110 k V復(fù)合I型絕緣子鳥糞閃絡(luò)影響因素研究

伍弘，郝金鵬，楊 凱，房子祎，李澤成

（國網(wǎng)寧夏電力有限公司電力科學(xué)研究院，寧夏 銀川 750011）

0 引言

鳥糞閃絡(luò)是涉鳥故障的主要表現(xiàn)形式之一，占比超90%，主要包括鳥糞下落通道短接絕緣子高低壓端空氣間隙引發(fā)的閃絡(luò)及鳥糞沿絕緣子表面閃絡(luò)兩種情況[1-4]。尤其是大型鳥類一次排糞量大，可造成高低壓間空氣間隙較大的超高壓交直流架空輸電線路發(fā)生鳥糞閃絡(luò)故障[5-6]。目前，各架空線路運維單位已采取多種防鳥裝置防范鳥糞閃絡(luò)故障，如安裝防鳥罩、防鳥擋板、防鳥護套等，但仍存在防范薄弱點，每年因鳥糞閃絡(luò)造成的輸電線路跳閘故障仍無法杜絕[7-9]。探究架空輸電線路鳥糞閃絡(luò)機理和影響因素對從根本上防范鳥糞閃絡(luò)故障具有重要意義。文獻(xiàn)[10]通過在人工污穢實驗室模擬自然積污疊加鳥糞污染的條件，對不同條件下鳥糞污閃的可能性進(jìn)行了分析，并給出了鳥糞污染絕緣子串的閃絡(luò)電壓。文獻(xiàn)[11]設(shè)計搭建了Γ型鐵架模擬線路桿塔，并配置了鳥糞模擬液，研究鳥糞在距110 kV復(fù)合絕緣子不同距離下的閃絡(luò)概率。文獻(xiàn)[12]通過試驗方式模擬了在直流電壓下，鳥糞在復(fù)合I型絕緣子均壓環(huán)正上方和側(cè)上方下落時，其空間位置對起暈電壓、擊穿電壓和擊穿場強的影響。上述研究可為輸電線路防鳥設(shè)計及新型防鳥裝置的研發(fā)提供理論和數(shù)據(jù)支撐，但未對鳥糞或鳥糞模擬液本身的參數(shù)變化對鳥糞閃絡(luò)概率的影響進(jìn)行研究，模擬的現(xiàn)場鳥糞閃絡(luò)工況也較為簡單。

本文通過搭建110 kV復(fù)合I型絕緣子鳥糞閃絡(luò)仿真試驗?zāi)Ｐ停瑢Σ煌扯?、電?dǎo)率的鳥糞模擬液引發(fā)鳥糞閃絡(luò)的概率進(jìn)行了研究；對復(fù)合絕緣子安裝均壓環(huán)前后鳥糞閃絡(luò)概率進(jìn)行了研究；采用有限元仿真研究了鳥糞-絕緣子所在平面與導(dǎo)線-絕緣子所在平面呈不同夾角，鳥糞滴落位置距離絕緣子大傘裙不同距離情況下的空間電場分布情況。相關(guān)結(jié)果可為進(jìn)一步提高輸電線路防鳥運維水平和確定更為準(zhǔn)確的鳥糞閃絡(luò)防護范圍奠定基礎(chǔ)。

1 鳥糞閃絡(luò)試驗平臺

鳥糞閃絡(luò)模擬試驗采用自主設(shè)計試驗平臺，主要包括四個部分：一是高壓發(fā)生裝置，用以模擬實際運行電壓，主要包括試驗變壓器、調(diào)壓器、電壓互感器、高壓套管等；二是復(fù)合絕緣子及金屬支架，用于模擬實際輸電桿塔及其結(jié)構(gòu)；三是鳥糞滴落裝置，用于模擬實際鳥類排糞，主要包括鳥糞模擬液和可調(diào)的鳥糞推進(jìn)裝置；四是測量記錄裝置，包括用于記錄閃絡(luò)過程的高速攝像儀，測量復(fù)合絕緣子表面泄漏電流的裝置以及電壓、電流表計等。試驗前可將調(diào)配好的鳥糞模擬液裝入鳥糞推進(jìn)裝置，正式試驗時可通過控制閥門開閉和流速調(diào)節(jié)來改變鳥糞長度、滴落位置及狀態(tài)等變量。完整的試驗平臺如圖1所示。

