污染環(huán)境下110kV戶外電纜終端的選型

丁 勇， 夏 震， 王海軍， 孫殿宏， 莊 猛

(1.3M中國有限公司，上海200233;2.銅川供電局，陜西 銅川727031;3.大別山發(fā)電有限責(zé)任公司，湖北 麻城438304)

0 引言

近些年，隨著我國現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，大氣污染加劇，電網(wǎng)污閃事故多發(fā)。電網(wǎng)的高速發(fā)展和電壓等級不斷提高，污穢條件下的電氣絕緣問題日益突出［1-2］。目前的污閃主要發(fā)生在線路絕緣子上，但隨著電纜使用數(shù)量越來越多，電纜終端的污閃問題也越來越重要。對于絕緣子污閃，在國內(nèi)外都有較多研究［3-6］，但對于電纜終端則較少，并主要在中壓電纜附件方面;文獻［7］分析了引起中壓電纜終端外絕緣放電的主要因素;文獻［8］從設(shè)計的角度來闡述了中壓電纜終端的抗電痕和抗污閃性能;文獻［9］針對埃及近海環(huán)境下的12/20 kV繞包終端，研究了屏蔽斷口平滑程度和膠帶繞包的長度與厚度對終端閃絡(luò)電壓和電暈擊穿電壓的影響。對于110 kV以上的高壓電纜終端的污閃問題，到目前為止，則很少研究。

由于絕緣結(jié)構(gòu)和功能的不同，電纜終端的絕緣表面閃絡(luò)和絕緣子有所不同。而對于110 kV戶外電纜終端來說，由于其類型不同，其在污閃方面的性能也不同。

本文分析了影響110 kV戶外終端表面閃絡(luò)的主要因素，結(jié)合實際應(yīng)用，指出了目前關(guān)于戶外終端污閃選型的不足，并提出110 kV戶外電纜終端選型應(yīng)該注意的一些問題，從而以產(chǎn)品選型的角度盡可能地保證產(chǎn)品及系統(tǒng)的安全可靠性。

1 污閃放電機理

最早將污閃過程模型化、定量化是由德國的奧本諾斯在1958年完成的(見圖1)。該模型是由電弧和電阻的串聯(lián)組成［10］，也是目前被普遍接受的模型。

有關(guān)絕緣子污閃的放電過程的物理解釋沒有統(tǒng)一的看法，但普遍認為絕緣子表面的閃絡(luò)過程是靠外力推動的。這個力包括靜電吸引、電磁力、熱浮力和蒸氣壓力［10］。文獻［11］中指出:沿絕緣子濕潤污穢表面的閃絡(luò)并不是單純的空氣間隙擊穿，而是一種與電、熱、化學(xué)因素有關(guān)的污穢表面氣體電離以及局部電弧發(fā)生、發(fā)展的熱動力平衡過程。一般固體絕緣的表面閃絡(luò)是屬于空氣間隙沿固體絕緣的放電形式。雖然固體介質(zhì)的存在使電場發(fā)生一定的畸變，將使閃絡(luò)電壓低于純空氣間隙，但仍然是一個氣體間隙的擊穿問題。

圖1 奧本諾斯模型概念

固體絕緣的污穢閃絡(luò)則完全不同，它是一個弧光熄滅問題。固體絕緣當(dāng)表面有污層時，如污層干燥則泄漏電流不大，以微安計;當(dāng)污層受潮時，泄漏電流增大，導(dǎo)電性污層的泄漏電流可達數(shù)百毫安。泄漏電流會產(chǎn)生熱，使絕緣表面水分蒸發(fā)引起局部電阻改變，部分表面出現(xiàn)干區(qū)，電流在該中斷處形成很小的局部電弧。如果電流不大，則當(dāng)交流電流過零點時，局部電弧可能熄滅;當(dāng)泄漏電流大時，因為在這些局部小間隙中存在大量游離氣體，電弧在電流過零點后仍繼續(xù)燃燒，在一定條件下就造成固體絕緣表面的閃絡(luò)［12］。

絕緣子污閃發(fā)展一般經(jīng)過四個階段［11］:(1)絕緣子表面污穢積累;(2)在潮濕的環(huán)境條件下污穢變濕潤;(3)在表面泄漏電流的熱效應(yīng)作用下出現(xiàn)干區(qū)，從而改變電壓分布并引起局部電弧;(4)局部電弧發(fā)展成為絕緣子完全閃絡(luò)。

2 戶外終端污閃的主要因素

導(dǎo)致戶外終端污閃的因素較多，并且這些因素之間也可能會互相影響。下面就從污層成分、材料表面性能、表面電場、負荷電流、環(huán)境條件等方面分別進行闡述。

