張清文

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司陽江供電局 陽江 529500）

1 引言

運行經(jīng)驗表明，由鳥類活動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］。輸電線路上鳥害形式主要有以下四種：1）大鳥鳥體短接故障；2）鳥巢材料下垂，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糞，在潮濕空氣下發(fā)生沿面閃絡(luò)；4）大鳥排泄長串高電導(dǎo)率鳥糞，導(dǎo)致絕緣子旁空氣間隙發(fā)生擊穿，其中鳥糞閃絡(luò)是鳥害故障的最典型形式［4～6］。前兩種鳥害故障多發(fā)生在35kV 及以下等級線路［7～8］；第三、四類鳥害發(fā)生于幾乎所有等級線路，其中110kV 及以上線路鳥害故障中，鳥糞閃絡(luò)占比超過90%。我國近幾年發(fā)生的幾起緊湊型輸電線路鳥害故障均為鳥糞下落時導(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，但絕緣子上無任何放電現(xiàn)象［9～10］。

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

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

2 試驗準(zhǔn)備

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

圖1 220kV交流鳥糞模擬試驗布置圖

圖1 中鳥糞排出裝置上部和下部均為密封腔體，上腔體可通過外部充氣裝置對其充入一定量的壓縮空氣。下腔體則可盛裝一定量的鳥糞模擬液，腔體下端為一個活動的金屬噴嘴，該噴嘴緊固在模擬橫擔(dān)上，并保持良好接地。兩個腔體之間的通斷狀態(tài)通過電磁閥進(jìn)行控制。試驗前先對下腔體施加一定容量的鳥糞模擬液，對上腔體充入壓縮空氣，待鳥糞模擬液施加完畢后，通過試驗變壓器對模擬導(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)具有一定壓強的壓縮氣體迅速進(jìn)入下腔體內(nèi)，推動鳥糞模擬液以一定速度從噴嘴排出。改變氣體壓強、噴嘴直徑、鳥糞容量等因素，則可模擬不同排出速度、不同直徑與容量的鳥類排糞過程。本試驗中，壓縮氣體氣壓在1.2 倍標(biāo)準(zhǔn)大氣壓左右時，鳥糞模擬液排出初速度為1.5m/s～2m/s，與文獻(xiàn)［14］記錄的大鳥排糞過程相符。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 鳥糞閃絡(luò)過程記錄

實際中鳥糞可能沿導(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)生鳥糞閃絡(luò)［15］。為模擬實際運行時情況，模擬導(dǎo)線上施加電壓為220kV 輸電線路最大運行相電壓，即220×(1+15%)/=146kV，鳥糞沿正上方下落和側(cè)下方下落時，間隙擊穿過程如圖2～圖3所示。

圖2 鳥糞沿導(dǎo)線正上方下落時間隙擊穿過程

圖3 鳥糞沿導(dǎo)線側(cè)上方下落時間隙擊穿過程

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

鳥糞沿正上方下落和側(cè)上方下落時間隙擊穿過程類似，均是高壓端空氣間隙首先燃弧，然后電弧沿著鳥糞通道迅速蔓延至低壓端，直至整個間隙擊穿。正上方下落情況下，導(dǎo)線下方也會產(chǎn)生明顯的電弧，見圖3，這是由于高電導(dǎo)率的鳥糞在間隙擊穿后，繼續(xù)下落，使導(dǎo)線下方局部空氣間隙場強產(chǎn)生嚴(yán)重畸變所致。

3.2 不同運行電壓下間隙放電情況

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

圖4 不同電壓下鳥糞下落時間隙放電現(xiàn)象

圖4 中，不同施加電壓情況下，鳥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，鳥糞下落時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。通過放電照片估算間隙被擊穿區(qū)段長度占總長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 輸電線路實際運行電壓，由此可見，對于220kV 輸電線路來說，在一定情況下，當(dāng)長串高電導(dǎo)率鳥糞下落時，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)套長度1.8m，單層標(biāo)稱耐壓值為21kV，厚度1.2mm，為防止試驗過程中絕緣護(hù)套擊穿對試驗產(chǎn)生影響，試驗時對模擬導(dǎo)線包覆多層護(hù)套，其耐壓值超過240kV。模擬導(dǎo)線上施加電壓146kV，絕緣護(hù)套包覆時，鳥糞閃絡(luò)試驗現(xiàn)象如圖5所示。

