CN117910324A - 一种超高压输电线路鸟粪闪络风险区域计算方法 - Google Patents

一种超高压输电线路鸟粪闪络风险区域计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种超高压输电线路鸟粪闪络风险区域计算方法,该方法包括以下步骤:⑴构建超高压输电杆塔及I型绝缘子串有限元分析实体模型;⑵根据当地鸟类体型,确定鸟粪的体积范围;⑶建立角钢、均压环、均压屏蔽环的空间几何方程,确定鸟粪一端与角钢连接的情况下致使空气间隙击穿的风险区域;⑷鸟粪两端悬空向下滑落时,计算鸟粪上端与角钢、下端与均压环及均压屏蔽环的最短间隙平均电场强度,确定鸟粪两端悬空向下滑落情况下两端空气间隙所导致发生击穿的风险区域;⑸确定I型绝缘子串鸟粪下落致使空气间隙击穿发生输电线路接地故障的危险区,并绘制I型绝缘子串的鸟粪击穿危险区。本发明可指导输电线路鸟害防护措施优化与提升。

Description

一种超高压输电线路鸟粪闪络风险区域计算方法
技术领域
本发明涉及输电线路维护技术领域,尤其涉及一种超高压输电线路鸟粪闪络风险区域计算方法。
背景技术
随着近几年来环保政策的出台以及人类环保意识的增强,各地鸟类的数量不断增加,线路通道周边无高大树木,线路杆塔适宜鸟类栖息,而鸟类觅食后有大量粪便排出,鸟粪跌落时拉长易造成输电线路导线高压端与塔身接地端之间空气间隙距离不足,形成放电通道。
以往超高压输电线路大多因大空气间隙的原因造成线路跳闸现象,鲜有鸟粪引发的线路跳闸现象,然而近年超高压线路因鸟粪引发的跳闸故障数量逐年上升,严重影响了区域电网的安全性,进而造成电网的不稳定性。因此,超高压输电线路防鸟工作亟需进一步优化与提升。而现有技术按电压等级确定线路的防护范围,并未考虑鸟粪下落形式、当地频繁活动鸟类的鸟粪长度对防护范围的影响,导致防护工作精细化不足,经常出现过度防护与防而未护的情况。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种指导输电线路鸟害防护措施优化与提升的超高压输电线路鸟粪闪络风险区域计算方法。
为解决上述问题,本发明所述的一种超高压输电线路鸟粪闪络风险区域计算方法,包括以下步骤:
⑴构建超高压输电杆塔及I型绝缘子串有限元分析实体模型;
⑵根据当地鸟类体型,确定鸟粪的体积范围;
⑶建立角钢、均压环、均压屏蔽环的空间几何方程,求解鸟粪下端距离均压环的最短间隙及此时鸟粪上端的悬挂位置,仿真计算该间隙的平均电场强度,确定鸟粪一端与角钢连接的情况下致使空气间隙击穿的风险区域;
⑷鸟粪两端悬空向下滑落时,计算鸟粪上端与角钢、下端与均压环及均压屏蔽环的最短间隙平均电场强度,与典型棒-棒间隙击穿平均电场强度进行对比,当一端空气间隙平均电场强度大于棒-棒间隙平均电场强度时,将该间隙视为电气等电位连接,改变模型参数再次计算,确定鸟粪两端悬空向下滑落情况下两端空气间隙所导致发生击穿的风险区域;
⑸综合步骤⑶和步骤⑷两种情况下计算结果,确定I型绝缘子串鸟粪下落致使空气间隙击穿发生输电线路接地故障的危险区,并绘制I型绝缘子串的鸟粪击穿危险区。
所述步骤⑴中超高压输电杆塔及I型绝缘子串有限元分析实体模型至少包括:I型绝缘子、角钢、均压环、均压屏蔽环、螺栓、导线联板、U型环、导线。
所述步骤⑵中鸟粪的体积范围按下述方法确定:先通过小型鸟类排泄体积确定一个折算系数范围;再将鸟粪模型近似视为圆柱体,并根据当地鸟类体型按下式计算大型鸟类排泄的体积范围:
