輸變電設(shè)備防污閃治理研究

南京工程學(xué)院 束雯靜 曹庭嵩 曹顧逸 吉 櫟 侍煜辰 劉子墨

1 污閃治理措施研究及創(chuàng)新思考

1.1 污閃成因及危害

絕緣子的污閃放電過程大致可分為四個階段：污穢沉積、污穢濕潤、烘干區(qū)的形成以及局部電弧產(chǎn)生發(fā)展至沿面閃絡(luò)的發(fā)生。在這四個階段中，氣象條件異常、生物污染、海拔升高、絕緣子表面覆蓋冰雪、絕緣子材料結(jié)構(gòu)和爬距、雷電和操作過電壓等都是污閃放電形成的主要原因。

污閃帶來的危害是巨大的。近年來越來越多的地方建設(shè)了高壓輸電線路，輸電過程中由于線路長，環(huán)境氣候均不可控，線路不可避免地受到各種污染。當(dāng)污閃發(fā)生在有裂紋的絕緣子串上時，裂紋中的氣體在短路電流的影響下迅速膨脹至炸裂絕緣子斷串，繼而引發(fā)停電事故，危害極為嚴(yán)重。如1996年華東電網(wǎng)污閃事故和2001年遼寧中部電網(wǎng)污閃事故，都給經(jīng)濟帶來了嚴(yán)重的損失。電網(wǎng)污閃事故破壞力巨大，會發(fā)生較大泄露電流、電壓顯著降低至清潔表面閃絡(luò)電壓的10%以下；涉及范圍廣，嚴(yán)重時可造成上百條線路及數(shù)十個變電所停電。如2001年遼寧中部電網(wǎng)2.22污閃事故中220kV 線路跳閘151次、跳閘線路44條，造成12座220kV 變電所全停，66kV系統(tǒng)跳閘171次、120座66kV 變電所全停；恢復(fù)時間長，2.22污閃事故中共300臺事故搶修車、2200名搶修人員，在這種情況下連續(xù)搶修時間依然高達(dá)20個小時。

1.2 根據(jù)因素進(jìn)行相關(guān)防治

輸變電設(shè)備造成污閃的主要因素是爬電比距、表面污穢、污層濕潤、絕緣結(jié)構(gòu)[1]，針對這四種因素提出幾種常用防治措施：

使用RTV 或PRTV 長效防污閃涂料。RTV 防污閃涂料是由有機硅橡膠、填充劑和添加劑經(jīng)化學(xué)物理過程改性制造而成。在絕緣子表面施涂RTV 防污閃涂料后，所形成的涂層包覆了整個絕緣子表面，隔絕了瓷瓶與污穢物質(zhì)的接觸，其帶有的疏水特性使得難以形成水膜或類似物質(zhì)覆蓋在其表面。即使表面積累了一些污穢物，也會因其憎水遷移的性能使得表面污穢物也帶有疏水的性能，確保設(shè)備表面不會在大霧雨雪天氣下濕潤導(dǎo)致電流擊穿，安全性能有很充分的保障[2]。

使用硅橡膠增爬裙。硅橡膠增爬裙又稱硅橡膠傘裙，是由有機硅橡膠添加白炭黑、氫氧化鋁等物質(zhì)經(jīng)高溫硫化成型，它的性能類似于合成絕緣子，具有良好的耐電弧性、耐候性和絕緣性能，具有良好的憎水性和一定憎水遷移性。同時增爬裙還具有經(jīng)濟有效的特點，能夠增大輸變電設(shè)備的爬電比距，阻斷表面污水。但其尺寸少，不能滿足所有設(shè)備需求，使用時由于人工的安裝粘合無法監(jiān)控產(chǎn)品質(zhì)量，同時后期清理困難，長期使用后存在較多安全隱患且安全危險難以預(yù)測防控，給設(shè)備運用帶來很多不便。

運用硅油。硅油通常指的是在室溫下保持液體狀態(tài)的線型聚硅氧烷產(chǎn)品。一般分為甲基硅油和改性硅油兩類。輸變電設(shè)備最常用的涂料是二甲基硅油，外觀為無色透明油狀液體，具有特殊的滑爽性、柔軟性、憎水性，良好的化學(xué)穩(wěn)定性、優(yōu)異的電絕緣性和耐高低溫性。閃點高、凝固點低，并可在-50～200℃下長期使用，粘溫系數(shù)小、壓縮率大，表面張力低，憎水防潮性好，比熱導(dǎo)熱系數(shù)小，能夠防止污穢物導(dǎo)電閃絡(luò)。通常在清潔后運用硅油，有半年的使用期，到時清除。在輸變電設(shè)備防污閃預(yù)備處理方面經(jīng)常作為輔助手段使用，具有臨時性的特點。

