一种输电线路山火带电高扬程灭火装备设计方法与流程

本发明涉及输电线路防山火技术领域，具体而言，涉及一种输电线路山火带电高扬程灭火装备设计方法。

背景技术：

受生产生活影响，山火已遍及加拿大、美国和中国等世界上绝大多数国家。特高压交直流输电线路近年来因山火发生了多起跳闸和闭锁停运事件，山火已成为严重威胁大电网的安全运行和社会正常供电新的热点问题。

对输电线路山火开展灭火，是避免山火蔓延引起线路跳闸的有效治理手段，但是输电线路电压高，消防水导电，灭火易引起人员触电伤亡，需要开展带电灭火。目前，国内外普遍使用的带电灭火技术包括气体和干粉灭火两种。气体灭火方法通常用于室内灭火，而野外输电线路环境受风影响，气体流动性大，很难大面积沉降，无法灭火。干粉灭火方法基于物理覆盖原理，适用于燃烧面平坦的场合灭火，在野外，因地面起伏不平，喷洒干粉无法对火焰有效覆盖，很难达到灭火的目的，此外，干粉难以远距离野外输送。目前已有的气体灭火和干粉灭火无法满足输电线路山火带电灭火的应用要求。

消防车在灭火领域应用广泛，但其输水管直径达40mm，耗水量大，输出压力低，仅1～2MPa左右，世界最高的美国皮尔斯举高消防车扬程仅90m，且由于消防水导电，无法带电灭火。输电线路山火现场山高路险，所处山高远大于100m，线路电压高。消防车赶赴输电线路山火现场，无法带电高扬程灭火，经常无功而返。

电网公司长期依靠城市消防与森林防火技术，但未能克服带电与高扬程灭火的难题。尚未有应用于野外长间隙、高电压输电线路山火的灭火装备设计方法，现有普通灭火装备的射程、绝缘性能等方面无法满足输电线路山火的灭火要求。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种输电线路山火带电高扬程灭火装备设计方法，通过将灭火水剂强效雾化使灭火水剂不再连续，雾滴之间出现空气间隙提高绝缘性能，解决带电灭火的难题；通过添加高效灭火剂可提高灭火效率，降低灭火水剂流量，提高灭火装置的出口压力，实现高扬程灭火。

本发明提供了一种输电线路山火带电高扬程灭火装备设计方法，该方法包括：

步骤1，获取各电压等级输电线路的相电压，取其最大相电压U_max；

步骤2，根据长间隙细水雾击穿试验装置获得的长间隙细水雾击穿试验特性曲线及最大相电压U_max，选择灭火装备满足要求的细水雾雾化射程L和雾滴直径d；

步骤3，根据灭火水剂灭火效率计算野外输电线路山火灭火需求流量Q，计算公式为：

Q＝η·Q_water

式中，η为灭火水剂与普通水的灭火效率之比；M_str,water为根据国家标准《GB 17835-2008水系灭火剂》开展标准A类试验时使用普通水的总质量；M_str,ext为根据国家标准《GB 17835-2008水系灭火剂》开展标准A类试验时使用灭火水剂的总质量；Q_water为普通森林消防车灭火流量；

步骤4，根据灭火装备的细水雾雾化喷头输出特性曲线，选择雾化喷头参数及喷头输入压力P_spray的范围；

步骤5，测试灭火水剂的密度ρ、粘性系数μ和输水水带内壁的粗糙度并计算其内径绝对粗糙度ρ，并根据粘性系数μ、内壁相对粗糙度Δ、输水水带的内径d_l和野外输电线路山火灭火需求流量Q，计算灭火水剂在输水水带内流动的雷诺数Re、沿程压力损失系数λ、沿程水头损失h_sd及沿程压力损失P_loss；

步骤6，当输电线路山火灭火装备在输水距离为L_d、灭火高度的扬程损失为P_z时，计算灭火装备的水泵输出压力P_pumper的最小值，确保灭火喷头的输入压力P_spray能使其雾化射程达到L、雾滴直径达到d，实现带电安全灭火，计算公式为：

P_pumper≥P_spray+P_Z+P_loss

P_loss＝ρgh_sd

P_Z＝ρgh

式中，P_pumper为灭火装备的水泵输出压力；P_spray为灭火装备灭火喷头的输入压力；P_z为灭火高度的扬程损失，h为山火火场与灭火装备可达到地点的高度差；P_loss为灭火水剂在输水水带内流动的沿程压力损失；

