徐兆國,張振華,汪毅

(國網(wǎng)寧夏電力有限公司石嘴山供電公司,寧夏 石嘴山 753000)

0 引 言

架空輸電線路鳥糞類故障是指鳥類在輸電桿塔橫擔(dān)、地線等位置排便,鳥糞形成導(dǎo)電通道造成空氣間隙擊穿或絕緣子沿面閃絡(luò)故障,是寧夏電網(wǎng)主要的涉鳥故障形式[1-2]。實際運(yùn)行過程中,鳥糞造成空氣間隙擊穿的概率遠(yuǎn)大于絕緣子沿面閃絡(luò),這是因為防鳥刺等防鳥裝置的大量使用,降低了鳥類在絕緣子掛點(diǎn)正上方排便的概率。

防鳥擋板作為一種效果較好的防護(hù)(隔離)型裝置主要用于涉鳥故障風(fēng)險等級較高地區(qū),通常與防鳥刺、防鳥護(hù)套等組合應(yīng)用。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求[3-4],220 kV及以下防鳥擋板寬為40 mm,長則無明確要求?，F(xiàn)場安裝的防鳥擋板一般為長方形,短邊普遍超過40 mm。這種形狀的防鳥擋板能夠防范較大范圍內(nèi)的鳥糞,但增加了安裝難度,且受大風(fēng)影響程度加大。防鳥擋板一般安裝于絕緣子掛點(diǎn)正上方,采用拼接式或打孔式,使復(fù)合絕緣子芯棒從中穿過。為避免鳥糞從復(fù)合絕緣子芯棒處下落,防鳥擋板開孔大小需與芯棒直徑相匹配,過小會導(dǎo)致?lián)醢迥p芯棒護(hù)套。另外,防鳥擋板安裝采用長金屬螺栓固定,增加了地電位點(diǎn),特殊情況下可能導(dǎo)致高壓端對防鳥擋板螺栓放電。同時,采用環(huán)氧樹脂制成的防鳥擋板質(zhì)量大,對于高空安裝也提出了更高要求。關(guān)于防鳥擋板相關(guān)的研究較少,文獻(xiàn)[5]通過仿真分析了防鳥擋板的防護(hù)范圍不應(yīng)是圓形,同時對安裝過程中應(yīng)當(dāng)注意的問題進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[6-7]則對采用玄武巖纖維和環(huán)氧樹脂制成的防鳥擋板性能進(jìn)行了分析,認(rèn)為這兩種材料制成的防鳥擋板滿足輸電線路運(yùn)行要求。上述研究未充分考慮防鳥擋板在實際運(yùn)行過程中存在的問題,未針對防護(hù)范圍、安裝方式提出根本性的優(yōu)化改進(jìn)方法。

本文以110 kV輸電線路為例,設(shè)計了一種新型磁吸式防鳥擋板。通過搭建鳥糞閃絡(luò)仿真模型,分析不同鳥糞滴落位置對復(fù)合絕緣子空間電場的影響,確定了磁吸式防鳥擋板的防護(hù)范圍。分析現(xiàn)有防鳥擋板現(xiàn)場運(yùn)行存在的問題,對磁吸式防鳥擋板的材質(zhì)、安裝工藝、安裝方式等進(jìn)行了設(shè)計和優(yōu)化。通過現(xiàn)場應(yīng)用磁吸式防鳥擋板,進(jìn)一步體現(xiàn)了其相較于傳統(tǒng)防鳥擋板的優(yōu)勢。

1 常規(guī)防鳥擋板存在的問題

防鳥擋板作為典型防鳥裝置廣泛應(yīng)用于寧夏電網(wǎng)110 kV及以上架空輸電線路[8-9],但近幾年不少安裝有防鳥擋板的線路仍會發(fā)生涉鳥故障,表明防鳥擋板并非一勞永逸的防鳥裝置。分析故障線路,原因主要有以下方面:

1)防鳥擋板拼接不到位,安裝工藝不良,導(dǎo)致?lián)醢逯虚g有較大縫隙,鳥糞順著縫隙下落引起導(dǎo)線與防鳥擋板固定螺栓空氣間隙擊穿放電,造成線路跳閘,如圖1所示。

