500 kV线路鸟粪引起的空气间隙击穿跳闸分析

黄金领，黄金泉，韦学浩，邓永健

(1.中国南方电网超高压输电公司南宁局，广西 南宁 530028；2.中国南方电网广西电网公司来宾供电局，广西 来宾 546100)

0 引言

在220 kV及以下电压等级，鸟粪造成线路跳闸的故障还是比较常见的[1]。鸟粪造成500 kV线路跳闸的情况在国内也有一些实例[2-4]，而南网超高压输电公司目前管辖的500 kV线路长达16 862.58 km，横贯云南、贵州、广东、广西、海南五省，之前近18年来从未有过鸟粪造成跳闸的报告，一方面与500 kV线路绝缘强度高有关，另一方面南方地区林木茂密，适合鸟类栖息的地点较多，大型鸟类在高塔上栖息相对较少。

2018-12-15，500 kV平来一线392号塔发生一起鸟粪引起的空气间隙击穿跳闸。以下对本次跳闸进行分析，与国内500 kV线路鸟粪造成跳闸的文献[2-4]主要从宏观上进行分析推导不同，下面主要从故障点痕迹、鸟粪痕迹等细节上进行分析，为鸟粪造成500 kV线路跳闸的研究提供佐证，为线路运行维护和故障点查找、分析提供借鉴。

1 设备概况

500 kV平来一线(以下简称“平来线”)是西电东送南通道的天广一回送电线路的其中一段，地处广西境内，从500 kV平果变电站至500 kV来宾变电站，于1993-01-22建成投运[5]。导线采用4×LGJ300/40，设计的工频电压间隙均为1.2 m。其中392号塔塔型为猫头塔LM1-27，参数见表1；原绝缘子为28片LXP-16玻璃绝缘子，2006年更换为复合绝缘子，型号为FXBW-500/160-4340，参数见表2。392号塔地处来宾良江镇高岭村。

表1 LM1-27铁塔主要参数

表2 FXBW-500/160-4340 主要参数

2 故障跳闸和巡查情况

2018-12-15T04：55，平来线B相跳闸，主一、主二、主三保护动作，自动重合成功。500 kV平果变电站行波测距为172.714 km，对应塔号387号—388号，来宾站行波测距7.453 km，对应塔号388号—389号，故障区域为阴天潮湿天气。

经现场特巡发现，平来线392号塔B相(中相)右上子导线、联板、绝缘子芯棒护套、两端均压环均存在明显放电痕迹；该合成绝缘子伞裙边缘、两端均压环、中相下方瓶口塔材、铁塔下方的树叶上存在白色鸟粪，拉线所在田地发现大型鸟类的羽毛。

3 原因分析

3.1 初步原因分析

(1) 由于故障行波波形显示故障属于金属性接地，且双端测距一致，因此，故障点可以确定在387号—389号塔附近。根据巡查发现392号塔中相导线、塔头端均存在放电痕迹，可以判定392号塔中相即是本次线路跳闸的故障点。

(2) 查询南网雷电定位系统，跳闸前后1 h 387号—389塔5 km范围均无落雷记录，因此可排除雷击造成的跳闸。线路通道均为甘蔗耕地，且跳闸为金属性接地，因此，也可以排除导线对树木放电的可能。故障期间，现场并无强风，因此也可以排除导线风偏对铁塔放电的可能。

(3) 对392号塔中相放电痕迹进行观察，虽然在导线、联板、均压环上有放电痕迹，但是合成绝缘子表面并没有任何放电灼伤痕迹，因此，可以排除污闪造成的跳闸。合成绝缘子端部、芯棒护套密封良好，无破损和击穿痕迹，不存在芯棒击穿造成的永久性故障，因此，也可以排除合成绝缘子芯棒击穿造成的跳闸。

(4) 放电通道分析。为进一步分析故障原因，12月27日，运行单位带电将故障杆塔中相合成绝缘子更换下来。通过进一步观察发现：

① 塔头端(地端)在均压环上有一处约9 cm2的金属烧熔滴瘤痕迹。

② 导线端(高压端)的均压环上有分散的放电灼伤点。均压环及其支撑架螺栓连接处、均压环支撑架与合成绝缘子螺栓连接处、合成绝缘子钢脚均有明显的放电烧熔痕迹，尤其是合成绝缘子钢脚烧熔坑洼严重。

③ 根据放电痕迹可以推断出短路电流的流通通道为“导线－绝缘子钢脚－高压端均压环－低压端均压环－铁塔”，特别是两均压环之间是直接被电弧连通的。

(5) 在上均压环凹槽有约13 cm×5 cm的一大片白色鸟粪，其对应的均压环外缘(贴近放电痕迹)有多道白色鸟粪下流痕迹。在合成绝缘子上有多达32片伞裙边缘有白色鸟粪痕迹。在下均压环有三处白色鸟粪，其中一处面积约为16 cm2。在绝缘子串下方的瓶口塔材、铁塔下方的树叶上存在白色鸟粪，拉线所在的甘蔗地发现大型鸟类的羽毛。