式中:m为鸟类体重,单位g;K为折算系数;V为鸟粪体积,单位ml。
所述步骤⑶中角钢和均压屏蔽环的空间几何方程为线段方程;式中:A、B、C、D为所绘模型中角钢方程系数,xyz为角钢线段上的任意一点。
所述步骤⑶中均压环的空间几何方程为圆形方程;式中:abc为所绘模型中均压环方程圆心坐标,xyz为均压环圆形上的任意一点,r为均压环的圆形半径。
本发明与现有技术相比具有以下优点:
1、本发明对超高压输电杆塔及I型绝缘子串建立有限元仿真模拟计算模型,计算I型绝缘子串实际工况,基于有限元仿真计算分析角钢上悬挂鸟粪及鸟粪跌落角钢两种情况下导致的空间电场变化,为I型绝缘子串鸟粪防护提供理论基础。
2、本发明提供的计算方法充分考虑了输电杆塔及I型绝缘子串的实际尺寸结构,且在模拟的过程中,对其绝缘子附近电场,周围立体空间及鸟粪端部与高低压端的最短剩余空气间隙电场进行仿真计算,提出输电线路杆塔I型绝缘子串鸟粪闪络危险区。
3、本发明通过计算所得的鸟粪闪络风险区域,为输电线路防鸟措施的布置提供依据,可提升输电线路运维领域鸟粪闪络防护的精准性与科学性,并且具有操作难度小、适用范围广的特点。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1为本发明的流程图。
图2为本发明实施例中输电线路猫头塔I型绝缘子串的模拟模型图。
图3为本发明实施例中的俯视简化上角钢模型图。
图4为本发明实施例中3400mm鸟粪悬挂于角钢最短剩余空气间隙的平均电场强度图。
图5为本发明实施例中3400mm鸟粪悬浮于异面最短剩余空气间隙的平均电场强度图。
图6为本发明实施例中3400mm鸟粪悬浮于共面最短剩余空气间隙的平均电场强度图。
图7为本发明实施例中的俯视简化上角钢3400mm鸟粪防护范围图。
具体实施方式
本发明基于空间位置与电场计算,构建输电铁塔及绝缘子串三维模型;将鸟粪下落导致间隙击穿分为两种典型情况:鸟粪一端悬挂于角钢与鸟粪两端悬空;通过空间几何位置及间隙平均电场强度计算确定单端悬挂于角钢情况下鸟粪下落危险区域;通过按照固定步长计算不同位置下鸟粪向下滑落过程中上下两端间隙平均电场强度,确定两端悬空情况下鸟粪致使空气间隙击穿的风险区域,综合两种情况下的风险区域,确定该类型铁塔鸟粪闪络防护的范围。
如图1所示,一种超高压输电线路鸟粪闪络风险区域计算方法,包括以下步骤:
⑴构建超高压输电杆塔及I型绝缘子串有限元分析实体模型,该超高压输电杆塔及I型绝缘子串有限元分析实体模型至少包括:I型绝缘子、角钢、均压环、均压屏蔽环、螺栓、导线联板、U型环、导线等主要部件。
⑵根据当地鸟类体型,确定鸟粪的体积范围。
鸟粪的体积范围按下述方法确定:先通过小型鸟类排泄体积确定一个折算系数范围;再将鸟粪模型近似视为圆柱体,并根据当地鸟类体型按下式计算大型鸟类排泄的体积范围:
式中:m为鸟类体重,单位g;K为折算系数;V为鸟粪体积,单位ml。
⑶建立角钢、均压环、均压屏蔽环的空间几何方程,求解鸟粪下端距离均压环的最短间隙及此时鸟粪上端的悬挂位置,仿真计算该间隙的平均电场强度,确定鸟粪一端与角钢连接的情况下致使空气间隙击穿的风险区域。
其中:角钢和均压屏蔽环的空间几何方程为线段方程;式中:A、B、C、D为所绘模型中角钢方程系数,xyz为角钢线段上的任意一点。
均压环的空间几何方程为圆形方程;式中:abc为所绘模型中均压环方程圆心坐标,xyz为均压环圆形上的任意一点,r为均压环的圆形半径。