圖1 鳥糞閃絡(luò)試驗平臺

模擬導(dǎo)線采用長1 500 mm，直徑25 mm的鋼棒，復(fù)合絕緣子選用型號為FXBW4-110/100。鳥糞模擬液以實測鳥糞為標(biāo)準(zhǔn)，用雞蛋、108膠、水及鹽等配置，其中鹽可以調(diào)整電導(dǎo)率，雞蛋和108膠可以調(diào)整溶液粘度。試驗中主要控制鳥糞的電導(dǎo)率和粘度。

2 鳥糞參數(shù)對鳥糞閃絡(luò)的影響

根據(jù)文獻(xiàn)[13]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。選定鳥糞平面與導(dǎo)線平面呈90°角（垂直）時，研究鳥糞粘度、電導(dǎo)率對鳥糞閃絡(luò)的影響，如圖2所示。

圖2 鳥糞通道與導(dǎo)線位置

將鳥糞通道滴落點距離復(fù)合絕緣子大傘裙外邊緣水平距離記為D，定義發(fā)生鳥糞閃絡(luò)時的D即為閃絡(luò)距離。配置不同粘度和不同電導(dǎo)率的鳥糞模擬液在如圖2所示位置滴落后，記錄不同水平距離D下鳥糞閃絡(luò)概率，如圖3、圖4所示。試驗中，除當(dāng)前試驗參數(shù)變化外，其他參數(shù)均不變，且試驗環(huán)境溫濕度前后保持一致。此外，鳥糞推進(jìn)裝置始終接地，用于模擬鳥糞通道上端未脫離橫擔(dān)情況。

圖3 不同鳥糞粘度下鳥糞閃絡(luò)概率

圖4 不同電導(dǎo)率下鳥糞閃絡(luò)概率

分析圖3可知，當(dāng)0＜D≤120 mm時，鳥糞閃絡(luò)必然發(fā)生；120＜D≤210 mm時，隨著距離增加，不同鳥糞粘度下鳥糞閃絡(luò)概率均呈下降趨勢，且粘度越大，閃絡(luò)概率越高；D＞210 mm時，鳥糞閃絡(luò)概率均為0，表明210 mm即為此工況下的臨界閃絡(luò)距離。

分析圖4可知，當(dāng)0＜D≤120 mm時，鳥糞閃絡(luò)必然發(fā)生；120＜D≤210 mm時，隨著距離增加，不同電導(dǎo)率下鳥糞閃絡(luò)概率均呈下降趨勢，且電導(dǎo)率越大，閃絡(luò)概率越高；當(dāng)D＞210 mm時，鳥糞閃絡(luò)概率為0。綜上，可以認(rèn)為110 kV復(fù)合I型絕緣子鳥糞閃絡(luò)的臨界距離為210 mm。

3 均壓環(huán)對鳥糞閃絡(luò)的影響

由于復(fù)合絕緣子相較于玻璃、瓷絕緣子電場分布更不均勻，所以在輸電線路絕緣子上會安裝均壓環(huán)起到降低電暈的效果，但是均壓環(huán)的存在會進(jìn)一步縮短絕緣子下方的絕緣距離，同時改變電場分布[14]。配制電導(dǎo)率為6 mS/cm，粘度為15 s的鳥糞模擬液進(jìn)行閃絡(luò)試驗，在鳥糞平面與導(dǎo)線平面垂直（異面）和平行（共面）兩種情況下研究有無均壓環(huán)對鳥糞閃絡(luò)概率的影響，鳥糞通道與導(dǎo)線位置如圖5所示。

圖5 鳥糞通道與導(dǎo)線位置（共異面）

3.1 異面條件下均壓環(huán)對鳥糞閃絡(luò)的影響

鳥糞平面與導(dǎo)線平面垂直（異面）條件下鳥糞閃絡(luò)試驗結(jié)果如圖6所示。

圖6 異面條件下有無均壓環(huán)對鳥糞閃絡(luò)概率的影響

從圖6中可以看出，當(dāng)0＜D≤60 mm時，鳥糞閃絡(luò)必然發(fā)生；未安裝均壓環(huán)情況下，當(dāng)D＞100mm時，不發(fā)生鳥糞閃絡(luò)；安裝有均壓環(huán)情況下，當(dāng)D＞210 mm時才不發(fā)生閃絡(luò)。表明均壓環(huán)的存在增加了鳥糞閃絡(luò)概率，擴大了鳥糞閃絡(luò)發(fā)生范圍。在60＜D≤100mm（無均壓環(huán)情況下），或120＜D≤210 mm（有均壓環(huán)情況下）范圍時，隨著距離D增加，鳥糞閃絡(luò)概率均呈下降趨勢，這與鳥糞參數(shù)改變試驗中趨勢一致。

