包覆絕緣護(hù)套對(duì)220kV輸電線路鳥(niǎo)糞閃絡(luò)特性的影響?

張清文

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司陽(yáng)江供電局 陽(yáng)江 529500）

1 引言

運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，由鳥(niǎo)類(lèi)活動(dòng)造成的輸電線路跳閘故障已成為電網(wǎng)的主要故障之一，其發(fā)生頻度僅次于雷擊和外力破壞［1～3］。輸電線路上鳥(niǎo)害形式主要有以下四種：1）大鳥(niǎo)鳥(niǎo)體短接故障；2）鳥(niǎo)巢材料下垂，局部甚至全部橋接絕緣子空氣間隙；3）絕緣子表面積累大量鳥(niǎo)糞，在潮濕空氣下發(fā)生沿面閃絡(luò)；4）大鳥(niǎo)排泄長(zhǎng)串高電導(dǎo)率鳥(niǎo)糞，導(dǎo)致絕緣子旁空氣間隙發(fā)生擊穿，其中鳥(niǎo)糞閃絡(luò)是鳥(niǎo)害故障的最典型形式［4～6］。前兩種鳥(niǎo)害故障多發(fā)生在35kV 及以下等級(jí)線路［7～8］；第三、四類(lèi)鳥(niǎo)害發(fā)生于幾乎所有等級(jí)線路，其中110kV 及以上線路鳥(niǎo)害故障中，鳥(niǎo)糞閃絡(luò)占比超過(guò)90%。我國(guó)近幾年發(fā)生的幾起緊湊型輸電線路鳥(niǎo)害故障均為鳥(niǎo)糞下落時(shí)導(dǎo)致絕緣子旁空氣間隙發(fā)生的擊穿事故，均壓環(huán)和橫擔(dān)上有明顯閃絡(luò)痕跡，但絕緣子上無(wú)任何放電現(xiàn)象［9～10］。

由此可見(jiàn)，有必要對(duì)鳥(niǎo)糞閃絡(luò)展開(kāi)深入調(diào)查和分析研究，找到其形成規(guī)律并制定針對(duì)性的防治措施。文獻(xiàn)［11］介紹了通過(guò)收集鳥(niǎo)類(lèi)紅外輻射并觸發(fā)聲音示警的驅(qū)鳥(niǎo)報(bào)警裝置，經(jīng)試用取得了一定的效果；文獻(xiàn)［12］提出了防鳥(niǎo)刺、防鳥(niǎo)擋板等應(yīng)用措施，安裝后能有效避免鳥(niǎo)糞閃絡(luò)故障的發(fā)生；文獻(xiàn)［13］對(duì)110kV 模擬導(dǎo)線包覆絕緣后的放電特性進(jìn)行了試驗(yàn)和仿真探究，結(jié)論表明，當(dāng)絕緣護(hù)套厚度達(dá)到一定值時(shí)，可以避免鳥(niǎo)糞閃絡(luò)的發(fā)生。

在目前已有研究基礎(chǔ)上，本文以220kV 輸電線路為研究對(duì)象，首先在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下模擬了鳥(niǎo)糞下落時(shí)間隙放電過(guò)程，對(duì)比了導(dǎo)線包覆護(hù)套前后鳥(niǎo)糞下落時(shí)放電特性差異，然后搭建了三維仿真模型，通過(guò)有限元仿真分析了包覆絕緣護(hù)套對(duì)抑制鳥(niǎo)糞閃絡(luò)的原因。

2 試驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)電源采用250kV 交流試驗(yàn)污穢電源裝置，其短路電流6A。主要試驗(yàn)設(shè)備及布置如圖1所示。

