大氣污染對輸變電設備的影響及防治對策

姜 梅，張 鵬，李 濤，楊 潔，馬少謙

(國網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學研究院，甘肅 蘭州 730050)

1 大氣環(huán)境是影響輸變電設備的主要因素

輸變電設備長期暴露在大氣環(huán)境中，由于環(huán)境中空氣污染和設備自身工作環(huán)境條件的限制，在長期運行的情況下受大氣中所含的水分、氧氣和腐蝕性介質的聯(lián)合作用而引起了材料的破壞和設備的損壞。灰塵、油污、潮氣、鹽份、氧化及腐蝕性氣體等這些大氣環(huán)境污染因素無法避免地造成對設備的綜合影響，日積月累形成污垢，影響設備的散熱能力，使設備觸點的發(fā)熱—氧化—生銹—接觸不良，滅弧效果變差，易造成設備誤動作，局部短路，漏電流增加等事故。同樣，由于大氣污染的影響，會使設備絕緣性能下降，無功損耗增加，甚至發(fā)生輸變電線路的污閃事故，給設備的運行帶來安全隱患。

從腐蝕較嚴重的變電站實際調查中發(fā)現(xiàn)，所有遭受腐蝕損壞威脅的變電站周邊的大氣環(huán)境都不同程度的遭受了污染和破壞。實際監(jiān)測結果表明，在遭受腐蝕的變電站所在地區(qū)的大氣環(huán)境中都檢測到SO2，NOx，H2S 以及NH3等污染氣體。實驗室和現(xiàn)場的大量試驗數(shù)據(jù)表明，上述氣體的存在導致Cu，Ag，Ni 和Al 等變電站材料腐蝕加劇。因此，大氣環(huán)境污染是造成變電站材料腐蝕的主要原因［1］。

架空線路長期運行在室外，其絕緣子表面不斷吸附、沉積空氣中的各種污穢使線路絕緣水平下降，泄漏電流和損耗增加。一般來說，輸電線路發(fā)生污閃的一個必要條件就是污穢的沉積，污穢沉積越嚴重，發(fā)生污閃的概率就越大［2－4］。一旦積污達到一定程度，在霧、露、毛毛雨等不利氣象條件下，污穢絕緣子在較低電壓作用下可能發(fā)生閃絡，造成線路跳閘。由污穢引起的絕緣閃絡事故目前在電網(wǎng)總事故中已占第二位，僅次于雷害事故，但污閃事故造成的損失卻是雷害事故的10 倍［5－8］。

2 大氣污染對輸變電設備的腐蝕影響

大氣污染物種類繁多，不同行業(yè)排放的特征污染物不盡相同，下面以磚瓦廠為例，介紹其排放污染物對變電站設備造成的腐蝕影響。磚瓦業(yè)以煤為燃料的占95%，以柴或其他為燃料的占5%。磚瓦廠在燃煤與磚坯燒制時產(chǎn)生大量的氟化物、二氧化硫和煙塵［9］。

2.1 監(jiān)測點地形特征和污染源狀況分析

蘭州市泥麻砂溝位于蘭州市西固區(qū)西沙大橋和沙井驛以西至永登縣樹屏鄉(xiāng)尹家莊，為一深切30 m的沖積溝。

由于泥麻砂溝土質的組成適宜于燒制粘土磚，據(jù)調查，在沿溝20 km 公路兩旁，有年產(chǎn)1000～5800 萬塊實心粘土磚廠30 家左右，這些磚瓦廠多屬鄉(xiāng)鎮(zhèn)和私營企業(yè)，普遍采用內燃工藝，在原料中摻有10%～20%爐渣。溝內磚瓦廠年產(chǎn)粘磚約5 億塊。由于溝內的磚瓦廠缺乏統(tǒng)一的管理和規(guī)劃，且兩側是山，主導風向沿溝體方向，溝內污染物不易擴散，磚廠排出的大氣污染物在溝內彌漫，造成溝內大氣污染較為嚴重。

2.2 變電站污染現(xiàn)狀監(jiān)測

對位于泥麻砂溝內的330 kV 蘭西變、35 kV 樹屏變、220 kV 南坡變和位于居民區(qū)、文教區(qū)內的220 kV 桃樹村變和電研所平臺五個監(jiān)測點分別進行了氟化物和硫酸鹽化速率兩個項目的連續(xù)9 個月的測試，測試周期中包括夏季、秋季和冬季。

