典型防鳥裝置對(duì)輸電線路絕緣子積污特性的影響

李陽(yáng)林，張 宇，況燕軍，邱志斌，鄧永清，胡 京，李 帆

（1.國(guó)網(wǎng)江西省電力有限公司電力科學(xué)研究院，江西 南昌 330096；2.南昌大學(xué) 能源與電氣工程系，江西 南昌 330031；3.武漢大學(xué) 電氣與自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430072）

0 引言

隨著生態(tài)環(huán)境的改善和人們對(duì)野生動(dòng)物保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，鳥類活動(dòng)范圍逐漸擴(kuò)大，由鳥類活動(dòng)引起的輸電線路故障次數(shù)出現(xiàn)明顯上升的趨勢(shì)，國(guó)內(nèi)外近幾十年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，鳥類造成的輸電線路跳閘次數(shù)已超過(guò)總跳閘次數(shù)的10%，鳥類活動(dòng)已經(jīng)成為僅次于雷擊、外力破壞的第3大輸電線路跳閘原因[1-2]。面對(duì)如此嚴(yán)峻的形勢(shì)，電網(wǎng)公司全面加強(qiáng)了輸電線路涉鳥故障防治方面的研究與實(shí)踐，采用了大量的防鳥裝置，如防鳥盒、防鳥罩、防鳥擋板等。然而，防鳥裝置的安裝會(huì)改變線路絕緣子的積污特性，亟需開展典型防鳥裝置對(duì)線路絕緣子積污特性的影響研究，進(jìn)而指導(dǎo)防鳥裝置的選型與應(yīng)用。

本研究利用流體場(chǎng)仿真分析軟件，分析輸電線路安裝典型防鳥裝置對(duì)絕緣子積污特性的影響，結(jié)合動(dòng)態(tài)積污理論，對(duì)比分析絕緣子在安裝防鳥裝置前后的動(dòng)態(tài)積污特性，揭示典型防鳥裝置對(duì)絕緣子積污特性的影響機(jī)理。

1 典型防鳥裝置下絕緣子積污特性

1.1 模型建立

根據(jù)江西電網(wǎng)公司的涉鳥故障統(tǒng)計(jì)，110 kV和220 kV輸電線路更易受到鳥類活動(dòng)影響，為了指導(dǎo)實(shí)際運(yùn)行應(yīng)用，本研究選用110 kV和220 kV輸電線路中廣泛采用的XP-70型瓷絕緣子進(jìn)行仿真研究，其參數(shù)如表1所示，安裝防鳥擋板和防鳥罩之后的絕緣子串如圖1所示。

表1 絕緣子參數(shù)Tab.1 Insulator parameters

圖1 安裝防鳥裝置后的絕緣子模型Fig.1 Insulator model with anti-bird devices

在流體仿真中，空氣中污穢體積分?jǐn)?shù)設(shè)定為0.06，污穢顆粒平均直徑為50 μm，污穢顆粒密度為0.43 g/cm3，入口邊界空氣風(fēng)速設(shè)定為5 m/s；氣流方向垂直于入口表面，出口邊界為自由邊界。仿真中以污穢物體積分?jǐn)?shù)表征絕緣子的積污程度，以風(fēng)向向下為正，風(fēng)向向上為負(fù)。

當(dāng)風(fēng)正面吹來(lái)時(shí)，加裝防鳥擋板、防鳥罩等裝置情況下，絕緣子的積污特性與正常情況區(qū)別不大，防鳥裝置的影響可忽略不計(jì)。在不同風(fēng)傾角下，安裝防鳥裝置對(duì)絕緣子積污特性具有較大影響。因此，本研究重點(diǎn)分析典型防鳥裝置條件下風(fēng)傾角對(duì)絕緣子積污特性的影響。

