光催化防污閃絕緣子在高海拔重污穢地區(qū)的應用

黃恒,蔡曉斌,胡俊濤,戴文新,袁齊坤,苗俊,李榕良,李憲鈞,楊剛

(1.昆明理工大學電力工程技術(shù)有限公司,昆明 650000; 2.云南電網(wǎng)公司曲靖供電局,云南 曲靖 655000; 3.福州大學國家環(huán)境光催化工程技術(shù)研究中心,福州 355000)

光催化防污閃絕緣子在高海拔重污穢地區(qū)的應用

黃恒1,蔡曉斌2,胡俊濤1,戴文新3,袁齊坤2,苗俊2,李榕良2,李憲鈞1,楊剛1

(1.昆明理工大學電力工程技術(shù)有限公司,昆明 650000; 2.云南電網(wǎng)公司曲靖供電局,云南 曲靖 655000; 3.福州大學國家環(huán)境光催化工程技術(shù)研究中心,福州 355000)

介紹利用高壓光催化防污閃絕緣特性減少和抑制污閃發(fā)生的方法;結(jié)合高海拔、重污穢地區(qū)特點,通過絕緣配合計算選用光催化防污閃絕緣子串掛網(wǎng)片數(shù)。

光催化;絕緣子;高海拔重污穢;絕緣配合;污閃

1 前言

我國海拔1 000 m以上地區(qū)約占國土面積的60%,高壓輸電不可避免的要經(jīng)過高海拔地區(qū),電氣設備在高海拔地區(qū)受氣壓、溫度、濕度等因素的影響,無論是空氣間隙的放電電壓、導線電暈起始電壓、還是污閃電壓都會隨海拔高度升高而降低,在重污穢環(huán)境下的外絕緣問題更為突出。

2 高海拔重污穢地區(qū)特點

2.1 海拔對閃絡電壓的影響

隨海拔升高,氣壓、溫度、濕度都對放電電壓有影響。試驗表明：大氣中間隙的放電電壓隨空氣密度的增大而提高。隨海拔高度的增加,大氣壓力下降,空氣密度變小,導致外絕緣的放電電壓隨之下降。絕緣子表面空氣的臨界擊穿電壓隨著氣壓的降低而降低,污穢度相同時,低氣壓下一旦形成干區(qū),會比常壓下更容易形成局部電弧,因此,高原環(huán)境中絕緣子污閃電壓比常壓時低,目前普遍結(jié)論為：

U=U(P/P)n

(1)

oo

式中：Po表示海拔高度為0 m時的標準大氣壓;Uo為標準大氣壓Po時的絕緣子污閃電壓;n為氣壓對污閃電壓影響程度的下降指數(shù)。

2.2 海拔、污穢對絕緣子片數(shù)的影響

根據(jù)GB/T50545-2010,絕緣子配合設計采用爬電比距法時,絕緣子片數(shù)由式 (2)：

式中no-每串絕緣子片數(shù);

λ為系統(tǒng)標稱電壓下的爬電比距,cm/kV;U為系統(tǒng)標稱電壓,kV;Lo1為單片絕緣子幾何爬電距離,cm;Ke絕緣子爬電距離的有效系數(shù)。

當海拔超過1 000 m時,懸垂絕緣子片數(shù)由式 (3)修正：

nH為高海拔地區(qū)每串絕緣子片數(shù);H為海拔高度,km;m1為特征指數(shù)。

(2)(3)式中,λ,Ke,m1這三個參數(shù)都隨鹽密度不同而變化,因而相對于海拔高度,污穢對絕緣子掛網(wǎng)片數(shù)的影響要復雜的多。

上述特性表明,高海拔地區(qū)中高壓絕緣子的防污閃性能降低是一種普遍現(xiàn)象,解決此問題的關(guān)鍵在于進一步提高絕緣子本身的防污閃性能。福州大學國家環(huán)境光催化工程技術(shù)研究中心主導開發(fā)的光催化防污閃絕緣子具有降解有機污垢、提高閃絡電壓的特性[2-3],有可能是有效防止高海拔重污穢地區(qū)污閃事故的途徑之一。

3 高壓光催化防污閃絕緣子

由于TiO2無毒、物理化學性質(zhì)穩(wěn)定、催化活性高、制備工藝簡單、可重復使用等優(yōu)點,已成為應用最廣泛的光催化原料。該光催化技術(shù)首次應用于絕緣子,在普通瓷質(zhì)或玻璃絕緣子表面鍍上一層TiO2薄膜制成光催化防污閃絕緣子,在太陽光 (自動吸收紫外光)作用下,光催化薄膜可分解吸附在其表面的大多數(shù)有機污染物 (如碳氫化合物將被還原成CO2和H2O)和部分無機物污染物,降低絕緣子表面的親油性能,使得親油的灰塵顆粒及其他污穢不易吸附在其表面,而殘留的有機分解物和無機物會被風吹雨淋帶走。因此,絕緣子表面在陽光、雨水和風等自然條件作用下可長期保持自潔凈,使得污穢無法生成和累積,最終實現(xiàn)防污閃目的。另外,TiO2薄膜的光致高親水性、半導體涂層均布電場特性也對局部干區(qū)、局部高場強有一定的抑制作用[4-5]。

