110 k V复合I型绝缘子鸟粪闪络影响因素研究

2022-08-23伍弘郝金鹏房子祎李泽成

宁夏电力 2022年3期

伍弘，郝金鹏，杨凯，房子祎，李泽成

（国网宁夏电力有限公司电力科学研究院，宁夏银川 750011）

0 引言

鸟粪闪络是涉鸟故障的主要表现形式之一，占比超90%，主要包括鸟粪下落通道短接绝缘子高低压端空气间隙引发的闪络及鸟粪沿绝缘子表面闪络两种情况[1-4]。尤其是大型鸟类一次排粪量大，可造成高低压间空气间隙较大的超高压交直流架空输电线路发生鸟粪闪络故障[5-6]。目前，各架空线路运维单位已采取多种防鸟装置防范鸟粪闪络故障，如安装防鸟罩、防鸟挡板、防鸟护套等，但仍存在防范薄弱点，每年因鸟粪闪络造成的输电线路跳闸故障仍无法杜绝[7-9]。探究架空输电线路鸟粪闪络机理和影响因素对从根本上防范鸟粪闪络故障具有重要意义。文献[10]通过在人工污秽实验室模拟自然积污叠加鸟粪污染的条件，对不同条件下鸟粪污闪的可能性进行了分析，并给出了鸟粪污染绝缘子串的闪络电压。文献[11]设计搭建了Γ型铁架模拟线路杆塔，并配置了鸟粪模拟液，研究鸟粪在距110 kV复合绝缘子不同距离下的闪络概率。文献[12]通过试验方式模拟了在直流电压下，鸟粪在复合I型绝缘子均压环正上方和侧上方下落时，其空间位置对起晕电压、击穿电压和击穿场强的影响。上述研究可为输电线路防鸟设计及新型防鸟装置的研发提供理论和数据支撑，但未对鸟粪或鸟粪模拟液本身的参数变化对鸟粪闪络概率的影响进行研究，模拟的现场鸟粪闪络工况也较为简单。

本文通过搭建110 kV复合I型绝缘子鸟粪闪络仿真试验模型，对不同粘度、电导率的鸟粪模拟液引发鸟粪闪络的概率进行了研究；对复合绝缘子安装均压环前后鸟粪闪络概率进行了研究；采用有限元仿真研究了鸟粪-绝缘子所在平面与导线-绝缘子所在平面呈不同夹角，鸟粪滴落位置距离绝缘子大伞裙不同距离情况下的空间电场分布情况。相关结果可为进一步提高输电线路防鸟运维水平和确定更为准确的鸟粪闪络防护范围奠定基础。

1 鸟粪闪络试验平台

鸟粪闪络模拟试验采用自主设计试验平台，主要包括四个部分：一是高压发生装置，用以模拟实际运行电压，主要包括试验变压器、调压器、电压互感器、高压套管等；二是复合绝缘子及金属支架，用于模拟实际输电杆塔及其结构；三是鸟粪滴落装置，用于模拟实际鸟类排粪，主要包括鸟粪模拟液和可调的鸟粪推进装置；四是测量记录装置，包括用于记录闪络过程的高速摄像仪，测量复合绝缘子表面泄漏电流的装置以及电压、电流表计等。试验前可将调配好的鸟粪模拟液装入鸟粪推进装置，正式试验时可通过控制阀门开闭和流速调节来改变鸟粪长度、滴落位置及状态等变量。完整的试验平台如图1所示。

图1 鸟粪闪络试验平台

模拟导线采用长1 500 mm，直径25 mm的钢棒，复合绝缘子选用型号为FXBW4-110/100。鸟粪模拟液以实测鸟粪为标准，用鸡蛋、108胶、水及盐等配置，其中盐可以调整电导率，鸡蛋和108胶可以调整溶液粘度。试验中主要控制鸟粪的电导率和粘度。

2 鸟粪参数对鸟粪闪络的影响

根据文献[13]定义鸟粪下落通道与复合绝缘子所在面为鸟粪平面，导线与复合绝缘子所在面为导线平面。选定鸟粪平面与导线平面呈90°角（垂直）时，研究鸟粪粘度、电导率对鸟粪闪络的影响，如图2所示。