1.2 風(fēng)傾角對(duì)絕緣子積污特性的影響

采用氣-固兩相流體模擬方法[3-6]，建立安裝防鳥裝置的7片XP-70型絕緣子串風(fēng)洞數(shù)值仿真模型，并采用網(wǎng)格剖分軟件對(duì)風(fēng)洞模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)置污穢體積分?jǐn)?shù)，對(duì)絕緣子積污情況開展定量仿真計(jì)算。利用上述方法，分別對(duì)風(fēng)傾角為0°、30°、-30°時(shí)絕緣子的積污狀況進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出，不論是否加裝防鳥裝置，第1片絕緣子上表面的積污量都明顯低于其他6片絕緣子，第7片絕緣子下表面的積污量相比于上部6片絕緣子也較低。這是因?yàn)榈?片絕緣子上表面離桿塔橫擔(dān)連接處較遠(yuǎn)，氣流在其上表面難以形成回流，因此積污較少，同理，第7片絕緣子下表面積污也相對(duì)較少。

圖2 不同風(fēng)傾角下的絕緣子串污穢體積分?jǐn)?shù)Fig.2 Contamination volume fraction of the insulator string under different wind inclination angle

從圖2(a)可見，對(duì)于7片XP-70型絕緣子串，當(dāng)風(fēng)傾角為0°時(shí)，絕緣子上表面的積污程度較下表面更嚴(yán)重，這是因?yàn)樯媳砻媾c污穢顆粒直接碰撞，且碰撞程度最為激烈，而下表面僅在湍流的作用下與部分粒子發(fā)生碰撞。此外，當(dāng)風(fēng)傾角為0°時(shí)，安裝防鳥罩、防鳥擋板條件下的絕緣子積污情況與無(wú)防鳥裝置時(shí)基本一致。

從圖2(b)可見，當(dāng)風(fēng)傾角為30°時(shí)，由于絕緣子上表面與污穢顆粒的碰撞面積大，積污程度明顯比下表面嚴(yán)重。對(duì)比來(lái)看，安裝防鳥擋板后的絕緣子積污情況與無(wú)防鳥裝置情況基本一致。而安裝防鳥罩后，第1～6片絕緣子上表面的積污量明顯低于無(wú)防鳥裝置情況，這是因?yàn)樵?0°風(fēng)傾角下，防鳥罩阻擋了部分污穢顆粒與絕緣子的碰撞，同時(shí)因?yàn)闅饬髟诘?片絕緣子下表面附近難以形成回流，所以第7片絕緣子下表面的積污程度低于上部其他6片絕緣子。

從圖2(c)可見，當(dāng)風(fēng)傾角為-30°時(shí)，絕緣子下表面與污穢顆粒的碰撞面積大，因此積污程度明顯比上表面嚴(yán)重。安裝防鳥擋板后絕緣子的積污情況與無(wú)防鳥裝置情況基本一致；而安裝防鳥罩后，第1片絕緣子上表面的積污情況要嚴(yán)重于安裝防鳥擋板和無(wú)防鳥裝置的情況，這是因?yàn)榉励B罩安裝在第1片絕緣子上部，距其上表面較近，氣流容易在防鳥罩和第1片絕緣子上表面形成回流，因此積污較重；第1～4片絕緣子下表面的積污程度要低于安裝防鳥擋板和無(wú)防鳥裝置情況，這是由于絕緣子串上端安裝防鳥罩后，使附近外流場(chǎng)特性發(fā)生變化，對(duì)第1～4片絕緣子底部氣流產(chǎn)生影響，而下端絕緣子距離防鳥罩較遠(yuǎn)，其影響可以忽略，所以第5～7片絕緣子積污特性未發(fā)生明顯變化。

2 典型防鳥裝置下絕緣子動(dòng)態(tài)積污特性

2.1 動(dòng)態(tài)積污模型

污穢物均是以固體顆粒的形式沉積在絕緣子表面，根據(jù)動(dòng)態(tài)積污機(jī)理，空氣污穢顆粒在絕緣子表面的沉積可分為以下兩個(gè)過(guò)程[7-12]：