應(yīng)用合成絕緣子及風(fēng)力清掃環(huán)。合成絕緣子是由傘裙、護(hù)套、芯棒及兩端聯(lián)結(jié)金具構(gòu)成的。傘裙良好的防水性和耐腐蝕性、耐老化性等可達(dá)到減少人工清掃、免測零值等效果。芯棒采用環(huán)氧樹脂玻璃纖維引拔棒，具有很高的抗拉強度。合成絕緣子廣泛用于輸電線路，其免檢查、零清潔、維護(hù)和抗污染閃絡(luò)的作用已被各界廣泛認(rèn)可，大大提升了安全效益和經(jīng)濟效益。此外絕緣子常配合風(fēng)力清掃環(huán)使用，通過整齊排布的風(fēng)力推動碗將風(fēng)力利用起來帶動清掃環(huán)轉(zhuǎn)動，從而使風(fēng)力清掃環(huán)邊沿擦除絕緣子上的污垢。加上風(fēng)力清掃環(huán)本身由絕緣的輕材料構(gòu)成，又具有和絕緣子一樣良好的憎水性能，能有效增加爬電比距。不足之處是無法像人工一樣清理得全面干凈，如下表面等處就無法被清掃到，但不否認(rèn)安裝清掃環(huán)后能延長絕緣子使用壽命，且通過改進(jìn)會有一定的提升空間。

定時清理。清掃分為停電清掃、不停電清掃和帶電水沖洗。從1990年以來我國各地都發(fā)生過大面積污閃事件，其中有個重要因素就是清掃質(zhì)量不高。電氣設(shè)備易在12月末至第二年3月初，過去的秋季清掃階段大多數(shù)都在10月份到年末這段時間內(nèi)，清掃開始時一般雨季剛過不久，真正的積污卻在清掃之后，經(jīng)過數(shù)個月時間乃至半年的積污，絕緣子表面會殘留很多的的灰塵污物，若碰巧發(fā)生氣象現(xiàn)象如打雷、閃電、大霧等，就特別容易產(chǎn)生污閃事故?，F(xiàn)實中由于輸電設(shè)備多、清掃任務(wù)重，停電限制等原因，加之污閃時間的不確定性，做到及時清掃、時時清掃、高質(zhì)量清掃是不太可能的，只會導(dǎo)致維護(hù)成本大幅增加，作業(yè)人員危險系數(shù)提高等弊端。然而清掃是必要的，防污閃的關(guān)鍵在于科學(xué)技術(shù)。通過分級分區(qū)，一定等級及以上的污區(qū)每一年都要將輸變電設(shè)備按時清掃保養(yǎng)維護(hù)，否則污閃事故的隱患將大大提升。

1.3 大氣狀況影響地區(qū)對污閃的防治

輸配電設(shè)備污閃現(xiàn)象發(fā)生的原因有很多，地域不同導(dǎo)致污閃原因也不同。選取好絕緣子，明確各個地區(qū)產(chǎn)生污閃的主要因素并相應(yīng)的采取措施，調(diào)整人工清洗的頻率和時間才是治理的關(guān)健。

高大氣濕度地區(qū)?？諝鉂穸却笫俏坶W發(fā)生的主要原因，大量水分子的存在會使絕緣子的絕緣水平降低，表面泄露電流增大，易發(fā)生污閃引起輸電設(shè)備故障。大多數(shù)污閃發(fā)生的時間段都在清晨或凌晨，也就是通常情況下一天中濕度最高的時間段，該時間段也通常會有薄霧或小雨。在相對濕度大于70%時絕緣子表面會出現(xiàn)導(dǎo)電膜，大于85%時發(fā)生污閃的概率在65%以上?？赏ㄟ^增加絕緣子片數(shù)或改為憎水性強絕緣子來增加絕緣子的單位泄露比率，減少泄露電流。

重鹽霧地區(qū)。漂浮在大氣中的氣溶液狀海鹽粒子，即海霧會對變電站和高低電壓線路產(chǎn)生危害。海霧附著在絕緣子表面形成污穢層，導(dǎo)致絕緣子串的電壓分布發(fā)生嚴(yán)重畸變，高壓端承受很高的電壓，使得污穢絕緣子串的高壓端首先發(fā)生放電，引起污閃現(xiàn)象。減少海霧對輸電設(shè)備危害的方法有高壓電線絕緣化，使用熱鍍鋅鐵附件，表面加涂高分子聚合新材料，加設(shè)阻隔層等。