圖1 防鳥擋板拼接不到位造成鳥糞閃絡(luò)。

2)鳥類在飛行過程中穿越導(dǎo)線和橫擔(dān),短接了防鳥擋板金屬掛鉤與導(dǎo)線防振錘之間的空氣間隙放電,造成線路跳閘,如圖2所示。

圖2 鳥體短接防鳥擋板金屬掛鉤與防振錘。

3)防鳥擋板質(zhì)量不良,固定用螺栓老化銹蝕,加之安裝孔在螺栓松動后受風(fēng)力影響不斷擴(kuò)大,最終因安裝孔直徑大于螺帽直徑,造成防鳥擋板一側(cè)脫落,如圖3所示。

圖3 防鳥擋板單側(cè)脫落。

4)因防鳥擋板尺寸普遍較大,增加了迎風(fēng)面積,不適合在風(fēng)速較大地區(qū)使用。同時其在沿導(dǎo)線方向、垂直導(dǎo)線方向的寬度選取較隨意,可能達(dá)不到預(yù)期效果,如圖4所示。

圖4 防鳥擋板沿導(dǎo)線和垂直導(dǎo)線方向?qū)挾冗x取不合理。

上述情況表明,要使防鳥擋板切實發(fā)揮自身效果,必須進(jìn)一步優(yōu)化防鳥擋板材質(zhì)、安裝工藝、安裝(連接)方式等,避免因設(shè)備本身質(zhì)量問題或安裝運(yùn)維不到位造成線路故障。同時,應(yīng)考慮如何在滿足橫擔(dān)防護(hù)范圍的前提下,優(yōu)化防鳥擋板尺寸,進(jìn)而使之適用于更廣泛地區(qū),節(jié)省材料消耗。

2 磁吸式防鳥擋板設(shè)計

2.1 擋板尺寸

為確定磁吸式防鳥擋板尺寸,應(yīng)首先確定橫擔(dān)處鳥糞閃絡(luò)防護(hù)范圍。以110 kV架空輸電線路為例,仿真分析不同鳥糞滴落位置對復(fù)合絕緣子空間電場的影響。

2.1.1 仿真模型及參數(shù)設(shè)置

對此裝置進(jìn)行建模,復(fù)合絕緣子按照實際線路中應(yīng)用的FXBW4-110/100實際尺寸(結(jié)構(gòu)高度為1 240 mm)進(jìn)行建模,呈Ⅰ型懸掛;輸電導(dǎo)線采用和實際LGJ-300/25導(dǎo)線相同的直徑23.8 mm,長度為3 m,用單根實心導(dǎo)體鋁棒進(jìn)行模擬。為保證導(dǎo)電性,橫擔(dān)、導(dǎo)線、金具均設(shè)為鋁質(zhì)材料。鳥糞通道的電導(dǎo)率較高,一般視為導(dǎo)體[10-11],忽略鳥糞下落過程的形態(tài)變化,采用長直導(dǎo)體圓棒來模擬鳥糞,對端部進(jìn)行平滑處理。其中空氣、芯棒、硅橡膠傘裙的相對介電常數(shù)分別設(shè)為1、7.3、3.5。

計算中導(dǎo)線上施加電壓為110 kV時的最大運(yùn)行相電壓幅值為89.81 kV?？紤]到鳥糞未脫離橫擔(dān)時,僅存在下端空氣間隙,更易發(fā)生閃絡(luò)。為模擬最嚴(yán)重情況,鳥糞通道上端直接與橫擔(dān)相連,外部空氣域設(shè)置一個半徑為10 m的半球,仿真模型如圖5所示。