(6) 根据以上分析及鸟粪痕迹，可以初步判断是大型鸟类在铁塔中相上方排泄粪便，造成合成绝缘子上下均压环间空气间隙绝缘击穿引起接地短路造成线路跳闸。

3.2 鸟类引起线路跳闸的原理

鸟类引起线路跳闸的类型一般有如下4种：

(1) 鸟类在塔上筑巢时，所用的长形枝条短接绝缘子造成线路跳闸。这种方式一般发生在35 kV及以下的低压线路。

(2) 大型鸟类飞行或活动时展翅造成导线接地短路引起线路跳闸。

(3) 大量鸟类在塔上、绝缘子串上方排泄粪便，造成绝缘子串大面积污染，在潮湿、毛毛雨天气时绝缘水平大幅度下降，造成绝缘子沿面闪络跳闸。

(4) 鸟粪引起的空气间隙击穿跳闸。

鸟粪引起的空气间隙击穿跳闸的具体原理。鸟类的粪便是一种固体和液体混合物，具有较强的导电性，其电导率可达8000 μS/cm[6]，其白色部分，具有较强的粘性和流动性。当大型鸟类在绝缘子边缘上方排泄粪便时，其粪便在下落过程中连成长线，短接部分空气间隙，当剩下的空气间隙绝缘强度小于工频击穿电压时，导线即对地短路放电，造成线路跳闸。根据文献[6]的研究，鸟粪下落形成连线的原理是，鸟粪排泄时，根据自由落体加速度可知，先下落部分的速度总大于后下落部分的速度，在下落过程中两者之间的空间距离会变大，由于鸟粪有粘性，两者之间会拉丝成线，短接部分空气间隙。根据文献[7]的试验证实，鸟粪下落过程中的连线最大可长达3.25 m。

假设鸟类排泄用时t=1 s，即先下落和后下落两部分之间间隔1 s。根据自由落体计算公式可算得先下落部分的下落长度为：

即后下落的部分刚开始下落时，先排泄部分已经下落4.9 m，两者之间拉丝成线长达4.9 m，已经超过正常500 kV交流线绝缘子串几何长度。

不同排泄用时情况下鸟粪拉丝长度大不相同，其计算结果见表3。

表3 不同排泄用时的鸟粪拉丝长度

从上表可知，对于绝缘子串几何长度为4.340 m的500 kV线路，当鸟粪排泄时间超过0.761 s时，鸟粪拉丝长度达到2.84 m，短接相应空气间隙，两均压环间剩下的空气间隙为1.2 m，可以被工频电压击穿，造成线路跳闸。

3.3 本次跳闸鸟粪拉丝过程分析

表3的计算为理想状态，由于先后下落两者之间有粘性，在有限时间内的拉丝长度会小于计算长度，而且从实际生活来看，禽类的排泄时间不太可能达到0.7～1.0 s的时间，甚至不超过0.5 s。但是特殊情况下，鸟粪前后两部分的下落时间间隔远远超过1 s，即鸟粪先排泄在物体上，从物体上流淌下来缓慢滴落。

本次跳闸中，从上下均压环和绝缘子伞群上的鸟粪痕迹来看，首先在上均压环的凹槽有一大摊白色鸟粪，对应均压环外沿有大面积白色鸟粪流淌痕迹，接着在均压环鸟粪痕迹对应位置下方的第4片绝缘子伞群开始，一直到第21片伞群外沿都有白色鸟粪痕迹，最后在下均压环上也有一摊圆形鸟粪痕迹。这些痕迹明显形成一条右旋的连线，从上均压环的鸟粪痕迹到下均压环的痕迹，基本上绕着绝缘子串旋转了180°。由此可以推断，鸟类在均压环上方排泄，刚好落在均压环凹槽和外沿分界线上，一部鸟粪流入凹槽内，一部分从外沿沿着弧形外表面往下流淌，当汇流到均压环外弧的最低点时，开始往下方滴落并拉丝，该拉丝时间可以远远大于鸟类直接排泄时间，因此，其拉丝长度可以超过表3的长度。可以推测，在拉丝至少超过第21片伞群的过程中，刚好有微风吹来，把丝线往右前方吹拂；当微风间歇停止时，丝线回摆，或者在绝缘子串下风侧形成的空气漩涡使得丝线右旋，碰到了绝缘子伞群，在伞群上留下了痕迹，超过第21片的丝线坠落到下均压环上，形成边缘光滑的圆形痕迹，无向外飞溅的星形锯齿，这也是粘液缓慢滴落的常见形状。如果鸟粪没有拉丝成线，而是直接坠落，其痕迹不可能形成这样的螺旋，况且均压环半径大于合成绝缘子伞群10 cm以上，没有拉丝成线和风的作用，也碰不到伞群。因为第1～3片伞群边缘是没有鸟粪痕迹的，可以排除鸟粪直接从伞群边缘正上方下落造成的痕迹。