觀察不帶均壓環(huán)情況下的鳥糞閃絡(luò)試驗過程，發(fā)現(xiàn)每次閃絡(luò)均從絕緣子下端的金具開始起弧，水平和豎直方向上的絕緣距離均增加，臨界閃絡(luò)距離變小，均壓環(huán)的外徑邊緣距離為70 mm，相比帶均壓環(huán)的情況，不帶均壓環(huán)情況下其臨界閃絡(luò)距離D減少了110 mm。此外絕緣子下端沒有均壓環(huán)使得絕緣子高壓端周圍電場更加不均勻，鳥糞通道下端分散性更加明顯。

3.2 共面條件下均壓環(huán)對鳥糞閃絡(luò)的影響

復(fù)合絕緣子安裝均壓環(huán)，其他試驗條件不變，改變鳥糞推進(jìn)裝置在橫擔(dān)上的位置，使得鳥糞滴落在導(dǎo)線上（共面）。移動鳥糞推進(jìn)裝置改變鳥糞下落通道與復(fù)合絕緣子大傘裙邊沿的距離D，每個距離重復(fù)做10組試驗，記錄閃絡(luò)概率與放電點，如圖7所示。

圖7 共面條件下復(fù)合絕緣子安裝均壓環(huán)鳥糞閃絡(luò)概率

分析圖7可知，在0＜D≤250 mm范圍內(nèi)，共面條件下復(fù)合絕緣子安裝均壓環(huán)后鳥糞閃絡(luò)必然發(fā)生，區(qū)別在于距離D≥150 mm后，鳥糞閃絡(luò)起弧點逐漸由均壓環(huán)變?yōu)閷?dǎo)線。去掉均壓環(huán)后保證其他條件不變進(jìn)行試驗，發(fā)現(xiàn)無論鳥糞通道距離絕緣子外傘裙多遠(yuǎn)，均能發(fā)生閃絡(luò)，這是由于鳥糞通道直接滴落在導(dǎo)線上，短接高低壓兩端所致。

4 鳥糞滴落路徑對鳥糞閃絡(luò)的影響

4.1 仿真模型搭建

由鳥糞引起的閃絡(luò)可以看作是鳥糞與高壓端之間最短空氣間隙的擊穿。鳥糞閃絡(luò)發(fā)生的根本原因是由于鳥糞的突然出現(xiàn)，畸變了高壓端附近的電場，最終導(dǎo)致空氣的擊穿。鳥糞的滴落路徑不同，對應(yīng)的最短氣隙的長度和臨界閃絡(luò)距離也不同。為研究不同條件下鳥糞閃絡(luò)發(fā)生時整個空間場強的變化情況，計算準(zhǔn)確的閃絡(luò)概率，采用有限元軟件Comsol搭建了試驗平臺的三維仿真模型，如圖8所示。

圖8 試驗平臺三維模型

圖8中，鳥糞下落過程是一個動態(tài)過程，在鳥糞下落過程中鳥糞形態(tài)會發(fā)生變化，鳥糞會由于重力作用而逐漸拉長變細(xì)，仿真分析時一般忽略鳥糞形態(tài)的變化，采用一半徑為3 mm（與實驗相同）的圓柱體表征，下端采用圓球結(jié)構(gòu)平滑處理。同時，由于鳥糞是一種電導(dǎo)率較高的物體，為了方便計算通常將鳥糞視為導(dǎo)體進(jìn)行計算。在仿真模型中，保持鳥糞下落通道的直徑不變，通過改變鳥糞長度及空間位置來分析不同鳥糞形態(tài)以及其空間位置對間隙空間電場的影響。

為模擬最嚴(yán)苛的情況，鳥糞上端與橫擔(dān)直接相連。接地部分和大空氣邊界設(shè)置電勢為0 kV，導(dǎo)線及與其相連的金具和均壓環(huán)的電勢加載為94.3 kV（110 kV最大相電壓幅值）。模型中其他材料相關(guān)參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 仿真模型材料參數(shù)

