基于闪络路径优化的磁吸式防鸟挡板研制及应用

徐兆国,张振华,汪毅

(国网宁夏电力有限公司石嘴山供电公司,宁夏 石嘴山 753000)

0 引 言

架空输电线路鸟粪类故障是指鸟类在输电杆塔横担、地线等位置排便,鸟粪形成导电通道造成空气间隙击穿或绝缘子沿面闪络故障,是宁夏电网主要的涉鸟故障形式[1-2]。实际运行过程中,鸟粪造成空气间隙击穿的概率远大于绝缘子沿面闪络,这是因为防鸟刺等防鸟装置的大量使用,降低了鸟类在绝缘子挂点正上方排便的概率。

防鸟挡板作为一种效果较好的防护(隔离)型装置主要用于涉鸟故障风险等级较高地区,通常与防鸟刺、防鸟护套等组合应用。根据相关标准要求[3-4],220 kV及以下防鸟挡板宽为40 mm,长则无明确要求。现场安装的防鸟挡板一般为长方形,短边普遍超过40 mm。这种形状的防鸟挡板能够防范较大范围内的鸟粪,但增加了安装难度,且受大风影响程度加大。防鸟挡板一般安装于绝缘子挂点正上方,采用拼接式或打孔式,使复合绝缘子芯棒从中穿过。为避免鸟粪从复合绝缘子芯棒处下落,防鸟挡板开孔大小需与芯棒直径相匹配,过小会导致挡板磨损芯棒护套。另外,防鸟挡板安装采用长金属螺栓固定,增加了地电位点,特殊情况下可能导致高压端对防鸟挡板螺栓放电。同时,采用环氧树脂制成的防鸟挡板质量大,对于高空安装也提出了更高要求。关于防鸟挡板相关的研究较少,文献[5]通过仿真分析了防鸟挡板的防护范围不应是圆形,同时对安装过程中应当注意的问题进行了分析。文献[6-7]则对采用玄武岩纤维和环氧树脂制成的防鸟挡板性能进行了分析,认为这两种材料制成的防鸟挡板满足输电线路运行要求。上述研究未充分考虑防鸟挡板在实际运行过程中存在的问题,未针对防护范围、安装方式提出根本性的优化改进方法。

本文以110 kV输电线路为例,设计了一种新型磁吸式防鸟挡板。通过搭建鸟粪闪络仿真模型,分析不同鸟粪滴落位置对复合绝缘子空间电场的影响,确定了磁吸式防鸟挡板的防护范围。分析现有防鸟挡板现场运行存在的问题,对磁吸式防鸟挡板的材质、安装工艺、安装方式等进行了设计和优化。通过现场应用磁吸式防鸟挡板,进一步体现了其相较于传统防鸟挡板的优势。

1 常规防鸟挡板存在的问题

防鸟挡板作为典型防鸟装置广泛应用于宁夏电网110 kV及以上架空输电线路[8-9],但近几年不少安装有防鸟挡板的线路仍会发生涉鸟故障,表明防鸟挡板并非一劳永逸的防鸟装置。分析故障线路,原因主要有以下方面:

1)防鸟挡板拼接不到位,安装工艺不良,导致挡板中间有较大缝隙,鸟粪顺着缝隙下落引起导线与防鸟挡板固定螺栓空气间隙击穿放电,造成线路跳闸,如图1所示。

图1 防鸟挡板拼接不到位造成鸟粪闪络。

2)鸟类在飞行过程中穿越导线和横担,短接了防鸟挡板金属挂钩与导线防振锤之间的空气间隙放电,造成线路跳闸,如图2所示。

图2 鸟体短接防鸟挡板金属挂钩与防振锤。

3)防鸟挡板质量不良,固定用螺栓老化锈蚀,加之安装孔在螺栓松动后受风力影响不断扩大,最终因安装孔直径大于螺帽直径,造成防鸟挡板一侧脱落,如图3所示。

图3 防鸟挡板单侧脱落。

4)因防鸟挡板尺寸普遍较大,增加了迎风面积,不适合在风速较大地区使用。同时其在沿导线方向、垂直导线方向的宽度选取较随意,可能达不到预期效果,如图4所示。

图4 防鸟挡板沿导线和垂直导线方向宽度选取不合理。

上述情况表明,要使防鸟挡板切实发挥自身效果,必须进一步优化防鸟挡板材质、安装工艺、安装(连接)方式等,避免因设备本身质量问题或安装运维不到位造成线路故障。同时,应考虑如何在满足横担防护范围的前提下,优化防鸟挡板尺寸,进而使之适用于更广泛地区,节省材料消耗。

