交流电压下架空输电线路巢材类异物放电特性研究

2022-10-11王胜辉郭奉天董兴浩王玺铭律方成

华北电力大学学报(自然科学版) 2022年5期

王胜辉，郭奉天，董兴浩，王玺铭，律方成，李浩

(1.华北电力大学电气与电子工程学院，北京 102206；2.国网河北省电力有限公司保定供电分公司，河北保定 071003)

0 引言

随着电网建设规模的扩大及生态环境的改善，架空线路附近的鸟类活动日益增多，由鸟类活动引起的输电线路故障数量也明显增加[1-6]。鸟巢类故障是涉鸟故障中造成我国输电线路跳闸的主要原因之一[7-10]。鸟巢类故障主要与树栖鸟类筑巢有关，鸟类在杆塔上筑巢时，往往会有部分巢材垂落并靠近导线，在阴雨或浓雾天气时，吸附水分后的巢材导致绝缘距离下降，引起巢材闪络。在强对流天气时，鸟窝被大风吹散，可能会使具有导电能力的巢材落在导线上，造成接地故障[11-14]。

目前国内外针对巢材类故障的研究方法主要有两种，一种是利用固定长度棒状金属悬挂在绝缘子串附近模拟巢材进行试验，另一种是通过有限元分析软件建立仿真模型进行分析。文献[15]通过铁管模拟异物临近，改变铁管与均压环及铁管与绝缘子串中心的距离，发现异物临近110 kV复合绝缘子，间隙总和小于200 mm就可能引起绝缘子闪络。文献[16]利用铁丝模拟异物，分析了异物长度及空间布置对玻璃绝缘子串放电电压的影响。文献[17]使用Ansys有限元分析软件建立复合绝缘子被巢草短接模型，分析了短接前后的电位分布和静电场强度变化。文献[18]搭建了输电线路简化模型对鸟粪下落引起闪络的情况进行模拟放电实验，并且借助有限元仿真软件进行了仿真计算。文献[19]将异物与均压环、异物与杆塔分别当作棒-棒间隙、棒-板间隙来处理，发现鸟粪和巢材下落时为等位体，电位值与下落位置、角度、长度等因素有关。目前上述两种方法都有一定的不足，金属的导电性远大于实际真实巢材，干燥的巢材导电能力极小，而仿真分析难以获得准确的闪络电压数据，且目前对影响巢材闪络电压的因素研究较少。

针对上述现状，本文测量了树枝、藤蔓、棉麻纤维和塑料条四种常见巢材分别在不同潮湿度及溶液电导率下的电阻，分析了雨水导电率及潮湿度对不同种类巢材电阻的影响。选择藤蔓为研究对象，研究了雨水电导率、巢材长度和空间位置对间隙击穿特性的影响。并建立了110 kV酒杯型杆塔边相的三维仿真模型，分析了巢材对空间电场畸变的影响。通过相关研究，可为输电线路鸟巢类故障防治和闪络预警提供一定的参考依据。

1 巢材导电性能研究

统计表明，巢材一般为直径15 mm以下的藤蔓、树枝、棉麻纤维和塑料条等，以藤蔓和树枝为主。一般巢材长度在0.2～0.8 m左右，个别藤蔓能达到1 m长。为研究巢材长度、种类、潮湿度和雨水电导率对巢材的导电性能的影响，本文收集了藤蔓、枯树枝、棉麻纤维和塑料条进行试验，巢材种类如图1所示。

图1 巢材种类Fig. 1 Types of nest material

试验发现，巢材干燥时电阻值接近无穷大，因此，后续巢材导电性能研究只选择湿巢材作为研究对象。

雨水电导率受环境条件及降雨量等因素影响，不同地区存在较大差异性。本研究搜集到的数据表明，我国不同地区雨水电导率一般低于2 mS/cm，曾有记录最高达 5.09 mS/cm[20]。为研究不同电导率雨水下的巢材电阻特性，通过控制添加到纯净水中氯化钠的量来调整模拟雨水电导率，利用2 500 V兆欧表测量不同雨水电导率下的巢材电阻。

