500 kV線路鳥糞引起的空氣間隙擊穿跳閘分析

黃金領，黃金泉，韋學浩，鄧永健

(1.中國南方電網超高壓輸電公司南寧局，廣西 南寧 530028；2.中國南方電網廣西電網公司來賓供電局，廣西 來賓 546100)

0 引言

在220 kV及以下電壓等級，鳥糞造成線路跳閘的故障還是比較常見的[1]。鳥糞造成500 kV線路跳閘的情況在國內也有一些實例[2-4]，而南網超高壓輸電公司目前管轄的500 kV線路長達16 862.58 km，橫貫云南、貴州、廣東、廣西、海南五省，之前近18年來從未有過鳥糞造成跳閘的報告，一方面與500 kV線路絕緣強度高有關，另一方面南方地區林木茂密，適合鳥類棲息的地點較多，大型鳥類在高塔上棲息相對較少。

2018-12-15，500 kV平來一線392號塔發生一起鳥糞引起的空氣間隙擊穿跳閘。以下對本次跳閘進行分析，與國內500 kV線路鳥糞造成跳閘的文獻[2-4]主要從宏觀上進行分析推導不同，下面主要從故障點痕跡、鳥糞痕跡等細節上進行分析，為鳥糞造成500 kV線路跳閘的研究提供佐證，為線路運行維護和故障點查找、分析提供借鑒。

1 設備概況

500 kV平來一線(以下簡稱“平來線”)是西電東送南通道的天廣一回送電線路的其中一段，地處廣西境內，從500 kV平果變電站至500 kV來賓變電站，于1993-01-22建成投運[5]。導線采用4×LGJ300/40，設計的工頻電壓間隙均為1.2 m。其中392號塔塔型為貓頭塔LM1-27，參數見表1；原絕緣子為28片LXP-16玻璃絕緣子，2006年更換為復合絕緣子，型號為FXBW-500/160-4340，參數見表2。392號塔地處來賓良江鎮高嶺村。

表1 LM1-27鐵塔主要參數

表2 FXBW-500/160-4340 主要參數

2 故障跳閘和巡查情況

2018-12-15T04：55，平來線B相跳閘，主一、主二、主三保護動作，自動重合成功。500 kV平果變電站行波測距為172.714 km，對應塔號387號—388號，來賓站行波測距7.453 km，對應塔號388號—389號，故障區域為陰天潮濕天氣。

經現場特巡發現，平來線392號塔B相(中相)右上子導線、聯板、絕緣子芯棒護套、兩端均壓環均存在明顯放電痕跡；該合成絕緣子傘裙邊緣、兩端均壓環、中相下方瓶口塔材、鐵塔下方的樹葉上存在白色鳥糞，拉線所在田地發現大型鳥類的羽毛。

3 原因分析

3.1 初步原因分析

(1) 由于故障行波波形顯示故障屬于金屬性接地，且雙端測距一致，因此，故障點可以確定在387號—389號塔附近。根據巡查發現392號塔中相導線、塔頭端均存在放電痕跡，可以判定392號塔中相即是本次線路跳閘的故障點。

(2) 查詢南網雷電定位系統，跳閘前后1 h 387號—389塔5 km范圍均無落雷記錄，因此可排除雷擊造成的跳閘。線路通道均為甘蔗耕地，且跳閘為金屬性接地，因此，也可以排除導線對樹木放電的可能。故障期間，現場并無強風，因此也可以排除導線風偏對鐵塔放電的可能。

(3) 對392號塔中相放電痕跡進行觀察，雖然在導線、聯板、均壓環上有放電痕跡，但是合成絕緣子表面并沒有任何放電灼傷痕跡，因此，可以排除污閃造成的跳閘。合成絕緣子端部、芯棒護套密封良好，無破損和擊穿痕跡，不存在芯棒擊穿造成的永久性故障，因此，也可以排除合成絕緣子芯棒擊穿造成的跳閘。

(4) 放電通道分析。為進一步分析故障原因，12月27日，運行單位帶電將故障桿塔中相合成絕緣子更換下來。通過進一步觀察發現：

① 塔頭端(地端)在均壓環上有一處約9 cm2的金屬燒熔滴瘤痕跡。

② 導線端(高壓端)的均壓環上有分散的放電灼傷點。均壓環及其支撐架螺栓連接處、均壓環支撐架與合成絕緣子螺栓連接處、合成絕緣子鋼腳均有明顯的放電燒熔痕跡，尤其是合成絕緣子鋼腳燒熔坑洼嚴重。

③ 根據放電痕跡可以推斷出短路電流的流通通道為“導線－絕緣子鋼腳－高壓端均壓環－低壓端均壓環－鐵塔”，特別是兩均壓環之間是直接被電弧連通的。

(5) 在上均壓環凹槽有約13 cm×5 cm的一大片白色鳥糞，其對應的均壓環外緣(貼近放電痕跡)有多道白色鳥糞下流痕跡。在合成絕緣子上有多達32片傘裙邊緣有白色鳥糞痕跡。在下均壓環有三處白色鳥糞，其中一處面積約為16 cm2。在絕緣子串下方的瓶口塔材、鐵塔下方的樹葉上存在白色鳥糞，拉線所在的甘蔗地發現大型鳥類的羽毛。