大氣污穢程度嚴(yán)重地區(qū)。大氣污穢指的是空氣中大量極細(xì)微的顆粒物造成的空氣渾濁現(xiàn)象?？諝庵形鄯x物的組成十分復(fù)雜，包括礦物顆粒物、海鹽、硫酸鹽、硝酸鹽、有機氣溶膠粒子等。這些污穢物在空氣中水分溶解電離成正離子和負(fù)離子，使得附近高壓設(shè)備帶電粒子濃度增大，設(shè)備起始放電電壓降低，將造成設(shè)備表面處空氣擊穿；在進(jìn)行線路路徑選取時，應(yīng)盡量避開污穢嚴(yán)重地區(qū)，明確污閃等級和爬距之間的關(guān)系及時調(diào)整爬距；在絕緣子的選擇上應(yīng)當(dāng)使用復(fù)合絕緣子防污，并加強日常的維護(hù)和管理。

鳥類棲息地以及候鳥遷徙途徑地區(qū)。除大氣中污染物在絕緣子上的沉積，鳥類排泄物的堆積也會造成污閃現(xiàn)象的發(fā)生。鳥類棲息地附近10km 的電網(wǎng)在夏秋兩季時易由于鳥糞產(chǎn)生污閃現(xiàn)象，候鳥遷徙途徑區(qū)域在春冬兩季易產(chǎn)生污閃現(xiàn)象，應(yīng)根據(jù)地區(qū)具體情況恰當(dāng)增加或調(diào)整人工清理的安排，一般來說，正常區(qū)域輸電設(shè)備的人工清洗頻率為一年一次，污穢嚴(yán)重地區(qū)為一年兩次；除清理外，還需進(jìn)行驅(qū)趕鳥類或隔離絕緣子來防治。常用的驅(qū)趕鳥類措施為安裝防鳥刺，設(shè)置靜物標(biāo)識，設(shè)置轉(zhuǎn)動裝置等；或隔離輸電線路，給絕緣子安裝防糞罩來隔離絕緣子。

1.4 措施的比較分析

RTV 長效防污閃涂料有優(yōu)良的耐污閃性能，憎水性及憎水遷移性好的特點，且長效可靠、適應(yīng)性強、少維護(hù)、施涂工藝簡單。而合成絕緣子則具有重量輕、強度高、耐污閃能力強、無零值、價格比相同防污瓷瓶串低、安裝維護(hù)方便等特點。

RTV 涂料主要用于變電站電瓷設(shè)備上,也用于線路絕緣子和玻璃絕緣子上,在我國有15a 成功運行經(jīng)驗。但由于生產(chǎn)RTV 涂料的廠家很多,產(chǎn)品質(zhì)量差別較大,缺乏嚴(yán)格施涂工藝規(guī)范,容易出現(xiàn)質(zhì)量問題。此外RTV 涂料的有效使用壽命尚無定論。此外，在嚴(yán)重水泥污穢、有氯氣排放的化工污穢地區(qū),一般不宜采用RTV 涂料[3]。相比之下雖然憎水性沒有PRTV 長效防污閃涂料強，且易硬化、易撕裂，但其使用時事故率低，防污閃、防濕閃性能好，能經(jīng)受雷擊、大霧、鳥糞等因素的考驗。同時更新?lián)Q代快，總體上經(jīng)濟效益高，是輸變電設(shè)備防污閃過程中的重要選擇。

1.5 措施的創(chuàng)新

創(chuàng)新實驗過程闡述:通過在去離子水中加入分析純氯化銨0.1wt%、異辛基苯氧基聚乙氧基乙醇0.02wt%配置成污水，利用普通RTV 材料和特殊改性RTV 材料形成對比，分別在2.5kv 電壓下保持五分鐘，判斷其是否變色，且變色部分要為漏電流所經(jīng)過的痕跡。

圖1 實驗現(xiàn)象

結(jié)論：通過實驗可明顯看出特殊改性的RTV 材料可以顯示出軌跡，而普通的RTV 材料則不能明顯看出電弧所經(jīng)過的軌跡，所以特殊改性的RTV 材料可作為顯示絕緣強度降低時產(chǎn)生的電弧的絕佳材料。

