復(fù)合絕緣子閃絡(luò)故障原因分析及防范措施

祝永坤，王軍亮，李碩，周路焱，鄭瑞峰

（國(guó)網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司，呼和浩特 010010）

0 引言

北方地區(qū)每年9月份至冬季來(lái)臨時(shí)，受西伯利亞寒流影響，大量候鳥由北向南遷徙，許多候鳥在遷徙過(guò)程中常會(huì)在興安嶺附近逗留較長(zhǎng)時(shí)間，因地表溫度低而棲息輸電線路桿塔上，給輸電線路的安全運(yùn)行帶來(lái)威脅。鳥糞多會(huì)造成輸電線路單相接地短路故障跳閘，近年來(lái)也出現(xiàn)了多起鳥糞污染絕緣子造成的閃絡(luò)故障。本文以某500 kV線路鳥糞污染復(fù)合絕緣子凝露橋接閃絡(luò)故障為例，分析放電機(jī)理，并提出相應(yīng)的整改措施。

1 故障概況

1.1 故障過(guò)程

2019-09-01T21：01，某500 kV緊湊型線路兩側(cè)開關(guān)跳閘，L3相故障，重合成功。之后又在當(dāng)日22：44，次日00：18、02：06、03：44分別發(fā)生兩側(cè)開關(guān)跳閘，均為L(zhǎng)3相故障，重合成功，保護(hù)正確動(dòng)作，電流差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，距離Ⅰ段動(dòng)作。

1.2 故障區(qū)段基本情況

故障線路為緊湊型線路，于2009-12-29投運(yùn)。發(fā)生故障設(shè)備為147號(hào)鐵塔，塔型為DJ22型耐張塔，呼稱高21 m，耐張絕緣子為FC300/195型玻璃絕緣子,每串28片，跳線絕緣子為FXBW4—500/100型復(fù)合絕緣子，每相3支。147號(hào)塔所在位置海拔1070 m，線路通道兩側(cè)為丘陵，中間呈緩坡，右高左低。

1.3 故障時(shí)段天氣

故障發(fā)生當(dāng)日，線路故障區(qū)段天氣晴朗，溫度約為30℃，夜間溫度約8℃，晝夜溫差較大，線路故障桿塔區(qū)域無(wú)雷電活動(dòng)，最大風(fēng)速5.3 m/s，風(fēng)向西北，濕度80%。

1.4 故障點(diǎn)查找

經(jīng)查找，發(fā)現(xiàn)147號(hào)桿塔L3相中串引流間隔棒1號(hào)和6號(hào)線握手、導(dǎo)線以及桿塔正上方塔材存在明顯放電痕跡，復(fù)合絕緣子上可見明顯灼燒痕跡，如圖1、圖2所示。

圖1 L3相引流中串間隔棒和上橫擔(dān)放電痕跡

圖2 L3相中串復(fù)合絕緣子灼燒

2 故障點(diǎn)試驗(yàn)分析

2.1 故障絕緣子表面狀態(tài)

現(xiàn)場(chǎng)取下故障復(fù)合絕緣子串，對(duì)其表面狀態(tài)進(jìn)行檢查。故障復(fù)合絕緣子為一大傘和一小傘組合，共39組78個(gè)傘裙，部分護(hù)套及傘裙上可見明顯灼燒痕跡、斑點(diǎn)及鳥糞，具體如下。

（1）絕緣子串高壓端第1組小傘下表面有發(fā)黑放電痕跡；

（2）第13—16組大傘傘裙表面有發(fā)黑放電痕跡；

（3）第2—5組、12—16組傘裙護(hù)套有不同程度的黑斑和白斑，黑斑用手剝落后呈現(xiàn)出與白斑類似的特征；

（4）第1—28組傘裙表面有不同程度的鳥糞痕跡，且鳥糞集中在傘裙的同一側(cè)。

2.2 放電特征分析

從放電點(diǎn)分布形式分析，根據(jù)歷年來(lái)鳥害故障放電特征，鳥糞會(huì)直接短接塔材與導(dǎo)線間的空氣間隙，形成弧光放電，放電點(diǎn)基本呈大小不同的麻點(diǎn)狀，散落在導(dǎo)線、線夾或金具上，且故障多為單點(diǎn)單次跳閘。但本次故障是在同一點(diǎn)連續(xù)發(fā)生5次跳閘，導(dǎo)線上未發(fā)現(xiàn)麻點(diǎn)狀放電點(diǎn)，且導(dǎo)線側(cè)放電點(diǎn)位于線夾絕緣子端部金具和握手內(nèi)部及邊緣，屬于金屬內(nèi)部導(dǎo)通放電，非弧光短路放電。