（1）積污過(guò)程：污穢顆粒從空氣中沉降并吸附于絕緣子表面。該過(guò)程的積污速率可用動(dòng)態(tài)變化的積污系數(shù)(ai)表示，即單位時(shí)間內(nèi)絕緣子表面的污穢增長(zhǎng)量。綜合考慮相對(duì)濕度和污穢濃度，懸式絕緣子的積污系數(shù)模型如式（1）所示。

式（1）中：ai為積污系數(shù)，mg/cm2；kRH為相對(duì)濕度對(duì)絕緣子表面污穢積累的影響系數(shù)；kc為污穢濃度對(duì)絕緣子表面污穢積累的影響系數(shù)；c為污穢濃度；CRH為相對(duì)濕度；ka1、ka2為比例系數(shù)。

（2）沖刷過(guò)程：污穢顆粒受沖刷力作用殘留在絕緣子表面。該過(guò)程的沖刷效果可用動(dòng)態(tài)變化的沖刷系數(shù)(bi)表示，即單次降雨后絕緣子表面的污穢沖刷率。降雨沖刷系數(shù)的主要影響因素有降雨強(qiáng)度、降雨時(shí)間等，其計(jì)算公式為式（2）。

式（2）中：bi為沖刷系數(shù)；x0為污穢總量；As為污穢中可清洗部分的比例，其值與絕緣子表面積、傘型和材質(zhì)有關(guān)；Qn為第n段時(shí)間內(nèi)的降雨量，mm；kb為衰減系數(shù)，mm-1。

2.2 沖刷系數(shù)的計(jì)算

當(dāng)降雨沖刷角度與豎直方向成30°傾斜角時(shí)，安裝防鳥罩和防鳥擋板后絕緣子的整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 沖刷角度為30°時(shí)的絕緣子結(jié)構(gòu)Fig.3 Insulator structure with 30°of scour angle

其中，安裝防鳥罩后，第1片絕緣子完全被防鳥罩遮擋，第2片絕緣子大部分被防鳥罩遮擋，第3片絕緣子只有一部分被遮擋，第4～7片絕緣子不受防鳥罩的遮擋，只受與其相鄰的上一片絕緣子的影響；而安裝防鳥擋板后，防鳥擋板對(duì)絕緣子基本無(wú)遮擋。

安裝防鳥罩后，結(jié)合式（2），取衰減系數(shù)kb=0.1 mm-1，日降雨量Qn=20 mm，則每片絕緣子的可清洗部分比例As和沖刷系數(shù)bi的值如表2所示。同樣條件下，也可以計(jì)算出安裝防鳥擋板后As和bi的值，如表2所示。

表2 沖刷角度為30°時(shí)絕緣子雨水沖刷情況Tab.2 Rain wash conditions of the insulator under the flush angle of 30°

由前述分析可知，僅考慮水平風(fēng)作用時(shí)，無(wú)防鳥裝置、安裝防鳥罩和防鳥擋板3種情況下的絕緣子積污情況基本一致，因此考慮安裝不同防鳥裝置后的動(dòng)態(tài)積污特性時(shí)，可認(rèn)為有無(wú)防鳥裝置的積污特性是一致的，即積污系數(shù)ai大小一致，主要考慮沖刷系數(shù)對(duì)動(dòng)態(tài)積污特性的影響。

2.3 沖刷系數(shù)對(duì)絕緣子積污特性的影響

絕緣子上方安裝防鳥擋板后，第1片絕緣子與桿塔橫擔(dān)連接處有一定的間隙，防鳥擋板的安裝對(duì)絕緣子沖刷的影響較小。而在安裝防鳥罩后，由于防鳥罩緊鄰第1片絕緣子，對(duì)沖刷系數(shù)具有較大影響。當(dāng)降雨角度為30°時(shí)，防鳥罩僅對(duì)第1、2片絕緣子的沖刷系數(shù)具有較大影響，因此重點(diǎn)分析安裝防鳥裝置后第1、2片絕緣子的動(dòng)態(tài)積污特性。

