复合绝缘子闪络故障原因分析及防范措施

祝永坤，王军亮，李硕，周路焱，郑瑞峰

（国网内蒙古东部电力有限公司，呼和浩特 010010）

0 引言

北方地区每年9月份至冬季来临时，受西伯利亚寒流影响，大量候鸟由北向南迁徙，许多候鸟在迁徙过程中常会在兴安岭附近逗留较长时间，因地表温度低而栖息输电线路杆塔上，给输电线路的安全运行带来威胁。鸟粪多会造成输电线路单相接地短路故障跳闸，近年来也出现了多起鸟粪污染绝缘子造成的闪络故障。本文以某500 kV线路鸟粪污染复合绝缘子凝露桥接闪络故障为例，分析放电机理，并提出相应的整改措施。

1 故障概况

1.1 故障过程

2019-09-01T21：01，某500 kV紧凑型线路两侧开关跳闸，L3相故障，重合成功。之后又在当日22：44，次日00：18、02：06、03：44分别发生两侧开关跳闸，均为L3相故障，重合成功，保护正确动作，电流差动保护动作，距离Ⅰ段动作。

1.2 故障区段基本情况

故障线路为紧凑型线路，于2009-12-29投运。发生故障设备为147号铁塔，塔型为DJ22型耐张塔，呼称高21 m，耐张绝缘子为FC300/195型玻璃绝缘子,每串28片，跳线绝缘子为FXBW4—500/100型复合绝缘子，每相3支。147号塔所在位置海拔1070 m，线路通道两侧为丘陵，中间呈缓坡，右高左低。

1.3 故障时段天气

故障发生当日，线路故障区段天气晴朗，温度约为30℃，夜间温度约8℃，昼夜温差较大，线路故障杆塔区域无雷电活动，最大风速5.3 m/s，风向西北，湿度80%。

1.4 故障点查找

经查找，发现147号杆塔L3相中串引流间隔棒1号和6号线握手、导线以及杆塔正上方塔材存在明显放电痕迹，复合绝缘子上可见明显灼烧痕迹，如图1、图2所示。

图1 L3相引流中串间隔棒和上横担放电痕迹

图2 L3相中串复合绝缘子灼烧

2 故障点试验分析

2.1 故障绝缘子表面状态

现场取下故障复合绝缘子串，对其表面状态进行检查。故障复合绝缘子为一大伞和一小伞组合，共39组78个伞裙，部分护套及伞裙上可见明显灼烧痕迹、斑点及鸟粪，具体如下。

（1）绝缘子串高压端第1组小伞下表面有发黑放电痕迹；

（2）第13—16组大伞伞裙表面有发黑放电痕迹；

（3）第2—5组、12—16组伞裙护套有不同程度的黑斑和白斑，黑斑用手剥落后呈现出与白斑类似的特征；

（4）第1—28组伞裙表面有不同程度的鸟粪痕迹，且鸟粪集中在伞裙的同一侧。

2.2 放电特征分析

从放电点分布形式分析，根据历年来鸟害故障放电特征，鸟粪会直接短接塔材与导线间的空气间隙，形成弧光放电，放电点基本呈大小不同的麻点状，散落在导线、线夹或金具上，且故障多为单点单次跳闸。但本次故障是在同一点连续发生5次跳闸，导线上未发现麻点状放电点，且导线侧放电点位于线夹绝缘子端部金具和握手内部及边缘，属于金属内部导通放电，非弧光短路放电。

从故障相别、电流、测距等方面分析，5次故障均发生在L3相，故障电流分别为5.37 kA、5.508 kA、4.923 kA、6.234 kA、4.431 kA，故障测距分别为84.5 km、86.5 km、86 km、86 km、85.5 km。因每次放电过程中系统提供的短路电流大小不同，产生的阻抗值略有差异，故障测距也会随之波动。经现场反复查找，未发现其他故障点，可确定5次故障点的唯一性。

从环境因素和故障放电时间分析，该线路147号杆塔故障地段位于赤峰巴林左旗，为葫芦口地形，故障杆塔区段海拔高于1000 m。故障发生当日天气晴朗，昼夜温差较大。夜晚湿度约为80%，基本无风，致使大量水蒸气在塔材、金具、复合绝缘子周围形成凝露。21：00左右，凝露层厚度不断增加，形成水滴，从而在塔材、复合绝缘子表面形成夹杂残余鸟粪和灰尘的水流，多处水流在电压作用下形成贯穿性放电通道，造成线路跳闸（第1次跳闸），绝缘子闪络后，凝露蒸发，绝缘恢复。第1次跳闸约100 min后，发生第2次跳闸，之后3次跳闸时间间隔分别为94 min、108 min和98 min，连续两次跳闸时间间隔约为100 min。每次跳闸绝缘性能恢复后，绝缘子表面再次形成凝露，并形成贯穿性放电通道，造成线路再次跳闸，如此反复共计发生5次。直至凌晨04：00后，气温回升，湿度降低，不再具备形成贯穿性放电通道的条件。

