張清文

（廣東電網有限責任公司陽江供電局 陽江 529500）

1 引言

運行經驗表明，由鳥類活動造成的輸電線路跳閘故障已成為電網的主要故障之一，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；4）大鳥排泄長串高電導率鳥糞，導致絕緣子旁空氣間隙發(fā)生擊穿，其中鳥糞閃絡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致絕緣子旁空氣間隙發(fā)生的擊穿事故，均壓環(huán)和橫擔上有明顯閃絡痕跡，但絕緣子上無任何放電現(xiàn)象［9～10］。

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

在目前已有研究基礎上，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，對比了導線包覆護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套對抑制鳥糞閃絡的原因。

2 試驗準備

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，上腔體內具有一定壓強的壓縮氣體迅速進入下腔體內，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 倍標準大氣壓左右時，鳥糞模擬液排出初速度為1.5m/s～2m/s，與文獻［14］記錄的大鳥排糞過程相符。

3 試驗結果與分析

3.1 鳥糞閃絡過程記錄

實際中鳥糞可能沿導線正下方下落，部分甚至全部橋接空氣間隙導致?lián)舸?，也可能沿導線側上方下落，此時與導線之間間隔一定距離，在一定距離范圍內發(fā)生鳥糞閃絡［15］。為模擬實際運行時情況，模擬導線上施加電壓為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下方下落時，間隙擊穿過程如圖2～圖3所示。

圖2 鳥糞沿導線正上方下落時間隙擊穿過程

圖3 鳥糞沿導線側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，鳥糞沿導線正下方下落時，當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，當距離超過40cm 時，由于鳥糞通道與均壓環(huán)邊緣距離較遠，此時起始電弧形成于鳥糞前端與模擬導線之間的空氣間隙。

鳥糞沿正上方下落和側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，導線下方也會產生明顯的電弧，見圖3，這是由于高電導率的鳥糞在間隙擊穿后，繼續(xù)下落，使導線下方局部空氣間隙場強產生嚴重畸變所致。

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，其余三種未閃絡。從圖示現(xiàn)象可看出，隨著模擬導線上電壓升高，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，當長串高電導率鳥糞下落時，極容易導致閃絡故障發(fā)生。

3.3 包覆絕緣護套后間隙放電情況

絕緣護套長度1.8m，單層標稱耐壓值為21kV，厚度1.2mm，為防止試驗過程中絕緣護套擊穿對試驗產生影響，試驗時對模擬導線包覆多層護套，其耐壓值超過240kV。模擬導線上施加電壓146kV，絕緣護套包覆時，鳥糞閃絡試驗現(xiàn)象如圖5所示。

圖5 絕緣護套包覆情況下鳥糞放電現(xiàn)象

從圖5 中可以看出，當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。當鳥糞沿導線側上方下落時，放電現(xiàn)象與此類似。

繼續(xù)增加施加電壓，直至180kV 時，仍未觀察到閃絡發(fā)生，表明按本文所述方式包覆絕緣護套，可以有效避免鳥糞閃絡事故發(fā)生。

4 仿真驗證

4.1 仿真模型建立

采用ANSYS 18.1 軟件進行有限元電磁場仿真分析，模型主要包括模擬導線、均壓環(huán)、金具、復合絕緣子、鐵塔、絕緣護套以及鳥糞等。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［16～17］所示標準，當間隙平均超強≥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，而其中電導率與最大連續(xù)長度是影響放電的最主要因素，高電導率和連續(xù)長串的鳥糞存在時更容易使得間隙發(fā)生鳥糞閃絡。參考文獻［18］中處理方法，本文研究中，用直徑為6mm 的長直良導體圓柱棒模擬自然狀態(tài)下的鳥糞。

當導線包覆絕緣護套時，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 模擬導線、金具、復合絕緣子等模型

模擬導線采用簡化的單分裂導線模擬，復合絕緣子以FXBW-220/160 型絕緣子為對象進行建模，傘裙、芯棒等均按照實際尺寸搭建。連接金具、橫擔以及接地極進行簡化處理，其中橫擔和接地極均用簡易長方體金屬板進行模擬。模擬導線上施加電壓為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 仿真結果

4.2.1 護套和鳥糞對空間電場分布的影響

以一長串鳥糞為例進行說明，其末端未離開橫擔，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套承擔，此外，包覆絕緣護套下，鳥糞通道附近空氣間隙場強整體低于包覆護套情況，因此包覆絕緣護套可有效降低鳥糞閃絡可能性，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)，有助于分析絕緣護套包覆對鳥糞閃絡抑制作用，研究了包覆護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 結果可知，鳥糞末端未離開橫擔時，隨著鳥糞長度不斷增加，金具懸浮電位呈逐漸降低趨勢，此時護套承擔電壓升高，間隙平均場強逐漸增大，當鳥糞長度達到1.9m 時間隙才發(fā)生擊穿。經計算，不包覆護套情況下，鳥糞長度達到1.71m時即可使間隙發(fā)生擊穿，進一步說明了護套的存在使得鳥糞閃絡更難發(fā)生，也即降低了鳥糞閃絡的可能性。

4.2.3 絕緣護套沿面放電機理分析

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

圖11 絕緣護套沿面電場分布對比

圖11 中，s 為護套表面某點距護套一端的距離。包覆絕緣護套后，絕緣護套沿面路徑電場顯著增強，其中導線夾兩端也即圖11中0.8m～1.0m區(qū)段電場畸變明顯。s=0.4m 處，有護套以及1.8m 長鳥糞存在時，護套沿面場強為16.2kV/cm，而無護套無鳥糞時，相同位置下場強僅11.6kV/cm。因此鳥糞下落時，在包覆護套情況下，護套沿面位置容易發(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)，絕緣護套表面場強逐漸增強，金具懸浮電位降低，絕緣護套承擔電壓增加，使得護套沿面空氣產生劇烈放電。另一方面，包覆護套后，由于鳥糞通道旁間隙場強低于無護套情況，電弧容易在鳥糞前端附近形成，但難以向低壓端蔓延，使得鳥糞閃絡難以發(fā)生。

5 結語

本文對220kV 輸電線路導線包覆絕緣護套后鳥糞閃絡特性進行了分析，通過試驗研究與仿真驗證，得到如下基本結論。

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

2）導線包覆絕緣護套時，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，使得鳥糞閃絡難以發(fā)生。隨著鳥糞下落，絕緣護套沿面電場強度進一步加強，金具電位降低，護套承擔電壓升高，會使得護套沿面空氣間隙產生明顯放電現(xiàn)象。

試驗和仿真研究均表明導線包覆絕緣護套將會有效避免鳥糞閃絡的發(fā)生，在實際應用時，應綜合考慮絕緣護套包覆方式、長度、厚度以及絕緣護套材料的選取上，在滿足足夠的應力特性的基礎上能夠起到最好的抑制鳥糞閃絡效果，后續(xù)研究將在這些方面深入展開。