輸電線路作為電力系統的重要組成部分，其安全運行直接關係著電網供電可靠性。在實際運行過程中，線路走廊內的樹木是輸電線路極大的安全隱患，不斷生長的樹木造成輸電線路發生閃絡、跳閘事故。如何及時發現、處理和預防樹障以保障電力安全供應成為電力運維人員關注的焦點。
貴州電網有限責任公司電力科學研究院的研究人員曾華榮、楊旗、馬曉紅、張露松、羅國強，在2020年第8期《電氣技術》雜誌上撰文，搭建了輸電線路樹障隱患預放電模擬試驗測試平臺，研究得到不同階段樹障預放電過程的特徵參數，為構建輸電線路故障資料庫實現智能識別提供了參考。
輸電線路樹障是指樹木在生長過程中，其與導線之間的距離不斷減小，引起導線表面電場畸變，導線與樹之間形成的電場強度不斷增大，最終導致線路發生閃絡並引發跳閘停電事故。
2003年著名的美加大停電，主要原因就是三條輸電線路發生樹閃故障退出運行，最終導致系統解列。2006—2007年間，馬來西亞東部地區就因樹木生長過高發生爆炸，導致大面積停電事故。在我國南方電網地區，由樹障引發的線路跳閘事故已然成為威脅供電可靠性的主要因素。因而，輸電線路樹障成為電力巡檢最為重點關注的問題。
目前針對輸電線路樹木隱患，我國電網仍以人工巡檢方式為主。近年來，研究人員提出在杆塔上安裝攝像頭，通過監測圖像判斷輸電線路下方的樹障隱患。但是由於地形的起伏變化，杆塔上的圖像監測難以實現對遠處的弧垂點和樹冠高度的捕捉和判斷。
在理論分析上，研究人員提出利用行波法來分析輸電線路樹障。隨著無人機技術的發展，我國開始出現藉助無人機掌握輸電線路通道的情況，主要包括結合小型雷射掃描儀的無人機+LiDAR巡檢方法以及採用基於攝影測量和計算機視覺的傾斜攝影技術。
現有方法在降低輸電線路樹障方面起到了一定的作用。但在實際運行過程中，輸電線路由於受自身載流變化、外界天氣的影響，其與下方樹木發生樹閃的不確定性進一步增加。隨著智能電網的建設，對於全面、實時掌握電網運行狀態提出了更高的要求，因而亟需開展對輸電線路樹障預放電特徵的分析，進而提高輸電線路在線安全運行水平，為在線故障智能診斷提供數據支撐。
1 輸電線路樹障分類簡介
輸電線路樹障形成的根本原因是樹木不斷生長與輸電線路之間的矛盾。其產生原因為：①樹障清理工作不便；②輸電走廊寬度不足；③輸電走廊保護區控制力度不夠。
樹障距離過小，往往會造成輸電線路燒毀，影響生活生產，甚至造成人員傷亡，因此國家制定了不同電壓等級下的樹木與導線安全間距的相關標準，見表1。
根據樹障的產生，主要分為3種類型：
1）在雨雪雷電等惡劣條件下，輸電線路走廊內/外樹木或者樹枝掉落在導線上，造成線路發生閃絡。在這種情況下，一般通過重合閘及系統調度員的操作，可以避免發生大規模停電事故，對於電力系統的影響往往比較小。
2）輸電線路走廊範圍發生大風，造成線路發生搖擺，當線路搖擺幅度過大且與走廊內的樹冠靠近時，線路與樹木發生閃絡。這種類型是比較常見的瞬時性故障，一般通過重合閘往往能夠確保線路的正常運行，不會造成較大的故障。
3）系統負荷電流增大，導線溫度上升，線路的弧垂由原f變化至f1。同時線路走廊下樹冠沒有及時修剪，其生長高度達到h1，如圖1所示。
此時，d1小於臨界距離d，輸電導線與樹冠空間合成電場強度小於最小擊穿電場，線路發生樹閃故障。該類樹障時常發生於夏季，極易引發大面積停電事故。
2 輸電線路樹障預放電試驗設計
2.1 試驗原理
樹木故障的形成是一個漸進過程，隨著樹木逐漸臨近輸電導線，樹木頂部場強逐漸增大，樹木與導線之間空氣間隙出現了由弱變強的放電，直至完全擊穿。為研究輸電線路樹障預放電特徵，進而為輸電線路樹障在線監測提供數據支撐，在貴州梅花山試驗基地搭建樹障隱患預放電試驗平臺，其原理圖如圖2所示。
圖中使用試驗變壓器模擬線路高壓環境，試驗變壓器額定容量1200kVA，額定輸出電壓0～400kV，額定輸入電壓0～10kV，額定輸入電流120A，額定輸出電流3A。
模擬試驗採用電容分壓器測量模擬變壓器輸出電壓，標稱電容器500pF，額定電壓400kV，標稱分壓比1000:1，電容分壓器用以測量模擬試驗高壓環境的工頻電壓。
梅花山防冰試驗基地雨凇架為12m×12m×12m的鋼結構架，用於懸掛各種型號的絕緣子、導線，在本試驗中用於固定懸掛模擬導線、模擬樹木。模擬導線採用外徑為3.1cm，長度為3m的均質鋼管，其兩端通過絕緣子懸掛於橫擔下面，其空間位置可以隨意調整。
模擬導線正下方放置5m×5m鋁製薄板以模擬大地。圖中樹障模擬試驗採用種類相同、高度相近且生長狀態基本一致的樹木作為試品，通過絕緣繩懸掛試品樹木，改變試品與模擬導線之間的距離，模擬自然狀態下樹障不斷靠近輸電導線的放電過程。
