植被火焰中顆粒荷電提供參考。

小尺度的電場(chǎng)與火焰相互作用的試驗(yàn)研究表明，均勻電場(chǎng)的穩(wěn)定性會(huì)受到火焰的影響，擊穿放電與荷電碳煙濃度和電性有關(guān)，但并未深入討論荷電顆粒的運(yùn)動(dòng)特性對(duì)放電的影響?？紤]正極性與負(fù)極性條件下空間電場(chǎng)的畸變情況有明顯差異，表明不同極性條件下燃燒顆粒的運(yùn)動(dòng)荷分布特性有很大不同，直接利用試驗(yàn)進(jìn)行火焰間隙空間顆粒測(cè)量和分析較為困難，考慮建立合理的仿真模型進(jìn)行研究。

為此，三峽大學(xué)的科研人員根據(jù)拍攝的直流電壓下的火焰間隙顆粒運(yùn)動(dòng)情況，分析溫度、流體、電場(chǎng)和顆粒運(yùn)動(dòng)等物理場(chǎng)之間的相互聯(lián)系，提出多物理場(chǎng)耦合計(jì)算方法。首先結(jié)合相關(guān)試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)，仿真計(jì)算溫度場(chǎng)和流體場(chǎng)，然后分析顆粒荷電特性，綜合考慮顆粒所受流體曳力、電場(chǎng)力和重力等，計(jì)算不同粒徑、不同荷質(zhì)比情況下顆粒的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的受力變化，分析顆粒的運(yùn)動(dòng)和分布規(guī)律。

圖1 正負(fù)極性電壓下火焰形態(tài)與顆粒觸發(fā)放電

科研人員最后得出主要結(jié)論如下：

1）結(jié)合試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果設(shè)置燃燒參數(shù)，可以模擬振蕩過(guò)程，并使溫度分布與試驗(yàn)測(cè)量值有類似趨勢(shì)，但仍與實(shí)際燃燒有區(qū)別，下一步考慮利用化學(xué)反應(yīng)模擬木垛燃燒反應(yīng)過(guò)程。

2）燃燒顆粒在上升過(guò)程中流體曳力、荷電場(chǎng)力都在不斷變化，根據(jù)顆粒荷電極性不同，在上升不同階段會(huì)出現(xiàn)流體曳力的反向；火焰內(nèi)側(cè)的荷電顆粒受到的曳力和電場(chǎng)力均大于外側(cè)荷電顆粒。

3）由于火焰體中荷正電和負(fù)電的粒子含量不同，不同極性電極條件下，顆粒上升過(guò)程中的分布也有較大差異，對(duì)于極性與電極相反的顆粒，可計(jì)算臨界荷質(zhì)比，分析是否會(huì)被電極吸附。

4）顆粒粒徑越大，其被電極捕捉吸附的臨界荷質(zhì)比越??；在相同荷質(zhì)比的情況下，粒徑較大的顆粒越容易被電極捕捉，而小顆粒易隨熱氣流擴(kuò)散和飛升。

以上研究成果發(fā)表在2020年《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》增刊2上，論文標(biāo)題為“直流電壓下燃燒顆粒在間隙中的運(yùn)動(dòng)和分布規(guī)律”，作者為普子恒、王子鳴 等。