典型防鸟装置对输电线路绝缘子积污特性的影响

李阳林，张 宇，况燕军，邱志斌，邓永清，胡 京，李 帆

（1.国网江西省电力有限公司电力科学研究院，江西 南昌 330096；2.南昌大学 能源与电气工程系，江西 南昌 330031；3.武汉大学 电气与自动化学院，湖北 武汉 430072）

0 引言

随着生态环境的改善和人们对野生动物保护意识的增强，鸟类活动范围逐渐扩大，由鸟类活动引起的输电线路故障次数出现明显上升的趋势，国内外近几十年的统计数据表明，鸟类造成的输电线路跳闸次数已超过总跳闸次数的10%，鸟类活动已经成为仅次于雷击、外力破坏的第3大输电线路跳闸原因[1-2]。面对如此严峻的形势，电网公司全面加强了输电线路涉鸟故障防治方面的研究与实践，采用了大量的防鸟装置，如防鸟盒、防鸟罩、防鸟挡板等。然而，防鸟装置的安装会改变线路绝缘子的积污特性，亟需开展典型防鸟装置对线路绝缘子积污特性的影响研究，进而指导防鸟装置的选型与应用。

本研究利用流体场仿真分析软件，分析输电线路安装典型防鸟装置对绝缘子积污特性的影响，结合动态积污理论，对比分析绝缘子在安装防鸟装置前后的动态积污特性，揭示典型防鸟装置对绝缘子积污特性的影响机理。

1 典型防鸟装置下绝缘子积污特性

1.1 模型建立

根据江西电网公司的涉鸟故障统计，110 kV和220 kV输电线路更易受到鸟类活动影响，为了指导实际运行应用，本研究选用110 kV和220 kV输电线路中广泛采用的XP-70型瓷绝缘子进行仿真研究，其参数如表1所示，安装防鸟挡板和防鸟罩之后的绝缘子串如图1所示。

表1 绝缘子参数Tab.1 Insulator parameters

图1 安装防鸟装置后的绝缘子模型Fig.1 Insulator model with anti-bird devices

在流体仿真中，空气中污秽体积分数设定为0.06，污秽颗粒平均直径为50 μm，污秽颗粒密度为0.43 g/cm3，入口边界空气风速设定为5 m/s；气流方向垂直于入口表面，出口边界为自由边界。仿真中以污秽物体积分数表征绝缘子的积污程度，以风向向下为正，风向向上为负。

当风正面吹来时，加装防鸟挡板、防鸟罩等装置情况下，绝缘子的积污特性与正常情况区别不大，防鸟装置的影响可忽略不计。在不同风倾角下，安装防鸟装置对绝缘子积污特性具有较大影响。因此，本研究重点分析典型防鸟装置条件下风倾角对绝缘子积污特性的影响。

1.2 风倾角对绝缘子积污特性的影响

采用气-固两相流体模拟方法[3-6]，建立安装防鸟装置的7片XP-70型绝缘子串风洞数值仿真模型，并采用网格剖分软件对风洞模型进行网格划分，设置污秽体积分数，对绝缘子积污情况开展定量仿真计算。利用上述方法，分别对风倾角为0°、30°、-30°时绝缘子的积污状况进行仿真分析，结果如图2所示。从图2可以看出，不论是否加装防鸟装置，第1片绝缘子上表面的积污量都明显低于其他6片绝缘子，第7片绝缘子下表面的积污量相比于上部6片绝缘子也较低。这是因为第1片绝缘子上表面离杆塔横担连接处较远，气流在其上表面难以形成回流，因此积污较少，同理，第7片绝缘子下表面积污也相对较少。

图2 不同风倾角下的绝缘子串污秽体积分数Fig.2 Contamination volume fraction of the insulator string under different wind inclination angle

从图2(a)可见，对于7片XP-70型绝缘子串，当风倾角为0°时，绝缘子上表面的积污程度较下表面更严重，这是因为上表面与污秽颗粒直接碰撞，且碰撞程度最为激烈，而下表面仅在湍流的作用下与部分粒子发生碰撞。此外，当风倾角为0°时，安装防鸟罩、防鸟挡板条件下的绝缘子积污情况与无防鸟装置时基本一致。

从图2(b)可见，当风倾角为30°时，由于绝缘子上表面与污秽颗粒的碰撞面积大，积污程度明显比下表面严重。对比来看，安装防鸟挡板后的绝缘子积污情况与无防鸟装置情况基本一致。而安装防鸟罩后，第1～6片绝缘子上表面的积污量明显低于无防鸟装置情况，这是因为在30°风倾角下，防鸟罩阻挡了部分污秽颗粒与绝缘子的碰撞，同时因为气流在第7片绝缘子下表面附近难以形成回流，所以第7片绝缘子下表面的积污程度低于上部其他6片绝缘子。