從故障相別、電流、測(cè)距等方面分析，5次故障均發(fā)生在L3相，故障電流分別為5.37 kA、5.508 kA、4.923 kA、6.234 kA、4.431 kA，故障測(cè)距分別為84.5 km、86.5 km、86 km、86 km、85.5 km。因每次放電過(guò)程中系統(tǒng)提供的短路電流大小不同，產(chǎn)生的阻抗值略有差異，故障測(cè)距也會(huì)隨之波動(dòng)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)反復(fù)查找，未發(fā)現(xiàn)其他故障點(diǎn)，可確定5次故障點(diǎn)的唯一性。

從環(huán)境因素和故障放電時(shí)間分析，該線路147號(hào)桿塔故障地段位于赤峰巴林左旗，為葫蘆口地形，故障桿塔區(qū)段海拔高于1000 m。故障發(fā)生當(dāng)日天氣晴朗，晝夜溫差較大。夜晚濕度約為80%，基本無(wú)風(fēng)，致使大量水蒸氣在塔材、金具、復(fù)合絕緣子周圍形成凝露。21：00左右，凝露層厚度不斷增加，形成水滴，從而在塔材、復(fù)合絕緣子表面形成夾雜殘余鳥糞和灰塵的水流，多處水流在電壓作用下形成貫穿性放電通道，造成線路跳閘（第1次跳閘），絕緣子閃絡(luò)后，凝露蒸發(fā)，絕緣恢復(fù)。第1次跳閘約100 min后，發(fā)生第2次跳閘，之后3次跳閘時(shí)間間隔分別為94 min、108 min和98 min，連續(xù)兩次跳閘時(shí)間間隔約為100 min。每次跳閘絕緣性能恢復(fù)后，絕緣子表面再次形成凝露，并形成貫穿性放電通道，造成線路再次跳閘，如此反復(fù)共計(jì)發(fā)生5次。直至凌晨04：00后，氣溫回升，濕度降低，不再具備形成貫穿性放電通道的條件。

2.3 復(fù)合絕緣子試驗(yàn)

該線路于2009年12月投運(yùn)，已在線運(yùn)行11年。按照GB/T 19519—2004《標(biāo)稱電壓高于1000 V的交流架空線路用復(fù)合絕緣子—定義、試驗(yàn)方法及驗(yàn)收準(zhǔn)則》[1]對(duì)故障復(fù)合絕緣子串和3串正常絕緣子進(jìn)行全項(xiàng)試驗(yàn)。

2.3.1 外觀檢查

送檢絕緣子外觀整體均呈淺灰色，表面有鳥糞痕跡，尤其是故障絕緣子表面有大量的鳥糞，將靠近高壓側(cè)的第1個(gè)傘裙編為1號(hào)，依次向低壓側(cè)編號(hào)。外觀檢測(cè)表明，第10—18組大傘傘裙的鳥糞非常明顯（見圖3），無(wú)金具銹蝕、芯棒裸露、端部密封、傘破損等問(wèn)題。

圖3 故障絕緣子鳥糞痕跡

2.3.2 憎水性測(cè)試

參照GB/T 19519—2004對(duì)500 kV樣品采用噴水分級(jí)法進(jìn)行憎水性測(cè)試。用噴壺向試品噴灑水霧，噴嘴距試品約25 cm，每秒噴灑1次，共計(jì)25次。試品表面應(yīng)有水滴流下，噴灑完成后30 s內(nèi)，判斷試品表面的憎水性，分級(jí)依據(jù)見表1和圖4。

表1 試品表面水滴狀態(tài)與憎水性等級(jí)對(duì)照表

圖4 不同憎水性等級(jí)水滴形態(tài)

4支樣品的憎水性測(cè)試情況見圖5所示。測(cè)試結(jié)果表明，復(fù)合絕緣子的憎水性保持在HC1—HC3。

圖5 樣品憎水性測(cè)試情況

2.3.3 鹽灰密測(cè)試

根據(jù)試驗(yàn)方案，對(duì)2號(hào)樣品（正常串）和4號(hào)樣品（故障串）進(jìn)行鹽灰密測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見表2。故障串絕緣子表面的鹽灰密均偏高，且未考慮長(zhǎng)途運(yùn)輸?shù)挠绊?，鹽密接近0.013 mg/cm2，灰密高于0.026 mg/cm2。根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果計(jì)算現(xiàn)場(chǎng)爬電距離為8800 mm，該型號(hào)絕緣子結(jié)構(gòu)高度4050 mm，最小公稱爬電距離為13 750 mm，滿足正常運(yùn)行要求。經(jīng)觀察，現(xiàn)場(chǎng)周邊少有人跡活動(dòng)，鳥糞是主要污染源，在放電過(guò)程中被燒蝕而脫落，在運(yùn)輸過(guò)程中試品表面的鳥糞也會(huì)脫落，因此鹽灰密測(cè)試結(jié)果相對(duì)較低。