4.2 鳥糞通道對空間場強的影響

為探究鳥糞滴落到不同位置時對空間電場的畸變作用，設(shè)置不同鳥糞長度值，在鳥糞平面與導(dǎo)線平面間不同夾角θ（θ=0°時，兩平面共面；θ=90°時，兩平面異面）下選取一近一遠(yuǎn)兩個典型D值計算得到最大場強，以及鳥糞底端距離最近的高壓端路徑上平均場強如圖9、圖10所示。當(dāng)鳥糞平面與導(dǎo)線平面夾角為0°時（共面）閃絡(luò)必然發(fā)生，因此本節(jié)未計算0°情況下的電場強度情況。

圖10 最短氣隙間平均場強隨鳥糞長度和滴落位置的變化情況

由圖9可以看出，無論鳥糞滴落至何位置，空間的最大場強點始終是鳥糞的底端，對于原系統(tǒng)來說，鳥糞的忽然出現(xiàn)畸變了空間場強，這是導(dǎo)致高壓端與鳥糞之間的氣隙被擊穿的根本原因。近距離下（D=160 mm）鳥糞離高壓均壓環(huán)很近，故鳥糞滴落至均壓環(huán)高度處有最大場強；當(dāng)距離較遠(yuǎn)時（D=400 mm），鳥糞距離高壓均壓環(huán)和導(dǎo)線距離都較遠(yuǎn)，最值出現(xiàn)的位置一般介于均壓環(huán)與導(dǎo)線之間，沒有明顯的規(guī)律性。

圖9 空間最大場強隨鳥糞長度和滴落位置的變化情況

由圖10可以看出，無論什么情況下，最大平均場強總是出現(xiàn)在均壓環(huán)或?qū)Ь€的水平處，電弧一般沿著最短路徑擊穿，從空間上來看，鳥糞滴落至與均壓環(huán)水平處或者滴落至與導(dǎo)線水平處，擊穿發(fā)生具體取決于哪個位置下最短路徑的平均場強更大。

4.3 不同鳥糞滴落位置下的閃絡(luò)概率

每種滴落方式下，計算鳥糞滴落至與均壓環(huán)水平和與導(dǎo)線水平時最短擊穿路徑上的平均場強，選取較大值作為最終值，其余條件不變，得到各個角度下最易擊穿路徑上的平均電場模值，如圖11所示。同時考慮到典型不均勻間隙的擊穿場強約為5.66 kV/cm，以上述最易擊穿路徑上的平均電場模值是否大于此值作為臨界擊穿判據(jù)。

圖11 最短間隙路徑上平均場強值隨鳥糞滴落位置的變化情況

分析圖11可知，由于均壓環(huán)的存在，在θ角較大時，鳥糞通道距離導(dǎo)線較遠(yuǎn)，滴落過程中均壓環(huán)一直是距其最近的高壓端，一般都從均壓環(huán)起弧擊穿，由于均壓環(huán)為環(huán)狀，故他們的臨界閃絡(luò)距離也相似。θ較小且D值較小時，鳥糞滴落過程中離均壓環(huán)有足夠近的瞬間，此時會從均壓環(huán)起弧擊穿；D值較大時，滴落過程鳥糞通道與均壓環(huán)的距離一直較遠(yuǎn)，之間的平均場強不足以使間隙擊穿，隨著繼續(xù)下落，通道與導(dǎo)線之間的平均場強值可能足以發(fā)生擊穿，因此不同角度下的臨界閃絡(luò)距離受均壓環(huán)和導(dǎo)線的雙重影響，呈現(xiàn)出θ角越小，臨界閃絡(luò)距離越大的趨勢，且不是線性關(guān)系，前期變化極小，后期變化極大。

5 結(jié)論

1）鳥糞的電導(dǎo)率、粘度越大，發(fā)生鳥糞閃絡(luò)的概率越大，但其影響效果有限，在接近臨界閃絡(luò)距離時，不同鳥糞參數(shù)下的鳥糞閃絡(luò)概率相近。

2）110 kV輸電線路復(fù)合絕緣子上安裝均壓環(huán)比不安裝均壓環(huán)時更容易發(fā)生閃絡(luò)事故，但安裝均壓環(huán)可以降低高壓側(cè)的電場不均勻度，實際線路中是否安裝均壓環(huán)可視鳥糞閃絡(luò)故障的嚴(yán)重程度及防雷、防鳥裝置安裝等其他因素綜合決定。

3）鳥糞滴落通道平面與導(dǎo)線平面間的夾角越小，臨界閃絡(luò)距離越大，且前期變化極小，后期變化極大。