通过上述构造的方程计算不同长度的鸟粪距均压环与均压屏蔽环的最短距离L min及最短距离处对应的角钢位置上的悬挂坐标(x 1z 1),最后求解L min 距离下的平均电场强度E av。若E av小于棒-棒间隙击穿平均电场强度5.66kV/cm,表明鸟粪上端与角钢连接情况下,鸟粪下端与带电部分无发生间隙击穿的风险,反之,则说明鸟粪存在发生间隙击穿的风险,并对存在间隙击穿风险的鸟粪以步长K1为基准在角钢上悬挂鸟粪计算鸟粪底端到高压端的平均电场强度E av,获取临界击穿位置(x 2z 2),其风险区为以绝缘子悬挂点为中心,长为2x 2,宽为2z 2的矩形区域。
⑷鸟粪两端悬空向下滑落时,计算鸟粪上端与角钢、下端与均压环及均压屏蔽环的最短间隙平均电场强度,与典型棒-棒间隙击穿平均电场强度进行对比,当一端空气间隙平均电场强度大于棒-棒间隙平均电场强度时,将该间隙视为电气等电位连接,改变模型参数再次计算,确定鸟粪两端悬空向下滑落情况下两端空气间隙所导致发生击穿的风险区域。
计算鸟粪两端悬空向下跌落时,在x轴方向与z轴方向分别以步长K2为基准确定鸟粪下落位置,并以K3步长的基准确定鸟粪向下跌落的距离,计算鸟粪与均压环、均压屏蔽环的平均电场强度;当鸟粪通道下端与高压端最短剩余空气间隙的平均电场强度E av达到5.66kV/cm,此时将鸟粪下端电位升为最大相电压,计算鸟粪上端与角钢最短剩余空气间隙的平均电场强度;若其大于5.23kV/cm,则该位置存在击穿风险,返回选择K2步长再次计算下一下落位置时的击穿风险,直至获取x和z轴的临界位置(x 3,0),(0,z 3)。
⑸综合步骤⑶和步骤⑷两种情况下计算结果,即选取鸟粪单端悬挂与脱离角钢两种情况下计算所得I型绝缘子串风险区域,确定I型绝缘子串鸟粪下落致使空气间隙击穿发生输电线路接地故障的危险区,并绘制I型绝缘子串的鸟粪击穿危险区。
实施例
选取甘肃张掖地区330kV超高压输电线路I型绝缘子串和ZMC1型猫头塔以及均压环、均压屏蔽环等参数,根据I型绝缘子串及ZMC1型猫头塔的实际形状和尺寸,构建几何模型,如图2所示。
以鸽子、鹌鹑等小型鸟类的情况,计算得出K值最大为0.9%ml/g。甘肃张掖地区输电线路沿线周边频繁活动的大型鸟类主要有秃鹫、大天鹅等,以体型较大的野生大天鹅为例,经过调研当地大天鹅成鸟体重约为7300g,由以下公式计算可得其鸟粪体积可达到66.8ml,而鸟粪直径选择为5mm,长度约为3400mm。
以绝缘子高压端底端中心位置为坐标原点建立空间直角坐标系,选取如图3所示的角钢,构建I型绝缘子串悬挂鸟粪通道模型、均压环、均压屏蔽环的简化数学方程式。
均压环最大外圈圆方程:
均压屏蔽环方程:
角钢悬挂的鸟粪下端中心位置直线方程:
H为鸟粪长度,取3400mm。
计算鸟粪下端至均压环与均压屏蔽环的最短距离的直线方程。
鸟粪下端至均压环最短距离的直线方程:
鸟粪下端至均压屏蔽环最短距离的直线方程:
解得鸟粪距离均压环以及均压屏蔽环最短剩余空气间隙L min分别为470.22mm、375.31mm,且得到鸟粪通道在角钢上的两个落点位置(500,67.01)、(500,319.97),其中距离绝缘子轴心线最大距离为593.62mm。此时通过有限元仿真计算所得该位置鸟粪下端至均压环与均压屏蔽环平均电场强度分别为6.17kV/cm、7.53kV/cm,大于空气中棒-棒间隙平均击穿场强5.66kV/cm,存在击穿风险。