2 關(guān)于所用RTV 材料用量的計算

由于在現(xiàn)場中RTV 涂料的用料受許多因素的影響，故實際涂敷時的用量遠(yuǎn)超標(biāo)準(zhǔn)用量，在噴涂RTV 材料時，為符合在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T627-2004《絕緣子用常溫固化硅橡膠防污閃涂料》的規(guī)定，在最薄的地方也要超過0.3mm，可能會使部分區(qū)域的涂料厚度遠(yuǎn)超0.3mm。同時，絕緣子鋼腳與鋼帽間沿瓷裙表面輪廓的最短距離就叫泄漏距離。一串絕緣子的泄漏距離就是這一串絕緣子串中每片絕緣子泄漏距離之和。

泄漏比距是泄漏距離與系統(tǒng)額定線電壓之比，一般情況下用量僅考慮表面積運用公式進(jìn)行計算即可，但由于采用的為特殊改性RTV 材料，主要用于反應(yīng)電弧所經(jīng)過的距離和痕跡，所以要綜合考慮電弧的放電距離，即絕緣子的爬距，選擇盡可能長的爬電距離有利于RTV 材料反映出電弧放電痕跡，如下面給出一些地區(qū)的常用絕緣子的放電距離及表面積：四川，絕緣子型號FC210-170，絕緣子上/下表面積/表總面積854/1458/2312，爬電距離400；南京，絕緣子型號LXY-100，絕緣子上/下表面積/表總面積548/862/1410，爬電距離320；大連，絕緣子型號LXP-7，絕緣子上/下表面積/表總面積685/715/1400，爬電距離290。

由相關(guān)數(shù)據(jù)可計算出在南京地區(qū)的平均爬電距離為407，四川地區(qū)的平均爬電距離為482，而在大連地區(qū)的平均爬電距離為321，可見不同地區(qū)采用的絕緣子爬電距離不盡相同，對于南京地區(qū)可選擇較為接近的LXY3-210，而對于四川地區(qū)則可選擇FC-16P/155(170)，對于大連地區(qū)則可以考慮XP-10，以上僅是根據(jù)爬電距離來進(jìn)行選擇絕緣子，可用其來進(jìn)行用量的計算。

事實上在實際工作中也要考慮到許多人為因素，如施工人員的噴灑狀況和材料的泄露等，故要采用絕緣子的標(biāo)準(zhǔn)公式來進(jìn)行計算用量的同時，還要綜合采用上下表面積來進(jìn)行精確的修正計算，計算公式（1）為P=（S1×H1+S2×H2）×ρ×α/（1-β），其中α 為損耗系數(shù)，一般為2.1～2.9之間，本文為獲得最為準(zhǔn)確的數(shù)值，用2.1來計算最少用量，2.9來進(jìn)行計算最大用量，涂料密度ρ 為1.5g/cm3，硫化后厚度縮水率β 為一固定值為40%，而對于涂料的上下表面的厚度H1和H2則要經(jīng)過各種測量取平均值來獲得，本文針對相關(guān)樣品上下表面厚度進(jìn)行了數(shù)據(jù)搜尋，由于各個地區(qū)不盡相同，所以只能得到一個大概值，因此取平均值減小誤差。

以下為部分樣品上/下表面的涂層厚度（mm）數(shù)據(jù)：220kV 永新變，0.58/0.57、0.57/0.54、0.59/0.59；500kV 楊 江I5203線，0.63/0.12、0.43/0.13、0.43、0.11；500kV 泰官5258線興殿5289線，0.44/0.43、0.41/0.45、0.48/0.45；220kV 朱壩變，0.61/0.39、0.67/0.30、0.65/0.36；220kV 陸集變，0.45/0.39、0.44/0.35、0.42/0.34。發(fā)現(xiàn)其上表面的厚度值較為接近0.52，因此取0.52作為上表面厚度H1，而下表面平均值為0.32，因此取0.32代入H2。由此將數(shù)據(jù)均代入公式（1）可獲得南京地區(qū)的絕緣子LXY3-210的最小涂料用量為479.619cm3，而最大用量為662.331cm3，因此取平均值570.975cm3用量。按照同樣的方法，可獲得四川FC-16P/155(170)的最小涂料用量為545.727cm3、最大用量為753.623cm3，因此取平均值649.675cm3作為用量。大連地區(qū)的XP-10的最小涂料用量為311.325cm3、最大用量為429.925cm3，因此取平均值370.625cm3作為用量。以上數(shù)據(jù)均為理論值，實際中所用的高度和損耗數(shù)等并不一定與我們所取的相同，因此在實際應(yīng)用中還是要綜合考慮各種情況進(jìn)行分析。