表2 樣品的鹽灰密測(cè)試結(jié)果 mg/cm2

2.4 韌性、工頻溫升、端部密封測(cè)試

復(fù)合絕緣子傘裙韌性良好，進(jìn)行彎折試驗(yàn)后都能恢復(fù)至原樣。對(duì)4支復(fù)合絕緣子開展工頻耐受試驗(yàn)（試驗(yàn)電壓289 kV），未出現(xiàn)異常發(fā)熱現(xiàn)象。用脫脂棉包裹住金具和芯棒的連接處，再用保鮮膜包裹后注入品紅，靜置20 min，用70%額定拉力拉60 s，用裁紙刀切開連接處觀察品紅是否滲透。試驗(yàn)結(jié)果表明，端部密封性能良好。

2.5 拉伸破壞試驗(yàn)

對(duì)完成端部密封的2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)樣品進(jìn)行拉伸破壞試驗(yàn)，結(jié)果均符合要求[2]。

2.6 解剖檢驗(yàn)試驗(yàn)

對(duì)非故障串的2號(hào)和3號(hào)樣品進(jìn)行解剖檢查，粘接情況良好。對(duì)故障復(fù)合絕緣子外觀檢查中發(fā)現(xiàn)第5組大傘和第6組大傘之間的護(hù)套上有鼓包，如圖6所示。剖開鼓包處傘裙護(hù)套的一側(cè)，發(fā)現(xiàn)護(hù)套與芯棒黏結(jié)不好，從高壓端起測(cè)量，黏結(jié)不牢的位置在22~35 cm處。同時(shí)，在166~210 cm處也出現(xiàn)了黏結(jié)不牢的現(xiàn)象，黏結(jié)不良區(qū)域長(zhǎng)度約為44 cm。

圖6 護(hù)套（白色部位）鼓包

此外，解剖檢查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，故障串復(fù)合絕緣子芯棒顏色與剖檢的非故障樣品不一致，如圖7所示，呈深褐色。但故障復(fù)合絕緣子的芯棒表面光滑，顏色與質(zhì)地均勻，未發(fā)現(xiàn)放電可能引發(fā)的發(fā)白、發(fā)黃或發(fā)黑痕跡，顏色差異不排除由放電所致。

圖7 故障串與非故障串的芯棒顏色差異

3 故障原因分析

3.1 鳥類閃絡(luò)

根據(jù)本次現(xiàn)場(chǎng)排查，在周邊塔位發(fā)現(xiàn)了大型鳥類活動(dòng)的跡象，經(jīng)分析，認(rèn)為黑鸛的可能性最高。黑鸛屬于大型鳥類，其排便量一次可高達(dá)50 ml，當(dāng)時(shí)正處于候鳥遷徙、鳥害高發(fā)季節(jié)，具備誘發(fā)鳥糞閃絡(luò)的條件，但在同一基塔、同一串絕緣子，同一類鳥在343 min內(nèi)連續(xù)5次發(fā)生鳥糞閃絡(luò)，理論上認(rèn)為該種情況不可能發(fā)生，但不排除鳥糞可能誘發(fā)了其中的某次跳閘[3-10]。

3.2 草原凝露

凝露需滿足的條件是物體表面溫度低于露點(diǎn)溫度。其中露點(diǎn)溫度Td滿足：

式中：T為大氣環(huán)境溫度，RH為空氣濕度，根據(jù)9月2日晚在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的溫濕度情況可知，T=13℃，RH=80%。推算出露點(diǎn)溫度約為9℃，即此時(shí)如果鐵塔或絕緣子表面溫度低于9℃，物體表面將會(huì)開始凝露。當(dāng)環(huán)境溫度較低時(shí)（如秋冬季），基體（如金屬）表面溫度通常低于或等于環(huán)境溫度，溫差往往與日照時(shí)間及工件厚度有關(guān)。在這種溫濕度條件下，金屬或硅橡膠材料表面可能發(fā)生凝露。

內(nèi)蒙古草原環(huán)境下9月上旬的凝露速率為0.25~1 g/（m2·min），此處以1 g/（m2·min）進(jìn)行計(jì)算。凝露所產(chǎn)生的液滴要從基體表面滴落，需滿足[4]：