步骤7，根据灭火装备的水泵输出压力P_pumper，结合灭火装备水泵压力输出特性曲线，选择水泵流量和压力。

作为本发明进一步的改进，步骤2中，长间隙细水雾击穿试验特性曲线的获取方法包括：

步骤201，搭建长电极间隙下细水雾雾化绝缘试验装置，该装置包括电源开关、跳闸保护装置、调压器、变压器、保护电阻、高压测量装置、套管均压环、导线、雾滴直径测量装置、雾化喷头、升降平台和高速摄像机；

所述电源开关与所述调压器的输入线圈连接，所述调压器的输入线圈上设有跳闸保护装置，所述调压器的输出线圈与所述变压器的输入线圈连接，所述变压器的输出线圈上设有所述保护电阻，所述变压器的输出线圈与所述高压测量装置连接，同时，所述高压测量装置一端接地，所述高压测量装置另一端与所述保护电阻连接处通过所述导线与所述套管均压环底部连接，所述套管均压环顶部穿透过墙，所述套管均压环底部下方设有所述雾滴直径测量装置，所述升降平台一端与所述雾化喷头一端连接，所述雾化喷头另一端对准所述套管均压环底部，所述高速摄像机对准所述套管均压环、所述雾滴直径测量装置和所述雾化喷头；

步骤202，将雾化喷头与套管均压环之间的间隙长度L'调至1米；

步骤203，启动所述雾化喷头，调整所述雾化喷头的输入压力，使所述雾化喷头的细水雾雾化射程L大于所述雾化喷头与所述套管均压环之间的间隙长度L'；

步骤204，启动细水雾的雾滴直径测量装置，测量雾化喷头在该输入压力条件下的雾滴直径；

步骤205，调整好摄像机角度，开启摄像机用于记录细水雾绝缘性能试验的放电路径；

步骤206，接通所述试验装置的试验回路电源，试验装置的调压器缓慢匀速升压，待高压套管和所述雾化喷头之间的间隙被击穿时，断开所述电源开关，记录此时的环境温度T、细水雾雾滴直径d和击穿电压U；

步骤207，重复步骤206共5次，取该5次所获环境温度的平均值、细水雾雾滴直径的平均值和击穿电压的平均值并记录，以记录的击穿电压的平均值作为此细水雾雾滴直径条件下的击穿电压U；

步骤208，调整所述雾化喷头的输入压力，使细水雾雾滴直径逐步从1400μm以200μm为整数算术级逐渐降低至200μm，并重复步骤206～207；

步骤209，关闭所述电源开关、细水雾雾滴直径测量装置、雾化喷头和高速摄像机；

步骤210，调整所述高压套管和所述雾化喷头之间的间隙以1米为整数算术级增加至L'_max，且保证细水雾击穿电压大于U_max，重复步骤203～208；

步骤211，依据以上步骤所获测量结果给出的数据，绘制所述击穿电压U与细水雾雾滴直径d、所述雾化喷头与所述套管均压环之间的间隙长度L'的变化曲线；

步骤212，得到变化曲线后，选择灭火装备满足要求的细水雾雾化射程L和雾滴直径d。

作为本发明进一步的改进，所述雾化喷头的细水雾雾化射程L大于等于15m，所述细水雾雾滴直径d范围为350μm～550μm。

作为本发明进一步的改进，步骤3中取现有普通森林火灾灭火装备的流量Q_water为800～1200L/min。

作为本发明进一步的改进，步骤4中灭火装备的细水雾雾化喷头输出特性曲线通过对雾化喷头开展输入压力P_spray、流量Q、雾滴直径d试验获得。

作为本发明进一步的改进，所述雾化喷头采用高速圆周水道结构，灭火水剂在螺旋水道中获得轴向、侧向速度，同时还具有旋转角速度，喷口射流后在向前运动过程中逐步旋转破碎雾化。

作为本发明进一步的改进，步骤5中，灭火水剂在输水水带内流动的沿程压力损失的计算步骤包括：

步骤501，计算流速v，计算公式为：

步骤502，计算灭火水剂在输水水带内流动的雷诺数Re，计算公式为：

Re＝ρvd/μ

步骤503，计算灭火剂在输水水带中流动黏性底层厚度δ，计算公式为：

步骤504，根据黏性底层厚度查询灭火水剂在输水水带中的流动状态，分别对应尼古拉兹曲线的湍流水力光滑区、水力光滑到水力粗糙的过渡区、湍流水力粗糙区共三个区间，计算沿程损失系数λ：