光催化防污閃絕緣子的制備工藝主要包括：光催化劑的制備、涂層、熱處理工藝。光催化劑制備采用溶膠方法;涂層工藝用旋轉(zhuǎn)噴涂法,考慮到絕緣子的曲面幾何形狀,設置上中下三個噴頭進行旋噴出料以保證涂層的均勻;熱處理工藝使用輥道窯,燒結(jié)溫度在400～500℃。成品通過掃描電鏡 (SEM)、原子力顯微鏡 (AFM)測試,結(jié)果顯示：膜層厚度為300～400 nm,TiO2粒子尺寸在10～30 nm之間;X射線衍射 (XRD)測試表明膜層為期望的銳鈦礦結(jié)構(gòu)TiO2;紫外-可見漫反射光譜測試表明膜層在波長小于360 nm處有明顯的紫外吸收特征。

淋雨沖刷實驗和酸堿處理實驗分別驗證光催化膜層的穩(wěn)定性和耐酸堿性能,以流速60 ml/s降水沖刷絕緣子表面12小時后放置12小時,重復6次為一個循環(huán),處理后絕緣子表面膜層無任何變化;利用PH值4～9的酸、堿溶液以及鹽溶液處理光催化絕緣子表面后,再用水彩涂覆到絕緣子表面,在紫外光照射下水彩褪色,該實驗表明光催化膜層經(jīng)過酸堿腐蝕后,依然具有降解有機物的能力。光催化絕緣子的機械性能、電氣性能也經(jīng)過測試,其中耐磨性遠好于普通絕緣子,說明熱處理后的膜層致密且與基底附著力強,其他各項參數(shù)均與普通絕緣子相當,對比結(jié)果見表1。

4 實際掛網(wǎng)應用

TiO2光催化涂層絕緣子在非帶電情況下的降解油污、戶外抗積污 (5年以上)、光致親水性已得到大量實驗的驗證,而帶電掛網(wǎng)應用在國內(nèi)外尚屬空白;人工氣候室能在加載高壓的情況下,模擬同海拔高度氣壓、鹽霧、溫度、降水等參數(shù)[6],但光催化防污閃絕緣子的效果需要陽光、雨水的共同作用,且自然環(huán)境下污穢成分也因污染源不同而有明顯的小區(qū)域差異,實際積污也是一個漫長、動態(tài)的過程。因而,只有通過較長時期的帶電掛網(wǎng)運行、運行中實時監(jiān)測、運行后電氣性能對比測試等工作才能準確、全面反映光自潔防污閃絕緣子的實際效果。掛網(wǎng)設計中,高壓光催化防污閃絕緣子自身的絕緣強度是需要首先考慮的問題。相對于普通絕緣子,高壓光催化絕緣子表面TiO2涂層微弱的漏電流雖然能改善絕緣子局部電場畸變,但這層10～102納米級別的半導體層是否會影響絕緣子絕緣性能并無經(jīng)驗借鑒。在掛網(wǎng)前,對普通、光催化絕緣子串的濕閃絡電壓進行測試,試驗結(jié)果表明高壓光自潔防污閃絕緣子閃絡電壓符合掛網(wǎng)要求,且濕耐受時間高于普通絕緣子。結(jié)果見表2。

表1 普通絕緣子與光催化絕緣子性能對比測試

表2 掛網(wǎng)前濕閃絡測試

為保證電力系統(tǒng)正常運行,絕緣子串的設計也必須達到規(guī)定的絕緣強度。如果絕緣水平確定太低,會有安全隱患;但如果確定過高,簡單的采用增加絕緣子片數(shù)以提高單位泄露距離的方式增強絕緣強度,會導致經(jīng)濟的不合理,因此在確定絕緣水平上需要統(tǒng)籌兼顧[7]。

在高海拔重污穢地區(qū),由于紫外輻射,酸雨侵蝕等,RTV、復合絕緣子的外絕緣特性、憎水性和憎水遷移性會加速衰減[8～10],從而導致此類絕緣子使用壽命大打折扣;而豐富的紫外光,充沛的雨水以及TiO2自身化學性質(zhì) (耐酸堿)的穩(wěn)定性,正好適合在光催化絕緣子在此類地區(qū)推廣應用。對眾多污穢地區(qū)進行掛網(wǎng)試應用,掛網(wǎng)至今最長已運行三年,三年來定期檢測積污程度、線路運行情況。掛網(wǎng)至今,自潔凈功能得到用戶的肯定,實現(xiàn)了免清洗且線路運行良好,未發(fā)生任何污閃事故。