1.1 典型巢材电阻测量

为研究降雨量对巢材电阻的影响，利用喷壶模拟降雨，将2 500 V兆欧表与巢材串联，对其表面持续喷淋电导率为1.32 mS/cm的模拟雨水，测量不同喷淋雨水时长下的树枝与藤蔓电阻，巢材电阻与其长度的关系曲线如图2所示。

图2 不同喷淋时长下巢材电阻与其长度的关系曲线Fig. 2 Curve of nest material resistance with its length under different water spraying duration

由图2可知，随着喷水时间的增长，树枝电阻逐渐减小，喷水时长为90 s的树枝电阻与喷水时长为30 s的相比，减少了大约95%左右。喷水时长为90 s的藤蔓电阻与喷水时长为30 s的相比，减少了大约 40%左右。

为研究重湿度下巢材电阻的变化情况，将藤蔓和树枝在电导率为3.02 mS/cm的溶液中浸泡12个小时后测量其电阻，树枝的电阻随晾置时间的变化趋势如图3所示。

图3 树枝的电阻与晾置时间的关系曲线Fig. 3 Curve of the resistance of branch with its airing time

分析可知，重湿度下巢材的电阻值极小，随着晾置时间增加，电阻逐渐变大，但50 cm的树枝电阻仍不超过0.35 MΩ。而长度为50 cm的藤蔓晾置30 min后其电阻仍接近0 MΩ。分析认为藤蔓具有很强的吸水性，浸泡后吸水饱和，随着时间的推移，水分蒸发量少，在较长时间内其电阻基本不变。

1.2 雨水电导率对巢材电阻影响

为研究雨水电导率对巢材电阻的影响，测量了不同电导率喷洒溶液下的巢材电阻，其随长度变化的曲线图如图4所示。

图4 不同电导率喷洒溶液下树枝和藤蔓电阻随长度变化曲线Fig. 4 Curves of resistance with length of branch and vine under different spraying conductivity

由图4可知，随着喷洒溶液电导率的增大，巢材电阻逐渐减小。喷淋溶液电导率为5.44 mS/cm时长为1 m的树枝、藤蔓电阻分别为0.4 MΩ、1.8 MΩ。溶液的电导率对巢材的电阻影响很大，喷洒溶液电导率为1.03 mS/cm的情况下树枝电阻和藤蔓电阻分别为溶液电导率5.44 mS/cm时的17.5倍和4倍。

1.3 其他种类巢材电阻测量

巢材除藤蔓和树枝外，还有占比较少的棉麻纤维和塑料条，测量得到的不同喷淋溶液电导率下棉麻纤维和塑料条电阻随长度变化曲线如图5所示。

由图5可知，同一电导率下，随着棉麻纤维长度的增加，其电阻逐渐增大，随着溶液电导率的增大，其电阻逐渐减小，塑料条电阻具有同样特性。溶液电导率对巢材的电阻影响较大，长为1 m，溶液电导率为1.08 mS/cm下的棉麻纤维电阻为电导率为5.14 mS/cm时所测电阻的25倍，溶液电导率为1.14 mS/cm下的塑料条电阻为电导率为5.33 mS/cm时所测电阻的4倍。相较于塑料条，棉麻纤维亲水性更强，能通过毛细作用将更多的水吸入材料内部，容易形成导电通道，其电阻值受溶液电导率影响更大。

图5 不同电导率喷洒溶液下棉麻纤维和塑料条电阻随长度变化曲线Fig. 5 Curves of resistance with length of cotton fiber and plastic strip under different spraying conductivity