為保證樹木良好接地，在樹木底部用導電性良好的銅線進行多層纏繞，並接在接地電極上。導線上安裝帶寬為1kHz～5MHz羅氏線圈構成架空線路故障放電行波電流測量終端，並採用紫外成像設備和高速攝像機觀測樹障放電過程。
2.2 試驗步驟
1）樣品準備。準備若干種類相同、高度相近且生長狀態基本一致的盆栽植物，試驗前將植物頂部進行一定的修理，使其頂部形狀儘量保持較高的相似性，避免結構對電場分布的影響。
2）設置採集參數。將監測終端觸發閾值調整為迴路電暈放電電流幅值的1.2～1.5倍左右，可以避免因電暈放電帶來的幹擾，接地端電流傳感器採集參數設置方法與此相同。
3）升壓。檢查試驗迴路並確保接線無誤，調整樹木懸掛高度，按均勻升壓法緩慢升高電壓直至額定值，對於110kV電壓等級，模擬導線上施加的電壓為63.5kV。
4）調整樹木懸掛高度。每次高度增加約3cm左右，在不同的高度下觀察迴路是否有放電，如有放電，則通過高壓端監測終端實時記錄放電電流。與此同時，記錄樹木與導線的淨空距離。每組數據重複3次並取平均值。
3 結果分析
在模擬樹木隱患靠近輸電導線的放電時，首先測試記錄110kV迴路電暈噪聲水平，避免電暈噪聲造成的幹擾影響。圖3所示為樹木逐漸臨近模擬導線時紫外成像設備拍攝的放電過程。隨著樹木頂部逐漸臨近模擬導線時，首先出現不可見的放電，伴有一定強度嘶嘶聲，此時樹線淨空距離約40～45cm，紫外成像設備光子數達到400～700範圍。
當樹線淨空距離進一步臨近時（25～40cm），產生程度更加劇烈的放電，放電聲音變大，且放電聲音呈時斷時續的特徵。此時監測終端和示波器上均監測到了較為穩定的放電脈衝，光子數在850～1600之間來回波動，產生穩定的放電。
與電暈放電過程不同的是，樹障隱患與導線間呈現強脈衝放電過程，並在維持一段時間後，樹木頂部出現燒焦痕跡。當淨空距離低於25cm時，間隙瞬間擊穿，變壓器保護動作並跳閘。
圖3所示放電過程中，紫外成像儀上監測到的紫外光子數相對穩定，且放電持續較長時間，通過監測終端監測了大量放電波形，典型波形如圖4所示。
從圖4可以看出，放電脈衝主要發生在導線施加電壓正負峰值附近，且在一個峰值附近，往往伴隨3～10次密集放電。由於放電存在分散性，對大量波形數據進行統計分析，得到放電脈衝的特徵參數。試驗過程中，對每個階段的放電下的電流脈衝平均值、上升沿時間、半峰值時間、持續時間、相位區間、脈衝頻度進行統計。上升沿時間表示電流波形從峰值的10%上升到處90%所需時間。
半峰值時間為波形上升階段10%峰值處到下降階段50%峰值處時間。持續時間為電流波形從上升階段10%峰值處到下降階段10%峰值處時間。上述幾個時間指標均採用平均值。相位區間的下限為所有脈衝相位的最小相位，上限則為所有脈衝相位的最大相位。
脈衝頻度為每1s放電過程中出現的脈衝數的平均值。通過對大量脈衝進行統計分析，得到統計結果見表2。
從表2可知，隨著樹-線放電增強，放電脈衝特徵參數也呈現正相關變化趨勢：
1）在放電初始階段，放電脈衝電流平均值為45.19mA，此階段對應的放電光子數範圍為400～700。放電電流上升沿時間均值為0.17s。半峰值時間為1.42s。放電頻率為144.75次/s，相位區間為[84°, 95°]∪[261°, 279°]。
2）當放電脈衝電流範圍為60～200mA時，放電脈衝電流平均值從45.19mA增加到174.23mA。該隱患起始階段放電光子數在850～1600之間波動。放電脈衝電流上升沿時間從初始階段0.17s增加至0.19s，半峰值時間也呈現增加趨勢，從放電初始階段1.42s提高到2.89s。放電頻率為166.14次/s，相位區間為[77°, 126°]∪[244°, 288°]。
3）隨著放電電流超過200mA，該階段對應的放電光子數超過1600。單次放電上升沿時間顯著增加到0.26s，半峰值時間達到3.64s。由於單個放電上升沿時間及峰值時間的增長，單位時間內的放電次數相較於起始階段降低至158.63次。放電相位區間拓展至[36°, 133°]∪[248°, 285°]。
4 結論
本文針對樹障隱患對輸電線路安全運行的影響，分析了輸電線路樹障的類型及其風險，並在梅花山試驗基地搭建了輸電線路樹障隱患模擬試驗平臺。通過紫外成像設備拍攝放電過程，獲得了樹障不同階段的光子數特徵。
同時，基於羅氏線圈的放電行波電流測量終端獲得了樹障放電過程中脈衝電流信息，並通過統計獲得了不同階段的放電脈衝電流特徵參數，為提高輸電線路在線安全運行水平與在線故障智能診斷能力提供了支撐。
本文編自2020年第8期《電氣技術》，標題為「輸電線路隱患預放電特徵模擬試驗研究」，作者為曾華榮、楊旗、馬曉紅、張露松、羅國強。