圖5 鳥糞閃絡(luò)仿真模型。

2.1.2 仿真分析

實際中110 kV輸電桿塔的橫擔(dān)寬度遠(yuǎn)大于絕緣子盤徑,鳥類可能在橫擔(dān)上任意位置處排便,鳥糞通道的變化并非只沿橫擔(dān)方向,不同方向可能有不同的臨界閃絡(luò)距離。為確定輸電線路鳥糞閃絡(luò)的防護(hù)范圍,對不同鳥糞滴落位置對復(fù)合絕緣子空間電場的影響進(jìn)行仿真分析。定義鳥糞下落通道與復(fù)合絕緣子所在面為鳥糞平面,導(dǎo)線與復(fù)合絕緣子所在面為導(dǎo)線平面。對于鳥糞滴落位置,選擇4種空間關(guān)系:鳥糞平面與導(dǎo)線平面呈0°、30°、60°、90°,其中導(dǎo)線平面為固定不變,如圖6所示。不同位置下的鳥糞閃絡(luò)距離即為鳥糞滴落點(diǎn)與復(fù)合絕緣子軸心的水平距離。

圖6 鳥糞滴落位置。

考慮110 kV復(fù)合絕緣子的結(jié)構(gòu)高度及端部金具長度,取鳥糞通道長度為1 100 mm,計算在不同滴落位置下隨著水平距離增加,底端氣隙平均電場強(qiáng)度的變化情況,如圖7所示。

圖7 不同滴落位置下下端氣隙平均場強(qiáng)。

分析圖6、圖7可知,當(dāng)鳥糞從0°位置滴落時,不管滴落距離如何變化,鳥糞始終在導(dǎo)線的正上方,底端氣隙的長度保持不變,因此氣隙中平均場強(qiáng)值幾乎保持不變,且大于5.66 kV/cm,鳥糞閃絡(luò)可能發(fā)生;當(dāng)鳥糞的滴落角度不斷增大,相同條件下的氣隙平均場強(qiáng)也隨之增大;同一角度下,隨著滴落距離的增大,氣隙平均場強(qiáng)逐漸減小,30°、60°、90°位置下的臨界閃絡(luò)距離(圖7中不同角度下平均場強(qiáng)曲線與下端氣隙平均電場強(qiáng)度曲線交匯處)分別為260、210、200 mm。當(dāng)鳥糞滴落位置為0°時,閃絡(luò)距離可以一直保持較大數(shù)值,實際中由于橫擔(dān)的寬度限制,可以認(rèn)為0°時的臨界閃絡(luò)距離為橫擔(dān)寬度的一半,考慮一般橫擔(dān)寬度為1 000 mm,則0°時臨界閃絡(luò)距離為500 mm。

2.1.3 防護(hù)范圍及擋板尺寸確定

根據(jù)仿真分析結(jié)果可知,鳥糞在不同位置滴落的臨界閃絡(luò)距離是不同的,因此輸電線路的鳥害防護(hù)范圍不應(yīng)是圓形,而是近似為長軸沿導(dǎo)線方向的橢圓,對于110 kV輸電線路,沿導(dǎo)線方向長軸長為1 000 mm(或橫擔(dān)寬度),沿橫擔(dān)方向短軸長為400 mm。在相同寬度情況下,鳥糞沿導(dǎo)線方向滴落,發(fā)生閃絡(luò)的可能性更大。為避免發(fā)生鳥糞閃絡(luò),從優(yōu)化閃絡(luò)路徑的角度考慮,應(yīng)盡量使沿導(dǎo)線方向防護(hù)范圍變大。

110 kV輸電線路的防鳥擋板應(yīng)設(shè)計為矩形,寬度為400 mm,長度覆蓋整個橫擔(dān)寬度,同時為防止鳥糞從短邊滴落,可考慮將短邊邊緣設(shè)置為上翹型,引導(dǎo)鳥糞從長邊滴落。

2.2 安裝結(jié)構(gòu)