2.2.1 監(jiān)測點與污染源的相對位置關系分析

五個監(jiān)測點與污染源的相對位置關系如表1所示。

表1 監(jiān)測點與污染源(泥麻砂溝)的相對位置關系

從表1中可知:330 kV 蘭州西變電站及35 kV樹屏變電站分別位于泥麻砂溝的兩側，站址周圍主要污染亦來自泥麻砂溝內的磚瓦廠;220 kV 南坡變電站距泥麻砂溝東南側約12 km，污染源主要來自周邊的沙井驛磚瓦廠;220 kV 桃樹村變電站及電研所平臺分別距泥麻砂溝東南側約15 km 和20 km，兩監(jiān)測點周圍污染源較少，污染主要來自居民和飯莊取暖、做飯用煤。

2.2.2 硫酸鹽化速率測試結果

硫酸鹽化速率可反映空氣中含硫污染物(主要是二氧化硫)的污染狀況和污染趨勢。硫酸鹽化速率測試結果見圖1所示。

圖1 各監(jiān)測點硫酸鹽化速率變化趨勢

從圖1中可知，6、10、11月份蘭西變、樹屏變、南坡變的硫酸鹽化速率較大，7、8、9 三個月份的硫酸鹽化速率較低;11月份起，位于居民生活區(qū)、文教區(qū)內的電研所平臺和桃樹村變電站的硫酸鹽化速率比前幾個月有較大輻度的增加;12月份起蘭西變、樹屏變、南坡變電站硫酸鹽化速率測定值低于市區(qū)的桃樹村變和電研所平臺。

2.2.3 氟化物測試結果

各監(jiān)測點氟化物測試結果如圖2所示。

圖2 各監(jiān)測點氟化物濃度變化趨勢

從圖2中可知，6～11月份變電站的氟化物濃度偏高，12月份起各監(jiān)測點濃度值差別不大。

2.3 變電站污染原因分析

磚瓦廠的生產(chǎn)周期一般是從每年的3月份至11月中下旬，根據(jù)蘭州市歷年氣象資料和降雨資料顯示，7、8、9 三個月份是蘭州的主要降雨月份，由于雨水的洗刷作用，可使空氣中的污染物濃度降低，故7、8、9 三個月份的硫酸鹽化速率較低，但由于氟化物中的堿土金屬和鑭系元素的氟化物難溶于水，雨水對氟化物的捕集作用不如對二氧化硫的捕集作用明顯，因此7、8、9 三個月份的氟化物濃度較其他月份無明顯變化趨勢;從11月份起開始進入采暖期，11月中下旬由于天氣轉冷，各磚瓦廠相繼停止生產(chǎn)，因此硫酸鹽化速率會出現(xiàn)圖1所示的變化趨勢。

通過以上的勘察及分析，認為磚瓦廠排放的SO2是造成蘭西變、樹屏變、南坡變電站機械傳動件、銅導線和銅銘牌銹蝕的主要因素，主要影響月份是3～11月份，特別是降雨潮濕季節(jié)。

磚瓦廠排放的氟化氫易引起變電站周圍的氟含量超標，但由于氫氟酸是弱酸，且不形成含氧酸和含氧酸鹽，故對鍍鋅、鍍鉻件和銅件不腐蝕。

3 大氣污染對輸電線路的污閃影響

以110 kV 輸電線路1116 張洞線和1115 張?zhí)家痪€發(fā)生的閃絡事故為例介紹大氣污染對輸電線路的影響［10］。1116 張洞線由張家寺變至洞子村變，全長13.706 km，1115 張?zhí)家痪€由張家寺變至碳素廠變，線路長度32.13 km，兩條線路均處于Ⅲ級污穢區(qū)，絕緣子型號為XP－7，直線為8 片成串，絕緣子連接長度為1168 mm，泄露比距2.18 cm/kV。2005年11月14日23 時45 分至2005年11月15日3 時26 分，1116 張洞線33號桿A、B、C 三相絕緣子相繼發(fā)生閃絡，2005年11月15日2 時26 分至6時0 分，1115 張?zhí)家痪€30號桿A、B、C 三相絕緣子相繼發(fā)生閃絡，閃絡絕緣子上均有不同程度的燒傷痕跡，瓷瓶表面污穢略有粘性。

