500 kV線路鳥(niǎo)糞引起的空氣間隙擊穿跳閘分析

黃金領(lǐng)，黃金泉，韋學(xué)浩，鄧永健

(1.中國(guó)南方電網(wǎng)超高壓輸電公司南寧局，廣西 南寧 530028；2.中國(guó)南方電網(wǎng)廣西電網(wǎng)公司來(lái)賓供電局，廣西 來(lái)賓 546100)

0 引言

在220 kV及以下電壓等級(jí)，鳥(niǎo)糞造成線路跳閘的故障還是比較常見(jiàn)的[1]。鳥(niǎo)糞造成500 kV線路跳閘的情況在國(guó)內(nèi)也有一些實(shí)例[2-4]，而南網(wǎng)超高壓輸電公司目前管轄的500 kV線路長(zhǎng)達(dá)16 862.58 km，橫貫云南、貴州、廣東、廣西、海南五省，之前近18年來(lái)從未有過(guò)鳥(niǎo)糞造成跳閘的報(bào)告，一方面與500 kV線路絕緣強(qiáng)度高有關(guān)，另一方面南方地區(qū)林木茂密，適合鳥(niǎo)類棲息的地點(diǎn)較多，大型鳥(niǎo)類在高塔上棲息相對(duì)較少。

2018-12-15，500 kV平來(lái)一線392號(hào)塔發(fā)生一起鳥(niǎo)糞引起的空氣間隙擊穿跳閘。以下對(duì)本次跳閘進(jìn)行分析，與國(guó)內(nèi)500 kV線路鳥(niǎo)糞造成跳閘的文獻(xiàn)[2-4]主要從宏觀上進(jìn)行分析推導(dǎo)不同，下面主要從故障點(diǎn)痕跡、鳥(niǎo)糞痕跡等細(xì)節(jié)上進(jìn)行分析，為鳥(niǎo)糞造成500 kV線路跳閘的研究提供佐證，為線路運(yùn)行維護(hù)和故障點(diǎn)查找、分析提供借鑒。

1 設(shè)備概況

500 kV平來(lái)一線(以下簡(jiǎn)稱“平來(lái)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(nèi)，從500 kV平果變電站至500 kV來(lái)賓變電站，于1993-01-22建成投運(yùn)[5]。導(dǎo)線采用4×LGJ300/40，設(shè)計(jì)的工頻電壓間隙均為1.2 m。其中392號(hào)塔塔型為貓頭塔LM1-27，參數(shù)見(jiàn)表1；原絕緣子為28片LXP-16玻璃絕緣子，2006年更換為復(fù)合絕緣子，型號(hào)為FXBW-500/160-4340，參數(shù)見(jiàn)表2。392號(hào)塔地處來(lái)賓良江鎮(zhèn)高嶺村。

表1 LM1-27鐵塔主要參數(shù)

表2 FXBW-500/160-4340 主要參數(shù)

2 故障跳閘和巡查情況

2018-12-15T04：55，平來(lái)線B相跳閘，主一、主二、主三保護(hù)動(dòng)作，自動(dòng)重合成功。500 kV平果變電站行波測(cè)距為172.714 km，對(duì)應(yīng)塔號(hào)387號(hào)—388號(hào)，來(lái)賓站行波測(cè)距7.453 km，對(duì)應(yīng)塔號(hào)388號(hào)—389號(hào)，故障區(qū)域?yàn)殛幪斐睗裉鞖狻?/p>

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)特巡發(fā)現(xiàn)，平來(lái)線392號(hào)塔B相(中相)右上子導(dǎo)線、聯(lián)板、絕緣子芯棒護(hù)套、兩端均壓環(huán)均存在明顯放電痕跡；該合成絕緣子傘裙邊緣、兩端均壓環(huán)、中相下方瓶口塔材、鐵塔下方的樹(shù)葉上存在白色鳥(niǎo)糞，拉線所在田地發(fā)現(xiàn)大型鳥(niǎo)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(cè)距一致，因此，故障點(diǎn)可以確定在387號(hào)—389號(hào)塔附近。根據(jù)巡查發(fā)現(xiàn)392號(hào)塔中相導(dǎo)線、塔頭端均存在放電痕跡，可以判定392號(hào)塔中相即是本次線路跳閘的故障點(diǎn)。

