复合绝缘子鸟粪闪络的仿真计算

复合绝缘子鸟粪闪络的仿真计算聂琼1周远翔1崔吉峰2李震宇3于德明4袁亦超5陈原5

梁曦东1关志成1

1清华大学电机系2国网运行有限公司3国网交流工程建设有限公司4北京超高压公司5华北电力科学研究院

摘要绝缘子串的鸟粪闪络已经成为架空输电线路的主要故障形式之一。过去，鸟粪闪络主要发生在220 kV和110kV线路上，但近年500kV线路鸟害事故也时有发生。本文在模拟试验的基础上，对220kV和500kV 的复合绝缘子串的鸟粪闪络现象进行仿真计算。结果表明，具有一定电导率的鸟粪在绝缘子周围下落时，会严重畸变绝缘子周围的电场分布，随着鸟粪长度的增加，鸟粪端部的电场强度逐渐增加。为了达到同样的端部场强，500kV复合绝缘子串所需的鸟粪长度要比220kV绝缘子串长得多，所以，220kV复合绝缘子串比500 kV绝缘子串容易发生鸟粪闪络。

关键词鸟粪闪络，电场分布，复合绝缘子

1引言

输电线路鸟害掉闸问题日渐突出，而且其涉及范围较广，危害普遍[1]。在国外，鸟害引起的故障比想象的情况要普遍、严重得多，每年由于鸟害造成电力系统直接损失达数百万美元。在美国，配电线路近25%的故障都与鸟有关。1990年IEEE调研报告显示，在回复的用户中，86%的用户认为鸟是引起变电站故障的最为主要的原因[2]。因此，架空输电线路的鸟害故障已经成为电网的主要故障形式之一，而鸟害掉闸也已成为架空输电线路的主要掉闸形式之一。输电线路鸟害掉闸机理的研究成为了一项非常重要的工作，针对鸟害的问题应开展必要的调查和分析工作，找出原因和规律，制定相应的防范措施，这是关系到电网安全运行的重要和紧迫的任务。

过去，鸟害掉闸主要发生在220kV和110kV线路上，但近年500kV线路鸟害事故也时有发生。输电线路鸟害故障危害严重，鸟害事故预测困难，但实验室对输电线路鸟害故障机理的研究却并不多见。清华大学曾进行过110kV电压等级输电线路绝缘子串的鸟粪闪络试验研究[3]。针对新近出现的500 kV鸟粪闪络现象，清华大学和华北电力科学研究院一起开展了鸟粪闪络机理的研究工作。研究主要由模拟试验和仿真计算两部分组成。本文将对220kV和500kV复合绝缘子串的鸟粪闪络进行仿真计算，进而结合模拟试验结果，分析鸟粪闪络机理。

2仿真建模

2.1鸟粪闪络模拟试验系统

按照1:1比例制作500kV和220kV的试验模型。500kV鸟粪闪络试验模拟正常分裂间距的四分裂导线，试验时模拟单相情况。绝缘子串连同配套金具，均压环等。图1给出了复合绝缘子串鸟粪闪络模拟装置示意图。鸟粪的模拟采用鸡蛋、108胶、硅藻土和NaCl，将它们按一定比例混合为鸟粪模拟液。为方便描述起见，本文将上述物质混合而成的污液流简称为鸟粪。加入NaCl的作用是调整模拟液电导率，加入硅藻土和108胶的目的是调整粘度。

2.2鸟粪闪络类型

根据现场调研和故障分析，鸟粪闪络主要有以下几类：

第一类是鸟排便时，鸟粪沿绝缘子（串）外侧下落，不污染或少量污染绝缘子（串），直接造成导线侧（高压）与横担侧（地电位）

之间的短路放电，导致线路跳闸。

第二类是鸟排便时，鸟粪附着于绝缘子（串）上，严重污染绝缘子（串），造成导线侧（高压）与横担侧（地电位）之间的短

路放电，导致线路跳闸。

图1复合绝缘子串鸟粪闪络模拟装置示意图

第三类是鸟排便时，鸟粪附着于绝缘子（串）上，污染绝缘子（串），但未立即造成闪络。在潮湿气候条件下，鸟粪与绝缘子表面积累的其它污秽共同作用形成沿面闪络。这种形式的鸟害掉闸类似于普通污闪，但对于硅橡胶复合绝缘子则有所区别：对于普通污秽，憎水性易于迁移至污秽上；但由于鸟粪成团出现，憎水性也不易迁移至鸟粪表面，因此，其耐污性能也得不到发挥。

