包覆绝缘护套对220kV输电线路鸟粪闪络特性的影响∗

张清文

（广东电网有限责任公司阳江供电局 阳江 529500）

1 引言

运行经验表明，由鸟类活动造成的输电线路跳闸故障已成为电网的主要故障之一，其发生频度仅次于雷击和外力破坏［1～3］。输电线路上鸟害形式主要有以下四种：1）大鸟鸟体短接故障；2）鸟巢材料下垂，局部甚至全部桥接绝缘子空气间隙；3）绝缘子表面积累大量鸟粪，在潮湿空气下发生沿面闪络；4）大鸟排泄长串高电导率鸟粪，导致绝缘子旁空气间隙发生击穿，其中鸟粪闪络是鸟害故障的最典型形式［4～6］。前两种鸟害故障多发生在35kV 及以下等级线路［7～8］；第三、四类鸟害发生于几乎所有等级线路，其中110kV 及以上线路鸟害故障中，鸟粪闪络占比超过90%。我国近几年发生的几起紧凑型输电线路鸟害故障均为鸟粪下落时导致绝缘子旁空气间隙发生的击穿事故，均压环和横担上有明显闪络痕迹，但绝缘子上无任何放电现象［9～10］。

由此可见，有必要对鸟粪闪络展开深入调查和分析研究，找到其形成规律并制定针对性的防治措施。文献［11］介绍了通过收集鸟类红外辐射并触发声音示警的驱鸟报警装置，经试用取得了一定的效果；文献［12］提出了防鸟刺、防鸟挡板等应用措施，安装后能有效避免鸟粪闪络故障的发生；文献［13］对110kV 模拟导线包覆绝缘后的放电特性进行了试验和仿真探究，结论表明，当绝缘护套厚度达到一定值时，可以避免鸟粪闪络的发生。

在目前已有研究基础上，本文以220kV 输电线路为研究对象，首先在实验室环境下模拟了鸟粪下落时间隙放电过程，对比了导线包覆护套前后鸟粪下落时放电特性差异，然后搭建了三维仿真模型，通过有限元仿真分析了包覆绝缘护套对抑制鸟粪闪络的原因。

2 试验准备

试验电源采用250kV 交流试验污秽电源装置，其短路电流6A。主要试验设备及布置如图1所示。

图1 220kV交流鸟粪模拟试验布置图

图1 中鸟粪排出装置上部和下部均为密封腔体，上腔体可通过外部充气装置对其充入一定量的压缩空气。下腔体则可盛装一定量的鸟粪模拟液，腔体下端为一个活动的金属喷嘴，该喷嘴紧固在模拟横担上，并保持良好接地。两个腔体之间的通断状态通过电磁阀进行控制。试验前先对下腔体施加一定容量的鸟粪模拟液，对上腔体充入压缩空气，待鸟粪模拟液施加完毕后，通过试验变压器对模拟导线施加所需电压，然后接通电磁阀电源，上下腔体连通，上腔体内具有一定压强的压缩气体迅速进入下腔体内，推动鸟粪模拟液以一定速度从喷嘴排出。改变气体压强、喷嘴直径、鸟粪容量等因素，则可模拟不同排出速度、不同直径与容量的鸟类排粪过程。本试验中，压缩气体气压在1.2 倍标准大气压左右时，鸟粪模拟液排出初速度为1.5m/s～2m/s，与文献［14］记录的大鸟排粪过程相符。

3 试验结果与分析

3.1 鸟粪闪络过程记录

实际中鸟粪可能沿导线正下方下落，部分甚至全部桥接空气间隙导致击穿，也可能沿导线侧上方下落，此时与导线之间间隔一定距离，在一定距离范围内发生鸟粪闪络［15］。为模拟实际运行时情况，模拟导线上施加电压为220kV 输电线路最大运行相电压，即220×(1+15%)/=146kV，鸟粪沿正上方下落和侧下方下落时，间隙击穿过程如图2～图3所示。

图2 鸟粪沿导线正上方下落时间隙击穿过程

图3 鸟粪沿导线侧上方下落时间隙击穿过程

鸟粪向高压端接近过程中，鸟粪前端首先形成起始电弧，鸟粪沿导线正下方下落时，当鸟粪通道与绝缘子轴线距离＜40cm 时，鸟粪前端与均压环之间空气间隙形成起始电弧，当距离超过40cm 时，由于鸟粪通道与均压环边缘距离较远，此时起始电弧形成于鸟粪前端与模拟导线之间的空气间隙。