2 巢材放电特性试验系统布置及试验方法

2.1 试验布置

针对巢材闪络，试验分别模拟了巢材下挂和巢材下落两种情况下的放电特性，试验在华北电力大学高压试验大厅进行，试验现场布置如图6所示。

图6 试验系统接线Fig. 6 Connection of test system

在图6中，模拟横担长为3 m，宽为0.4 m，由不锈钢管焊接而成，经绝缘子连接在天车挂钩上并可靠接地。悬挂于模拟横担上的110 kV复合绝缘子串高为1.3 m，绝缘子高压侧的均压环外径为25 cm。模拟导线长2 m，直径为3 cm，连接于复合绝缘子上，为防止电晕，模拟导线两端装有直径5 cm的均压球。导线距地1.5米，与交流高压电源相连。

试验工频变压器型号为YDTW-1200/300，试验中利用CoroCAM504紫外成像仪对起晕进行观测，仪器的增益设置为默认值70%，观测距离设置为6.5 m。利用数码相机拍摄放电视频，数码相机的型号为Canon G15，观测距离设置为3 m。

2.2 试验方法

巢材下挂时，通过改变巢材与均压环的垂直距离h及其距均压环的水平距离D，研究巢材长度、悬挂位置及雨水模拟液的电导率对其放电现象和放电特性的影响。试验示意图如图7(a)所示。

巢材下落时，巢材上端用干燥的绝缘细绳以V字形悬挂于横担上，试验中保持悬挂绳索表面干燥，避免形成沿绳索的放电。控制其绝缘绳索的长度来控制巢材与横担的距离h1，模拟巢材逐步下落的过程，研究巢材下落时对其放电特性的影响。试验示意图如图7(b)所示。

图7 巢材闪络试验示意图Fig. 7 Schematic diagram of nest material flashover test

以藤蔓为试样，通过紫外成像仪观测加压过程中的电晕放电情况，当紫外成像仪观测到的光子数超过10时则认为发生了电晕放电现象，利用数码相机记录巢材的放电过程。取五次试验的平均值作为电晕起始值和击穿电压值。

3 巢材放电特性试验结果及分析

3.1 巢材潮湿度对击穿特性的影响

试验发现巢材的潮湿程度对其击穿电压影响极大，巢材干燥时，当电压有效值增加至78 kV时，在紫外成像仪上仍未观测到电晕放电。喷淋溶液时长5 s的巢材加压至23 kV时，通过紫外成像仪可观测到巢材靠近高压端开始出现电晕放电，当电压加至70 kV时，巢材底部与均压环间隙出现了肉眼可见的橘黄色的局部电弧放电通道，如图8(a)所示。随着电压继续增加至85 kV，由于放电导致巢材表面水分蒸发，放电反而减弱，上述局部电弧熄灭，试验后观测到巢材表面变得干燥并有明显的烧灼痕迹，如图8(b)所示。

图8 巢材放电现象典型照片Fig. 8 Typical discharge images of nest

当喷淋时长较久时，巢材的击穿电压都有较明显的下降，不同喷淋溶液时长的巢材击穿电压实验结果如表1所示。

表1 不同湿度巢材的击穿电压试验结果Tab.1 The breakdown voltage test results of nest material with different humidity

由表1可知，随着巢材潮湿度的增加，其击穿电压呈逐渐下降的趋势。浸泡后巢材的击穿电压最小，与喷淋时长为10 s的巢材相比，其击穿电压下降了47.69%，与喷淋时长为40 s的巢材相比下降了6%。也即，当巢材的潮湿度到一定程度时，巢材的潮湿度不再是影响其击穿电压的主要因素。

3.2 巢材长度及雨水电导率对击穿特性影响

将巢材在电导率分别为0.044 mS/cm、1.01 mS/cm和5.04 mS/cm的雨水中浸泡1小时后，将其悬挂在横担上，研究巢材击穿电压的变化特性。

同一雨水电导率下，巢材长度不变时，随着电压增加巢材端部会出现电晕放电，通过紫外成像仪可以看到巢材末端有明显的放电光斑，如图9(a)所示。随着电压的持续升高，可以观测巢材有轻微的晃动，巢材端部有小电弧放电，如图9(b)所示。当所加电压达到闪络电压值时，沿整个巢材通道形成了明亮的放电电弧，如图9(c)所示。