3.1 閃絡絕緣子污穢成分分析

1116 張洞線33號桿故障點與1115 張?zhí)家痪€30號故障點相距40 m 左右，為了有所對比，選擇了發(fā)生閃絡的1116 張洞線33號桿A 相、C 相兩串絕緣子，以及遠離閃絡事故發(fā)生點的1115 張?zhí)家痪€47號桿A 相、B 相兩串絕緣子，張?zhí)家痪€47號桿與發(fā)生閃絡的張洞線33號桿相距3 公里多。選擇電導率、鹽密、pH、Ca2+、Mg2+、K+、Na+、Cl－、F－、SO2－4等成分進行分析，分析結果見表2。

表2 污穢成分測試結果分析

從表2可知，1116 張洞線33號桿絕緣子污穢中Cl－含量遠大于1115 張?zhí)季€47號桿，且絕緣子瓷瓶污穢中Ca2+、SO24－比1115 張?zhí)季€47號桿大。

3.2 閃絡原因分析

經(jīng)過現(xiàn)場調查與分析，認為這次閃絡事故是由于1116 張洞線33號桿西北方向約150 m 處的簡易化工廠生產(chǎn)光鹵石時產(chǎn)生大量含氯化物的氣體所致。該化工廠用工業(yè)鹽生產(chǎn)光鹵石，且生產(chǎn)設施簡陋，無任何環(huán)境保護治理措施。

工業(yè)鹽是食用鹽生產(chǎn)的副產(chǎn)物，其主要成分是氯化鈉、氯化鎂，其次是硫酸鎂，含少量的氯化鉀。在光鹵石生產(chǎn)過程中，溶解的工業(yè)鹽在較高的溫度下蒸發(fā)，產(chǎn)生了大量蒸汽，蒸汽中含有較多的氯化物，隨著空氣流動附著在不遠處的絕緣子瓷瓶表面，造成附近線路絕緣子上鹽密增加引起的。氯化物的溶解度遠大于含Ca2+、Mg2+的硫酸鹽，當絕緣子瓷瓶上的污穢量積累到一定程度，在遇有大霧、陰濕等氣象條件時，含有大量氯化物的污穢層經(jīng)潤濕后具有較強的導電性，從而引起閃絡。

由于1116 張洞線33號桿距離光鹵石生產(chǎn)廠地較近，因此，其絕緣子污穢中Cl－含量遠遠大于1115張?zhí)家痪€47號桿。1116 張洞線33號桿靠近公路，且地勢較高，受馬路上來往車輛影響較大，車輛行駛揚起的塵土造成絕緣子瓷瓶污穢中Ca2+、SO2－4的含量比1115 張?zhí)家痪€47號桿的大。

因此，工業(yè)污染和公路揚塵污染是造成此次污閃事故的主要原因。此次事故造成1116 張洞線損失負荷6.44 萬kW，損失電量17.96 萬(kW·h);造成1115 張?zhí)家痪€損失負荷5.4 萬kW，損失電量3.3343 萬(kW·h)。

4 對策和措施

大氣污染導致的輸電線路污閃對電力系統(tǒng)的破壞是災難性的，應防范于未然;需要深入研究改進架空線路的外絕緣水平，提出新的可靠防污技術;防污閃工作是一個系統(tǒng)工程，應從設計、運行維護、污穢鹽密監(jiān)測、污區(qū)劃分圖編制和修正等方面綜合考慮，結合技術經(jīng)濟分析以較小投入獲得最優(yōu)效果［11－12］。因此，防治大氣污染對輸變電設備的影響應遵循“預防為主，防治結合，綜合治理”的原則。

4.1 預防措施

對新建輸變電工程的前期和初期運行階段應采取以下措施:

(1)環(huán)評階段。除評價噪聲、電磁環(huán)境等污染對周圍環(huán)境的影響外，還應當評價周圍環(huán)境的大氣污染對工程的影響，尤其是附近工礦企業(yè)排放的特征污染物對輸變電設備的影響;對變電站的選址進行可行性分析，提出相應的污染防護措施。

