一种断线坠地引发森林草原火灾的实验测量装置和方法

技术领域

本发明属于电气火灾防控技术领域，具体涉及一种配网线路断线坠地引发森林草原火灾的实验测量装置和方法。

背景技术

在特定的气象条件下，如长期高温干旱、大风、地面可燃物载量大等高火灾风险条件时，配网线路故障可能导致森林草原火灾。在电力线路故障引发森林草原火灾的复杂故障种类中，配网线路在杆塔倾斜倒塌、飞石打击或大风作用时发生断线坠地，从而引燃地面枯落物是一种重要的故障形式，尤其是穿越森林草原的架空10kV、35kV配网线路。

但是，目前对配网线路断线坠地引发森林草原火灾的机理、故障特征和故障检测方法，均缺乏深入理解和掌握，制约了森林草原防火工作的高质量发展。一个很重要的原因，是缺乏符合实际运行条件的配网线路断线坠地引发森林草原火灾的实验测量装置和方法。现有试验方法均是采用直接释放带电高压导线，使其自由落体坠地接触地面可燃物，从而观察试验现象和记录试验结果。现有试验方法存在明显缺点和不足：首先，此高压导线仅带高电压，没有负荷电流，即导线本身已经处于断线状态，不符合配网线路带负荷运行时突然断裂的实际情况，也无法反映导线断线过程中三相电压、三相电流、零序电压和零序电流的变化特性；其次，由于试验室中导线释放高度存在一定局限，以及试验安全的考虑，带电高压导线释放的高度不可能很高，一般不会高于3米。按照物理定律计算，无遮挡时，导线坠落接触地面时速度一般不大于7.7m/s，这与实际情况差异较大。因为，在实际运行的10kV和35kV配网线路中，由于采用的电杆和杆塔型号、地形不同，导线离地高度一般介于6m～20m，其断线坠落接触地面时的速度一般位于10.8m/s～19.8m/s范围。导线坠落接触地面时的速度对引燃现象、引燃过程和故障特征影响较大，是研究导线断线故障时的一个重要参数；再次，现有试验方法未考虑断点的位置不同(线路首段、中段、末段)带来的影响，未考虑坠落部件不同(电源侧导线坠地、负荷侧导线坠地)带来的影响。同样地，发生实际断线故障时，均存在这些可能。断点位置(线路首段、中段、末段)，以及坠落部件(电源侧导线坠地、负荷侧导线坠地)对断线故障的特征和检测识别方法均有重要影响；最后，现有试验方法均未实现温度、湿度、风速这些重要环境条件的控制。对森林草原火灾而言，温度、湿度和风速是决定火灾发生风险大小的重要影响因子，必须予以考虑。因此现有试验方法科学性不足、与实际运行情况和真实故障情形差别大，不能真实科学地模拟配网线路断线坠地引发森林草原火灾的情况。

发明内容

本发明提出一种配网线路断线坠地引发森林草原火灾的实验测量装置和方法，解决目前试验方法存在的弊端和不足：现有试验方法未考虑负荷影响，未实现导线断线过程模拟，未实现真实坠落高度模拟，未实现外界环境条件控制。

本发明通过下述技术方案实现：

首先，提出一种配网线路断线坠地引发森林草原火灾的实验测量装置，其包括：环境模拟箱、线路模拟单元、导线断线模拟单元、导线运动单元、地面及可燃物、测量及控制系统；所述环境模拟箱具有温度、湿度和风速自动控制调节装置，模拟森林草原火灾的气象条件；所述线路模拟单元包括集中参数柜和一段配网线路，模拟不同长度的三相配网线路；所述导线断线模拟单元包括触头和触头盒，模拟导线发生断线故障时由“正常”→“断线”的变化过程，以及此过程中产生的拉弧现象；所述导线运动单元的断裂导线旋转角速度改变，断裂导线上各点的线速度跟着改变，模拟导线从不同高度坠落时的落地速度；通过放置土壤、枯草落叶的绝缘盘模拟地面及可燃物。

作为实验测量装置的优选方案，所述环境模拟箱的环境条件调整范围为：温度-40℃～50℃，湿度5％～98％，风速0～29m/s。

作为实验测量装置的优选方案，所述线路模拟单元中，集中参数柜由电阻、电感和电容元件组成，通过不同的电阻、电感和电容值模拟不同长度的配网线路；一段配网线路由支架及其上敷设的三相配网线路构成。

作为实验测量装置的优选方案，所述导线断线模拟单元，通过触头和触头盒紧密接触，构成正常运行导线；触头可移动，触头盒固定，当触头受力逆时针运动时，将脱离触头盒，此时即为导线断线状态。