从图2(c)可见，当风倾角为-30°时，绝缘子下表面与污秽颗粒的碰撞面积大，因此积污程度明显比上表面严重。安装防鸟挡板后绝缘子的积污情况与无防鸟装置情况基本一致；而安装防鸟罩后，第1片绝缘子上表面的积污情况要严重于安装防鸟挡板和无防鸟装置的情况，这是因为防鸟罩安装在第1片绝缘子上部，距其上表面较近，气流容易在防鸟罩和第1片绝缘子上表面形成回流，因此积污较重；第1～4片绝缘子下表面的积污程度要低于安装防鸟挡板和无防鸟装置情况，这是由于绝缘子串上端安装防鸟罩后，使附近外流场特性发生变化，对第1～4片绝缘子底部气流产生影响，而下端绝缘子距离防鸟罩较远，其影响可以忽略，所以第5～7片绝缘子积污特性未发生明显变化。

2 典型防鸟装置下绝缘子动态积污特性

2.1 动态积污模型

污秽物均是以固体颗粒的形式沉积在绝缘子表面，根据动态积污机理，空气污秽颗粒在绝缘子表面的沉积可分为以下两个过程[7-12]：

（1）积污过程：污秽颗粒从空气中沉降并吸附于绝缘子表面。该过程的积污速率可用动态变化的积污系数(ai)表示，即单位时间内绝缘子表面的污秽增长量。综合考虑相对湿度和污秽浓度，悬式绝缘子的积污系数模型如式（1）所示。

式（1）中：ai为积污系数，mg/cm2；kRH为相对湿度对绝缘子表面污秽积累的影响系数；kc为污秽浓度对绝缘子表面污秽积累的影响系数；c为污秽浓度；CRH为相对湿度；ka1、ka2为比例系数。

（2）冲刷过程：污秽颗粒受冲刷力作用残留在绝缘子表面。该过程的冲刷效果可用动态变化的冲刷系数(bi)表示，即单次降雨后绝缘子表面的污秽冲刷率。降雨冲刷系数的主要影响因素有降雨强度、降雨时间等，其计算公式为式（2）。

式（2）中：bi为冲刷系数；x0为污秽总量；As为污秽中可清洗部分的比例，其值与绝缘子表面积、伞型和材质有关；Qn为第n段时间内的降雨量，mm；kb为衰减系数，mm-1。

2.2 冲刷系数的计算

当降雨冲刷角度与竖直方向成30°倾斜角时，安装防鸟罩和防鸟挡板后绝缘子的整体结构如图3所示。

图3 冲刷角度为30°时的绝缘子结构Fig.3 Insulator structure with 30°of scour angle

其中，安装防鸟罩后，第1片绝缘子完全被防鸟罩遮挡，第2片绝缘子大部分被防鸟罩遮挡，第3片绝缘子只有一部分被遮挡，第4～7片绝缘子不受防鸟罩的遮挡，只受与其相邻的上一片绝缘子的影响；而安装防鸟挡板后，防鸟挡板对绝缘子基本无遮挡。

安装防鸟罩后，结合式（2），取衰减系数kb=0.1 mm-1，日降雨量Qn=20 mm，则每片绝缘子的可清洗部分比例As和冲刷系数bi的值如表2所示。同样条件下，也可以计算出安装防鸟挡板后As和bi的值，如表2所示。

表2 冲刷角度为30°时绝缘子雨水冲刷情况Tab.2 Rain wash conditions of the insulator under the flush angle of 30°

由前述分析可知，仅考虑水平风作用时，无防鸟装置、安装防鸟罩和防鸟挡板3种情况下的绝缘子积污情况基本一致，因此考虑安装不同防鸟装置后的动态积污特性时，可认为有无防鸟装置的积污特性是一致的，即积污系数ai大小一致，主要考虑冲刷系数对动态积污特性的影响。

2.3 冲刷系数对绝缘子积污特性的影响

绝缘子上方安装防鸟挡板后，第1片绝缘子与杆塔横担连接处有一定的间隙，防鸟挡板的安装对绝缘子冲刷的影响较小。而在安装防鸟罩后，由于防鸟罩紧邻第1片绝缘子，对冲刷系数具有较大影响。当降雨角度为30°时，防鸟罩仅对第1、2片绝缘子的冲刷系数具有较大影响，因此重点分析安装防鸟装置后第1、2片绝缘子的动态积污特性。

取平均空气湿度为60%，污秽浓度为0.05 mg/m3，结合式（1）可知，空气中绝缘子单位时间（年）内的动态积污系数为0.058 9 mg/cm2。取积污时间为3年，降雨周期为3个月，设绝缘子的初始盐密值为0，每3个月统计一次盐密，则安装防鸟挡板和防鸟罩的第1、2片绝缘子动态积污情况如图4所示。

图4 不同防鸟装置下绝缘子的积污情况Fig.4 Contamination accumulation conditions of the insulator with different anti-bird devices

由图4可知，安装防鸟挡板后，随着积污月份数的增加，第1、2片绝缘子的等值污秽密度变化较小，这是因为防鸟挡板距离绝缘子串上端较远，对冲刷系数影响较小，与无防鸟装置的情况类似，污秽可被雨水冲刷掉。可见，安装防鸟挡板对绝缘子的动态积污过程基本无影响。而安装防鸟罩后，随着积污月份数的增加，等值污秽密度逐渐上升，这是由于防鸟罩使得上端绝缘子的污秽冲刷速率较慢，更易使得污秽积累在绝缘子表面，可见相比于安装防鸟挡板和无防鸟装置的情况，安装防鸟罩更容易达到饱和积污。