(2)設計階段。在線路設計時除根據(jù)污區(qū)圖采用相應絕緣和防污措施外，還應根據(jù)地區(qū)發(fā)展進行有針對性和前瞻性的設計。采用具有強度高、耐污閃、無零值、憎水性好、制造維護方便等優(yōu)點的新型復合絕緣子。

(3)初期運行階段。建議輸變電工程從運行初期就做好設備鹽密和腐蝕等相關成分分析的記錄和整理，對設備材料、防護方法進行專門的分類管理，以便為設備腐蝕防護和設備損壞預測及狀態(tài)檢修提供參考。

4.2 治理措施

對已運行且長期暴露于大氣環(huán)境中的輸變電設備建議采取下列措施:

(1)加強污穢清掃工作及運行巡視，開展經(jīng)常性的測試等技術管理，建立數(shù)據(jù)庫，開展變電站腐蝕和污閃影響因素研究，正確繪制污穢等級區(qū)域圖:一般每個污穢測量點所代表的現(xiàn)場污穢度等級可以覆蓋半徑2 km 的區(qū)域;若相鄰區(qū)域的污染狀況與其基本相似，則該范圍可以適當擴大;在污區(qū)分布圖繪制過程中，應考慮周邊地區(qū)大型污染源對本地區(qū)的影響，若污穢測量點周圍環(huán)境較復雜且污染源較多，則可將區(qū)域的半徑適當縮小。不斷了解線路經(jīng)過地區(qū)污穢等級的變化，并及時調整相應的絕緣水平，提高絕緣子的防污能力。

(2)調整爬距。污閃的主要因素就是單位泄漏距離的工作電壓，相同條件下電壓梯度越大，其泄漏電流越大，則線路閃絡的機率就越高。因此，對不同污區(qū)線路采用相應的泄漏比距(調整爬距)是降低污閃事故的有效措施。

(3)對存在造成線路污閃隱患的廠礦，應及時聯(lián)系地方環(huán)境保護部門對其進行管理，關?；蛳奁谥卫?。對在輸電線路附近擬建、新建、擴建存在線路污閃隱患的廠礦，供電公司可禁止其報裝。

［1］王 平，孫心利，馬東偉，等.輸變電設備大氣腐蝕情況調查與分析［J］.腐蝕科學與防護技術，2012，24(6):525－526.

［2］Gumanski S M，Wankowicz G J.Distribution of natural pollution surface layers on silicone rubber insulators and their UV absorption［J］.IEEE Trans.on Electrical Insulation，1989，24(4):689－697.

［3］張開賢.懸式絕緣子串自然積污規(guī)律的探討［J］.電網(wǎng)技術，1997，21(3):40.

［4］宿志一，劉燕生.我國北方內陸地區(qū)線路與變電站用絕緣子的直、交流自然積污試驗結果的比較［J］.電網(wǎng)技術，2004，28(10):14.

［5］苑吉河，蔣興良，張志勁，等.高海拔現(xiàn)場標準懸式絕緣子的交流污閃特性［J］.電網(wǎng)技術，2009，33(5):54－57.

［6］范建斌，黃志秋，謝榮坤，等.直流輸電線路Y 型絕緣子串污閃特性研究［J］.電網(wǎng)技術，2007，31(18):28－31.

［7］殷 瓊，陳 原.高導電性降水降雪型快速積污導致的輸變電設備污閃機理與防治措施［J］.電網(wǎng)技術，2008，32(4):1－6.

［8］張志勁，蔣興良，孫才新.污穢絕緣子閃絡特性研究現(xiàn)狀及展望［J］.電網(wǎng)技術，2006，30(2):35－40.

［9］姜 梅，王政宏.磚瓦廠主要污染物對變電站設備的影響分析［J］.甘肅環(huán)境研究與監(jiān)測，2003，16(2):156－159.

［10］姜 梅，苗麗敏.1116 張洞線、1115 張?zhí)家痪€閃絡原因分析［J］.甘肅電力技術，2007，(4):13－15.

［11］DL/T 374－2010，電力系統(tǒng)污區(qū)分布圖繪制方法［S］.

［12］劉智勇，揚承矩.架空線路污閃機理及防污措施［J］.高電壓技術，2001，27(104):51－52.