2 磁吸式防鸟挡板设计

2.1 挡板尺寸

为确定磁吸式防鸟挡板尺寸,应首先确定横担处鸟粪闪络防护范围。以110 kV架空输电线路为例,仿真分析不同鸟粪滴落位置对复合绝缘子空间电场的影响。

2.1.1 仿真模型及参数设置

对此装置进行建模,复合绝缘子按照实际线路中应用的FXBW4-110/100实际尺寸(结构高度为1 240 mm)进行建模,呈Ⅰ型悬挂;输电导线采用和实际LGJ-300/25导线相同的直径23.8 mm,长度为3 m,用单根实心导体铝棒进行模拟。为保证导电性,横担、导线、金具均设为铝质材料。鸟粪通道的电导率较高,一般视为导体[10-11],忽略鸟粪下落过程的形态变化,采用长直导体圆棒来模拟鸟粪,对端部进行平滑处理。其中空气、芯棒、硅橡胶伞裙的相对介电常数分别设为1、7.3、3.5。

计算中导线上施加电压为110 kV时的最大运行相电压幅值为89.81 kV。考虑到鸟粪未脱离横担时,仅存在下端空气间隙,更易发生闪络。为模拟最严重情况,鸟粪通道上端直接与横担相连,外部空气域设置一个半径为10 m的半球,仿真模型如图5所示。

图5 鸟粪闪络仿真模型。

2.1.2 仿真分析

实际中110 kV输电杆塔的横担宽度远大于绝缘子盘径,鸟类可能在横担上任意位置处排便,鸟粪通道的变化并非只沿横担方向,不同方向可能有不同的临界闪络距离。为确定输电线路鸟粪闪络的防护范围,对不同鸟粪滴落位置对复合绝缘子空间电场的影响进行仿真分析。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。对于鸟粪滴落位置,选择4种空间关系:鸟粪平面与导线平面呈0°、30°、60°、90°,其中导线平面为固定不变,如图6所示。不同位置下的鸟粪闪络距离即为鸟粪滴落点与复合绝缘子轴心的水平距离。

图6 鸟粪滴落位置。

考虑110 kV复合绝缘子的结构高度及端部金具长度,取鸟粪通道长度为1 100 mm,计算在不同滴落位置下随着水平距离增加,底端气隙平均电场强度的变化情况,如图7所示。

图7 不同滴落位置下下端气隙平均场强。

分析图6、图7可知,当鸟粪从0°位置滴落时,不管滴落距离如何变化,鸟粪始终在导线的正上方,底端气隙的长度保持不变,因此气隙中平均场强值几乎保持不变,且大于5.66 kV/cm,鸟粪闪络可能发生;当鸟粪的滴落角度不断增大,相同条件下的气隙平均场强也随之增大;同一角度下,随着滴落距离的增大,气隙平均场强逐渐减小,30°、60°、90°位置下的临界闪络距离(图7中不同角度下平均场强曲线与下端气隙平均电场强度曲线交汇处)分别为260、210、200 mm。当鸟粪滴落位置为0°时,闪络距离可以一直保持较大数值,实际中由于横担的宽度限制,可以认为0°时的临界闪络距离为横担宽度的一半,考虑一般横担宽度为1 000 mm,则0°时临界闪络距离为500 mm。

2.1.3 防护范围及挡板尺寸确定

根据仿真分析结果可知,鸟粪在不同位置滴落的临界闪络距离是不同的,因此输电线路的鸟害防护范围不应是圆形,而是近似为长轴沿导线方向的椭圆,对于110 kV输电线路,沿导线方向长轴长为1 000 mm(或横担宽度),沿横担方向短轴长为400 mm。在相同宽度情况下,鸟粪沿导线方向滴落,发生闪络的可能性更大。为避免发生鸟粪闪络,从优化闪络路径的角度考虑,应尽量使沿导线方向防护范围变大。

