基于閃絡(luò)路徑優(yōu)化的磁吸式防鳥擋板研制及應(yīng)用

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正上方排便的概率。

防鳥擋板作為一種效果較好的防護(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,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[5]通過仿真分析了防鳥擋板的防護范圍不應(yīng)是圓形,同時對安裝過程中應(yīng)當(dāng)注意的問題進行了分析。文獻[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行要求。上述研究未充分考慮防鳥擋板在實際運行過程中存在的問題,未針對防護范圍、安裝方式提出根本性的優(yōu)化改進方法。

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范圍。分析現(xiàn)有防鳥擋板現(xiàn)場運行存在的問題,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)防護范圍的前提下,優(yōu)化防鳥擋板尺寸,進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。

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曲線與下端氣隙平均電場強度曲線交匯處)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)運維檢修需求,設(shè)計采用強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、強度高、耐候性好等特點,且相較于其他材質(zhì),其缺點并不影響作為防鳥擋板戶外應(yīng)用,滿足運行需求,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在于磁鐵吸附,為保證強吸附力及環(huán)境耐受性,磁鐵采用磁性較強的釹鐵硼磁鐵,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、維護工作量小,防護范圍滿足應(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,結(jié)構(gòu)合理,滿足實際運行過程中安裝牢固、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、強度高、耐候性好等特點,可作為防鳥擋板制作材料。