500 kV輸變電設備帶電水沖洗的探索

支 鋒，張海峰，呂紅峰

（1.山西晉緣電力化學清洗中心有限公司，山西 太原 030006；2.國網(wǎng)浙江省電力公司，浙江 杭州 310007）

0 引言

隨著國家經(jīng)濟的騰飛和電力事業(yè)的發(fā)展，供電網(wǎng)絡的電壓等級逐漸升高，500 kV輸電網(wǎng)絡已經(jīng)成為我國電網(wǎng)的骨干網(wǎng)架。500 kV輸變電設備的安全可靠運行對于電網(wǎng)供電可靠性具有舉足輕重的作用。因此，對500 kV輸變電設備的防污閃工作提出了更高的要求。輸變電設備帶電水沖洗作為一種節(jié)能高效的防污閃措施在近10年來得到了長足發(fā)展，全國數(shù)個省份大面積應用，特別是在山西、廣東、浙江、江蘇、東北等地應用廣泛。目前主要針對的是110～220 kV輸變電設備。500 kV設備由于本身基礎高度較高，而且隨著電壓等級的升高，安全距離的增大，操作難度也大大提高。對500 kV輸變電設備帶電水沖洗進行科學系統(tǒng)的研究很有必要。

1 輸變電設備帶電水沖洗的原理

帶電水沖洗是采用高壓水泵將凈化后的高阻值純凈水噴到設備表面，通過水柱的擊打和水流的渦漩將設備表面污穢溶解帶走，以達到降低設備表面鹽密值的效果。在帶電水沖洗作業(yè)中，由于沖洗水柱是由高壓水泵高壓射出的直線水柱，其并非水流連線，而是由無數(shù)水滴和空氣間隙組成。其絕緣性能主要由水滴的水電阻率和水滴中間的空氣間隙構成，其絕緣性能接近于空氣間隙，在以水柱為主絕緣的沖洗方法中起著保護人身安全的關鍵作用。

2 國內(nèi)外帶電水沖洗的發(fā)展歷程

國內(nèi)自20世紀80年代初開始對帶電水沖洗技術進行系統(tǒng)的研究。1980年開始對110 kV及220 kV水柱絕緣進行了研究，在此基礎上提出水柱安全距離。1982和1983年又連續(xù)對110 kV及220 kV被沖洗設備的絕緣進行研究。在前期科學試驗基礎上，結合十幾個供電局、發(fā)電廠的現(xiàn)場沖洗規(guī)程，總結了各地多年來的經(jīng)驗教訓，經(jīng)過認真的審查后，于1984年5月正式頒布了SD129—1984《電氣設備帶電水沖洗導則》(試行)，成為我國第一份保證帶電水沖洗安全作業(yè)的標準[1]。1992年10月又進一步修改形成GB13395—1992《電氣設備帶電水沖洗導則》，對220 kV設備水沖洗的水電阻率要求在3 000Ω·cm以上；對35 kV、63 kV、110 kV組合絕緣水柱的長度進行了規(guī)范，規(guī)定了限制沖洗條件；對臨界鹽密值有比較大的修改，研究了臨界鹽密的影響。2000年以后，隨著帶電水沖洗設備技術的不斷提高，帶電水沖洗中水壓和水電阻率比以往有了很大提高。典型成果有：高原地帶帶電水沖洗的注意事項、變電站高層設備沖洗安全保障措施、220 kV電流互感器等大直徑套管沖洗方法、220 kV小水量組合絕緣帶電水沖洗的試驗與研究等。部分高校和研究所合作研制了一些新型的帶電水沖洗設備，如固定式帶電水沖洗裝置。鐵路電氣化部門也在2003年成功研制了適用于電氣化鐵路的移動沖洗車。2008年9月實行的GB13395—2008《電力設備帶電水沖洗導則》提出對水電阻率要求到1×105Ω·cm，該值是1992年標準3 000Ω·cm的33倍。該標準內(nèi)容僅限于220 kV及以下等級的帶電水沖洗，對500 kV帶電水沖洗作業(yè)的相關內(nèi)容未涉及到。

國外對輸變電設備帶電水沖洗也進行了大量研究，發(fā)展很快。美國、加拿大、日本、俄國、捷克以及中東沙特、約旦等國在超高壓的輸電線路及變電站都廣泛地開展起來。移動式作業(yè)工具包括帶絕緣斗臂的帶電水沖洗車、機械手(遙控噴頭)及直升飛機、帶電作業(yè)機器人等，固定式水沖洗裝置包括多種噴嘴的噴射系統(tǒng)及水幕，還包括全套自動化啟動系統(tǒng)。帶電水沖洗適用的電壓等級已從交流110 kV線路擴展到交、直流的750 kV線路，從110 kV變電站擴展到500 kV變電站，以及配電網(wǎng)線路。