取平均空氣濕度為60%，污穢濃度為0.05 mg/m3，結(jié)合式（1）可知，空氣中絕緣子單位時(shí)間（年）內(nèi)的動(dòng)態(tài)積污系數(shù)為0.058 9 mg/cm2。取積污時(shí)間為3年，降雨周期為3個(gè)月，設(shè)絕緣子的初始鹽密值為0，每3個(gè)月統(tǒng)計(jì)一次鹽密，則安裝防鳥擋板和防鳥罩的第1、2片絕緣子動(dòng)態(tài)積污情況如圖4所示。

圖4 不同防鳥裝置下絕緣子的積污情況Fig.4 Contamination accumulation conditions of the insulator with different anti-bird devices

由圖4可知，安裝防鳥擋板后，隨著積污月份數(shù)的增加，第1、2片絕緣子的等值污穢密度變化較小，這是因?yàn)榉励B擋板距離絕緣子串上端較遠(yuǎn)，對(duì)沖刷系數(shù)影響較小，與無(wú)防鳥裝置的情況類似，污穢可被雨水沖刷掉。可見，安裝防鳥擋板對(duì)絕緣子的動(dòng)態(tài)積污過(guò)程基本無(wú)影響。而安裝防鳥罩后，隨著積污月份數(shù)的增加，等值污穢密度逐漸上升，這是由于防鳥罩使得上端絕緣子的污穢沖刷速率較慢，更易使得污穢積累在絕緣子表面，可見相比于安裝防鳥擋板和無(wú)防鳥裝置的情況，安裝防鳥罩更容易達(dá)到飽和積污。

3 絕緣子人工積污試驗(yàn)

為驗(yàn)證防鳥裝置對(duì)輸電線路絕緣子積污特性的影響，選取7片XP-70型瓷絕緣子串進(jìn)行戶外人工積污特性試驗(yàn)研究。由于動(dòng)態(tài)積污過(guò)程周期長(zhǎng)，同時(shí)試驗(yàn)中雨水沖刷角度和模擬雨水的下降均勻度難以控制，因此本研究只進(jìn)行風(fēng)作用下的動(dòng)態(tài)積污試驗(yàn)，暫不考慮雨水沖刷試驗(yàn)。

3.1 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置

積污試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置如下：7片XP-70型絕緣子串的懸掛高度為2 m。試驗(yàn)時(shí)，防鳥罩直接安裝在第1片絕緣子上端，防鳥擋板模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)，安裝在絕緣子串上方15 cm位置處。采用硅藻土模擬空氣中的污穢物，硅藻土放置于中間鐵架固定的網(wǎng)篩中。試驗(yàn)中由兩臺(tái)FS-75型工業(yè)風(fēng)扇產(chǎn)生橫向風(fēng)，采用手持式風(fēng)速儀對(duì)風(fēng)速進(jìn)行測(cè)量。

3.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)方法和流程如下[13-17]：

（1）清洗絕緣子：用清水將絕緣子擦拭干凈，清洗后將其置于陰涼處晾曬12 h，備用。

（2）絕緣子人工積污：將潔凈絕緣子懸掛在準(zhǔn)備好的試驗(yàn)平臺(tái)上，為保證積污試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，將分別安裝防鳥罩和防鳥擋板后的絕緣子串與未安裝防鳥裝置的絕緣子串同時(shí)進(jìn)行人工積污試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，空氣相對(duì)濕度為66%，平均風(fēng)速為3 m/s，風(fēng)傾角為0°，積污時(shí)間30 min。

（3）等值污穢密度測(cè)量：為提高試驗(yàn)精確度，試驗(yàn)完成后應(yīng)從下往上依次取下絕緣子，在搬運(yùn)絕緣子過(guò)程中盡量避免觸碰絕緣子表面，減少在測(cè)量過(guò)程中的污穢損失。采用自動(dòng)分析天平對(duì)絕緣子污穢度進(jìn)行測(cè)量，分別測(cè)量并記錄上、下表面的等值污穢密度。