5 結(jié)束語

通過濕閃絡測試和絕緣配合計算驗證了光催化防污閃絕緣子具有應用基礎。實際掛網(wǎng),運行至今未發(fā)生任何污閃事故;三年掛網(wǎng)運行結(jié)束后,還將對掛網(wǎng)點的光自潔、普通絕緣子進行濕閃絡、鹽密、灰密對比測試,對不同污染源掛網(wǎng)樣品進行定量對比,以分析、評定光自潔絕緣子針對不同污染源防治污閃的實際效果。另外,在掛網(wǎng)應用中,針對光催化涂層絕緣子的爬電比距有效系數(shù)Ke、特征指數(shù)m1、污閃隨氣壓的下降系數(shù)n等電氣參數(shù)也將開展與常規(guī)絕緣子的對比分析。研究上述問題,需要基礎研究和應用究相結(jié)合,通過大量深入細致的試驗來確定,這對光催化防污閃絕緣子在超高壓乃至特高壓等級,海拔、污穢更苛刻地區(qū)的應用有重要意義。

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10月27日,南瑞集團穩(wěn)定公司、國網(wǎng)山東省電力公司電科院、華北電力大學共同承擔的國網(wǎng)公司重點科技項目-"災害磁暴對大電網(wǎng)安全運行的影響及防御技術(shù)研究"通過國網(wǎng)山東省電力公司組織的科技成果鑒定。

委員會專家認為該項目成果首次圍繞中低緯度磁暴對電網(wǎng)安全影響及防御技術(shù)開展研究,總體達到國際領先水平,對于防御災害磁暴引發(fā)大停電,保障電網(wǎng)安全和社會穩(wěn)定具有巨大的潛在經(jīng)濟效益,所提出的災害磁暴引發(fā)電網(wǎng)設備群發(fā)性故障概率的在線評估方法、風險評估技術(shù)及其一體化防御框架為國際首創(chuàng),一致同意該項目通過鑒定。該項目對災害磁暴影響大電網(wǎng)安全運行的機理、預警以及應急防御開展相關(guān)基礎性研究,著重研究災害磁暴對我國特高壓交直流混聯(lián)大電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的影響、監(jiān)測預警及應急防御問題。并在此基礎上,給出災害磁暴對我國當前和規(guī)劃電網(wǎng)安全運行影響的評估、計算結(jié)果,相應的監(jiān)測預警和應急預案以及防御控制方法。

該項目進一步豐富和充實我國電力界首創(chuàng)并積極研究應用的涵蓋極端外部災害停電防御的廣域動態(tài)監(jiān)測分析控制保護系統(tǒng) (WARMAP)建設,為構(gòu)建中國特色的堅強智能電網(wǎng)提供理論和技術(shù)支撐,為防范磁暴災害提供科學依據(jù)和后續(xù)工程建設創(chuàng)造試驗環(huán)境,項目的前沿性、科學意義和推廣實用價值巨大。(信息來源：國網(wǎng)電力科學研究院)

Application of Photocatalytic Induced Self-cleaning Insulator in High Altitude Heavy Pollution Areas

HUANG Heng,CAI Xiaobin,HU Juntao,DAI Wenxin,YUAN Qikun,
MIAO Jun,LI Rongliang,LI Xianjun,YANG Gang
(1.KMUST Electric Power Engineering Technology Co.,Ltd,Kunming 650000; 2.Qujing Electric Power Supply Bureau,Qujing,Yunnan 655000; 3.National Enginneering Center of Environmental Photocatalysis,Fuzhou University,Fuzhou 355000)

Based on the characteristics of photocatalytic,hydrophilc,uniform distributing the electric field,the photoinduced selfcleaning high-voltage insulator can inhibite the pollution flashover.The pieces of insulator string under the power grid at high altitude and heavy pollution areas were calculated based on insulation coordination.The insulations appled for the high-voltage lines in China Southern Power Grid of Yunnan.Operation conditions of lines functioned well.and the pollution flashover never occurred in recent three years.

Photocatalytic;Insulator;High altitude and heavy pollution;Insulation coordination;Pollution flashover

TM853

B

1006-7345(2014)01-0078-04

2013-11-05

黃恒 (1974),男,工程師,昆明理工大學電力工程技術(shù)有限公司,從事光催化絕緣子、防覆冰涂層的研究 (e-mail) 1054237819@qq.com。

資助基金項目：

國家科技型中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新基金

昆明市科技型中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新基金

中國南方電網(wǎng)有限責任公司科技項目