1987年，IEEE頒布了IEEE Std.957—1987《IEEEGuidefor cleaninginsulators》 （《IEEE絕緣子清潔導則》）。2005年，IEEE輸變電委員會對該導則進行了完善和補充，形成了IEEEStd.957—2005《IEEEGuide for cleaning insulators》。其中講述的主要是帶電水沖洗技術，包括高、中、低壓3種帶電水沖洗技術。論述了世界上最先進的設備配置、主要參數(shù)選用、水柱電氣特性、作業(yè)原則以及實踐中證明安全可靠的沖洗技術。

日本對固定式帶電水沖洗進行了試驗研究，并于1976年開始應用在500 kV變電站變壓器等設備的沖洗。主要研究了3 000Ω·cm水電阻率下不同水柱長度下的工頻、雷電、操作閃絡電壓，設計了多噴口扇形噴嘴，對扇形噴嘴的流量和壓強關系進行了試驗。研究了固定帶電水沖洗管路系統(tǒng)水錘的作用，提出應在下風向和低風速情況下進行沖洗，這與我國國家標準對帶電水沖洗應用天氣狀況的要求一致。

意大利和印度在1994年聯(lián)合研究帶電水沖洗技術，主要試驗了420 kV系統(tǒng)帶電水沖洗所用水柱的絕緣性能。比較了不同波頭時間對水柱絕緣性能的影響，提出當波頭時間為1 100μs時，水柱擊穿電壓最低。試驗了帶電水沖洗絕緣子串不同部位時閃絡電壓的變化規(guī)律，得出的結論是沖洗到絕緣子串1/3處時最容易發(fā)生閃絡事故。

前蘇聯(lián)在20世紀80年代已在全蘇各種電壓等級變電站和輸電線路上進行帶電沖洗。其噴嘴的出口壓力分為高壓（1 500～2 500 kPa） 和低壓（500～1 500 kPa） 兩類。高壓水流使用5 mm和6 mm的噴嘴，流量較??；低壓水流使用10～16 mm的大型噴嘴，流量較大。

前蘇聯(lián)根據(jù)定向水流裝置在噴頭各種壓力和噴嘴直徑的條件下對水流的流體動力性能經(jīng)過廣泛研究，包括不同直徑水柱的有效長度，噴嘴的各種形狀、水柱結構、用水量和水柱的清洗效果——水柱的沖擊力與各種污穢物的可清洗性的聯(lián)系等，得出一系列數(shù)據(jù)。如當8～10 mm直徑的噴嘴壓力從400 kPa上升到1 000 kPa時，水柱的密集性和水的透氣性決定了水柱泄漏增加，當5～6 mm直徑的噴嘴壓力由1 000 kPa增加到2 500 kPa時，水柱泄漏減少。又如當均勻清洗時，泄漏電流的產(chǎn)生過程具有平穩(wěn)增加的性質(zhì)，而與污穢密度無關。污穢物中的導電部分可在清洗一開始就清洗掉，然后再把污穢物中的不溶解的微粒清除。

美國在電力設備帶電水沖洗方面發(fā)展比較全面，特別是其沖洗工具制造方面經(jīng)驗豐富。大型專業(yè)生產(chǎn)帶電水沖洗設備的公司，已經(jīng)具有30多年制造、銷售和維護帶電水沖洗設備的經(jīng)驗，同時還具有高空帶電作業(yè)（用帶電絕緣車） 等多方面經(jīng)驗；并且銷售到中東沙特、阿聯(lián)酋、約旦、美洲巴西、墨西哥以及亞洲日本等30多個國家使用。

縱觀國內(nèi)外帶電水沖洗技術的發(fā)展，國內(nèi)外在500 kV輸變電設備帶電水沖洗領域還存在很多空白，需要從安全距離、水的絕緣性能、沖洗方式、鄰近效應、沖洗角度、鹽密控制、沖洗效果等方面開展理論和試驗研究，從而支撐500 kV輸變電設備帶電水沖洗工程實踐，形成一套成熟的500 kV輸變電設備帶電水沖洗作業(yè)實施辦法。

3 研究的主要內(nèi)容和成果

近年來，我國輸變電設備帶電水沖洗技術和手段在不斷地改進和日臻完善，國內(nèi)對于220 kV及以下電壓等級的電力設備帶電水沖洗技術已經(jīng)成熟，而且具有了多年的實踐經(jīng)驗，帶電水沖洗工作在防污閃事故發(fā)生方面起著重要作用，而且在將來的一段時期內(nèi)還將繼續(xù)發(fā)揮作用。浙江省不少發(fā)電廠、變電站和輸電線路都相繼開展了此項工作，既減少了停電時間又達到了防污閃的效果，經(jīng)濟效益顯著提高。由于電壓等級的不斷提升，電氣設備的布置高度越來越高，帶電水沖洗工作遇到了一個發(fā)展史上的瓶頸，國內(nèi)幾個發(fā)達地區(qū)正在開展500 kV變電站帶電水沖洗研究工作，而且正在嘗試采用直升機對500 kV線路瓷瓶進行帶電水沖洗[1]。

