输电线路走廊日益紧张，远距离输电线路不可避免地经过植被茂盛的高森林火险地区，山火可能导致输电线路相地和相间绝缘强度下降而发生跳闸事故。据统计，近年来我国电网因山火跳闸事故达数百起，严重影响了电网的安全稳定运行。

目前，国内外主要通过试验测量不同植被火焰离子浓度、温度及击穿电压等，但由于植被类型、模拟试验尺度、试验方法等差异，所得击穿特性差异较大；击穿机理方面主要建立了考虑温度、火焰电导率、灰烬颗粒等单一因素为主的放电模型，未见综合考虑多环境因素相互影响的火焰条件下间隙放电模型，缺乏火焰下间隙电场特性的数值模拟分析。

直流条件下的火焰间隙击穿特征研究相对较少，部分研究通过木垛火焰间隙的直流耐压试验得到不同间隙击穿电压，分析火焰间隙击穿机理，以及通过测量不同植被燃烧条件下的泄漏电流特性分析对间隙放电特性的影响。火焰中的颗粒物和灰烬受火焰中离子影响而荷电，并在气流、电场力等作用下进入输电线路下方间隙并形成颗粒链，使空间电场畸变并发生局部放电，进一步造成整个间隙击穿。

现有研究表明，荷电颗粒链畸变电场并产生局部触发放电是导致整个间隙击穿的关键因素，需要分析火焰间隙情况下颗粒荷电和运动特性对间隙放电的影响。在颗粒荷电方面，学者们研究了输电线路附近颗粒、静电除尘中不同粉尘颗粒、风沙中沙粒、碳氢化合物燃烧产生的碳烟颗粒等的荷电机理及数学模型，可为建立植被火焰中颗粒荷电提供参考。

小尺度的电场与火焰相互作用的试验研究表明，均匀电场的稳定性会受到火焰的影响，击穿放电与荷电碳烟浓度和电性有关，但并未深入讨论荷电颗粒的运动特性对放电的影响。考虑正极性与负极性条件下空间电场的畸变情况有明显差异，表明不同极性条件下燃烧颗粒的运动荷分布特性有很大不同，直接利用试验进行火焰间隙空间颗粒测量和分析较为困难，考虑建立合理的仿真模型进行研究。

为此，三峡大学的科研人员根据拍摄的直流电压下的火焰间隙颗粒运动情况，分析温度、流体、电场和颗粒运动等物理场之间的相互联系，提出多物理场耦合计算方法。首先结合相关试验测量数据，仿真计算温度场和流体场，然后分析颗粒荷电特性，综合考虑颗粒所受流体曳力、电场力和重力等，计算不同粒径、不同荷质比情况下颗粒的运动过程中的受力变化，分析颗粒的运动和分布规律。

图1 正负极性电压下火焰形态与颗粒触发放电

科研人员最后得出主要结论如下：

1）结合试验测试结果设置燃烧参数，可以模拟振荡过程，并使温度分布与试验测量值有类似趋势，但仍与实际燃烧有区别，下一步考虑利用化学反应模拟木垛燃烧反应过程。

2）燃烧颗粒在上升过程中流体曳力、荷电场力都在不断变化，根据颗粒荷电极性不同，在上升不同阶段会出现流体曳力的反向；火焰内侧的荷电颗粒受到的曳力和电场力均大于外侧荷电颗粒。

3）由于火焰体中荷正电和负电的粒子含量不同，不同极性电极条件下，颗粒上升过程中的分布也有较大差异，对于极性与电极相反的颗粒，可计算临界荷质比，分析是否会被电极吸附。

4）颗粒粒径越大，其被电极捕捉吸附的临界荷质比越小；在相同荷质比的情况下，粒径较大的颗粒越容易被电极捕捉，而小颗粒易随热气流扩散和飞升。

以上研究成果发表在2020年《电工技术学报》增刊2上，论文标题为“直流电压下燃烧颗粒在间隙中的运动和分布规律”，作者为普子恒、王子鸣 等。