(6) 根據以上分析及鳥糞痕跡，可以初步判斷是大型鳥類在鐵塔中相上方排泄糞便，造成合成絕緣子上下均壓環間空氣間隙絕緣擊穿引起接地短路造成線路跳閘。

3.2 鳥類引起線路跳閘的原理

鳥類引起線路跳閘的類型一般有如下4種：

(1) 鳥類在塔上筑巢時，所用的長形枝條短接絕緣子造成線路跳閘。這種方式一般發生在35 kV及以下的低壓線路。

(2) 大型鳥類飛行或活動時展翅造成導線接地短路引起線路跳閘。

(3) 大量鳥類在塔上、絕緣子串上方排泄糞便，造成絕緣子串大面積污染，在潮濕、毛毛雨天氣時絕緣水平大幅度下降，造成絕緣子沿面閃絡跳閘。

(4) 鳥糞引起的空氣間隙擊穿跳閘。

鳥糞引起的空氣間隙擊穿跳閘的具體原理。鳥類的糞便是一種固體和液體混合物，具有較強的導電性，其電導率可達8000 μS/cm[6]，其白色部分，具有較強的粘性和流動性。當大型鳥類在絕緣子邊緣上方排泄糞便時，其糞便在下落過程中連成長線，短接部分空氣間隙，當剩下的空氣間隙絕緣強度小于工頻擊穿電壓時，導線即對地短路放電，造成線路跳閘。根據文獻[6]的研究，鳥糞下落形成連線的原理是，鳥糞排泄時，根據自由落體加速度可知，先下落部分的速度總大于后下落部分的速度，在下落過程中兩者之間的空間距離會變大，由于鳥糞有粘性，兩者之間會拉絲成線，短接部分空氣間隙。根據文獻[7]的試驗證實，鳥糞下落過程中的連線最大可長達3.25 m。

假設鳥類排泄用時t=1 s，即先下落和后下落兩部分之間間隔1 s。根據自由落體計算公式可算得先下落部分的下落長度為：

即后下落的部分剛開始下落時，先排泄部分已經下落4.9 m，兩者之間拉絲成線長達4.9 m，已經超過正常500 kV交流線絕緣子串幾何長度。

不同排泄用時情況下鳥糞拉絲長度大不相同，其計算結果見表3。

表3 不同排泄用時的鳥糞拉絲長度

從上表可知，對于絕緣子串幾何長度為4.340 m的500 kV線路，當鳥糞排泄時間超過0.761 s時，鳥糞拉絲長度達到2.84 m，短接相應空氣間隙，兩均壓環間剩下的空氣間隙為1.2 m，可以被工頻電壓擊穿，造成線路跳閘。

3.3 本次跳閘鳥糞拉絲過程分析

表3的計算為理想狀態，由于先后下落兩者之間有粘性，在有限時間內的拉絲長度會小于計算長度，而且從實際生活來看，禽類的排泄時間不太可能達到0.7～1.0 s的時間，甚至不超過0.5 s。但是特殊情況下，鳥糞前后兩部分的下落時間間隔遠遠超過1 s，即鳥糞先排泄在物體上，從物體上流淌下來緩慢滴落。

本次跳閘中，從上下均壓環和絕緣子傘群上的鳥糞痕跡來看，首先在上均壓環的凹槽有一大攤白色鳥糞，對應均壓環外沿有大面積白色鳥糞流淌痕跡，接著在均壓環鳥糞痕跡對應位置下方的第4片絕緣子傘群開始，一直到第21片傘群外沿都有白色鳥糞痕跡，最后在下均壓環上也有一攤圓形鳥糞痕跡。這些痕跡明顯形成一條右旋的連線，從上均壓環的鳥糞痕跡到下均壓環的痕跡，基本上繞著絕緣子串旋轉了180°。由此可以推斷，鳥類在均壓環上方排泄，剛好落在均壓環凹槽和外沿分界線上，一部鳥糞流入凹槽內，一部分從外沿沿著弧形外表面往下流淌，當匯流到均壓環外弧的最低點時，開始往下方滴落并拉絲，該拉絲時間可以遠遠大于鳥類直接排泄時間，因此，其拉絲長度可以超過表3的長度。可以推測，在拉絲至少超過第21片傘群的過程中，剛好有微風吹來，把絲線往右前方吹拂；當微風間歇停止時，絲線回擺，或者在絕緣子串下風側形成的空氣漩渦使得絲線右旋，碰到了絕緣子傘群，在傘群上留下了痕跡，超過第21片的絲線墜落到下均壓環上，形成邊緣光滑的圓形痕跡，無向外飛濺的星形鋸齒，這也是粘液緩慢滴落的常見形狀。如果鳥糞沒有拉絲成線，而是直接墜落，其痕跡不可能形成這樣的螺旋，況且均壓環半徑大于合成絕緣子傘群10 cm以上，沒有拉絲成線和風的作用，也碰不到傘群。因為第1～3片傘群邊緣是沒有鳥糞痕跡的，可以排除鳥糞直接從傘群邊緣正上方下落造成的痕跡。

