典型防鳥裝置對輸電線路絕緣子積污特性的影響

李陽林，張 宇，況燕軍，邱志斌，鄧永清，胡 京，李 帆

（1.國網江西省電力有限公司電力科學研究院，江西 南昌 330096；2.南昌大學 能源與電氣工程系，江西 南昌 330031；3.武漢大學 電氣與自動化學院，湖北 武漢 430072）

0 引言

隨著生態環境的改善和人們對野生動物保護意識的增強，鳥類活動范圍逐漸擴大，由鳥類活動引起的輸電線路故障次數出現明顯上升的趨勢，國內外近幾十年的統計數據表明，鳥類造成的輸電線路跳閘次數已超過總跳閘次數的10%，鳥類活動已經成為僅次于雷擊、外力破壞的第3大輸電線路跳閘原因[1-2]。面對如此嚴峻的形勢，電網公司全面加強了輸電線路涉鳥故障防治方面的研究與實踐，采用了大量的防鳥裝置，如防鳥盒、防鳥罩、防鳥擋板等。然而，防鳥裝置的安裝會改變線路絕緣子的積污特性，亟需開展典型防鳥裝置對線路絕緣子積污特性的影響研究，進而指導防鳥裝置的選型與應用。

本研究利用流體場仿真分析軟件，分析輸電線路安裝典型防鳥裝置對絕緣子積污特性的影響，結合動態積污理論，對比分析絕緣子在安裝防鳥裝置前后的動態積污特性，揭示典型防鳥裝置對絕緣子積污特性的影響機理。

1 典型防鳥裝置下絕緣子積污特性

1.1 模型建立

根據江西電網公司的涉鳥故障統計，110 kV和220 kV輸電線路更易受到鳥類活動影響，為了指導實際運行應用，本研究選用110 kV和220 kV輸電線路中廣泛采用的XP-70型瓷絕緣子進行仿真研究，其參數如表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，空氣中污穢體積分數設定為0.06，污穢顆粒平均直徑為50 μm，污穢顆粒密度為0.43 g/cm3，入口邊界空氣風速設定為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數表征絕緣子的積污程度，以風向向下為正，風向向上為負。

當風正面吹來時，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別不大，防鳥裝置的影響可忽略不計。在不同風傾角下，安裝防鳥裝置對絕緣子積污特性具有較大影響。因此，本研究重點分析典型防鳥裝置條件下風傾角對絕緣子積污特性的影響。

1.2 風傾角對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型絕緣子串風洞數值仿真模型，并采用網格剖分軟件對風洞模型進行網格劃分，設置污穢體積分數，對絕緣子積污情況開展定量仿真計算。利用上述方法，分別對風傾角為0°、30°、-30°時絕緣子的積污狀況進行仿真分析，結果如圖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。這是因為第1片絕緣子上表面離桿塔橫擔連接處較遠，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較少。

圖2 不同風傾角下的絕緣子串污穢體積分數Fig.2 Contamination volume fraction of the insulator string under different wind inclination angle

從圖2(a)可見，對于7片XP-70型絕緣子串，當風傾角為0°時，絕緣子上表面的積污程度較下表面更嚴重，這是因為上表面與污穢顆粒直接碰撞，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生碰撞。此外，當風傾角為0°時，安裝防鳥罩、防鳥擋板條件下的絕緣子積污情況與無防鳥裝置時基本一致。

從圖2(b)可見，當風傾角為30°時，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重。對比來看，安裝防鳥擋板后的絕緣子積污情況與無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防鳥裝置情況，這是因為在30°風傾角下，防鳥罩阻擋了部分污穢顆粒與絕緣子的碰撞，同時因為氣流在第7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，當風傾角為-30°時，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重。安裝防鳥擋板后絕緣子的積污情況與無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重于安裝防鳥擋板和無防鳥裝置的情況，這是因為防鳥罩安裝在第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，使附近外流場特性發生變化，對第1～4片絕緣子底部氣流產生影響，而下端絕緣子距離防鳥罩較遠，其影響可以忽略，所以第5～7片絕緣子積污特性未發生明顯變化。

2 典型防鳥裝置下絕緣子動態積污特性

2.1 動態積污模型

污穢物均是以固體顆粒的形式沉積在絕緣子表面，根據動態積污機理，空氣污穢顆粒在絕緣子表面的沉積可分為以下兩個過程[7-12]：

（1）積污過程：污穢顆粒從空氣中沉降并吸附于絕緣子表面。該過程的積污速率可用動態變化的積污系數(ai)表示，即單位時間內絕緣子表面的污穢增長量。綜合考慮相對濕度和污穢濃度，懸式絕緣子的積污系數模型如式（1）所示。