2.3 复合绝缘子试验

该线路于2009年12月投运，已在线运行11年。按照GB/T 19519—2004《标称电压高于1000 V的交流架空线路用复合绝缘子—定义、试验方法及验收准则》[1]对故障复合绝缘子串和3串正常绝缘子进行全项试验。

2.3.1 外观检查

送检绝缘子外观整体均呈浅灰色，表面有鸟粪痕迹，尤其是故障绝缘子表面有大量的鸟粪，将靠近高压侧的第1个伞裙编为1号，依次向低压侧编号。外观检测表明，第10—18组大伞伞裙的鸟粪非常明显（见图3），无金具锈蚀、芯棒裸露、端部密封、伞破损等问题。

图3 故障绝缘子鸟粪痕迹

2.3.2 憎水性测试

参照GB/T 19519—2004对500 kV样品采用喷水分级法进行憎水性测试。用喷壶向试品喷洒水雾，喷嘴距试品约25 cm，每秒喷洒1次，共计25次。试品表面应有水滴流下，喷洒完成后30 s内，判断试品表面的憎水性，分级依据见表1和图4。

表1 试品表面水滴状态与憎水性等级对照表

图4 不同憎水性等级水滴形态

4支样品的憎水性测试情况见图5所示。测试结果表明，复合绝缘子的憎水性保持在HC1—HC3。

图5 样品憎水性测试情况

2.3.3 盐灰密测试

根据试验方案，对2号样品（正常串）和4号样品（故障串）进行盐灰密测试，测试结果见表2。故障串绝缘子表面的盐灰密均偏高，且未考虑长途运输的影响，盐密接近0.013 mg/cm2，灰密高于0.026 mg/cm2。根据实测结果计算现场爬电距离为8800 mm，该型号绝缘子结构高度4050 mm，最小公称爬电距离为13 750 mm，满足正常运行要求。经观察，现场周边少有人迹活动，鸟粪是主要污染源，在放电过程中被烧蚀而脱落，在运输过程中试品表面的鸟粪也会脱落，因此盐灰密测试结果相对较低。

表2 样品的盐灰密测试结果 mg/cm2

2.4 韧性、工频温升、端部密封测试

复合绝缘子伞裙韧性良好，进行弯折试验后都能恢复至原样。对4支复合绝缘子开展工频耐受试验（试验电压289 kV），未出现异常发热现象。用脱脂棉包裹住金具和芯棒的连接处，再用保鲜膜包裹后注入品红，静置20 min，用70%额定拉力拉60 s，用裁纸刀切开连接处观察品红是否渗透。试验结果表明，端部密封性能良好。

2.5 拉伸破坏试验

对完成端部密封的2号、3号、4号样品进行拉伸破坏试验，结果均符合要求[2]。

2.6 解剖检验试验

对非故障串的2号和3号样品进行解剖检查，粘接情况良好。对故障复合绝缘子外观检查中发现第5组大伞和第6组大伞之间的护套上有鼓包，如图6所示。剖开鼓包处伞裙护套的一侧，发现护套与芯棒黏结不好，从高压端起测量，黏结不牢的位置在22~35 cm处。同时，在166~210 cm处也出现了黏结不牢的现象，黏结不良区域长度约为44 cm。

图6 护套（白色部位）鼓包

此外，解剖检查过程中发现，故障串复合绝缘子芯棒颜色与剖检的非故障样品不一致，如图7所示，呈深褐色。但故障复合绝缘子的芯棒表面光滑，颜色与质地均匀，未发现放电可能引发的发白、发黄或发黑痕迹，颜色差异不排除由放电所致。

图7 故障串与非故障串的芯棒颜色差异

3 故障原因分析

3.1 鸟类闪络

根据本次现场排查，在周边塔位发现了大型鸟类活动的迹象，经分析，认为黑鹳的可能性最高。黑鹳属于大型鸟类，其排便量一次可高达50 ml，当时正处于候鸟迁徙、鸟害高发季节，具备诱发鸟粪闪络的条件，但在同一基塔、同一串绝缘子，同一类鸟在343 min内连续5次发生鸟粪闪络，理论上认为该种情况不可能发生，但不排除鸟粪可能诱发了其中的某次跳闸[3-10]。