因此，可以判定本次鳥糞拉絲長度可以超過3.14 m的長度，導致剩余的間隙小于1.2 m，造成工頻電壓擊穿放電跳閘。空氣擊穿形成電弧時，鳥糞絲線尚未從上均壓環脫離，因此上均壓環的放電灼傷集中在一個點上，而被擊穿的1.2 m空氣間隙位于鳥糞前端和下均壓環之間，由于電弧存在飄移情況，因此下均壓環上的電弧灼傷點比較分散，分布在下均壓環的1/3弧長范圍內。

而且，根據500 kV線路短路試驗的經驗，空氣間隙擊穿短路時，存在較大的空氣膨脹爆炸情況。本次故障跳閘巡線對沿線村民的走訪也證實了跳閘時刻存在爆炸的聲音。即空氣擊穿爆炸時，電弧通道內的拉絲鳥糞應該燒成灰燼，不可能在絕緣子上留下痕跡。因此，造成線路跳閘的并不一定是上述的螺旋形鳥糞拉絲線。觀察上均壓環外緣的鳥糞痕跡可以發現，至少有3條明顯的鳥糞流淌痕跡，在下方的絕緣子中部連續5片傘群外沿有白色鳥糞痕跡，在靠近導線端的倒數第1～7片傘群外沿上也有鳥糞痕跡，在下均壓環還有兩處較小的鳥糞痕跡。即上均壓環流淌下來的鳥糞拉絲成線可能存在3條及以上，而在均壓環外沿弧的流淌給予了鳥糞拉絲成線的充分時間，其長度較容易達到3.14 m以上，短接空氣，從而造成線路剩下空氣間隙擊穿跳閘。從上均壓環凹槽中留存的13 cm×5 cm的一大攤白色鳥糞即可知本次鳥糞排泄量之大。

3.4 故障原因

綜上所述，從故障點電弧灼傷痕跡、鳥糞痕跡以及鳥糞拉絲長線的分析來看，本次線路跳閘是由于鳥類排泄時，鳥糞從均壓環外沿流下，有足夠的時間在滴落過程中拉絲長線，短接了大部分空氣間隙，剩下的空氣間隙被工頻電壓擊穿而造成的。

4 鳥糞引起的空氣間隙擊穿跳閘的特性

根據本次跳閘的現象和跳閘機理的分析，鳥糞引起的空氣間隙擊穿跳閘有以下特性：

(1) 跳閘一般發生在凌晨05：00—07：00，比較符合鳥類活動的習性。鳥類經過一個晚上的休息，起來活動、排泄，準備覓食。

(2) 由于是空氣擊穿造成的接地短路，地端為鐵塔，在故障波形上顯示為金屬性接地。

(3) 空氣擊穿建弧后，故障條件已經消失，因此，跳閘一般都能重合成功。

(4) 故障點的灼傷痕跡一般在上下均壓環、聯板、導線上，而絕緣子上并沒有放電痕跡。

(5) 故障相一般是中相，因為中相的塔材比較平整，便于大型鳥類站立。

(6) 在鐵塔、均壓環、瓶口塔材、甚至塔下都有鳥糞痕跡，但不一定是大面積的鳥糞污染。

(7) 絕緣子有上下均壓環。一方面均壓環的存在減小了絕緣子的幾何間距，另一方面鳥糞要引起500 kV線路的空氣間隙擊穿必須要有足夠的滴落拉絲時間，因此，一般鳥糞先排泄在均壓環上或類似半徑的塔材上，再流淌下來，而上均壓環正好提供了這樣的條件。

5 結論和建議

經過分析可以得到如下結論：

(1) 鳥糞在絕緣子附近滴落過程中拉絲成線，短接了大部分空氣間隙，可以使得剩下的空氣間隙被工頻電壓擊穿，從而造成500 kV線路跳閘。

(2) 鳥糞要造成500 kV線路跳閘，必須先排泄在均壓環等物體上，使得其有足夠的滴落拉絲時間，形成足以短接大部分空氣間隙的長度。直接從鳥類糞門排泄下落的鳥糞難以形成足以令500 kV線路跳閘的拉絲長度。

根據故障原因，建議采取安裝防鳥擋板的措施，即在絕緣子掛點橫擔上鋪設絕緣擋板，其寬度應達到橫擔邊緣，其覆蓋面務必超過均壓環的范圍，且盡可能增大覆蓋面，加大鳥糞從擋板邊緣下落時與絕緣子的水平距離。