图9 巢材下挂时的典型放电图像Fig. 9 Typical discharge image when the nest material is hung

溶液电导率为1.01 mS/cm时，不同间隙距离下的巢材起晕电压如表2所示，随着间隙距离的增加，巢材的起晕电压逐渐增大。

表2 不同间隙下的巢材起晕电压Tab.2 The blooming voltage of the nest material at different gaps

图10给出了不同溶液电导率下巢材击穿电压和击穿场强随间隙距离的变化曲线，喷淋在巢材上雨水模拟液的电导率越大，其击穿电压和击穿场强越小。随着巢材与均压环间隙距离的增加，其击穿电压逐渐增大，但击穿平均场强逐渐下降。当间隙距离为20 cm时，平均击穿场强为4.18 kV/cm，与棒-棒间隙的平均击穿电场强度值3.8 kV/cm相接近，巢材闪络可近似等效于棒-棒间隙的击穿过程。

图10 巢材击穿电压和击穿场强随间隙距离的变化曲线Fig. 10 Curve of the nest material breakdown voltage and breakdown field strength with the gap distance

3.3 巢材位置对其击穿特性的影响

将巢材在电导率为1.01 mS/cm雨水模拟液中充分浸泡后，将其悬挂在横担上，巢材尾部与均压环顶端持平，改变巢材与均压环的水平间距，研究巢材位置对其击穿特性的影响。

试验发现巢材处于不同位置时的放电现象与不同长度下巢材的放电现象类似，放电都经历了起晕至击穿的过程，其典型放电图像如图11所示。

图11 巢材位置不同时典型放电图片Fig. 11 Typical discharge picture with different nest material position

同时改变巢材的长度和位置，研究巢材的击穿电压与其距均压环的间距L的关系，其中L为

(1)

不同间距下巢材击穿电压试验结果如表3所示。

表3 巢材距均压环不同间距下的试验结果Tab.3 Results of nest material with different spacing of the equalizing ring

由表3可知，不同间距下的击穿场强与图10对应间距下的击穿场强很接近，且h=10 cm，D=15 cm与h=15 cm，D=10 cm时的击穿电压及击穿场强差别不大。

3.4 巢材下落时对其击穿特性的影响

利用干燥的绝缘绳将长为105 cm浸泡后的巢材悬挂在横担上，巢材与横担间隙h1和巢材与均压环间隙h2之和为15 cm，通过改变h1的大小研究巢材下落时对其击穿特性的影响。当h1为6 cm，h2为9 cm时，典型放电图像如图12所示。

图12 巢材下落时典型放电图像Fig. 12 Typical discharge image when the nest material falls

当电压加至35 kV时，巢材下端部开始出现电晕放电，如图12(a)所示。电压达到50 kV左右时其上端部出现电晕放电，如图12(b)所示。电压加至70 kV左右时，巢材与均压环之间由淡蓝色电弧放电通道连接，如图12(c)所示。当电压增加到了约90 kV时，上、下间隙可观测到橘黄色的电弧，如图12(d)所示。整个试验过程中，在击穿之前一直未观测到上间隙有电弧放电现象，由试验获得的巢材击穿电压与其距横担的距离的关系曲线如图13所示。

图13 巢材击穿电压与距横担距离的关系曲线Fig. 13 Curve of the breakdown voltage of the nest material with the distance from the crossarm

如图13所示，当巢材与横担接触时，其击穿电压为65.2 kV，平均击穿场强为4.35 kV/cm，当巢材与均压环接触时，其击穿电压值为65.4 kV，平均击穿场强为4.36 kV/cm。当巢材距横担约5 cm时，达到了最大值94.5 kV，其最高击穿电压为巢材和横担接触时击穿电压的1.45倍。