(2) 查詢南網(wǎng)雷電定位系統(tǒng)，跳閘前后1 h 387號(hào)—389塔5 km范圍均無(wú)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(dǎo)線對(duì)樹(shù)木放電的可能。故障期間，現(xiàn)場(chǎng)并無(wú)強(qiáng)風(fēng)，因此也可以排除導(dǎo)線風(fēng)偏對(duì)鐵塔放電的可能。

(3) 對(duì)392號(hào)塔中相放電痕跡進(jìn)行觀察，雖然在導(dǎo)線、聯(lián)板、均壓環(huán)上有放電痕跡，但是合成絕緣子表面并沒(méi)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(hù)套密封良好，無(wú)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(jìn)一步分析故障原因，12月27日，運(yùn)行單位帶電將故障桿塔中相合成絕緣子更換下來(lái)。通過(guò)進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)：

① 塔頭端(地端)在均壓環(huán)上有一處約9 cm2的金屬燒熔滴瘤痕跡。

② 導(dǎo)線端(高壓端)的均壓環(huán)上有分散的放電灼傷點(diǎn)。均壓環(huán)及其支撐架螺栓連接處、均壓環(huán)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(yán)重。

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

(5) 在上均壓環(huán)凹槽有約13 cm×5 cm的一大片白色鳥(niǎo)糞，其對(duì)應(yīng)的均壓環(huán)外緣(貼近放電痕跡)有多道白色鳥(niǎo)糞下流痕跡。在合成絕緣子上有多達(dá)32片傘裙邊緣有白色鳥(niǎo)糞痕跡。在下均壓環(huán)有三處白色鳥(niǎo)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(shù)葉上存在白色鳥(niǎo)糞，拉線所在的甘蔗地發(fā)現(xiàn)大型鳥(niǎo)類的羽毛。

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

3.2 鳥(niǎo)類引起線路跳閘的原理

鳥(niǎo)類引起線路跳閘的類型一般有如下4種：

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

(2) 大型鳥(niǎo)類飛行或活動(dòng)時(shí)展翅造成導(dǎo)線接地短路引起線路跳閘。

(3) 大量鳥(niǎo)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(shí)絕緣水平大幅度下降，造成絕緣子沿面閃絡(luò)跳閘。

(4) 鳥(niǎo)糞引起的空氣間隙擊穿跳閘。

鳥(niǎo)糞引起的空氣間隙擊穿跳閘的具體原理。鳥(niǎo)類的糞便是一種固體和液體混合物，具有較強(qiáng)的導(dǎo)電性，其電導(dǎo)率可達(dá)8000 μS/cm[6]，其白色部分，具有較強(qiáng)的粘性和流動(dòng)性。當(dāng)大型鳥(niǎo)類在絕緣子邊緣上方排泄糞便時(shí)，其糞便在下落過(guò)程中連成長(zhǎng)線，短接部分空氣間隙，當(dāng)剩下的空氣間隙絕緣強(qiáng)度小于工頻擊穿電壓時(shí)，導(dǎo)線即對(duì)地短路放電，造成線路跳閘。根據(jù)文獻(xiàn)[6]的研究，鳥(niǎo)糞下落形成連線的原理是，鳥(niǎo)糞排泄時(shí)，根據(jù)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(guò)程中兩者之間的空間距離會(huì)變大，由于鳥(niǎo)糞有粘性，兩者之間會(huì)拉絲成線，短接部分空氣間隙。根據(jù)文獻(xiàn)[7]的試驗(yàn)證實(shí)，鳥(niǎo)糞下落過(guò)程中的連線最大可長(zhǎng)達(dá)3.25 m。

假設(shè)鳥(niǎo)類排泄用時(shí)t=1 s，即先下落和后下落兩部分之間間隔1 s。根據(jù)自由落體計(jì)算公式可算得先下落部分的下落長(zhǎng)度為：

即后下落的部分剛開(kāi)始下落時(shí)，先排泄部分已經(jīng)下落4.9 m，兩者之間拉絲成線長(zhǎng)達(dá)4.9 m，已經(jīng)超過(guò)正常500 kV交流線絕緣子串幾何長(zhǎng)度。