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

（2）沖刷過程：污穢顆粒受沖刷力作用殘留在絕緣子表面。該過程的沖刷效果可用動態變化的沖刷系數(bi)表示，即單次降雨后絕緣子表面的污穢沖刷率。降雨沖刷系數的主要影響因素有降雨強度、降雨時間等，其計算公式為式（2）。

式（2）中：bi為沖刷系數；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、傘型和材質有關；Qn為第n段時間內的降雨量，mm；kb為衰減系數，mm-1。

2.2 沖刷系數的計算

當降雨沖刷角度與豎直方向成30°傾斜角時，安裝防鳥罩和防鳥擋板后絕緣子的整體結構如圖3所示。

圖3 沖刷角度為30°時的絕緣子結構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，防鳥擋板對絕緣子基本無遮擋。

安裝防鳥罩后，結合式（2），取衰減系數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bi的值如表2所示。同樣條件下，也可以計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，僅考慮水平風作用時，無防鳥裝置、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態積污特性時，可認為有無防鳥裝置的積污特性是一致的，即積污系數ai大小一致，主要考慮沖刷系數對動態積污特性的影響。

2.3 沖刷系數對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連接處有一定的間隙，防鳥擋板的安裝對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，對沖刷系數具有較大影響。當降雨角度為30°時，防鳥罩僅對第1、2片絕緣子的沖刷系數具有較大影響，因此重點分析安裝防鳥裝置后第1、2片絕緣子的動態積污特性。

取平均空氣濕度為60%，污穢濃度為0.05 mg/m3，結合式（1）可知，空氣中絕緣子單位時間（年）內的動態積污系數為0.058 9 mg/cm2。取積污時間為3年，降雨周期為3個月，設絕緣子的初始鹽密值為0，每3個月統計一次鹽密，則安裝防鳥擋板和防鳥罩的第1、2片絕緣子動態積污情況如圖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，隨著積污月份數的增加，第1、2片絕緣子的等值污穢密度變化較小，這是因為防鳥擋板距離絕緣子串上端較遠，對沖刷系數影響較小，與無防鳥裝置的情況類似，污穢可被雨水沖刷掉。可見，安裝防鳥擋板對絕緣子的動態積污過程基本無影響。而安裝防鳥罩后，隨著積污月份數的增加，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防鳥裝置的情況，安裝防鳥罩更容易達到飽和積污。

3 絕緣子人工積污試驗

為驗證防鳥裝置對輸電線路絕緣子積污特性的影響，選取7片XP-70型瓷絕緣子串進行戶外人工積污特性試驗研究。由于動態積污過程周期長，同時試驗中雨水沖刷角度和模擬雨水的下降均勻度難以控制，因此本研究只進行風作用下的動態積污試驗，暫不考慮雨水沖刷試驗。

3.1 試驗現場布置

積污試驗現場布置如下：7片XP-70型絕緣子串的懸掛高度為2 m。試驗時，防鳥罩直接安裝在第1片絕緣子上端，防鳥擋板模擬實際結構，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篩中。試驗中由兩臺FS-75型工業風扇產生橫向風，采用手持式風速儀對風速進行測量。

3.2 試驗方法

試驗方法和流程如下[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備好的試驗平臺上，為保證積污試驗的準確性，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進行人工積污試驗。試驗時，空氣相對濕度為66%，平均風速為3 m/s，風傾角為0°，積污時間30 min。

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

等值污穢密度計算表達式為式（3）。

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

3.3 試驗結果分析

3.3.1 有無防鳥罩條件下的積污情況

根據前述分析，防鳥裝置只對絕緣子串上部分絕緣子的積污情況造成影響，因此試驗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，有無防鳥罩條件下絕緣子串的積污情況如表3所示。

表3 有無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重；有防鳥罩條件下，第1片絕緣子上表面的積污程度比無防鳥罩條件下要高28.6%，而絕緣子串其他部位的等值污穢密度在有無防鳥罩條件下相差不超過10%。這是因為有防鳥罩時，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烈。

3.3.2 有無防鳥擋板條件下的積污情況

有無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重，同時，由于防鳥擋板與絕緣子相距較遠，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10%。

表4 有無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 結論

利用流體場分析理論，通過設置污穢體積分數，對絕緣子積污情況進行了定量仿真分析，結合仿真結果和建立的絕緣子動態積污模型，分析了風傾角以及雨水沖刷等對安裝防鳥裝置條件下絕緣子積污特性的影響，并通過人工積污試驗進行了驗證，得出如下結論：

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

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

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