圖1 220kV交流鳥(niǎo)糞模擬試驗(yàn)布置圖

圖1 中鳥(niǎo)糞排出裝置上部和下部均為密封腔體，上腔體可通過(guò)外部充氣裝置對(duì)其充入一定量的壓縮空氣。下腔體則可盛裝一定量的鳥(niǎo)糞模擬液，腔體下端為一個(gè)活動(dòng)的金屬噴嘴，該噴嘴緊固在模擬橫擔(dān)上，并保持良好接地。兩個(gè)腔體之間的通斷狀態(tài)通過(guò)電磁閥進(jìn)行控制。試驗(yàn)前先對(duì)下腔體施加一定容量的鳥(niǎo)糞模擬液，對(duì)上腔體充入壓縮空氣，待鳥(niǎo)糞模擬液施加完畢后，通過(guò)試驗(yàn)變壓器對(duì)模擬導(dǎo)線施加所需電壓，然后接通電磁閥電源，上下腔體連通，上腔體內(nèi)具有一定壓強(qiáng)的壓縮氣體迅速進(jìn)入下腔體內(nèi)，推動(dòng)鳥(niǎo)糞模擬液以一定速度從噴嘴排出。改變氣體壓強(qiáng)、噴嘴直徑、鳥(niǎo)糞容量等因素，則可模擬不同排出速度、不同直徑與容量的鳥(niǎo)類(lèi)排糞過(guò)程。本試驗(yàn)中，壓縮氣體氣壓在1.2 倍標(biāo)準(zhǔn)大氣壓左右時(shí)，鳥(niǎo)糞模擬液排出初速度為1.5m/s～2m/s，與文獻(xiàn)［14］記錄的大鳥(niǎo)排糞過(guò)程相符。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 鳥(niǎo)糞閃絡(luò)過(guò)程記錄

實(shí)際中鳥(niǎo)糞可能沿導(dǎo)線正下方下落，部分甚至全部橋接空氣間隙導(dǎo)致?lián)舸?，也可能沿?dǎo)線側(cè)上方下落，此時(shí)與導(dǎo)線之間間隔一定距離，在一定距離范圍內(nèi)發(fā)生鳥(niǎo)糞閃絡(luò)［15］。為模擬實(shí)際運(yùn)行時(shí)情況，模擬導(dǎo)線上施加電壓為220kV 輸電線路最大運(yùn)行相電壓，即220×(1+15%)/=146kV，鳥(niǎo)糞沿正上方下落和側(cè)下方下落時(shí)，間隙擊穿過(guò)程如圖2～圖3所示。

圖2 鳥(niǎo)糞沿導(dǎo)線正上方下落時(shí)間隙擊穿過(guò)程

圖3 鳥(niǎo)糞沿導(dǎo)線側(cè)上方下落時(shí)間隙擊穿過(guò)程

鳥(niǎo)糞向高壓端接近過(guò)程中，鳥(niǎo)糞前端首先形成起始電弧，鳥(niǎo)糞沿導(dǎo)線正下方下落時(shí)，當(dāng)鳥(niǎo)糞通道與絕緣子軸線距離＜40cm 時(shí)，鳥(niǎo)糞前端與均壓環(huán)之間空氣間隙形成起始電弧，當(dāng)距離超過(guò)40cm 時(shí)，由于鳥(niǎo)糞通道與均壓環(huán)邊緣距離較遠(yuǎn)，此時(shí)起始電弧形成于鳥(niǎo)糞前端與模擬導(dǎo)線之間的空氣間隙。

鳥(niǎo)糞沿正上方下落和側(cè)上方下落時(shí)間隙擊穿過(guò)程類(lèi)似，均是高壓端空氣間隙首先燃弧，然后電弧沿著鳥(niǎo)糞通道迅速蔓延至低壓端，直至整個(gè)間隙擊穿。正上方下落情況下，導(dǎo)線下方也會(huì)產(chǎn)生明顯的電弧，見(jiàn)圖3，這是由于高電導(dǎo)率的鳥(niǎo)糞在間隙擊穿后，繼續(xù)下落，使導(dǎo)線下方局部空氣間隙場(chǎng)強(qiáng)產(chǎn)生嚴(yán)重畸變所致。

3.2 不同運(yùn)行電壓下間隙放電情況

試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，僅改變模擬導(dǎo)線上施加電壓情況下，鳥(niǎo)糞下落時(shí)間隙擊穿呈現(xiàn)不同的形態(tài)，如圖4所示。

圖4 不同電壓下鳥(niǎo)糞下落時(shí)間隙放電現(xiàn)象

圖4 中，不同施加電壓情況下，鳥(niǎo)糞下落均能形成較穩(wěn)定的燃弧，圖4 中均為施加電壓下放電最劇烈時(shí)刻現(xiàn)象，其中圖4（d）間隙閃絡(luò)，其余三種未閃絡(luò)。從圖示現(xiàn)象可看出，隨著模擬導(dǎo)線上電壓升高，鳥(niǎo)糞下落時(shí)間隙放電程度劇烈程度不斷上升，從較小范圍內(nèi)局部燃弧到約一半空氣間隙擊穿，直至整段間隙擊穿。通過(guò)放電照片估算間隙被擊穿區(qū)段長(zhǎng)度占總長(zhǎng)度比例和施加電壓的關(guān)系，得到如表1所示數(shù)據(jù)。