不同排泄用時(shí)情況下鳥(niǎo)糞拉絲長(zhǎng)度大不相同，其計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同排泄用時(shí)的鳥(niǎo)糞拉絲長(zhǎng)度

從上表可知，對(duì)于絕緣子串幾何長(zhǎng)度為4.340 m的500 kV線路，當(dāng)鳥(niǎo)糞排泄時(shí)間超過(guò)0.761 s時(shí)，鳥(niǎo)糞拉絲長(zhǎng)度達(dá)到2.84 m，短接相應(yīng)空氣間隙，兩均壓環(huán)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(niǎo)糞拉絲過(guò)程分析

表3的計(jì)算為理想狀態(tài)，由于先后下落兩者之間有粘性，在有限時(shí)間內(nèi)的拉絲長(zhǎng)度會(huì)小于計(jì)算長(zhǎng)度，而且從實(shí)際生活來(lái)看，禽類的排泄時(shí)間不太可能達(dá)到0.7～1.0 s的時(shí)間，甚至不超過(guò)0.5 s。但是特殊情況下，鳥(niǎo)糞前后兩部分的下落時(shí)間間隔遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)1 s，即鳥(niǎo)糞先排泄在物體上，從物體上流淌下來(lái)緩慢滴落。

本次跳閘中，從上下均壓環(huán)和絕緣子傘群上的鳥(niǎo)糞痕跡來(lái)看，首先在上均壓環(huán)的凹槽有一大攤白色鳥(niǎo)糞，對(duì)應(yīng)均壓環(huán)外沿有大面積白色鳥(niǎo)糞流淌痕跡，接著在均壓環(huán)鳥(niǎo)糞痕跡對(duì)應(yīng)位置下方的第4片絕緣子傘群開(kāi)始，一直到第21片傘群外沿都有白色鳥(niǎo)糞痕跡，最后在下均壓環(huán)上也有一攤圓形鳥(niǎo)糞痕跡。這些痕跡明顯形成一條右旋的連線，從上均壓環(huán)的鳥(niǎo)糞痕跡到下均壓環(huán)的痕跡，基本上繞著絕緣子串旋轉(zhuǎn)了180°。由此可以推斷，鳥(niǎo)類在均壓環(huán)上方排泄，剛好落在均壓環(huán)凹槽和外沿分界線上，一部鳥(niǎo)糞流入凹槽內(nèi)，一部分從外沿沿著弧形外表面往下流淌，當(dāng)匯流到均壓環(huán)外弧的最低點(diǎn)時(shí)，開(kāi)始往下方滴落并拉絲，該拉絲時(shí)間可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鳥(niǎo)類直接排泄時(shí)間，因此，其拉絲長(zhǎng)度可以超過(guò)表3的長(zhǎng)度?？梢酝茰y(cè)，在拉絲至少超過(guò)第21片傘群的過(guò)程中，剛好有微風(fēng)吹來(lái)，把絲線往右前方吹拂；當(dāng)微風(fēng)間歇停止時(shí)，絲線回?cái)[，或者在絕緣子串下風(fēng)側(cè)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(guò)第21片的絲線墜落到下均壓環(huán)上，形成邊緣光滑的圓形痕跡，無(wú)向外飛濺的星形鋸齒，這也是粘液緩慢滴落的常見(jiàn)形狀。如果鳥(niǎo)糞沒(méi)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(huán)半徑大于合成絕緣子傘群10 cm以上，沒(méi)有拉絲成線和風(fēng)的作用，也碰不到傘群。因?yàn)榈?～3片傘群邊緣是沒(méi)有鳥(niǎo)糞痕跡的，可以排除鳥(niǎo)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(niǎo)糞拉絲長(zhǎng)度可以超過(guò)3.14 m的長(zhǎng)度，導(dǎo)致剩余的間隙小于1.2 m，造成工頻電壓擊穿放電跳閘?？諝鈸舸┬纬呻娀r(shí)，鳥(niǎo)糞絲線尚未從上均壓環(huán)脫離，因此上均壓環(huán)的放電灼傷集中在一個(gè)點(diǎn)上，而被擊穿的1.2 m空氣間隙位于鳥(niǎo)糞前端和下均壓環(huán)之間，由于電弧存在飄移情況，因此下均壓環(huán)上的電弧灼傷點(diǎn)比較分散，分布在下均壓環(huán)的1/3弧長(zhǎng)范圍內(nèi)。