3.2 草原凝露

凝露需满足的条件是物体表面温度低于露点温度。其中露点温度Td满足：

式中：T为大气环境温度，RH为空气湿度，根据9月2日晚在现场实测的温湿度情况可知，T=13℃，RH=80%。推算出露点温度约为9℃，即此时如果铁塔或绝缘子表面温度低于9℃，物体表面将会开始凝露。当环境温度较低时（如秋冬季），基体（如金属）表面温度通常低于或等于环境温度，温差往往与日照时间及工件厚度有关。在这种温湿度条件下，金属或硅橡胶材料表面可能发生凝露。

内蒙古草原环境下9月上旬的凝露速率为0.25~1 g/（m2·min），此处以1 g/（m2·min）进行计算。凝露所产生的液滴要从基体表面滴落，需满足[4]：

式中：m为发生滴落时液滴的临界质量；g为重力加速度；r为液滴半径（约3 mm）；γ为水的表面张力（72.75 mN/m）。

根据凝露过程中液滴间距的统计学规律，同一平面中通常相邻液滴之间的间距约为2 cm。据此，可求得相邻两次凝露滴水之间的时间间隔应不大于171 min。加之绝缘子串上放电前附着大量鸟粪，改变了液滴的均匀程度和液滴间的距离，从而缩短了相邻两次凝露滴水之间的时间间隔。由此可知，复合绝缘子每个伞裙表面上的每次的凝露滴水量足以诱发伞裙间空气间隙击穿放电。

结合复合绝缘子的盐灰密测量结果，即在不考虑运输造成影响的前提下，故障串盐密接近于0.013 mg/cm2，灰密高于0.026 mg/cm2，加上凝露滴水混合物形成桥接，进而形成贯穿性放电通道。由此，判断凝露可能是导致本次跳闸的主要原因。

3.3 故障原因确定

综合分析故障区段地理环境、试验结果、放电通道及放电痕迹，确认本次故障原因为：在塔材、复合绝缘子表面形成夹杂残余鸟粪和灰尘的凝露滴水混合物，沿绝缘子表面向下流，多处同时桥接复合绝缘子伞裙，在电压作用下形成了贯穿性放电通道，造成线路单相接地故障跳闸。

4 防范措施

（1）开展鸟类活动观测，掌握鸟类活动周期，鸟类特征、活动规律和生活习性，分析鸟害故障季节性、时间性、区域性、瞬时性、重复性特点，区分留鸟与候鸟的危害程度，研究综合防鸟措施并予以落实，防止鸟粪闪络。

（2）适时修订涉鸟故障风险分布图，开展在运防鸟装置隐患排查，及时补充完善防鸟装置，消除安装不规范、安装工艺不合格防鸟装置隐患和横担上鸟巢隐患，防止鸟类长期栖息杆塔污染绝缘子[11]。

（3）结合线路运行状态，梳理统计不同区域、不同厂家在运线路复合绝缘子运行情况，严格执行DL/T 1580—2016《架空输电线路运行规程》开展鸟巢清除、复合绝缘子清扫和电气机械抽样检测试验[12]等工作，明确检测原则，优先选择运行环境较恶劣的复合绝缘子检测，及时掌握复合绝缘子运行情况。

（4）防治鸟粪类故障应根据需要合理配置防鸟刺、防鸟罩、防鸟挡板、防鸟绝缘包覆，可考虑配置大盘径绝缘子；防治鸟巢类故障以防鸟盒、防鸟挡板封堵为主，杆塔构件尺寸较小的部位应采用防鸟盒封堵或采用防鸟挡板覆盖横担下平面的构架。对于鸟粪类和鸟巢类故障风险均存在的杆塔，鸟类活动频繁、鸟害频发区域的线路，两类措施均应实施。

（5）根据线路运行环境和杆塔结构特点，可采取倒伞开合式防鸟刺、可移动式综合防鸟装置、可折叠防鸟挡板、悬垂串联动百叶窗式防鸟挡板[13]等新型防鸟装置，但要充分考虑长期耐受紫外线、雨、冰、风、雪、温度变化等外部环境和短时恶劣天气的考验。也可采用人造鸟巢平台，在离线路较远的高大树木，合理引导鸟类筑巢。

（6）电子类驱鸟产品[13]，风车式、旋转式反光镜等惊鸟装置的防鸟效果有待进一步积累运行经验，不宜大范围推广。