表1 間隙擊穿長(zhǎng)度比例與施加電壓關(guān)系

造成整段間隙擊穿所需施加電壓為112kV，低于220kV 輸電線路實(shí)際運(yùn)行電壓，由此可見(jiàn)，對(duì)于220kV 輸電線路來(lái)說(shuō)，在一定情況下，當(dāng)長(zhǎng)串高電導(dǎo)率鳥(niǎo)糞下落時(shí)，極容易導(dǎo)致閃絡(luò)故障發(fā)生。

3.3 包覆絕緣護(hù)套后間隙放電情況

絕緣護(hù)套長(zhǎng)度1.8m，單層標(biāo)稱(chēng)耐壓值為21kV，厚度1.2mm，為防止試驗(yàn)過(guò)程中絕緣護(hù)套擊穿對(duì)試驗(yàn)產(chǎn)生影響，試驗(yàn)時(shí)對(duì)模擬導(dǎo)線包覆多層護(hù)套，其耐壓值超過(guò)240kV。模擬導(dǎo)線上施加電壓146kV，絕緣護(hù)套包覆時(shí)，鳥(niǎo)糞閃絡(luò)試驗(yàn)現(xiàn)象如圖5所示。

圖5 絕緣護(hù)套包覆情況下鳥(niǎo)糞放電現(xiàn)象

從圖5 中可以看出，當(dāng)鳥(niǎo)糞前端下落至高壓端附近時(shí)，鳥(niǎo)糞前端與均壓環(huán)之間間隙以及護(hù)套沿面發(fā)生劇烈燃弧現(xiàn)象，部分電弧沿鳥(niǎo)糞通道向橫擔(dān)蔓延，至接近一半空氣間隙時(shí)，電弧停止向前發(fā)展，無(wú)法完成閃絡(luò)。當(dāng)鳥(niǎo)糞沿導(dǎo)線側(cè)上方下落時(shí)，放電現(xiàn)象與此類(lèi)似。

繼續(xù)增加施加電壓，直至180kV 時(shí)，仍未觀察到閃絡(luò)發(fā)生，表明按本文所述方式包覆絕緣護(hù)套，可以有效避免鳥(niǎo)糞閃絡(luò)事故發(fā)生。

4 仿真驗(yàn)證

4.1 仿真模型建立

采用ANSYS 18.1 軟件進(jìn)行有限元電磁場(chǎng)仿真分析，模型主要包括模擬導(dǎo)線、均壓環(huán)、金具、復(fù)合絕緣子、鐵塔、絕緣護(hù)套以及鳥(niǎo)糞等。為簡(jiǎn)化分析，并減少計(jì)算量，忽略相間影響，僅考慮單相運(yùn)行情況。其中擊穿判據(jù)參考文獻(xiàn)［16～17］所示標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)間隙平均超強(qiáng)≥4kV/cm時(shí)，間隙擊穿，反之則不擊穿。

4.1.1 鳥(niǎo)糞模型

自然狀態(tài)下鳥(niǎo)類(lèi)排除的糞便參數(shù)及形態(tài)各異，而其中電導(dǎo)率與最大連續(xù)長(zhǎng)度是影響放電的最主要因素，高電導(dǎo)率和連續(xù)長(zhǎng)串的鳥(niǎo)糞存在時(shí)更容易使得間隙發(fā)生鳥(niǎo)糞閃絡(luò)。參考文獻(xiàn)［18］中處理方法，本文研究中，用直徑為6mm 的長(zhǎng)直良導(dǎo)體圓柱棒模擬自然狀態(tài)下的鳥(niǎo)糞。

當(dāng)導(dǎo)線包覆絕緣護(hù)套時(shí)，金具電位也為懸浮電位，本文采用虛擬大介電常數(shù)法來(lái)求解這類(lèi)問(wèn)題［19～20］。