2.1 污層成分

污穢的成分比較復(fù)雜，按來源可分為工業(yè)型污穢和自然型污穢。常見的工業(yè)型污穢有化工污穢、水泥污穢、煤煙污穢、冶金污穢等;常見的自然型污穢有塵土污穢、鹽堿污穢、海水鹽霧污穢等。通常的污穢是自然污穢和工業(yè)污穢的混合。

按照污穢物是否溶于水，可將污染物分為可溶解污穢和非溶解污穢，或者惰性成分［13］。對于可溶于水的污染物，一般用等值鹽密(ESDD)來表征;對于非溶解成分，一般用灰密(NSDD)來表征。一般來說，人們更多的是關(guān)注等值鹽密。但試驗表明，在相同的等值鹽密水平下，灰密的增加會導(dǎo)致閃絡(luò)電壓的降低［13］。

如果外絕緣表面污層還有導(dǎo)電顆粒，這些顆粒通過改變表面電場來影響污閃的發(fā)生。文獻［14］指出，一般外絕緣表面有導(dǎo)電顆粒時的電場強度遠遠大于沒有導(dǎo)電顆粒的電場強度，而且電場強度隨著導(dǎo)電顆粒的長度增加而增加，隨導(dǎo)電顆粒的直徑增加而減少。

2.2 材料表面性能

目前來看，材料表面性能對污閃的影響主要是兩個方面，一是表面熱量產(chǎn)生，二是憎水性。

文獻［15］指出，在帶電的情況下，外絕緣表面材料的不同，會導(dǎo)致表面溫度的不同，進而影響閃絡(luò)過程中的干區(qū)的形成。由這種干區(qū)的形成而產(chǎn)生的局部電弧，從短期來說，會對污閃有抑止作用，但長期來說，可能會引起材料老化，而對其電氣和機械性能產(chǎn)生不利影響。

外絕緣表面的憎水性直接影響污染物的沉積、表面潮濕程度、表面電阻，以及表面水珠的大小及形狀。而表面電阻和水珠大小及形狀，又影響表面局部場強的分布，從而影響污閃的發(fā)生。一般來說，硅橡膠具有很好的憎水性，而陶瓷則是親水材料。由于外絕緣表面各部分會有不同的污染和濕潤狀態(tài)，就是同一材料的外絕緣表面的不同地方，也會有不同的憎水性，而局部放電往往會從憎水性較弱的區(qū)域開始［16］。

2.3 表面電場

放電一般來說都是由高電場所引起的。對終端表面電場的影響有三部分組成:表面電阻的不均勻分布、附著的水珠的形狀及屏蔽斷口電應(yīng)力控制。

文獻［17］指出，外絕緣表面橢圓形的水珠分布比球形水珠分布的場強大，最大可高出60%。場強的集中，會導(dǎo)致濕氣在電場力的作用進入橡膠絕緣表層;而電場強度會隨水珠電阻的增加而減少。同時，水珠也會因電場而被拉長或移動。

對于電纜終端來說，電纜屏蔽斷口的場強的控制是尤為重要。目前對于110 kV電纜終端來說，電應(yīng)力的控制方法主要是應(yīng)力錐法，但由于絕緣結(jié)構(gòu)的不同，充油終端和全干式終端的表面電場會有較大差異。如圖2所示，充油終端的表面場強一般會比全干式終端的場強要低。從這一點來說，在相同環(huán)境下，充油終端會比全干式終端的閃絡(luò)電壓高。

圖2 充油式和全干式終端電場分布

2.4 負荷電流

負荷電流對終端表面的閃絡(luò)的影響，主要是通過導(dǎo)電線芯的溫度的變化來改變終端表面溫度，從而影響干區(qū)形成。這一點，對全干式終端影響可能更明顯些。

文獻［18］在其他條件相同的情況下，對10 kV冷縮式終端在電纜線路無負荷和滿負荷兩種狀態(tài)進行500 h污閃試驗，結(jié)果見表1。從表1可知，試驗均未失敗，而且滿負荷狀態(tài)下，終端的污閃性能更好。

表1 負荷電流對終端閃絡(luò)性能的影響

2.5 環(huán)境條件

環(huán)境條件也對污閃有很大的影響，如閃絡(luò)電壓會隨著氣壓的降低而降低［19］;濕度對閃絡(luò)電壓的影響則有從增加到飽和，然后迅速下降的過程;而在同一絕對濕度下，溫度越低閃絡(luò)電壓越高［20］。