式中：m為發(fā)生滴落時(shí)液滴的臨界質(zhì)量；g為重力加速度；r為液滴半徑（約3 mm）；γ為水的表面張力（72.75 mN/m）。

根據(jù)凝露過(guò)程中液滴間距的統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律，同一平面中通常相鄰液滴之間的間距約為2 cm。據(jù)此，可求得相鄰兩次凝露滴水之間的時(shí)間間隔應(yīng)不大于171 min。加之絕緣子串上放電前附著大量鳥糞，改變了液滴的均勻程度和液滴間的距離，從而縮短了相鄰兩次凝露滴水之間的時(shí)間間隔。由此可知，復(fù)合絕緣子每個(gè)傘裙表面上的每次的凝露滴水量足以誘發(fā)傘裙間空氣間隙擊穿放電。

結(jié)合復(fù)合絕緣子的鹽灰密測(cè)量結(jié)果，即在不考慮運(yùn)輸造成影響的前提下，故障串鹽密接近于0.013 mg/cm2，灰密高于0.026 mg/cm2，加上凝露滴水混合物形成橋接，進(jìn)而形成貫穿性放電通道。由此，判斷凝露可能是導(dǎo)致本次跳閘的主要原因。

3.3 故障原因確定

綜合分析故障區(qū)段地理環(huán)境、試驗(yàn)結(jié)果、放電通道及放電痕跡，確認(rèn)本次故障原因?yàn)椋涸谒?、?fù)合絕緣子表面形成夾雜殘余鳥糞和灰塵的凝露滴水混合物，沿絕緣子表面向下流，多處同時(shí)橋接復(fù)合絕緣子傘裙，在電壓作用下形成了貫穿性放電通道，造成線路單相接地故障跳閘。

4 防范措施

（1）開展鳥類活動(dòng)觀測(cè)，掌握鳥類活動(dòng)周期，鳥類特征、活動(dòng)規(guī)律和生活習(xí)性，分析鳥害故障季節(jié)性、時(shí)間性、區(qū)域性、瞬時(shí)性、重復(fù)性特點(diǎn)，區(qū)分留鳥與候鳥的危害程度，研究綜合防鳥措施并予以落實(shí)，防止鳥糞閃絡(luò)。

（2）適時(shí)修訂涉鳥故障風(fēng)險(xiǎn)分布圖，開展在運(yùn)防鳥裝置隱患排查，及時(shí)補(bǔ)充完善防鳥裝置，消除安裝不規(guī)范、安裝工藝不合格防鳥裝置隱患和橫擔(dān)上鳥巢隱患，防止鳥類長(zhǎng)期棲息桿塔污染絕緣子[11]。

（3）結(jié)合線路運(yùn)行狀態(tài)，梳理統(tǒng)計(jì)不同區(qū)域、不同廠家在運(yùn)線路復(fù)合絕緣子運(yùn)行情況，嚴(yán)格執(zhí)行DL/T 1580—2016《架空輸電線路運(yùn)行規(guī)程》開展鳥巢清除、復(fù)合絕緣子清掃和電氣機(jī)械抽樣檢測(cè)試驗(yàn)[12]等工作，明確檢測(cè)原則，優(yōu)先選擇運(yùn)行環(huán)境較惡劣的復(fù)合絕緣子檢測(cè)，及時(shí)掌握復(fù)合絕緣子運(yùn)行情況。

（4）防治鳥糞類故障應(yīng)根據(jù)需要合理配置防鳥刺、防鳥罩、防鳥擋板、防鳥絕緣包覆，可考慮配置大盤徑絕緣子；防治鳥巢類故障以防鳥盒、防鳥擋板封堵為主，桿塔構(gòu)件尺寸較小的部位應(yīng)采用防鳥盒封堵或采用防鳥擋板覆蓋橫擔(dān)下平面的構(gòu)架。對(duì)于鳥糞類和鳥巢類故障風(fēng)險(xiǎn)均存在的桿塔，鳥類活動(dòng)頻繁、鳥害頻發(fā)區(qū)域的線路，兩類措施均應(yīng)實(shí)施。

（5）根據(jù)線路運(yùn)行環(huán)境和桿塔結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可采取倒傘開合式防鳥刺、可移動(dòng)式綜合防鳥裝置、可折疊防鳥擋板、懸垂串聯(lián)動(dòng)百葉窗式防鳥擋板[13]等新型防鳥裝置，但要充分考慮長(zhǎng)期耐受紫外線、雨、冰、風(fēng)、雪、溫度變化等外部環(huán)境和短時(shí)惡劣天氣的考驗(yàn)。也可采用人造鳥巢平臺(tái)，在離線路較遠(yuǎn)的高大樹木，合理引導(dǎo)鳥類筑巢。

（6）電子類驅(qū)鳥產(chǎn)品[13]，風(fēng)車式、旋轉(zhuǎn)式反光鏡等驚鳥裝置的防鳥效果有待進(jìn)一步積累運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，不宜大范圍推廣。