而且，根據(jù)500 kV線路短路試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)，空氣間隙擊穿短路時(shí)，存在較大的空氣膨脹爆炸情況。本次故障跳閘巡線對(duì)沿線村民的走訪也證實(shí)了跳閘時(shí)刻存在爆炸的聲音。即空氣擊穿爆炸時(shí)，電弧通道內(nèi)的拉絲鳥(niǎo)糞應(yīng)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(niǎo)糞拉絲線。觀察上均壓環(huán)外緣的鳥(niǎo)糞痕跡可以發(fā)現(xiàn)，至少有3條明顯的鳥(niǎo)糞流淌痕跡，在下方的絕緣子中部連續(xù)5片傘群外沿有白色鳥(niǎo)糞痕跡，在靠近導(dǎo)線端的倒數(shù)第1～7片傘群外沿上也有鳥(niǎo)糞痕跡，在下均壓環(huán)還有兩處較小的鳥(niǎo)糞痕跡。即上均壓環(huán)流淌下來(lái)的鳥(niǎo)糞拉絲成線可能存在3條及以上，而在均壓環(huán)外沿弧的流淌給予了鳥(niǎo)糞拉絲成線的充分時(shí)間，其長(zhǎng)度較容易達(dá)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(huán)凹槽中留存的13 cm×5 cm的一大攤白色鳥(niǎo)糞即可知本次鳥(niǎo)糞排泄量之大。

3.4 故障原因

綜上所述，從故障點(diǎn)電弧灼傷痕跡、鳥(niǎo)糞痕跡以及鳥(niǎo)糞拉絲長(zhǎng)線的分析來(lái)看，本次線路跳閘是由于鳥(niǎo)類排泄時(shí)，鳥(niǎo)糞從均壓環(huán)外沿流下，有足夠的時(shí)間在滴落過(guò)程中拉絲長(zhǎng)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(niǎo)糞引起的空氣間隙擊穿跳閘的特性

根據(jù)本次跳閘的現(xiàn)象和跳閘機(jī)理的分析，鳥(niǎo)糞引起的空氣間隙擊穿跳閘有以下特性：

(1) 跳閘一般發(fā)生在凌晨05：00—07：00，比較符合鳥(niǎo)類活動(dòng)的習(xí)性。鳥(niǎo)類經(jīng)過(guò)一個(gè)晚上的休息，起來(lái)活動(dòng)、排泄，準(zhǔn)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(jīng)消失，因此，跳閘一般都能重合成功。

(4) 故障點(diǎn)的灼傷痕跡一般在上下均壓環(huán)、聯(lián)板、導(dǎo)線上，而絕緣子上并沒(méi)有放電痕跡。

(5) 故障相一般是中相，因?yàn)橹邢嗟乃谋容^平整，便于大型鳥(niǎo)類站立。

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

(7) 絕緣子有上下均壓環(huán)。一方面均壓環(huán)的存在減小了絕緣子的幾何間距，另一方面鳥(niǎo)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(shí)間，因此，一般鳥(niǎo)糞先排泄在均壓環(huán)上或類似半徑的塔材上，再流淌下來(lái)，而上均壓環(huán)正好提供了這樣的條件。

5 結(jié)論和建議

經(jīng)過(guò)分析可以得到如下結(jié)論：

(1) 鳥(niǎo)糞在絕緣子附近滴落過(guò)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(niǎo)糞要造成500 kV線路跳閘，必須先排泄在均壓環(huán)等物體上，使得其有足夠的滴落拉絲時(shí)間，形成足以短接大部分空氣間隙的長(zhǎng)度。直接從鳥(niǎo)類糞門(mén)排泄下落的鳥(niǎo)糞難以形成足以令500 kV線路跳閘的拉絲長(zhǎng)度。

根據(jù)故障原因，建議采取安裝防鳥(niǎo)擋板的措施，即在絕緣子掛點(diǎn)橫擔(dān)上鋪設(shè)絕緣擋板，其寬度應(yīng)達(dá)到橫擔(dān)邊緣，其覆蓋面務(wù)必超過(guò)均壓環(huán)的范圍，且盡可能增大覆蓋面，加大鳥(niǎo)糞從擋板邊緣下落時(shí)與絕緣子的水平距離。