湍流水力光滑区计算公式为：

水力光滑到水力粗糙的过渡区计算公式为：

湍流水力粗糙区计算公式为：

步骤505，计算灭火水剂在输水水带中的沿程水头损失h_sd，计算公式为：

步骤506，计算灭火水剂在输水水带中的沿程压力损失P_loss，计算公式为：

P_loss＝ρgh_sd。

作为本发明进一步的改进，步骤5中，所述灭火水剂输送水带的内径d_l为13mm-20mm，承压能力达到15MPa以上。

本发明的有益效果为：

1、结合细水雾带电灭火机理，利用细水雾喷头将灭火水剂充分雾化，提高灭火水剂的绝缘性能，实现带电灭火；

2、通过添加灭火剂提高灭火效率，降低流量，从而实现高扬程灭火；

3、选取合适的雾滴直径、射程、压力、扬程和流量，分析了灭火水剂在输水水带中的压力损失，计算了可同时满足1000kV特高压线路带电灭火和500米扬程条件下的带电灭火装备输出压力范围，为输电线路带电高扬程灭火装备的设计提供了完整的、可行的方法。

附图说明

图1为本发明实施例所述的一种输电线路山火带电高扬程灭火装备设计方法的流程示意图；

图2为本发明实施例所述的长间隙细水雾击穿试验的结构示意图；

图3为本发明实施例所述的长间隙细水雾击穿试验特性曲线中间隙长度为10米时的击穿电压示意图。

具体实施方式

下面通过具体的实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。

如图1所示，本发明实施例的一种输电线路山火带电高扬程灭火装备设计方法，包括：

步骤1，对110kV-1000kV范围内的特高压输电线路，导线对地或者对灭火人员放电为单相导线放电，其最大相电压U_max为578kV。

步骤2，根据长间隙细水雾击穿试验装置获得的长间隙细水雾击穿试验特性曲线及最大相电压U_max，选择灭火装备满足要求的细水雾雾化射程L和雾滴直径d。具体包括：

步骤201，搭建长电极间隙下细水雾雾化绝缘试验装置，该装置包括电源开关、跳闸保护装置、调压器、变压器、保护电阻、高压测量装置、套管均压环、导线、雾滴直径测量装置、雾化喷头、升降平台和高速摄像机；

电源开关与调压器的输入线圈连接，调压器的输入线圈上设有跳闸保护装置，调压器的输出线圈与变压器的输入线圈连接，变压器的输出线圈上设有保护电阻，变压器的输出线圈与高压测量装置连接，同时，高压测量装置一端接地，高压测量装置另一端与保护电阻连接处通过导线与套管均压环底部连接，套管均压环顶部穿透过墙，套管均压环底部下方设有雾滴直径测量装置，升降平台一端与雾化喷头一端连接，雾化喷头另一端对准套管均压环底部，高速摄像机对准套管均压环、雾滴直径测量装置和雾化喷头。

步骤202，将雾化喷头与套管均压环之间的间隙长度L'调至1米；

步骤203，启动雾化喷头，调整雾化喷头的输入压力，使雾化喷头的细水雾雾化射程L大于雾化喷头与套管均压环之间的间隙长度L'。

步骤204，启动细水雾的雾滴直径测量装置，测量雾化喷头在该输入压力条件下的雾滴直径。

步骤205，调整好摄像机角度，开启摄像机用于记录细水雾绝缘性能试验的放电路径。

步骤206，接通试验装置的试验回路电源，试验装置的调压器缓慢匀速升压，待高压套管和雾化喷头之间的间隙被击穿时，断开电源开关，记录此时的环境温度T、细水雾雾滴直径d和击穿电压U。

步骤207，重复步骤206共5次，取该5次所获环境温度的平均值、细水雾雾滴直径的平均值和击穿电压的平均值并记录，以记录的击穿电压的平均值作为此细水雾雾滴直径条件下的击穿电压U。

步骤208，调整雾化喷头的输入压力，使细水雾雾滴直径逐步从1400μm以200μm为整数算术级逐渐降低至200μm，并重复步骤206～207。

步骤209，关闭电源开关、细水雾雾滴直径测量装置、雾化喷头和高速摄像机。

步骤210，调整高压套管和雾化喷头之间的间隙以1米为整数算术级增加至L'_max为15米，且保证细水雾击穿电压大于U_max，重复步骤203～208。

步骤211，依据以上步骤所获测量结果给出的数据，绘制击穿电压U与细水雾雾滴直径d、雾化喷头与套管均压环之间的间隙长度L'的变化曲线。

步骤212，得到变化曲线后，为确保灭火人员的安全裕度，取1.38倍的安全裕度作为击穿电压，即要求间隙电压为578*1.38＝800kV时细水雾满足绝缘要求，选择灭火装备满足要求的细水雾雾化射程L为15m和雾滴直径d为500μm。

