基于閃絡路徑優化的磁吸式防鳥擋板研制及應用

徐兆國,張振華,汪毅

(國網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、地線等位置排便,鳥糞形成導電通道造成空氣間隙擊穿或絕緣子沿面閃絡故障,是寧夏電網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大于絕緣子沿面閃絡,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險等級較高地區,通常與防鳥刺、防鳥護套等組合應用。根據相關標準要求[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的鳥糞,但增加了安裝難度,且受大風影響程度加大。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,使復合絕緣子芯棒從中穿過。為避免鳥糞從復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,過小會導致擋板磨損芯棒護套。另外,防鳥擋板安裝采用長金屬螺栓固定,增加了地電位點,特殊情況下可能導致高壓端對防鳥擋板螺栓放電。同時,采用環氧樹脂制成的防鳥擋板質量大,對于高空安裝也提出了更高要求。關于防鳥擋板相關的研究較少,文獻[5]通過仿真分析了防鳥擋板的防護范圍不應是圓形,同時對安裝過程中應當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氧樹脂制成的防鳥擋板性能進行了分析,認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化改進方法。

本文以110 kV輸電線路為例,設計了一種新型磁吸式防鳥擋板。通過搭建鳥糞閃絡仿真模型,分析不同鳥糞滴落位置對復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。分析現有防鳥擋板現場運行存在的問題,對磁吸式防鳥擋板的材質、安裝工藝、安裝方式等進行了設計和優化。通過現場應用磁吸式防鳥擋板,進一步體現了其相較于傳統防鳥擋板的優勢。

1 常規防鳥擋板存在的問題

防鳥擋板作為典型防鳥裝置廣泛應用于寧夏電網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,導致擋板中間有較大縫隙,鳥糞順著縫隙下落引起導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。

2)鳥類在飛行過程中穿越導線和橫擔,短接了防鳥擋板金屬掛鉤與導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,造成防鳥擋板一側脫落,如圖3所示。

圖3 防鳥擋板單側脫落。

4)因防鳥擋板尺寸普遍較大,增加了迎風面積,不適合在風速較大地區使用。同時其在沿導線方向、垂直導線方向的寬度選取較隨意,可能達不到預期效果,如圖4所示。

圖4 防鳥擋板沿導線和垂直導線方向寬度選取不合理。

上述情況表明,要使防鳥擋板切實發揮自身效果,必須進一步優化防鳥擋板材質、安裝工藝、安裝(連接)方式等,避免因設備本身質量問題或安裝運維不到位造成線路故障。同時,應考慮如何在滿足橫擔防護范圍的前提下,優化防鳥擋板尺寸,進而使之適用于更廣泛地區,節省材料消耗。

2 磁吸式防鳥擋板設計

2.1 擋板尺寸

為確定磁吸式防鳥擋板尺寸,應首先確定橫擔處鳥糞閃絡防護范圍。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合絕緣子空間電場的影響。

2.1.1 仿真模型及參數設置

對此裝置進行建模,復合絕緣子按照實際線路中應用的FXBW4-110/100實際尺寸(結構高度為1 240 mm)進行建模,呈Ⅰ型懸掛;輸電導線采用和實際LGJ-300/25導線相同的直徑23.8 mm,長度為3 m,用單根實心導體鋁棒進行模擬。為保證導電性,橫擔、導線、金具均設為鋁質材料。鳥糞通道的電導率較高,一般視為導體[10-11],忽略鳥糞下落過程的形態變化,采用長直導體圓棒來模擬鳥糞,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分別設為1、7.3、3.5。

計算中導線上施加電壓為110 kV時的最大運行相電壓幅值為89.81 kV?？紤]到鳥糞未脫離橫擔時,僅存在下端空氣間隙,更易發生閃絡。為模擬最嚴重情況,鳥糞通道上端直接與橫擔相連,外部空氣域設置一個半徑為10 m的半球,仿真模型如圖5所示。