圖5 絕緣護(hù)套包覆情況下鳥糞放電現(xiàn)象

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

繼續(xù)增加施加電壓，直至180kV 時，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，可以有效避免鳥糞閃絡(luò)事故發(fā)生。

4 仿真驗證

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)套以及鳥糞等。為簡化分析，并減少計算量，忽略相間影響，僅考慮單相運行情況。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≥4kV/cm時，間隙擊穿，反之則不擊穿。

4.1.1 鳥糞模型

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

當(dāng)導(dǎo)線包覆絕緣護(hù)套時，金具電位也為懸浮電位，本文采用虛擬大介電常數(shù)法來求解這類問題［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 型絕緣子為對象進(jìn)行建模，傘裙、芯棒等均按照實際尺寸搭建。連接金具、橫擔(dān)以及接地極進(jìn)行簡化處理，其中橫擔(dān)和接地極均用簡易長方體金屬板進(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)套和鳥糞對空間電場分布的影響

以一長串鳥糞為例進(jìn)行說明，其末端未離開橫擔(dān)，鳥糞電位保持為0，前端離高壓端距離為28cm，對比有無鳥糞以及是否包覆護(hù)套情況下空間電場分布，如圖7～圖9所示。

圖7 正常情況下空間電場分布

圖8 鳥糞下落時空間電場分布

圖9 包覆護(hù)套后鳥糞下落時空間電場分布

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

圖10 鳥糞通道附近空氣間隙場強分布對比

圖8 中鳥糞前端與均壓環(huán)之間間隙平均場強為5.12kV/cm，發(fā)生擊穿。圖9 中，均壓環(huán)懸浮電位為98kV，此時鳥糞與均壓環(huán)間隙場強僅為3.5kV/cm，包覆絕緣護(hù)套使得均壓環(huán)電位比實際運行情況下降低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，鳥糞通道附近空氣間隙場強整體低于包覆護(hù)套情況，因此包覆絕緣護(hù)套可有效降低鳥糞閃絡(luò)可能性，與試驗現(xiàn)象基本相符。

4.2.2 鳥糞下落時間隙電場數(shù)據(jù)變化

為進(jìn)一步分析鳥糞下落時間隙場強基本數(shù)據(jù)，有助于分析絕緣護(hù)套包覆對鳥糞閃絡(luò)抑制作用，研究了包覆護(hù)套情況下不同長度鳥糞存在下基本數(shù)據(jù)，鳥糞長度的變化用以模擬實際線路上鳥糞自然下落過程，計算數(shù)據(jù)如下表2所示。

表2 不同長度鳥糞存在下間隙電場及電位數(shù)據(jù)

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

4.2.3 絕緣護(hù)套沿面放電機理分析

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

圖11 絕緣護(hù)套沿面電場分布對比

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

不同長度的鳥糞模擬了鳥糞逐漸下落過程，對比圖11 曲線，隨著鳥糞前段不斷接近均壓環(huán)，絕緣護(hù)套表面場強逐漸增強，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，由于鳥糞通道旁間隙場強低于無護(hù)套情況，電弧容易在鳥糞前端附近形成，但難以向低壓端蔓延，使得鳥糞閃絡(luò)難以發(fā)生。

5 結(jié)語

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

1）運行電壓的大小對鳥糞閃絡(luò)特性具有較大影響，對于220kV 線路來說，當(dāng)電壓低于112kV 時，鳥糞下落只會造成局部間隙擊穿，因此無法形成閃絡(luò)，而當(dāng)電壓高于112kV時，則發(fā)生閃絡(luò)；

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

試驗和仿真研究均表明導(dǎo)線包覆絕緣護(hù)套將會有效避免鳥糞閃絡(luò)的發(fā)生，在實際應(yīng)用時，應(yīng)綜合考慮絕緣護(hù)套包覆方式、長度、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糞閃絡(luò)效果，后續(xù)研究將在這些方面深入展開。