110 kV输电线路的防鸟挡板应设计为矩形,宽度为400 mm,长度覆盖整个横担宽度,同时为防止鸟粪从短边滴落,可考虑将短边边缘设置为上翘型,引导鸟粪从长边滴落。

2.2 安装结构

考虑防鸟挡板安装的便捷性及后续运维检修需求,设计采用强力磁铁加弹簧连接组件的形式作为新型防鸟挡板的安装方式。通过弹簧连接组件使整体结构呈柔性,增加防鸟挡板的抗风、抗震能力。螺杆端部包覆有与之紧密配合的绝缘硅胶帽,并涂抹绝缘胶,避免鸟粪或鸟体短接挡板螺栓与高压导线。挡板一侧加装有防坠落组件,防止因磁铁失效或其他突发情况导致的挡板下坠。此外,该型防鸟挡板与复合绝缘子端部连接处采取半开口式结构,避免磨损复合绝缘子芯棒。磁吸式防鸟挡板安装结构如图8所示。相较于传统防鸟挡板,该结构下仅需连接4个螺栓螺母即可,大大降低了作业时间。

图8 磁吸式防鸟挡板安装结构。

2.3 材 质

2.3.1 挡板材质

磁吸式防鸟挡板的主体是防止鸟粪下落的绝缘挡板,可用做绝缘挡板的材质较多,其优缺点如表1所示。

表1 不同材质挡板性能

经过对比,聚碳酸酯具有绝缘性好,质量轻、强度高、耐候性好等特点,且相较于其他材质,其缺点并不影响作为防鸟挡板户外应用,满足运行需求,可作为磁吸式防鸟挡板的制作材料。

2.3.2 磁铁材质

新型磁吸式防鸟挡板的安装重点在于磁铁吸附,为保证强吸附力及环境耐受性,磁铁采用磁性较强的钕铁硼磁铁,直径不小于50 mm。为防止高温消磁,采用牌号为35 H的烧结钕铁硼永磁铁,最高工作温度为120 ℃(常规N35牌号的磁铁工作温度最高为80 ℃)。

3 现场应用

根据所设计参数制作磁吸式防鸟挡板,考虑输电线路边相安装,形状制成梯形,宽度(上底宽)为横担宽度(不小于1 000 mm),垂直导线方向不小于200 mm(距离复合绝缘子轴心)。为贴合横担端部,垂直导线方向的另一边可以往铁塔方向进行延伸。磁吸式防鸟挡板实物如图9所示。复合绝缘子安装孔处用自攻丝将聚碳酸酯材质的较薄封槽板与挡板连接,避免鸟粪从孔隙下落。现场安装应用情况如图10所示。

图9 适用于边相安装的磁吸式防鸟挡板。

现场应用结果表明,新型磁吸式防鸟挡板采用磁吸的安装方式,工艺简便、维护工作量小,防护范围满足应用要求,能够有效避免挡板拼接不良、螺栓外漏、脱落等造成的输电线路故障跳闸。

4 结 论

1)输电线路鸟粪闪络防护范围近似为长轴沿导线方向的椭圆,对于110 kV输电线路,沿导线方向长轴长为1 000 mm(或横担宽度),沿横担方向短轴长为400 mm。

2)防鸟挡板通用设计为矩形,宽度为400 mm,长度覆盖整个横担宽度,但实际设计制作过程中,还应根据其具体安装位置,在满足防护范围的前提下适当调整形状及尺寸。

3)新型磁吸式防鸟挡板采用永磁铁加弹簧连接组件的安装方式,挡板下侧螺栓采用硅胶帽加绝缘胶防护,结构合理,满足实际运行过程中安装牢固、绝缘性好、抗风抗震等要求。

4)聚碳酸酯具有绝缘性好,质量轻、强度高、耐候性好等特点,可作为防鸟挡板制作材料。