作为实验测量装置的优选方案，所述导线运动单元由伺服电机控制，伺服电机转动时拉动绝缘拉杆水平向右运动，绝缘拉杆拉动断裂导线逆时针旋转；当绝缘拉杆运动速度改变时，断裂导线旋转角速度改变，断裂导线上各点的线速度跟着改变。

作为实验测量装置的优选方案，实验装置放置在环境模拟箱内，伺服电机安装在绝缘支架上，伺服电机通过绝缘拉杆与导线运动单元相连，O为转轴中心，OA段为长臂，OB段表示短臂，AD段表示断裂导线，C为断裂导线中点；初始位置时，导线相位135°，导线A端触头伸入触头盒，从而与外电路连接；当绝缘拉杆向右运动时，拉动导线脱离触头盒，模拟发生断线故障；断裂导线逆时针运动90°时，伺服电机停止运动，短臂OB与绝缘拉杆上的条形孔脱离接触，断裂导线可自由运动，继续旋转运动45°，直至碰触地面；绝缘盘底部放置金属板，金属板接地；触头盒、长臂O点分别通过软绝缘导线连接至环境模拟箱外部；

在导线运动单元中，绝缘拉杆上有条形孔，绝缘拉杆通过条形孔与转轴上的短臂相连接；当导线旋转角度<90°时，绝缘拉杆拉动转轴旋转，从而带动导线逆时针旋转；当导线旋转角度≥90℃，电机停止转动，绝缘拉杆停止运动，此时转轴上的短臂在条形孔中自由运动，导线自由下坠；即在导线逆时针旋转的最后阶段中，导线是自由坠落的；最后阶段指最后45°范围，最终位置是水平静止状态。

作为实验测量装置的优选方案，与导线坠落高度一一对应的伺服电机目标速度按下式计算得出：

设导线坠落高度为H，对应伺服电机最大速度为ν

则满足下列关系：

ν

ν

C点、B点角速度大小相同，可得：

根据刚体定轴转动动能定理，可得：

ν

ν

其中：

m

m

J——表示长臂和短臂构成的系统的转动惯量；

通过上式即计算出伺服电机最大速度ν

将

作为实验测量装置的优选方案，所述地表及可燃物包括：可燃物盛放在绝缘盘中，绝缘盘底部放置金属板，金属板接地，绝缘盘中填充土壤，土壤上方铺放落叶、松针或杂草等可燃物。

作为实验测量装置的优选方案，所述测量及控制系统包括：测量实验过程中三相电压、三相电流、零序电压和零序电流，以及通过金属板入地的接地电流，记录地面枯落物被引燃的试验现象、枯落物温度、断裂导线落地时的弹跳现象。

其次，提出一种配网线路断线坠地引发森林草原火灾的实验测量方法，基于上述的配网线路断线坠地引发森林草原火灾的实验测量装置，实施以下步骤：

(1)确定导线电压等级、负荷电流、导线高度、断线坠地故障发生位置、发生部件；导线电压等级可选10kV、35kV，断线坠地故障发生位置可选首段、中段、末段，发生部件可选电源侧导线、负荷侧导线；

(2)计算导线坠落高度所对应的伺服电机最大速度和加速度，并在伺服电机控制程序中设定；

(3)完成高压电源、线路负荷、集中参数柜、导线运动单元的接入；

(4)启动伺服电机，绝缘拉杆拉动短臂转动，带动断裂导线逆时针旋转，导线发生断线故障；

(5)程序自动判断导线旋转角度，当导线旋转角度<90°时，伺服电机继续运行，导线继续逆时针旋转；当导线旋转角度≥90℃，伺服电机停止转动；此时绝缘拉杆停止运动，转轴上的短臂在条形孔中自由运动，导线自由下坠；

(6)导线下落直至撞击地面和枯落物，发生反弹，再次坠落撞击地面；如此反复，直至导线静止停留在枯落物上；

(7)记录全过程中的试验现象和试验数据，分析处理。

综上所述，本发明与现有技术相比，具有以下优点和特点：

(1)实现了线路负荷因素影响的考虑，模拟了导线从“正常运行”→“断线”→“坠地”的全过程；

(2)在有限的实验室空间内，通过控制导线坠地速度，可实现导线坠落高度与配网线路实际情况相符，且坠落高度可灵活调节控制；

(3)导线坠落地面时运动状态与实际断线坠地故障一致。且由于地面硬度、枯落物种类、状态和载量不同等因素导致的导线反弹幅度变化可以控制；

(4)导线断点位置可控，可位于配网线路前段、中段或末段；

(5)坠落部件可控，可控制为电源侧导线坠落地面，或负荷侧导线坠落地面；

(6)断线坠地引燃试验时环境温湿度、风速可调节控制，为研究单一环境因素影响和确定火灾风险最大的环境条件提供基础。

本发明为研究配网线路断线坠地引发火灾故障提供科学的、符合实际运行条件和故障情形的试验装置和方法，为防治配网线路故障引发山火的技术产品研发提供基本研究手段。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。