因此，可以判定本次鸟粪拉丝长度可以超过3.14 m的长度，导致剩余的间隙小于1.2 m，造成工频电压击穿放电跳闸。空气击穿形成电弧时，鸟粪丝线尚未从上均压环脱离，因此上均压环的放电灼伤集中在一个点上，而被击穿的1.2 m空气间隙位于鸟粪前端和下均压环之间，由于电弧存在飘移情况，因此下均压环上的电弧灼伤点比较分散，分布在下均压环的1/3弧长范围内。

而且，根据500 kV线路短路试验的经验，空气间隙击穿短路时，存在较大的空气膨胀爆炸情况。本次故障跳闸巡线对沿线村民的走访也证实了跳闸时刻存在爆炸的声音。即空气击穿爆炸时，电弧通道内的拉丝鸟粪应该烧成灰烬，不可能在绝缘子上留下痕迹。因此，造成线路跳闸的并不一定是上述的螺旋形鸟粪拉丝线。观察上均压环外缘的鸟粪痕迹可以发现，至少有3条明显的鸟粪流淌痕迹，在下方的绝缘子中部连续5片伞群外沿有白色鸟粪痕迹，在靠近导线端的倒数第1～7片伞群外沿上也有鸟粪痕迹，在下均压环还有两处较小的鸟粪痕迹。即上均压环流淌下来的鸟粪拉丝成线可能存在3条及以上，而在均压环外沿弧的流淌给予了鸟粪拉丝成线的充分时间，其长度较容易达到3.14 m以上，短接空气，从而造成线路剩下空气间隙击穿跳闸。从上均压环凹槽中留存的13 cm×5 cm的一大摊白色鸟粪即可知本次鸟粪排泄量之大。

3.4 故障原因

综上所述，从故障点电弧灼伤痕迹、鸟粪痕迹以及鸟粪拉丝长线的分析来看，本次线路跳闸是由于鸟类排泄时，鸟粪从均压环外沿流下，有足够的时间在滴落过程中拉丝长线，短接了大部分空气间隙，剩下的空气间隙被工频电压击穿而造成的。

4 鸟粪引起的空气间隙击穿跳闸的特性

根据本次跳闸的现象和跳闸机理的分析，鸟粪引起的空气间隙击穿跳闸有以下特性：

(1) 跳闸一般发生在凌晨05：00—07：00，比较符合鸟类活动的习性。鸟类经过一个晚上的休息，起来活动、排泄，准备觅食。

(2) 由于是空气击穿造成的接地短路，地端为铁塔，在故障波形上显示为金属性接地。

(3) 空气击穿建弧后，故障条件已经消失，因此，跳闸一般都能重合成功。

(4) 故障点的灼伤痕迹一般在上下均压环、联板、导线上，而绝缘子上并没有放电痕迹。

(5) 故障相一般是中相，因为中相的塔材比较平整，便于大型鸟类站立。

(6) 在铁塔、均压环、瓶口塔材、甚至塔下都有鸟粪痕迹，但不一定是大面积的鸟粪污染。

(7) 绝缘子有上下均压环。一方面均压环的存在减小了绝缘子的几何间距，另一方面鸟粪要引起500 kV线路的空气间隙击穿必须要有足够的滴落拉丝时间，因此，一般鸟粪先排泄在均压环上或类似半径的塔材上，再流淌下来，而上均压环正好提供了这样的条件。

5 结论和建议

经过分析可以得到如下结论：

(1) 鸟粪在绝缘子附近滴落过程中拉丝成线，短接了大部分空气间隙，可以使得剩下的空气间隙被工频电压击穿，从而造成500 kV线路跳闸。

(2) 鸟粪要造成500 kV线路跳闸，必须先排泄在均压环等物体上，使得其有足够的滴落拉丝时间，形成足以短接大部分空气间隙的长度。直接从鸟类粪门排泄下落的鸟粪难以形成足以令500 kV线路跳闸的拉丝长度。

根据故障原因，建议采取安装防鸟挡板的措施，即在绝缘子挂点横担上铺设绝缘挡板，其宽度应达到横担边缘，其覆盖面务必超过均压环的范围，且尽可能增大覆盖面，加大鸟粪从挡板边缘下落时与绝缘子的水平距离。