3 绝缘子人工积污试验

为验证防鸟装置对输电线路绝缘子积污特性的影响，选取7片XP-70型瓷绝缘子串进行户外人工积污特性试验研究。由于动态积污过程周期长，同时试验中雨水冲刷角度和模拟雨水的下降均匀度难以控制，因此本研究只进行风作用下的动态积污试验，暂不考虑雨水冲刷试验。

3.1 试验现场布置

积污试验现场布置如下：7片XP-70型绝缘子串的悬挂高度为2 m。试验时，防鸟罩直接安装在第1片绝缘子上端，防鸟挡板模拟实际结构，安装在绝缘子串上方15 cm位置处。采用硅藻土模拟空气中的污秽物，硅藻土放置于中间铁架固定的网筛中。试验中由两台FS-75型工业风扇产生横向风，采用手持式风速仪对风速进行测量。

3.2 试验方法

试验方法和流程如下[13-17]：

（1）清洗绝缘子：用清水将绝缘子擦拭干净，清洗后将其置于阴凉处晾晒12 h，备用。

（2）绝缘子人工积污：将洁净绝缘子悬挂在准备好的试验平台上，为保证积污试验的准确性，将分别安装防鸟罩和防鸟挡板后的绝缘子串与未安装防鸟装置的绝缘子串同时进行人工积污试验。试验时，空气相对湿度为66%，平均风速为3 m/s，风倾角为0°，积污时间30 min。

（3）等值污秽密度测量：为提高试验精确度，试验完成后应从下往上依次取下绝缘子，在搬运绝缘子过程中尽量避免触碰绝缘子表面，减少在测量过程中的污秽损失。采用自动分析天平对绝缘子污秽度进行测量，分别测量并记录上、下表面的等值污秽密度。

等值污秽密度计算表达式为式（3）。

式（3）中：m1、m2分别为试验前后擦拭绝缘子的吸水纸质量，mg；ρ为等值污秽密度，mg/cm2；S为取样绝缘子表面积，cm2。

3.3 试验结果分析

3.3.1 有无防鸟罩条件下的积污情况

根据前述分析，防鸟装置只对绝缘子串上部分绝缘子的积污情况造成影响，因此试验中只提取从上到下前3片绝缘子上、下表面的等值污秽密度，有无防鸟罩条件下绝缘子串的积污情况如表3所示。

表3 有无防鸟罩条件下绝缘子串积污情况Tab.3 Contamination accumulation conditions of the insulator with or without the cover of bird guard

由表3可知，不论是否安装防鸟罩，绝缘子上表面的积污程度都比下表面严重；有防鸟罩条件下，第1片绝缘子上表面的积污程度比无防鸟罩条件下要高28.6%，而绝缘子串其他部位的等值污秽密度在有无防鸟罩条件下相差不超过10%。这是因为有防鸟罩时，气流在第1片绝缘子和防鸟罩之间形成回流，污秽颗粒与绝缘子上表面碰撞更为强烈。

3.3.2 有无防鸟挡板条件下的积污情况

有无防鸟挡板条件下绝缘子串的积污情况如表4所示。由表4可知，不论是否安装防鸟挡板，绝缘子上表面的积污情况都比下表面严重，同时，由于防鸟挡板与绝缘子相距较远，不论是否安装防鸟挡板，绝缘子串上端3片绝缘子的积污情况相差不大，等值污秽密度值相差不超过10%。

表4 有无防鸟挡板条件下绝缘子串积污情况Tab.4 Contamination accumulation conditions of the insulator with or without the shield of bird guard

4 结论

利用流体场分析理论，通过设置污秽体积分数，对绝缘子积污情况进行了定量仿真分析，结合仿真结果和建立的绝缘子动态积污模型，分析了风倾角以及雨水冲刷等对安装防鸟装置条件下绝缘子积污特性的影响，并通过人工积污试验进行了验证，得出如下结论：

（1）风倾角为0°时，安装防鸟罩、防鸟挡板条件下绝缘子串的积污情况与无防鸟装置时基本一致；风倾角为30°时，防鸟罩可减少绝缘子上表面的积污量；风倾角为-30°时，防鸟罩会加重绝缘子上表面的积污程度。

（2）防鸟罩对绝缘子串上端的绝缘子具有很好的遮挡作用，因而对上端绝缘子表面的污秽冲刷系数影响较大，安装防鸟罩后，上端绝缘子的污秽冲刷速率较慢，会更快达到饱和积污。

（3）人工积污试验条件下，有防鸟罩时绝缘子串第1片绝缘子上表面的积污程度相比于无防鸟罩时高28.6%，而其他部位相差不超过10%；有无防鸟挡板条件下，绝缘子串的积污情况相差均不超过10%，安装防鸟挡板对绝缘子的积污情况影响较小。