图1是实验测量装置实施例结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作的原理和特征等做进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明保护范围的限定。

实施例

本发明的配网线路断线坠地引发森林草原火灾的实验测量装置包括六个部分，由环境模拟箱、线路模拟单元、导线断线模拟单元、导线运动单元、地面及可燃物、测量及控制系统组成。

(1)环境模拟箱。温度、湿度和风速是决定森林草原火灾发生风险大小的重要因素。环境模拟箱能够实现温度、湿度和风速的自动控制调节。其中温度范围-40℃～50℃，湿度5％～98％，风速0～29m/s，涵盖我国西南、东北、华北、华南等森林草原火灾频发地区的典型火灾气象条件。

(2)线路模拟单元。线路模拟单元模拟不同长度的三相配网线路，由集中参数柜和一段配网线路构成。集中参数柜由电阻、电感和电容元件组成，通过不同的电阻、电感和电容值模拟不同长度的配网线路。一段配网线路由支架及其上敷设的三相配网线路构成。

(3)导线断线模拟单元。通过触头和触头盒紧密接触，构成正常运行导线。触头可以移动，触头盒固定，不能移动。当触头受力逆时针运动时，将脱离触头盒，此时即为导线断线状态，可以模拟导线发生断线故障时由“正常”→“断线”的变化过程，以及此过程中产生的拉弧现象。

(4)导线运动单元。导线运动单元由伺服电机控制，伺服电机转动时拉动绝缘拉杆水平向右运动，绝缘拉杆拉动断裂导线逆时针旋转。当绝缘拉杆运动速度改变时，断裂导线旋转角速度改变，断裂导线上各点的线速度跟着改变，以此实现导线从不同高度坠落时落地速度不同状况的模拟。

在导线运动单元中，绝缘拉杆上有条形孔，绝缘拉杆通过条形孔与转轴上的短臂相连接。当导线旋转角度<90°时，绝缘拉杆拉动转轴旋转，从而带动导线逆时针旋转。当导线旋转角度≥90℃，电机停止转动，绝缘拉杆停止运动，此时转轴上的短臂在条形孔中自由运动，导线自由下坠。即在导线逆时针旋转的最后阶段中(最后45°范围，最终位置是水平静止状态)，导线是自由坠落的。与导线坠落高度一一对应的伺服电机目标速度可按下式计算得出：

如图1所示，实验装置放置在环境模拟箱内，伺服电机安装在绝缘支架上，伺服电机通过绝缘拉杆与导线运动单元相连，O为转轴中心，OA段为长臂，OB段表示短臂，AD段表示断裂导线，C为断裂导线中点。初始位置时，导线相位135°，导线A端触头伸入触头盒，从而与外电路连接。当绝缘拉杆向右运动时，拉动导线脱离触头盒，模拟发生断线故障。断裂导线逆时针运动90°时，伺服电机停止运动，短臂OB与绝缘拉杆上的条形孔脱离接触，断裂导线可自由运动，继续旋转运动45°，直至碰触地面。通过放置土壤、枯草落叶的绝缘盘模拟地面及枯落物。绝缘盘底部放置金属板，金属板接地。触头盒、长臂O点分别通过软绝缘导线连接至环境模拟箱外部。

设导线坠落高度为H，对应伺服电机最大速度为ν

则满足下列关系：

ν

ν

C点、B点角速度大小相同，可得：

根据刚体定轴转动动能定理，可得：

ν

ν

其中：

m

m

J——表示长臂和短臂构成的系统的转动惯量。

通过上式即可计算出伺服电机最大速度ν

将

(5)地表及可燃物。可燃物盛放在绝缘盘中，绝缘盘底部放置金属板，金属板接地，绝缘盘中填充土壤，土壤上方铺放落叶、松针或杂草等可燃物。

(6)测量及控制系统。包括测量实验过程中三相电压、三相电流、零序电压和零序电流，以及通过金属板入地的接地电流，记录地面枯落物被引燃的试验现象，枯落物温度，断裂导线落地时的弹跳现象。