步骤3，采用湖南省湘电试研技术有限公司开发的S-6-A灭火剂，经灭火剂灭火性能对比试验获得其灭火效率为水的10倍，根据灭火水剂灭火效率计算野外输电线路山火灭火需求流量Q，计算公式为：

Q＝η·Q_water

由于野外输电线路山火水源匮乏，通过提高灭火效率实现小流量灭火，取现有普通森林火灾灭火装备的流量Q_water为800～1200L/min，添加灭火剂后灭火水剂的灭火效率可提高至约10倍，计算得到野外输电线路山火灭火需求流量Q＝80L/min。本实施例中的灭火设备具有两个输水出口，因此其中一个输水出口的流量为40L/min。

步骤4，根据灭火装备的细水雾雾化喷头输出特性曲线，选择雾化喷头参数及喷头输入压力P_spray的范围。

本实施例采用高速圆周水道结构雾化喷头，通过灭火水剂在螺旋水道中获得轴向、侧向速度外，同时还具有旋转角速度，在喷口射流后可在向前运动过程中逐步旋转破碎雾化。在P_spray＝4.5MPa压力条件下，射程为15.5m，直径在480μm-520μm范围内雾滴占比为90％以上。

步骤5，测试灭火水剂的密度ρ、粘性系数μ和输水水带内壁的粗糙度并计算其内径绝对粗糙度ρ，并根据粘性系数μ、内壁相对粗糙度Δ、输水水带的内径d_l和野外输电线路山火灭火需求流量Q，计算灭火水剂在输水水带内流动的雷诺数Re、沿程压力损失系数λ、沿程水头损失h_sd及沿程压力损失P_loss。具体包括：

步骤501，计算流速v，计算公式为：

其中，灭火剂与水的混合灭火水剂的粘性系数μ为1.005×10^-3pa·s，输水水带的内径d_l为18mm，其内径绝对粗糙度ρ为0.010mm，内壁相对粗糙度Δ为0.000625。

计算得到得灭火水剂在18mm直径输水水带内流动速度v为2.6m/s。

步骤502，计算灭火水剂在输水水带内流动的雷诺数Re，计算公式为：

Re＝ρvd/μ＝46969

故灭火水剂在输水水带内为湍流状态。

步骤503，计算灭火剂在输水水带中流动黏性底层厚度δ，计算公式为：

步骤504，根据黏性底层厚度查询灭火水剂在输水水带中的流动状态，分别对应尼古拉兹曲线的湍流水力光滑区、水力光滑到水力粗糙的过渡区、湍流水力粗糙区共三个区间，计算沿程损失系数λ：

湍流水力光滑区计算公式为：

水力光滑到水力粗糙的过渡区计算公式为：

湍流水力粗糙区计算公式为：

本实施例中，灭火水剂在3000米输水水带中的流动处于湍流水力光滑区，将雷诺数带入进行迭代计算得到沿程损失系数λ＝0.02。

步骤505，计算灭火水剂在3000米输水水带中的沿程水头损失h_sd，计算公式为：

步骤506，计算灭火水剂在输水水带中的沿程压力损失P_loss，计算公式为：

P_loss＝ρgh_sd＝10³*9.8*403/10⁶＝4.03MPa。

步骤6，当输电线路山火灭火装备在输水距离L_d为3000米、灭火扬程为500米时，灭火高度的扬程损失P_z＝10³*9.8*500/10⁶＝4.9MPa，灭火装备的灭火喷头压力输入要求为P_spray≥4.5Mpa，则满足500米扬程、输水距离3000米时灭火装备的水泵输出压力P_pumper≥4.5+4.9+4.03＝13.43Mpa，确保灭火喷头的输入压力P_spray能使其雾化射程达到15m、雾滴直径达到500μm，实现500米扬程高山上1000kV及以下电压等级的带电灭火。

步骤7，根据灭火装备的水泵输出压力P_pumper，结合灭火装备水泵压力输出特性曲线，选择水泵流量为80L/min和压力大于13.43Mpa，可选择灭火装备高压水泵型号为HAWK HFR80。

本发明开展不同间隙长度、不同雾滴直径下细水雾击穿试验，获得细水雾击穿特性曲线，为确定灭火装置满足特高压及以下电压等级带电灭火所需的雾滴直径和雾化射程提供依据；基于灭火水剂在高扬程输水过程中的沿程压力损失计算，设计灭火装置的出口压力，满足使灭火装置始终处于高效雾化、可带电灭火的状态。本发明提供一种雾化射程长、绝缘性能好，可适用于不同火场高度的输电线路灭火装备设计方法。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。