如图3所示,将此存在击穿风险的鸟粪悬挂在角钢上,选择步长K1为200mm,计算鸟粪底端至高压端的平均电场强度。由图4可得,在K1为800mm时鸟粪端部至高压端最短空气间隙的平均电场强度均小于空气中棒-棒间隙平均击穿场强5.66kV/cm,即临界击穿位置为(500,800),因此3400mm鸟粪长度悬挂在I型绝缘子串附近危险区为宽1000mm、长1600mm的长方形结构内的角钢区域。
如图3所示,鸟粪两端悬空向下滑落,分为异面和共面的跌落位置,选择步长K2为200mm、K3为50mm的空气距离长度向下跌落,直至跌落至均压环平面,鸟粪向下跌落的过程中,需要考虑鸟粪两端到高压端及低压端的平均电场强度来评估鸟粪是否被击穿。如图5、6,提取鸟粪与高压端、低压端的平均电场强度,在鸟粪跌落位置为异面与共面两种情况下K2为600mm以内时,鸟粪向下跌落端部至高压端最短空气剩余间隙均大于5.66kV/cm,再次提取鸟粪上端与角钢之间平均电场强度皆大于5.23kV/cm,在此区域内为鸟粪风险击穿危险区。在K2达到800mm时,此时鸟粪上下两端间隙皆未达到击穿要求,即临界击穿位置为(800,0)、(0,800)。
因此,3400mm鸟粪长度悬浮在I型绝缘子串附近击穿风险区为半径800mm的圆形区域。如图7所示,结合鸟粪一端悬挂于角钢与鸟粪两端悬空两种情况下的防护范围绘制鸟粪风险区。

Claims (5)

1.一种超高压输电线路鸟粪闪络风险区域计算方法,包括以下步骤:
⑴构建超高压输电杆塔及I型绝缘子串有限元分析实体模型;
⑵根据当地鸟类体型,确定鸟粪的体积范围;
⑶建立角钢、均压环、均压屏蔽环的空间几何方程,求解鸟粪下端距离均压环的最短间隙及此时鸟粪上端的悬挂位置,仿真计算该间隙的平均电场强度,确定鸟粪一端与角钢连接的情况下致使空气间隙击穿的风险区域;
⑷鸟粪两端悬空向下滑落时,计算鸟粪上端与角钢、下端与均压环及均压屏蔽环的最短间隙平均电场强度,与典型棒-棒间隙击穿平均电场强度进行对比,当一端空气间隙平均电场强度大于棒-棒间隙平均电场强度时,将该间隙视为电气等电位连接,改变模型参数再次计算,确定鸟粪两端悬空向下滑落情况下两端空气间隙所导致发生击穿的风险区域;
⑸综合步骤⑶和步骤⑷两种情况下计算结果,确定I型绝缘子串鸟粪下落致使空气间隙击穿发生输电线路接地故障的危险区,并绘制I型绝缘子串的鸟粪击穿危险区。
2.如权利要求1所述的一种超高压输电线路鸟粪闪络风险区域计算方法,其特征在于:所述步骤⑴中超高压输电杆塔及I型绝缘子串有限元分析实体模型至少包括:I型绝缘子、角钢、均压环、均压屏蔽环、螺栓、导线联板、U型环、导线。
3.如权利要求1所述的一种超高压输电线路鸟粪闪络风险区域计算方法,其特征在于:所述步骤⑵中鸟粪的体积范围按下述方法确定:先通过小型鸟类排泄体积确定一个折算系数范围;再将鸟粪模型近似视为圆柱体,并根据当地鸟类体型按下式计算大型鸟类排泄的体积范围:
式中:m为鸟类体重,单位g;K为折算系数;V为鸟粪体积,单位ml。
4.如权利要求1所述的一种超高压输电线路鸟粪闪络风险区域计算方法,其特征在于:所述步骤⑶中角钢和均压屏蔽环的空间几何方程为线段方程;式中:A、B、C、D为所绘模型中角钢方程系数,xyz为角钢线段上的任意一点。
5.如权利要求1所述的一种超高压输电线路鸟粪闪络风险区域计算方法,其特征在于:所述步骤⑶中均压环的空间几何方程为圆形方程;式中:abc为所绘模型中均压环方程圆心坐标,xyz为均压环圆形上的任意一点,r为均压环的圆形半径。
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