周仿荣1 杨庆2 黄修乾1 彭庆军1 马御棠1 钱国超1
（1.云南电网有限责任公司电力科学研究院 昆明 650214；2.重庆大学 重庆 400044)
摘要：随着人们对自然环境的保护意识加强，鸟类活动日益频繁，对输电线路的安全、稳定运行造成了极大的威胁。近年来，人们对鸟害闪络故障的认识不断加深，也越来越重视对鸟害事故的防范和治理。本文使用COMSOL Multiphysics软件，对输电线路不同类型绝缘子在鸟粪影响下的电场分布进行了仿真，并验证了鸟害闪络机理，分析了不同类型绝缘子的电场分布，并提出了相应的防范建议。
关键词：鸟害闪络故障；COMSOL Multiphysics；不同类型绝缘子；电场分布
0 引言
目前，引起输电线路跳闸故障的主要原因以雷害、覆冰、外力破坏、鸟害、山火等几种为主[1]。随着国家对环境保护的重视，人们也逐渐提高了对环境的保护意识。不断改善的生态环境，为鸟类提供了良好的生态栖息环境，使得鸟类的数量日益增加。因此，输电线路的外绝缘在野外不可避免地会受到鸟类活动的影响而出现绝缘下降。长期以来，国内外学者对鸟类活动引发的线路故障进行了一系列的观察、统计、试验及仿真分析的工作，提出了相应的鸟害闪络理论及放电机理，但对不同类型绝缘子的鸟害闪络特性缺乏具体地研究分析。
自上世纪20年代起，由美国加利福尼亚爱迪生电力公司首次提出将长串鸟粪当作不明闪络事故的原因[2]。随后，70年代，由邦纳维尔电力局通过配制鸟粪模拟液对闪络事故进行了试验模拟，证明了鸟粪确实会引起输电线路闪络跳闸事故[3]。90年代中期，Burnham J T根据大量生产实际数据提出了鸟害闪络故障的四种形式。清华大学在2001年至2009年对110、220、500kV线路进行了交流线路模拟试验研究。重庆大学在2013年对鸟粪引起的导线-塔窗间隙交流击穿以及110kV复合绝缘子的交流击穿特性进行了研究武汉大学在2014年通过使用铁丝模拟鸟粪通道进行了220kV瓷绝缘子的放电试验研究。
根据目前已有的研究分析可知，鸟粪下落对不同类型绝缘子的空间电场分布的分析还有待填补。本文对不同类型绝缘子进行了有限元仿真计算，分析了在鸟粪影响下绝缘子周围电场的分布，并得出了不同类型绝缘子在鸟粪影响下的电场分布差异性，验证了由鸟粪引起的输电线路跳闸故障的机理。
1 COMSOL Multiphysics建模与仿真分析
COMSOL Multiphysics软件是一款大型的高级数值仿真软件。以有限元为内核，通过求解偏微分方程或偏微分方程组来分析真实物理现象。其以高效的性能及杰出的多场双向直接耦合分析能力实现了高度精确的数值仿真。
本文搭建的鸟粪下落对绝缘子空间电场分布影响的仿真模型，如图1所示，其外边界设置为无穷远处且求解过程中电势为0。本文根据仿真计算流程框图2(a)进行了计算分析，得到网格剖分图，如图2(b)所示。
图1 仿真计算模型 (a) 仿真计算流程框 (b)网格剖分图
图2仿真计算流程框图及网格剖分图
根据查阅的国内外可知，在模拟实验中，可使用不同长度的铁丝来模拟流动的鸟粪。因此，本仿真模型计算中，使用半径为6mm的圆柱状铁丝模拟鸟粪通道。不同类型绝缘子的几何尺寸及材料特性，按照型号为FXBW4-110/70的复合绝缘子、XP-70型瓷绝缘子和LXP-70型玻璃绝缘子进行设置。然后，在绝缘子高压端施加110kV线路实际运行相电压70kV。
本文的主要仿真工作，进行了理想情况下无鸟粪与有鸟粪下落时绝缘子周围电场分布的计算与分析。有鸟粪下落时，又分别从以下两个方面作进一步分析，鸟粪在下落过程中，对绝缘子周围电场的影响；鸟粪距绝缘子中心不同距离时对绝缘子周围电场的影响。
1.1 无鸟粪下落时绝缘子周围电场分布
在无鸟粪下落时，三种不同类型绝缘子周围电场分布，三类绝缘子的电势和电场强度分布相似，呈马鞍形且沿绝缘子低压端逐渐减弱。
复合绝缘子的高压端由于均压环的存在使得周围空间电场分布较为均匀，但增大了绝缘子的电气绝缘距离。复合、瓷和玻璃绝缘子表面的电场强度分别为14.3kV/cm、20.7kV/cm、25.3kV/cm，而均匀电场下，空气中棒-板间隙最小击穿场强为30kV/cm，故无鸟粪时的绝缘子周围空间电场无法击穿空气。