等值污穢密度計(jì)算表達(dá)式為式（3）。

式（3）中：m1、m2分別為試驗(yàn)前后擦拭絕緣子的吸水紙質(zhì)量，mg；ρ為等值污穢密度，mg/cm2；S為取樣絕緣子表面積，cm2。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.3.1 有無(wú)防鳥罩條件下的積污情況

根據(jù)前述分析，防鳥裝置只對(duì)絕緣子串上部分絕緣子的積污情況造成影響，因此試驗(yàn)中只提取從上到下前3片絕緣子上、下表面的等值污穢密度，有無(wú)防鳥罩條件下絕緣子串的積污情況如表3所示。

表3 有無(wú)防鳥罩條件下絕緣子串積污情況Tab.3 Contamination accumulation conditions of the insulator with or without the cover of bird guard

由表3可知，不論是否安裝防鳥罩，絕緣子上表面的積污程度都比下表面嚴(yán)重；有防鳥罩條件下，第1片絕緣子上表面的積污程度比無(wú)防鳥罩條件下要高28.6%，而絕緣子串其他部位的等值污穢密度在有無(wú)防鳥罩條件下相差不超過(guò)10%。這是因?yàn)橛蟹励B罩時(shí)，氣流在第1片絕緣子和防鳥罩之間形成回流，污穢顆粒與絕緣子上表面碰撞更為強(qiáng)烈。

3.3.2 有無(wú)防鳥擋板條件下的積污情況

有無(wú)防鳥擋板條件下絕緣子串的積污情況如表4所示。由表4可知，不論是否安裝防鳥擋板，絕緣子上表面的積污情況都比下表面嚴(yán)重，同時(shí)，由于防鳥擋板與絕緣子相距較遠(yuǎn)，不論是否安裝防鳥擋板，絕緣子串上端3片絕緣子的積污情況相差不大，等值污穢密度值相差不超過(guò)10%。

表4 有無(wú)防鳥擋板條件下絕緣子串積污情況Tab.4 Contamination accumulation conditions of the insulator with or without the shield of bird guard

4 結(jié)論

利用流體場(chǎng)分析理論，通過(guò)設(shè)置污穢體積分?jǐn)?shù)，對(duì)絕緣子積污情況進(jìn)行了定量仿真分析，結(jié)合仿真結(jié)果和建立的絕緣子動(dòng)態(tài)積污模型，分析了風(fēng)傾角以及雨水沖刷等對(duì)安裝防鳥裝置條件下絕緣子積污特性的影響，并通過(guò)人工積污試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，得出如下結(jié)論：

（1）風(fēng)傾角為0°時(shí)，安裝防鳥罩、防鳥擋板條件下絕緣子串的積污情況與無(wú)防鳥裝置時(shí)基本一致；風(fēng)傾角為30°時(shí)，防鳥罩可減少絕緣子上表面的積污量；風(fēng)傾角為-30°時(shí)，防鳥罩會(huì)加重絕緣子上表面的積污程度。

（2）防鳥罩對(duì)絕緣子串上端的絕緣子具有很好的遮擋作用，因而對(duì)上端絕緣子表面的污穢沖刷系數(shù)影響較大，安裝防鳥罩后，上端絕緣子的污穢沖刷速率較慢，會(huì)更快達(dá)到飽和積污。

（3）人工積污試驗(yàn)條件下，有防鳥罩時(shí)絕緣子串第1片絕緣子上表面的積污程度相比于無(wú)防鳥罩時(shí)高28.6%，而其他部位相差不超過(guò)10%；有無(wú)防鳥擋板條件下，絕緣子串的積污情況相差均不超過(guò)10%，安裝防鳥擋板對(duì)絕緣子的積污情況影響較小。