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)
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。
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。
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。
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。
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。
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
4.2.1 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。
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)。