图2 鸟粪通道与导线位置

将鸟粪通道滴落点距离复合绝缘子大伞裙外边缘水平距离记为D，定义发生鸟粪闪络时的D即为闪络距离。配置不同粘度和不同电导率的鸟粪模拟液在如图2所示位置滴落后，记录不同水平距离D下鸟粪闪络概率，如图3、图4所示。试验中，除当前试验参数变化外，其他参数均不变，且试验环境温湿度前后保持一致。此外，鸟粪推进装置始终接地，用于模拟鸟粪通道上端未脱离横担情况。

图3 不同鸟粪粘度下鸟粪闪络概率

图4 不同电导率下鸟粪闪络概率

分析图3可知，当0＜D≤120 mm时，鸟粪闪络必然发生；120＜D≤210 mm时，随着距离增加，不同鸟粪粘度下鸟粪闪络概率均呈下降趋势，且粘度越大，闪络概率越高；D＞210 mm时，鸟粪闪络概率均为0，表明210 mm即为此工况下的临界闪络距离。

分析图4可知，当0＜D≤120 mm时，鸟粪闪络必然发生；120＜D≤210 mm时，随着距离增加，不同电导率下鸟粪闪络概率均呈下降趋势，且电导率越大，闪络概率越高；当D＞210 mm时，鸟粪闪络概率为0。综上，可以认为110 kV复合I型绝缘子鸟粪闪络的临界距离为210 mm。

3 均压环对鸟粪闪络的影响

由于复合绝缘子相较于玻璃、瓷绝缘子电场分布更不均匀，所以在输电线路绝缘子上会安装均压环起到降低电晕的效果，但是均压环的存在会进一步缩短绝缘子下方的绝缘距离，同时改变电场分布[14]。配制电导率为6 mS/cm，粘度为15 s的鸟粪模拟液进行闪络试验，在鸟粪平面与导线平面垂直（异面）和平行（共面）两种情况下研究有无均压环对鸟粪闪络概率的影响，鸟粪通道与导线位置如图5所示。

图5 鸟粪通道与导线位置（共异面）

3.1 异面条件下均压环对鸟粪闪络的影响

鸟粪平面与导线平面垂直（异面）条件下鸟粪闪络试验结果如图6所示。

图6 异面条件下有无均压环对鸟粪闪络概率的影响

从图6中可以看出，当0＜D≤60 mm时，鸟粪闪络必然发生；未安装均压环情况下，当D＞100mm时，不发生鸟粪闪络；安装有均压环情况下，当D＞210 mm时才不发生闪络。表明均压环的存在增加了鸟粪闪络概率，扩大了鸟粪闪络发生范围。在60＜D≤100mm（无均压环情况下），或120＜D≤210 mm（有均压环情况下）范围时，随着距离D增加，鸟粪闪络概率均呈下降趋势，这与鸟粪参数改变试验中趋势一致。

观察不带均压环情况下的鸟粪闪络试验过程，发现每次闪络均从绝缘子下端的金具开始起弧，水平和竖直方向上的绝缘距离均增加，临界闪络距离变小，均压环的外径边缘距离为70 mm，相比带均压环的情况，不带均压环情况下其临界闪络距离D减少了110 mm。此外绝缘子下端没有均压环使得绝缘子高压端周围电场更加不均匀，鸟粪通道下端分散性更加明显。

3.2 共面条件下均压环对鸟粪闪络的影响

复合绝缘子安装均压环，其他试验条件不变，改变鸟粪推进装置在横担上的位置，使得鸟粪滴落在导线上（共面）。移动鸟粪推进装置改变鸟粪下落通道与复合绝缘子大伞裙边沿的距离D，每个距离重复做10组试验，记录闪络概率与放电点，如图7所示。

图7 共面条件下复合绝缘子安装均压环鸟粪闪络概率

分析图7可知，在0＜D≤250 mm范围内，共面条件下复合绝缘子安装均压环后鸟粪闪络必然发生，区别在于距离D≥150 mm后，鸟粪闪络起弧点逐渐由均压环变为导线。去掉均压环后保证其他条件不变进行试验，发现无论鸟粪通道距离绝缘子外伞裙多远，均能发生闪络，这是由于鸟粪通道直接滴落在导线上，短接高低压两端所致。