本文主要对前两种类型进行仿真计算。2.3仿真计算模型

对复合绝缘子采用有限元法，利用ANSYS 软件模拟计算鸟粪的存在对场强畸变的影响。电场计算模型如图2所示，横担用长方体模拟，杆塔和导线分别用圆柱体来模拟，复合绝缘子按实际形状和尺寸建立。由于鸟粪具有一定的粘度和电导率，因此在计算过程中按照导体来考虑。鸟粪下落的位置分为两种，一种是在导线的正上方（此时鸟粪、导线和绝缘子的轴心位于同一平面内），另一种是在导线的侧上方（此时导线垂直于鸟粪和绝缘子所在平面）。

3计算结果及讨论

3.1220kV 复合绝缘子鸟粪闪络的仿真计算

220kV 复合绝缘子大伞盘径150mm ，串长2.4m ，均压环离横担2.14m ，横担高6

m ，横担外侧距绝缘子中心500mm ；鸟粪用直径10mm 的导体来等效。计算时所加电压为127kV(相电压的有效值)

。

图2

复合绝缘子串鸟粪闪络仿真计算模型图

(a)

电压分布图

(b)电场强度分布图

图3鸟粪沿220kV 复合绝缘子串边缘从导线侧上

方下落长度达1m 时的电场分布

当鸟粪沿复合绝缘子串边缘从导线侧上方落下长度达1m 时，电场分布如图3所示。从图3可以看出，当鸟粪沿着绝缘子串边缘下落时，绝缘子串周围的电场分布发生了较为严重的畸变。鸟粪的端部以及高压端均压环处的电场强度值较大，因此是我们重点考察的区域。连接鸟粪端部与均压环得出要考察的路径1，如图3（b ）中所示。沿路经1的电场强度分布如图4所示，并将其与没有

鸟粪时的情况进行比较。对比可得，鸟粪端部的电场强度值较高，而鸟粪下落对复合绝

缘子串高压端的影响相对较小。

图4鸟粪沿220kV复合绝缘子串边缘从导线侧上方下落长度达1m沿路径1的电场分布

为了分析鸟粪沿绝缘子串下落时，鸟粪长度对电场分布的影响，选取了三种鸟粪长度1m、1.5m和1.8m分别进行计算，计算结果如图5所示。由图5可知，鸟粪位于导线侧上方时端部的电场强度值较同等长度的鸟粪位于导线正上方时的值高。当鸟粪长度从1.0m增加到1.5m时，鸟粪位于侧上方和正上方的端部场强值分别增加了8.5％和14.6%，总体增加不大；而当鸟粪长度从1.5m 增长为1.8m时，端部强度急剧增加，鸟粪位于侧上方和正上方时分别增长了54.3％和85.7％，均达到了16kV/cm。

为了分析第一类鸟粪闪络的情况，选取鸟粪长度为1.5m，鸟粪轴心距绝缘子轴心的距离分别取110mm、130mm、180mm和280mm进行仿真计算。鸟粪端部场强随鸟粪轴心距离绝缘子轴心的距离的变化如表1所示。

表1鸟粪距220kV绝缘子串轴心间的距离对鸟粪

端部场强(kV/cm)的影响

鸟粪位置

80

mm

110

mm

130

mm

180

mm

280

mm

侧上

方

10.3113.1214.6812.8511.63正上

方

8.719.159.898.279.96

鸟粪排出后，以自由落体的方式下落，形成细长的下落体。长条形鸟粪通道下落时由于首未端开始下落的时间有先后，最先开始下落的那段总是比最后下落的那段下落速度快。这样，随着下落时间的推移，鸟粪通道首未端间的距离将越来越大，即鸟粪通道越来越细、越来越长，鸟粪到达绝缘子高压端附近时的长度要比刚开始下落时长得多。具有一定导电性的鸟粪通道的介入，使绝缘子周围的电场分布发生严重畸变，鸟粪通道的前端与绝缘子高压端之间空气间隙的电场强度大大增加，绝缘子承受的大部分电压都加在了这一段空气间隙上。空气间隙击穿，导致复合绝缘子闪络。当鸟粪通道的前端越来越接近绝缘子的高压端时，它们之间空气间隙的电场强度越来越强，当达到击穿场强后，间隙击穿，形成局部电弧。当鸟粪的电导率超过一定值和通道超过一定长度时，局部电弧最终导致绝缘子闪络。

(a)鸟粪位于导线的侧上方

(b)鸟粪位于导线的正上方

图5鸟粪沿220kV复合绝缘子串边缘下落时，鸟粪长度对电场分布的影响

对于110kV的复合绝缘子串，研究表明[3]，鸟粪通道离绝缘子13cm左右时，绝缘

子的闪络概率约为50%；小于这个值时，绝缘子的闪络概率为100%。由于绝缘子距离不是很长，鸟粪通道可以较为连续地跨越这一长度。况且110kV和220kV复合绝缘子大