圖5 鳥糞閃絡仿真模型。

2.1.2 仿真分析

實際中110 kV輸電桿塔的橫擔寬度遠大于絕緣子盤徑,鳥類可能在橫擔上任意位置處排便,鳥糞通道的變化并非只沿橫擔方向,不同方向可能有不同的臨界閃絡距離。為確定輸電線路鳥糞閃絡的防護范圍,對不同鳥糞滴落位置對復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合絕緣子所在面為鳥糞平面,導線與復合絕緣子所在面為導線平面。對于鳥糞滴落位置,選擇4種空間關系:鳥糞平面與導線平面呈0°、30°、60°、90°,其中導線平面為固定不變,如圖6所示。不同位置下的鳥糞閃絡距離即為鳥糞滴落點與復合絕緣子軸心的水平距離。

圖6 鳥糞滴落位置。

考慮110 kV復合絕緣子的結構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,鳥糞閃絡可能發生;當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。當鳥糞滴落位置為0°時,閃絡距離可以一直保持較大數值,實際中由于橫擔的寬度限制,可以認為0°時的臨界閃絡距離為橫擔寬度的一半,考慮一般橫擔寬度為1 000 mm,則0°時臨界閃絡距離為500 mm。

2.1.3 防護范圍及擋板尺寸確定

根據仿真分析結果可知,鳥糞在不同位置滴落的臨界閃絡距離是不同的,因此輸電線路的鳥害防護范圍不應是圓形,而是近似為長軸沿導線方向的橢圓,對于110 kV輸電線路,沿導線方向長軸長為1 000 mm(或橫擔寬度),沿橫擔方向短軸長為400 mm。在相同寬度情況下,鳥糞沿導線方向滴落,發生閃絡的可能性更大。為避免發生鳥糞閃絡,從優化閃絡路徑的角度考慮,應盡量使沿導線方向防護范圍變大。

110 kV輸電線路的防鳥擋板應設計為矩形,寬度為400 mm,長度覆蓋整個橫擔寬度,同時為防止鳥糞從短邊滴落,可考慮將短邊邊緣設置為上翹型,引導鳥糞從長邊滴落。

2.2 安裝結構

考慮防鳥擋板安裝的便捷性及后續運維檢修需求,設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構呈柔性,增加防鳥擋板的抗風、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線。擋板一側加裝有防墜落組件,防止因磁鐵失效或其他突發情況導致的擋板下墜。此外,該型防鳥擋板與復合絕緣子端部連接處采取半開口式結構,避免磨損復合絕緣子芯棒。磁吸式防鳥擋板安裝結構如圖8所示。相較于傳統防鳥擋板,該結構下僅需連接4個螺栓螺母即可,大大降低了作業時間。

圖8 磁吸式防鳥擋板安裝結構。

2.3 材 質

2.3.1 擋板材質

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較多,其優缺點如表1所示。

表1 不同材質擋板性能

經過對比,聚碳酸酯具有絕緣性好,質量輕、強度高、耐候性好等特點,且相較于其他材質,其缺點并不影響作為防鳥擋板戶外應用,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

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的燒結釹鐵硼永磁鐵,最高工作溫度為120 ℃(常規N35牌號的磁鐵工作溫度最高為80 ℃)。

3 現場應用

根據所設計參數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)為橫擔寬度(不小于1 000 mm),垂直導線方向不小于200 mm(距離復合絕緣子軸心)。為貼合橫擔端部,垂直導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。復合絕緣子安裝孔處用自攻絲將聚碳酸酯材質的較薄封槽板與擋板連接,避免鳥糞從孔隙下落?，F場安裝應用情況如圖10所示。

圖9 適用于邊相安裝的磁吸式防鳥擋板。

現場應用結果表明,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 論

1)輸電線路鳥糞閃絡防護范圍近似為長軸沿導線方向的橢圓,對于110 kV輸電線路,沿導線方向長軸長為1 000 mm(或橫擔寬度),沿橫擔方向短軸長為400 mm。

2)防鳥擋板通用設計為矩形,寬度為400 mm,長度覆蓋整個橫擔寬度,但實際設計制作過程中,還應根據其具體安裝位置,在滿足防護范圍的前提下適當調整形狀及尺寸。

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,擋板下側螺栓采用硅膠帽加絕緣膠防護,結構合理,滿足實際運行過程中安裝牢固、絕緣性好、抗風抗震等要求。

4)聚碳酸酯具有絕緣性好,質量輕、強度高、耐候性好等特點,可作為防鳥擋板制作材料。