4.1.2 模擬導(dǎo)線、金具、復(fù)合絕緣子等模型

模擬導(dǎo)線采用簡(jiǎn)化的單分裂導(dǎo)線模擬，復(fù)合絕緣子以FXBW-220/160 型絕緣子為對(duì)象進(jìn)行建模，傘裙、芯棒等均按照實(shí)際尺寸搭建。連接金具、橫擔(dān)以及接地極進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，其中橫擔(dān)和接地極均用簡(jiǎn)易長(zhǎng)方體金屬板進(jìn)行模擬。模擬導(dǎo)線上施加電壓為146kV。主要部件3D有限元模型如圖6所示。

圖6 主要部件三維仿真模型

4.2 仿真結(jié)果

4.2.1 護(hù)套和鳥(niǎo)糞對(duì)空間電場(chǎng)分布的影響

以一長(zhǎng)串鳥(niǎo)糞為例進(jìn)行說(shuō)明，其末端未離開(kāi)橫擔(dān)，鳥(niǎo)糞電位保持為0，前端離高壓端距離為28cm，對(duì)比有無(wú)鳥(niǎo)糞以及是否包覆護(hù)套情況下空間電場(chǎng)分布，如圖7～圖9所示。

圖7 正常情況下空間電場(chǎng)分布

圖8 鳥(niǎo)糞下落時(shí)空間電場(chǎng)分布

圖9 包覆護(hù)套后鳥(niǎo)糞下落時(shí)空間電場(chǎng)分布

從7圖到圖9對(duì)比可看出，鳥(niǎo)糞下落時(shí)，鳥(niǎo)糞通道附近場(chǎng)強(qiáng)發(fā)生明顯畸變，前端場(chǎng)強(qiáng)大大增強(qiáng)，使得間隙擊穿概率大大提高。距離鳥(niǎo)糞通道2cm，且靠近絕緣子側(cè)的豎直路徑處的空氣間隙場(chǎng)強(qiáng)分布對(duì)比如圖10所示。

圖10 鳥(niǎo)糞通道附近空氣間隙場(chǎng)強(qiáng)分布對(duì)比

圖8 中鳥(niǎo)糞前端與均壓環(huán)之間間隙平均場(chǎng)強(qiáng)為5.12kV/cm，發(fā)生擊穿。圖9 中，均壓環(huán)懸浮電位為98kV，此時(shí)鳥(niǎo)糞與均壓環(huán)間隙場(chǎng)強(qiáng)僅為3.5kV/cm，包覆絕緣護(hù)套使得均壓環(huán)電位比實(shí)際運(yùn)行情況下降低48kV，降低的部分由絕緣護(hù)套承擔(dān)，此外，包覆絕緣護(hù)套下，鳥(niǎo)糞通道附近空氣間隙場(chǎng)強(qiáng)整體低于包覆護(hù)套情況，因此包覆絕緣護(hù)套可有效降低鳥(niǎo)糞閃絡(luò)可能性，與試驗(yàn)現(xiàn)象基本相符。

4.2.2 鳥(niǎo)糞下落時(shí)間隙電場(chǎng)數(shù)據(jù)變化

為進(jìn)一步分析鳥(niǎo)糞下落時(shí)間隙場(chǎng)強(qiáng)基本數(shù)據(jù)，有助于分析絕緣護(hù)套包覆對(duì)鳥(niǎo)糞閃絡(luò)抑制作用，研究了包覆護(hù)套情況下不同長(zhǎng)度鳥(niǎo)糞存在下基本數(shù)據(jù)，鳥(niǎo)糞長(zhǎng)度的變化用以模擬實(shí)際線路上鳥(niǎo)糞自然下落過(guò)程，計(jì)算數(shù)據(jù)如下表2所示。

表2 不同長(zhǎng)度鳥(niǎo)糞存在下間隙電場(chǎng)及電位數(shù)據(jù)

從上表2 結(jié)果可知，鳥(niǎo)糞末端未離開(kāi)橫擔(dān)時(shí)，隨著鳥(niǎo)糞長(zhǎng)度不斷增加，金具懸浮電位呈逐漸降低趨勢(shì)，此時(shí)護(hù)套承擔(dān)電壓升高，間隙平均場(chǎng)強(qiáng)逐漸增大，當(dāng)鳥(niǎo)糞長(zhǎng)度達(dá)到1.9m 時(shí)間隙才發(fā)生擊穿。經(jīng)計(jì)算，不包覆護(hù)套情況下，鳥(niǎo)糞長(zhǎng)度達(dá)到1.71m時(shí)即可使間隙發(fā)生擊穿，進(jìn)一步說(shuō)明了護(hù)套的存在使得鳥(niǎo)糞閃絡(luò)更難發(fā)生，也即降低了鳥(niǎo)糞閃絡(luò)的可能性。