現(xiàn)場運行經(jīng)驗表明，覆冰外絕緣的閃絡(luò)大多數(shù)發(fā)生在融冰期，融冰水在冰體表面形成水膜是閃絡(luò)發(fā)生的一個重要環(huán)境條件［21］。

由于工業(yè)的發(fā)展，酸雨對外絕緣腐蝕及對污閃的影響則不容忽視。特別對硅橡膠來說，為增強其機械性能及抗電痕性能，以氫氧化鋁作為添加劑，而酸雨很容易使氫氧化鋁溶解，由于酸雨導(dǎo)致的局部電弧的熱量還會導(dǎo)致氫氧化鋁進一步損失。硅橡膠中的憎水集團也會因酸雨而老化。幸好的是，硅橡膠有憎水恢復(fù)性，當(dāng)外絕緣表面干燥后，其憎水性的恢復(fù)保證其不會快速老化［22］。

3 目前戶外終端的污閃選型方面的問題

在目前的110 kV戶外終端的選型中，對于污閃方面主要依據(jù)GB/T 5582—93《高壓電力設(shè)備外絕緣污穢等級》、GB/T 16434—96《高壓架空線路和發(fā)電廠、變電所環(huán)境污區(qū)分級及外絕緣選擇標(biāo)準(zhǔn)》和JB/T 5895—91《污穢地區(qū)絕緣子使用導(dǎo)則》，但這三個標(biāo)準(zhǔn)都是針對絕緣子的，并且GB/T 5582—93和GB/T 16434—96還明確說明，其是針對瓷和玻璃材料的。由于沒有其他標(biāo)準(zhǔn)作為依據(jù)，實際應(yīng)用中也只能將其作為參考，并且實際大多數(shù)情況下，也就是僅僅以爬電距離(見表2［23］)，作為選型的依據(jù)。但如上所述，導(dǎo)致終端污閃的因素很多，所以針對污閃方面的選型時候，只按爬電比距、簡單的污染等級的劃分，在很多時候是遠遠不夠的。

表2 公稱爬電比距分級數(shù)值 (單位:mm/kV)

4 污染環(huán)境下110 kV電纜終端選型應(yīng)注意的問題

如上所述，污閃的發(fā)展是一個復(fù)雜的過程，且影響因素比較多，這些因素之間也會相互作用。在目前還沒有一個直接針對戶外終端的選型標(biāo)準(zhǔn)的情況下，我們應(yīng)該在滿足基本性能要求的情況下，根據(jù)使用環(huán)境、產(chǎn)品的特點及現(xiàn)場實際等綜合考慮，作出選型。一般來說，通過以下幾個方面來進行:

(1)了解近些年的氣候特點，如溫度、濕度、氣壓、雨季或霧氣時間長短等，初步判斷氣象條件對污閃可能的影響;

(2)了解環(huán)境污染程度，如離化學(xué)污源和爐煙，化工廠、鋁廠、鋼鐵廠、煉油廠等污穢源的遠近，初步了解可能的污穢類型;

(3)對于現(xiàn)場污染來源較為復(fù)雜者，必要時可進行成分分析，如從等值鹽密來判斷，可能同為Ⅳ級污染，但污染源的不同，對不同產(chǎn)品產(chǎn)生的影響是不同的;

(4)了解產(chǎn)品特點，結(jié)合現(xiàn)場實際等綜合因素進行選型。如產(chǎn)品類型的不同，表面電場分布的不同，產(chǎn)品表面材料的不同，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的不同和產(chǎn)品安裝固定方式的不同;考慮到線路設(shè)計的負荷率，終端是否可以安裝在戶內(nèi)而盡可能減少接觸污染源的機會，終端在以后的運行中是否可以多次停電清洗，現(xiàn)場是否有可以允許的安裝固定方式等。

(5)通過以上綜合因素來考慮爬距是否合理。

5 結(jié)束語

(1)隨著電纜用量的增加，大氣污染的加劇，110 kV電纜終端的污閃問題會越來越突出;

(2)污閃的過程較為復(fù)雜，影響因素也較多，而這些因素又相互作用;

(3)目前尚無針對110 kV電纜終端的污閃標(biāo)準(zhǔn)，甚至也沒有其污閃方面的試驗標(biāo)準(zhǔn)，這將對產(chǎn)品的選型帶來一定影響;

(4)目前在實際應(yīng)用中，經(jīng)常僅僅以爬電距離作為110 kV戶外終端污閃方面的選型依據(jù)，在很多情況下，特別是污染比較嚴重的情況下，是遠遠不夠的。戶外終端應(yīng)根據(jù)使用環(huán)境、產(chǎn)品的特點及現(xiàn)場實際等因素，綜合考慮后合理地選型。

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