鸟粪沿正上方下落和侧上方下落时间隙击穿过程类似，均是高压端空气间隙首先燃弧，然后电弧沿着鸟粪通道迅速蔓延至低压端，直至整个间隙击穿。正上方下落情况下，导线下方也会产生明显的电弧，见图3，这是由于高电导率的鸟粪在间隙击穿后，继续下落，使导线下方局部空气间隙场强产生严重畸变所致。

3.2 不同运行电压下间隙放电情况

试验研究发现，仅改变模拟导线上施加电压情况下，鸟粪下落时间隙击穿呈现不同的形态，如图4所示。

图4 不同电压下鸟粪下落时间隙放电现象

图4 中，不同施加电压情况下，鸟粪下落均能形成较稳定的燃弧，图4 中均为施加电压下放电最剧烈时刻现象，其中图4（d）间隙闪络，其余三种未闪络。从图示现象可看出，随着模拟导线上电压升高，鸟粪下落时间隙放电程度剧烈程度不断上升，从较小范围内局部燃弧到约一半空气间隙击穿，直至整段间隙击穿。通过放电照片估算间隙被击穿区段长度占总长度比例和施加电压的关系，得到如表1所示数据。

表1 间隙击穿长度比例与施加电压关系

造成整段间隙击穿所需施加电压为112kV，低于220kV 输电线路实际运行电压，由此可见，对于220kV 输电线路来说，在一定情况下，当长串高电导率鸟粪下落时，极容易导致闪络故障发生。

3.3 包覆绝缘护套后间隙放电情况

绝缘护套长度1.8m，单层标称耐压值为21kV，厚度1.2mm，为防止试验过程中绝缘护套击穿对试验产生影响，试验时对模拟导线包覆多层护套，其耐压值超过240kV。模拟导线上施加电压146kV，绝缘护套包覆时，鸟粪闪络试验现象如图5所示。

图5 绝缘护套包覆情况下鸟粪放电现象

从图5 中可以看出，当鸟粪前端下落至高压端附近时，鸟粪前端与均压环之间间隙以及护套沿面发生剧烈燃弧现象，部分电弧沿鸟粪通道向横担蔓延，至接近一半空气间隙时，电弧停止向前发展，无法完成闪络。当鸟粪沿导线侧上方下落时，放电现象与此类似。

继续增加施加电压，直至180kV 时，仍未观察到闪络发生，表明按本文所述方式包覆绝缘护套，可以有效避免鸟粪闪络事故发生。

4 仿真验证

4.1 仿真模型建立

采用ANSYS 18.1 软件进行有限元电磁场仿真分析，模型主要包括模拟导线、均压环、金具、复合绝缘子、铁塔、绝缘护套以及鸟粪等。为简化分析，并减少计算量，忽略相间影响，仅考虑单相运行情况。其中击穿判据参考文献［16～17］所示标准，当间隙平均超强≥4kV/cm时，间隙击穿，反之则不击穿。

4.1.1 鸟粪模型

自然状态下鸟类排除的粪便参数及形态各异，而其中电导率与最大连续长度是影响放电的最主要因素，高电导率和连续长串的鸟粪存在时更容易使得间隙发生鸟粪闪络。参考文献［18］中处理方法，本文研究中，用直径为6mm 的长直良导体圆柱棒模拟自然状态下的鸟粪。

当导线包覆绝缘护套时，金具电位也为悬浮电位，本文采用虚拟大介电常数法来求解这类问题［19～20］。

4.1.2 模拟导线、金具、复合绝缘子等模型

模拟导线采用简化的单分裂导线模拟，复合绝缘子以FXBW-220/160 型绝缘子为对象进行建模，伞裙、芯棒等均按照实际尺寸搭建。连接金具、横担以及接地极进行简化处理，其中横担和接地极均用简易长方体金属板进行模拟。模拟导线上施加电压为146kV。主要部件3D有限元模型如图6所示。