4.2.3 絕緣護(hù)套沿面放電機(jī)理分析

分析了包覆護(hù)套前后以及有無(wú)鳥(niǎo)糞等不同組合情況下護(hù)套沿面電場(chǎng)分布，仿真結(jié)果如圖11 所示。

圖11 絕緣護(hù)套沿面電場(chǎng)分布對(duì)比

圖11 中，s 為護(hù)套表面某點(diǎn)距護(hù)套一端的距離。包覆絕緣護(hù)套后，絕緣護(hù)套沿面路徑電場(chǎng)顯著增強(qiáng)，其中導(dǎo)線夾兩端也即圖11中0.8m～1.0m區(qū)段電場(chǎng)畸變明顯。s=0.4m 處，有護(hù)套以及1.8m 長(zhǎng)鳥(niǎo)糞存在時(shí)，護(hù)套沿面場(chǎng)強(qiáng)為16.2kV/cm，而無(wú)護(hù)套無(wú)鳥(niǎo)糞時(shí)，相同位置下場(chǎng)強(qiáng)僅11.6kV/cm。因此鳥(niǎo)糞下落時(shí)，在包覆護(hù)套情況下，護(hù)套沿面位置容易發(fā)生放電，與試驗(yàn)中得到的現(xiàn)象基本相符。

不同長(zhǎng)度的鳥(niǎo)糞模擬了鳥(niǎo)糞逐漸下落過(guò)程，對(duì)比圖11 曲線，隨著鳥(niǎo)糞前段不斷接近均壓環(huán)，絕緣護(hù)套表面場(chǎng)強(qiáng)逐漸增強(qiáng)，金具懸浮電位降低，絕緣護(hù)套承擔(dān)電壓增加，使得護(hù)套沿面空氣產(chǎn)生劇烈放電。另一方面，包覆護(hù)套后，由于鳥(niǎo)糞通道旁間隙場(chǎng)強(qiáng)低于無(wú)護(hù)套情況，電弧容易在鳥(niǎo)糞前端附近形成，但難以向低壓端蔓延，使得鳥(niǎo)糞閃絡(luò)難以發(fā)生。

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)220kV 輸電線路導(dǎo)線包覆絕緣護(hù)套后鳥(niǎo)糞閃絡(luò)特性進(jìn)行了分析，通過(guò)試驗(yàn)研究與仿真驗(yàn)證，得到如下基本結(jié)論。

1）運(yùn)行電壓的大小對(duì)鳥(niǎo)糞閃絡(luò)特性具有較大影響，對(duì)于220kV 線路來(lái)說(shuō)，當(dāng)電壓低于112kV 時(shí)，鳥(niǎo)糞下落只會(huì)造成局部間隙擊穿，因此無(wú)法形成閃絡(luò)，而當(dāng)電壓高于112kV時(shí)，則發(fā)生閃絡(luò)；

2）導(dǎo)線包覆絕緣護(hù)套時(shí)，金具電位低于實(shí)際運(yùn)行電壓，電弧容易在鳥(niǎo)糞前端附近形成，但難以向低壓端蔓延，使得鳥(niǎo)糞閃絡(luò)難以發(fā)生。隨著鳥(niǎo)糞下落，絕緣護(hù)套沿面電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)一步加強(qiáng)，金具電位降低，護(hù)套承擔(dān)電壓升高，會(huì)使得護(hù)套沿面空氣間隙產(chǎn)生明顯放電現(xiàn)象。

試驗(yàn)和仿真研究均表明導(dǎo)線包覆絕緣護(hù)套將會(huì)有效避免鳥(niǎo)糞閃絡(luò)的發(fā)生，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，應(yīng)綜合考慮絕緣護(hù)套包覆方式、長(zhǎng)度、厚度以及絕緣護(hù)套材料的選取上，在滿足足夠的應(yīng)力特性的基礎(chǔ)上能夠起到最好的抑制鳥(niǎo)糞閃絡(luò)效果，后續(xù)研究將在這些方面深入展開(kāi)。