4 鸟粪滴落路径对鸟粪闪络的影响

4.1 仿真模型搭建

由鸟粪引起的闪络可以看作是鸟粪与高压端之间最短空气间隙的击穿。鸟粪闪络发生的根本原因是由于鸟粪的突然出现，畸变了高压端附近的电场，最终导致空气的击穿。鸟粪的滴落路径不同，对应的最短气隙的长度和临界闪络距离也不同。为研究不同条件下鸟粪闪络发生时整个空间场强的变化情况，计算准确的闪络概率，采用有限元软件Comsol搭建了试验平台的三维仿真模型，如图8所示。

图8 试验平台三维模型

图8中，鸟粪下落过程是一个动态过程，在鸟粪下落过程中鸟粪形态会发生变化，鸟粪会由于重力作用而逐渐拉长变细，仿真分析时一般忽略鸟粪形态的变化，采用一半径为3 mm（与实验相同）的圆柱体表征，下端采用圆球结构平滑处理。同时，由于鸟粪是一种电导率较高的物体，为了方便计算通常将鸟粪视为导体进行计算。在仿真模型中，保持鸟粪下落通道的直径不变，通过改变鸟粪长度及空间位置来分析不同鸟粪形态以及其空间位置对间隙空间电场的影响。

为模拟最严苛的情况，鸟粪上端与横担直接相连。接地部分和大空气边界设置电势为0 kV，导线及与其相连的金具和均压环的电势加载为94.3 kV（110 kV最大相电压幅值）。模型中其他材料相关参数设置如表1所示。

表1 仿真模型材料参数

4.2 鸟粪通道对空间场强的影响

为探究鸟粪滴落到不同位置时对空间电场的畸变作用，设置不同鸟粪长度值，在鸟粪平面与导线平面间不同夹角θ（θ=0°时，两平面共面；θ=90°时，两平面异面）下选取一近一远两个典型D值计算得到最大场强，以及鸟粪底端距离最近的高压端路径上平均场强如图9、图10所示。当鸟粪平面与导线平面夹角为0°时（共面）闪络必然发生，因此本节未计算0°情况下的电场强度情况。

图10 最短气隙间平均场强随鸟粪长度和滴落位置的变化情况

由图9可以看出，无论鸟粪滴落至何位置，空间的最大场强点始终是鸟粪的底端，对于原系统来说，鸟粪的忽然出现畸变了空间场强，这是导致高压端与鸟粪之间的气隙被击穿的根本原因。近距离下（D=160 mm）鸟粪离高压均压环很近，故鸟粪滴落至均压环高度处有最大场强；当距离较远时（D=400 mm），鸟粪距离高压均压环和导线距离都较远，最值出现的位置一般介于均压环与导线之间，没有明显的规律性。

图9 空间最大场强随鸟粪长度和滴落位置的变化情况

由图10可以看出，无论什么情况下，最大平均场强总是出现在均压环或导线的水平处，电弧一般沿着最短路径击穿，从空间上来看，鸟粪滴落至与均压环水平处或者滴落至与导线水平处，击穿发生具体取决于哪个位置下最短路径的平均场强更大。

4.3 不同鸟粪滴落位置下的闪络概率

每种滴落方式下，计算鸟粪滴落至与均压环水平和与导线水平时最短击穿路径上的平均场强，选取较大值作为最终值，其余条件不变，得到各个角度下最易击穿路径上的平均电场模值，如图11所示。同时考虑到典型不均匀间隙的击穿场强约为5.66 kV/cm，以上述最易击穿路径上的平均电场模值是否大于此值作为临界击穿判据。

图11 最短间隙路径上平均场强值随鸟粪滴落位置的变化情况

分析图11可知，由于均压环的存在，在θ角较大时，鸟粪通道距离导线较远，滴落过程中均压环一直是距其最近的高压端，一般都从均压环起弧击穿，由于均压环为环状，故他们的临界闪络距离也相似。θ较小且D值较小时，鸟粪滴落过程中离均压环有足够近的瞬间，此时会从均压环起弧击穿；D值较大时，滴落过程鸟粪通道与均压环的距离一直较远，之间的平均场强不足以使间隙击穿，随着继续下落，通道与导线之间的平均场强值可能足以发生击穿，因此不同角度下的临界闪络距离受均压环和导线的双重影响，呈现出θ角越小，临界闪络距离越大的趋势，且不是线性关系，前期变化极小，后期变化极大。