图6 主要部件三维仿真模型

4.2 仿真结果

4.2.1 护套和鸟粪对空间电场分布的影响

以一长串鸟粪为例进行说明，其末端未离开横担，鸟粪电位保持为0，前端离高压端距离为28cm，对比有无鸟粪以及是否包覆护套情况下空间电场分布，如图7～图9所示。

图7 正常情况下空间电场分布

图8 鸟粪下落时空间电场分布

图9 包覆护套后鸟粪下落时空间电场分布

从7图到图9对比可看出，鸟粪下落时，鸟粪通道附近场强发生明显畸变，前端场强大大增强，使得间隙击穿概率大大提高。距离鸟粪通道2cm，且靠近绝缘子侧的竖直路径处的空气间隙场强分布对比如图10所示。

图10 鸟粪通道附近空气间隙场强分布对比

图8 中鸟粪前端与均压环之间间隙平均场强为5.12kV/cm，发生击穿。图9 中，均压环悬浮电位为98kV，此时鸟粪与均压环间隙场强仅为3.5kV/cm，包覆绝缘护套使得均压环电位比实际运行情况下降低48kV，降低的部分由绝缘护套承担，此外，包覆绝缘护套下，鸟粪通道附近空气间隙场强整体低于包覆护套情况，因此包覆绝缘护套可有效降低鸟粪闪络可能性，与试验现象基本相符。

4.2.2 鸟粪下落时间隙电场数据变化

为进一步分析鸟粪下落时间隙场强基本数据，有助于分析绝缘护套包覆对鸟粪闪络抑制作用，研究了包覆护套情况下不同长度鸟粪存在下基本数据，鸟粪长度的变化用以模拟实际线路上鸟粪自然下落过程，计算数据如下表2所示。

表2 不同长度鸟粪存在下间隙电场及电位数据

从上表2 结果可知，鸟粪末端未离开横担时，随着鸟粪长度不断增加，金具悬浮电位呈逐渐降低趋势，此时护套承担电压升高，间隙平均场强逐渐增大，当鸟粪长度达到1.9m 时间隙才发生击穿。经计算，不包覆护套情况下，鸟粪长度达到1.71m时即可使间隙发生击穿，进一步说明了护套的存在使得鸟粪闪络更难发生，也即降低了鸟粪闪络的可能性。

4.2.3 绝缘护套沿面放电机理分析

分析了包覆护套前后以及有无鸟粪等不同组合情况下护套沿面电场分布，仿真结果如图11 所示。

图11 绝缘护套沿面电场分布对比

图11 中，s 为护套表面某点距护套一端的距离。包覆绝缘护套后，绝缘护套沿面路径电场显著增强，其中导线夹两端也即图11中0.8m～1.0m区段电场畸变明显。s=0.4m 处，有护套以及1.8m 长鸟粪存在时，护套沿面场强为16.2kV/cm，而无护套无鸟粪时，相同位置下场强仅11.6kV/cm。因此鸟粪下落时，在包覆护套情况下，护套沿面位置容易发生放电，与试验中得到的现象基本相符。

不同长度的鸟粪模拟了鸟粪逐渐下落过程，对比图11 曲线，随着鸟粪前段不断接近均压环，绝缘护套表面场强逐渐增强，金具悬浮电位降低，绝缘护套承担电压增加，使得护套沿面空气产生剧烈放电。另一方面，包覆护套后，由于鸟粪通道旁间隙场强低于无护套情况，电弧容易在鸟粪前端附近形成，但难以向低压端蔓延，使得鸟粪闪络难以发生。

5 结语

本文对220kV 输电线路导线包覆绝缘护套后鸟粪闪络特性进行了分析，通过试验研究与仿真验证，得到如下基本结论。

1）运行电压的大小对鸟粪闪络特性具有较大影响，对于220kV 线路来说，当电压低于112kV 时，鸟粪下落只会造成局部间隙击穿，因此无法形成闪络，而当电压高于112kV时，则发生闪络；

2）导线包覆绝缘护套时，金具电位低于实际运行电压，电弧容易在鸟粪前端附近形成，但难以向低压端蔓延，使得鸟粪闪络难以发生。随着鸟粪下落，绝缘护套沿面电场强度进一步加强，金具电位降低，护套承担电压升高，会使得护套沿面空气间隙产生明显放电现象。

试验和仿真研究均表明导线包覆绝缘护套将会有效避免鸟粪闪络的发生，在实际应用时，应综合考虑绝缘护套包覆方式、长度、厚度以及绝缘护套材料的选取上，在满足足够的应力特性的基础上能够起到最好的抑制鸟粪闪络效果，后续研究将在这些方面深入展开。