由图13可知，当巢材脱离横担后，其击穿电压呈现出先增加再降低的趋势，这是因为，相较于巢材处于空气间隙中间位置的情况，当巢材距离横担或均压环较近时，其对空间电场的畸变作用更强，此时巢材的近横担端或近均压环端场强较大，随着电压升高，短间隙将首先被电弧短接，等效于缩短了有效绝缘距离，进一步增加电压后，整个间隙将被击穿，因而击穿电压相对较低。

4 巢材对空间电场影响的仿真分析

为研究空气间隙中的巢材会对空间电场的畸变作用，本文利用多物理场仿真软件建立了110 kV输电线路酒杯型杆塔的边相模型。为便于计算，根据对称性，对酒杯型杆塔进行简化，以实物尺寸建立酒杯型杆塔的边相模型。模型包括复合绝缘子、杆塔、均压环和巢材，以巢材下挂为例，仿真模型示意图如图14所示。

图14 仿真模型示意图Fig. 14 Simulation model diagram

模型中绝缘子的结构高度为1 240 mm，均压环外径为250 mm，巢材用直径为1 cm的圆柱体代替，巢材干燥时的相对介电常数取2.8，其潮湿时的相对介电常数取81。110 kV线路最高运行相电压的峰值为98.8 kV，因此将均压环电位设置为98.8 kV。

为了便于比较不同巢材对空间电场的畸变作用，不考虑由电晕放电引起的空间电荷对电场畸变的影响，在工频条件下，电压的频率效应不显著，因此可以使用静电场进行分析。

因为求解电场分布是开域问题的求解，无法直接使用有限元法，所以本文采取渐进边界条件来处理开域边界问题，设置远大于杆塔尺寸的人工空气边界模拟无限远区域，将开域问题的求解转化为有限域问题的求解。

4.1 巢材下挂时的仿真分析

为研究巢材搭接杆塔下挂时对空气间隙电场畸变的影响，改变巢材的介电常数及巢材的长度，将杆塔、巢材、绝缘子及空气边界设置为接地零电位，分析巢材轴线上的仿真计算数值，研究干燥及湿润的巢材距均压环的距离不同时对空气间隙电场的畸变影响程度。其中绝缘子附近有90 cm湿巢材下挂时的典型电场分布图如图15所示。

图15 湿巢材下挂时的电场分布Fig. 15 Electric field distribution diagram when wet nest material is hung

图16给出了绝缘子附近无巢材、有90 cm干燥巢材、90 cm湿巢材及100 cm湿巢材时的巢材中位线上电场分布仿真结果。

图16 巢材中位线上电场分布Fig. 16 Distribution of electric field on middle line of nest material

由图15～16可知，当巢材干燥时，其中位线上的电场分布与无巢材时的电场分布基本上相重合，当巢材潮湿时，会对其下端部周围电场产生畸变，巢材越长其周围的电场畸变越大。巢材对空气间隙电场的畸变作用导致了电晕的产生，试验时，巢材长度越长，起晕电压越低，仿真结果与试验结果相一致。

4.2 巢材下落时的仿真分析

当湿润巢材下落时，可以将湿巢材视为一个等势体，其电场分布结合悬浮导体的边界条件可以根据文献[20]中的方法确定。将巢材长度设置为105 cm，改变巢材与横担的距离，分析巢材轴线上的仿真计算数值，研究巢材下落时对空气间隙电场畸变的影响。巢材距横担12 cm时的电场分布如图17所示。

图17 湿巢材巢材下落时的电场分布Fig. 17 Electric field distribution diagram when wet nest material falls

由图17可知，巢材处于悬浮状态时表面电势不为零，且绝缘子周围电场发生了严重畸变。巢材与横担间距变化时巢材中位线处截线上的电场变化曲线如图18所示。

图18 巢材中位线上电场分布随巢材距横担距离的变化曲线图Fig. 18 Curve of electric field on the middle line of the nest material varies with the distance between the nest material and the crossarm

由图18可知，巢材两端都有一个场强峰值，靠近均压环侧的明显大于靠近横担侧的场强峰值，试验过程中巢材的下端部起晕电压最低，仿真结果与试验现象吻合。