考慮防鳥擋板安裝的便捷性及后續(xù)運(yùn)維檢修需求,設(shè)計采用強(qiáng)力磁鐵加彈簧連接組件的形式作為新型防鳥擋板的安裝方式。通過彈簧連接組件使整體結(jié)構(gòu)呈柔性,增加防鳥擋板的抗風(fēng)、抗震能力。螺桿端部包覆有與之緊密配合的絕緣硅膠帽,并涂抹絕緣膠,避免鳥糞或鳥體短接擋板螺栓與高壓導(dǎo)線。擋板一側(cè)加裝有防墜落組件,防止因磁鐵失效或其他突發(fā)情況導(dǎo)致的擋板下墜。此外,該型防鳥擋板與復(fù)合絕緣子端部連接處采取半開口式結(jié)構(gòu),避免磨損復(fù)合絕緣子芯棒。磁吸式防鳥擋板安裝結(jié)構(gòu)如圖8所示。相較于傳統(tǒng)防鳥擋板,該結(jié)構(gòu)下僅需連接4個螺栓螺母即可,大大降低了作業(yè)時間。

圖8 磁吸式防鳥擋板安裝結(jié)構(gòu)。

2.3 材 質(zhì)

2.3.1 擋板材質(zhì)

磁吸式防鳥擋板的主體是防止鳥糞下落的絕緣擋板,可用做絕緣擋板的材質(zhì)較多,其優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

表1 不同材質(zhì)擋板性能

經(jīng)過對比,聚碳酸酯具有絕緣性好,質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐候性好等特點(diǎn),且相較于其他材質(zhì),其缺點(diǎn)并不影響作為防鳥擋板戶外應(yīng)用,滿足運(yùn)行需求,可作為磁吸式防鳥擋板的制作材料。

2.3.2 磁鐵材質(zhì)

新型磁吸式防鳥擋板的安裝重點(diǎn)在于磁鐵吸附,為保證強(qiáng)吸附力及環(huán)境耐受性,磁鐵采用磁性較強(qiáng)的釹鐵硼磁鐵,直徑不小于50 mm。為防止高溫消磁,采用牌號為35 H的燒結(jié)釹鐵硼永磁鐵,最高工作溫度為120 ℃(常規(guī)N35牌號的磁鐵工作溫度最高為80 ℃)。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

根據(jù)所設(shè)計參數(shù)制作磁吸式防鳥擋板,考慮輸電線路邊相安裝,形狀制成梯形,寬度(上底寬)為橫擔(dān)寬度(不小于1 000 mm),垂直導(dǎo)線方向不小于200 mm(距離復(fù)合絕緣子軸心)。為貼合橫擔(dān)端部,垂直導(dǎo)線方向的另一邊可以往鐵塔方向進(jìn)行延伸。磁吸式防鳥擋板實物如圖9所示。復(fù)合絕緣子安裝孔處用自攻絲將聚碳酸酯材質(zhì)的較薄封槽板與擋板連接,避免鳥糞從孔隙下落?，F(xiàn)場安裝應(yīng)用情況如圖10所示。

圖9 適用于邊相安裝的磁吸式防鳥擋板。

現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明,新型磁吸式防鳥擋板采用磁吸的安裝方式,工藝簡便、維護(hù)工作量小,防護(hù)范圍滿足應(yīng)用要求,能夠有效避免擋板拼接不良、螺栓外漏、脫落等造成的輸電線路故障跳閘。

4 結(jié) 論

1)輸電線路鳥糞閃絡(luò)防護(hù)范圍近似為長軸沿導(dǎo)線方向的橢圓,對于110 kV輸電線路,沿導(dǎo)線方向長軸長為1 000 mm(或橫擔(dān)寬度),沿橫擔(dān)方向短軸長為400 mm。

2)防鳥擋板通用設(shè)計為矩形,寬度為400 mm,長度覆蓋整個橫擔(dān)寬度,但實際設(shè)計制作過程中,還應(yīng)根據(jù)其具體安裝位置,在滿足防護(hù)范圍的前提下適當(dāng)調(diào)整形狀及尺寸。

3)新型磁吸式防鳥擋板采用永磁鐵加彈簧連接組件的安裝方式,擋板下側(cè)螺栓采用硅膠帽加絕緣膠防護(hù),結(jié)構(gòu)合理,滿足實際運(yùn)行過程中安裝牢固、絕緣性好、抗風(fēng)抗震等要求。

4)聚碳酸酯具有絕緣性好,質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐候性好等特點(diǎn),可作為防鳥擋板制作材料。