1.2 有鸟粪下落时绝缘子周围电场分布
在绝缘子周围空间加入鸟粪后，针对一定距离下不同长度鸟粪对绝缘子周围电场的影响，经仿真得到绝缘子周围空间电场分布,在鸟粪的下落过程，即鸟粪长度从50cm增至100cm的过程，鸟粪通道前端与高压端空气间隙的平均场强从25.5kV/cm增大至36.3kV/cm，故鸟粪下落至高压端首片绝缘子附近时的平均场强可将该空气间隙击穿。
瓷和玻璃绝缘子在鸟粪下落过程中的电场分布相似，即当鸟粪下落至高压端导线处附近时，会出现明显地电场畸变。由图可知，当鸟粪通道到达高压端时，瓷和玻璃绝缘子空气间隙的平均场强分别为36.1kV/cm、31.7kV/cm，该值在均匀电场下不能达到空气间隙击穿的条件。
在仿真计算中，用铁丝等效鸟粪通道，因此在鸟粪下落过程中，零电势点逐渐接近高压端。当鸟粪通道前端下落至高压端附近时，其电场强度发生严重畸变。严重情况下，将使得平均场强大于空气击穿场强，达到该空气间隙被击穿的平均场强后，闪络沿着鸟粪通道向低压端发展贯穿形成稳定的接地电弧。
1.3 鸟粪距绝缘子中心不同距离时的电场分布
将相同长度的鸟粪沿绝缘子中心外移动，分析鸟粪距绝缘子中心不同距离时绝缘子周围空间电场分布。
随着距离增大，鸟粪通道前端引起空气间隙电场强度的畸变情况逐渐减弱，间隙平均场强减小。当鸟粪通道位于25cm处时，绝缘子表面电场强度最大值约为29.8kV/m，在均匀电场中接近空气间隙的平均击穿场强。若继续向外移动，则平均场强达不到空气间隙击穿的平均场强。
由于瓷绝缘子的电势和电场强度分布与复合绝缘子的不同，故随着鸟粪向外移动，鸟粪通道前端所能引起的电场畸变与复合绝缘子的相比较弱。瓷和玻璃绝缘子的电场分布相似，当鸟粪通道距瓷绝缘子中心15cm处下落时，空气间隙的平均场强是20.1kV/cm，随着距离增大至20cm时平均场强逐渐降至18.2kV/cm；对于玻璃绝缘子，当鸟粪通道距绝缘子中心15cm处下落时，空气间隙的平均场强是20.2kV/cm，随着距离增大至20cm时平均场强逐渐降至18.7kV/cm。
因此，当鸟粪距瓷和玻璃绝缘子20cm时，此时的间隙平均场强已很难击穿空气。
2 结论及建议
本文通过对不同类型绝缘子进行的仿真计算，分析可得到以下结论及建议：
当无鸟粪通道时，三种绝缘子的电场分布为马鞍形分布。虽然导线侧端部场强较高，但整个空气间隙平均场强达不到击穿所需平均场强。
当加入鸟粪通道后，复合绝缘子的场强分布在均压环－鸟粪通道前端的空气间隙电场分布不均匀，即鸟粪通道前端部与均压环侧的场强较高。当鸟粪通道距复合绝缘子中心25cm以外时，其对空间电场的畸变所引起的平均场强不足以击穿空气间隙，故防鸟措施的防护邻近距离为距复合绝缘子中心25cm。
对于瓷和玻璃绝缘子，导线侧端部场强主要集中在高压端导线附近。仿真计算表明，当鸟粪通道前端距瓷和玻璃绝缘子中心20cm外时，便难以击穿空气间隙，故防鸟措施的防护邻近距离为距复合绝缘子中心20cm。。
根据仿真分析验证了现有的鸟害闪络机理，即鸟害闪络机理的三个阶段：1)鸟粪通道的形成和伸长。2)绝缘子周围空间电场发生严重畸变。3)空气间隙击穿，导致绝缘子闪络。
参考文献：
易辉, 熊幼京. 架空输电线路鸟害故障分析及对策[J].电网技术, 2008, 32(10): 95-100.
梁曦东, 王绍武, 陈震, 等. 合成绝缘子鸟粪闪络与不明原因闪络[J]. 电网技术, 2001, 25(1): 13-16.
聂琼, 周远翔, 崔吉峰, 等. 复合绝缘子鸟粪闪络的仿真计算[C].中国电机工程学会高压专委会2007年学术年会论文集.
周仿荣(1982—)，男，高级工程师，主要从事高电压与绝缘技术、过电压研究工作
论文作者:周仿荣1,杨庆2,黄修乾1,彭庆军1,马御棠1,钱
论文发表刊物:《电力设备》2016年第9期
论文发表时间:2016/7/5
标签：鸟粪论文; 绝缘子论文; 电场论文; 场强论文; 鸟害论文; 间隙论文; 下落论文; 《电力设备》2016年第9期论文;