基于上述的配网线路断线坠地引发森林草原火灾的实验测量装置，提出一种配网线路断线坠地引发森林草原火灾的实验测量方法，实施以下步骤：

1.确定导线电压等级(10kV、35kV)，负荷电流，导线高度，断线坠地故障发生位置(首段、中段、末段)，发生部件(电源侧导线、负荷侧导线)。

2.计算导线坠落高度所对应的伺服电机最大速度和加速度，并在伺服电机控制程序中设定。

3.完成高压电源、线路负荷、集中参数柜、导线运动单元的接入。

4.启动电机，绝缘拉杆拉动短臂转动，带动断裂导线逆时针旋转，导线发生断线故障。

5.程序自动判断导线旋转角度，当导线旋转角度<90°时，电机继续运行，导线继续逆时针旋转；当导线旋转角度≥90℃，电机停止转动。此时绝缘拉杆停止运动，转轴上的短臂在条形孔中自由运动，导线自由下坠。

6.导线下落直至撞击地面和枯落物，发生反弹，再次坠落撞击地面。如此反复，直至导线静止停留在枯落物上。

7.记录全过程中的试验现象和试验数据，分析处理。

通过上述具体实施方案，本发明可实现以下技术效果：

(1)通过线路模拟单元和导线断线模拟单元(未断线时)，实现了线路正常运行时带负荷运行工况的模拟，考虑了线路负荷的影响，与配网线路实际运行情况相符。通过此种装置，可以反映导线断线过程中三相电压、三相电流、零序电压和零序电流的变化过程，以及断线瞬间电弧特性。

(2)通过导线运动单元，调节电机转速，即可实现绝缘拉杆运动速度调节，最终可实现导线坠落地面时速度的调节。10kV和35kV配网线路运行过程中，其离地高度一般介于6m～20m，在无阻挡的情况下，其断线坠落接触地面时的速度一般位于10.8m/s～19.8m/s范围。即导线从不同高度坠落时，其落地速度不同。因此，本发明可实现不同高度导线坠落时故障情况的模拟。

(3)在导线运动单元中，绝缘拉杆上有条形孔，绝缘拉杆通过条形孔与转轴上的短臂相连接。当导线旋转角度<90°时，绝缘拉杆拉动转轴旋转，从而带动导线逆时针旋转。当导线旋转角度≥90℃，电机停止转动，绝缘拉杆停止运动，此时转轴上的短臂在条形孔中自由运动，导线自由下坠。即在导线逆时针旋转的最后阶段中(最后45°范围，最终位置是水平静止状态)，导线是自由坠落的，导线撞击地面时会经历“坠落→撞击→反弹→坠落→撞击→反弹”过程，反弹幅度越来越小，最终静止停留在地面上，与实际断线故障时一致。

(4)在地面及可燃物单元中，绝缘盘两端设置有减震器，通过调节减震器减震幅度，可以实现导线坠地后反弹幅度的控制，以此模拟实际断线故障时，由于地面硬度、枯落物种类和载量不同等因素导致的导线反弹幅度变化。

(5)通过改变集中参数模拟柜的接入位置和数量，可以实现不同断点位置的模拟(线路首段、中段、末段)，可以测量研究不同位置发生断线时故障特征变化，为不同位置发生断线故障时防治技术研发提供支撑。

(6)通过改变接入位置，当F点接入电源侧、E点接入负荷侧时，可以实现电源侧断线坠地故障的模拟；当F点接入负荷侧、E点接入电源侧时，可以实现负荷侧断线坠地故障的模拟。可以测量研究不同侧发生断线坠地时故障特征变化，以及对检测识别方法带来的影响。

(7)通过环境试验箱，实现了配电线路断线坠地引燃可燃物时环境温湿度、风速的定量控制，为研究断线引发火灾提供了可控的、可重复的环境条件。

值得再次指出的是，本发明的关键点和保护点包括但不限于以下几点：

1.通过触头和触头盒、旋转机构实现了配网线路从“正常运行”→“断线”→“坠地”的全过程真实模拟，既考虑了正常运行时的负荷电流、导线断线时拉弧，也实现了不同高度处导线坠落速度，以及落地反弹现象的模拟。在有限的空间内，实现了导线坠落高度、反弹高度可调节控制。

2.实现了导线坠落高度所对应的伺服电机最大速度和加速度的程序自动快速计算。

3.实现了不同断点位置的故障模拟(线路首段、中段、末段)，方法简单。

4.实现了不同部件(电源侧、负荷侧)坠地故障的模拟，方法简单。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施方式，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。