國網(wǎng)浙江省電力公司和山西晉緣電力化學清洗中心有限公司順應發(fā)展趨勢，于2013年對500 kV輸變電設備帶電水沖洗進行了探索研究。從人身和設備安全出發(fā)，首先進行了水柱絕緣特性和設備泄漏電流的相關試驗，隨后對不同設備的各種沖洗方法進行了對比試驗，形成了地方性的《500 kV輸變電設備帶電水沖洗導則》。

針對水柱絕緣特性，選取潔凈支柱絕緣子為帶電水沖洗對象，在支柱絕緣子上施加最大工作相電壓（50×1.1=318 kV），采用“雙槍跟蹤、一沖多回”方法進行帶電水沖洗，用微安表測量流過水槍噴口處的泄漏電流。研究不同水柱長度，見表1；水電阻率，見表2；噴口直徑，見表3對水柱泄漏電流的影響。并且形成了水柱泄漏電流與水柱長度的關系曲線，見圖1；水柱泄漏電流與水電阻率的關系曲線，見圖2；水柱泄漏電流與噴口直徑的關系曲線，見圖3。

表1 泄漏電流與水柱長度的關系

圖1 水柱泄漏電流與水柱長度的關系

表2 泄漏電流與水電阻率的關系

圖2 水柱泄漏電流與水電阻率的關系

表3 泄漏電流與噴口直徑的關系

圖3 水柱泄漏電流與噴口直徑的關系

從相關試驗數(shù)據(jù)可以看出：水柱泄漏電流隨水柱長度的增加減小，隨槍嘴口徑的增大而減小，隨水電阻率的增大而減小；只有在水柱長度為4 m，噴口直徑為10 mm，設備相電壓不低于500 kV時，水柱泄漏電流大于1 mA。

對不同直徑的設備進行不同沖洗方法的比較，分別對電流互感器、支柱絕緣子和斷路器絕緣支柱進行兩槍、三槍、四槍的沖洗效果比較。通過對沖洗方法的優(yōu)選，根據(jù)設備直徑的大小對500 kV不同的設備類型建議采用不同的方法進行沖洗。支柱絕緣子和斷路絕緣支柱建議采用雙槍跟蹤法，電流互感器和電壓互感器建議采用三槍組合沖洗法，雙支柱并立式隔離開關建議采用四槍組合沖洗。并且對有關參數(shù)建議如下：水柱長度6 m以上，槍嘴口徑10 mm以下，水電阻率200 000Ω·cm以上，嚴格控制各參數(shù)，保證施工安全。

在明確了水柱絕緣特性的前提下，確定了不同類型設備的沖洗方法和技術參數(shù)，進行了電氣設備在人工污穢條件下的帶電水沖洗試驗，并且采用紫外成像儀進行全程拍攝。沖洗參數(shù)：水電阻率≥300 000Ω·cm，噴口直徑8 mm，水泵出口壓力1.9 MPa，水柱長度10 m，設備表面鹽密值為0.03～0.75 mg/cm2。當設備表面鹽密值小于0.2 mg/cm2時，所有設備均無明顯起弧現(xiàn)象，泄漏電流小于30 mA；當設備表面鹽密值大于0.2 mg/cm2時，電流互感器和雙支柱隔離開關有明顯放電聲，伴有明顯起弧現(xiàn)象，泄漏電流大于40mA。建議500kV變電設備帶電水沖洗表面鹽密控制在0.2mg/cm2以下，特別注意電流互感器等大直徑設備和雙支柱隔離開關。

針對輸電線路絕緣子串，主要采用組合絕緣小水沖進行沖洗，由于電壓等級的升高，絕緣子數(shù)量增加，安全距離增大，懸垂絕緣子串建議采用絕緣繩懸吊沖洗法，耐張絕緣子串采用滑板支撐沖洗法。此兩種方法安全系數(shù)高，通過人身泄漏電流小于0.5 mA，設備泄漏電流小于10 mA。操作簡單，對施工設備要求較低，可滿足所有地區(qū)的沖洗要求，特別是山區(qū)，交通不便水量不足的地方。

在試驗場地完成大量試驗，取得詳實可靠試驗數(shù)據(jù)的情況下，于2014年6月6日在500kV王店變電站完成500kV變電設備帶電水沖洗現(xiàn)場試驗。于2014年7月1日在500 kV甌四5471線上完成了輸電設備帶電水沖洗現(xiàn)場試驗，均取得了良好的效果。

4 結束語

500 kV輸變電設備帶電水沖洗的試驗研究證明，500 kV輸變電設備可以進行帶電水沖洗，在操作過程中不同類型的設備采用不用的沖洗方法，可以嚴格控制設備表面鹽密值，如果嚴格執(zhí)行有關規(guī)程和標準，安全可以保證，沖洗效果良好。500 kV輸變電設備帶電水沖洗是國內(nèi)首次開展的最高電壓等級的現(xiàn)場應用，項目成果可直接用于500 kV輸變電設備的防污閃工作；項目的大面積推廣應用，可有效防止污閃跳閘事故，提高電網(wǎng)的供電可靠性。

[1]王如璋.帶電水沖洗的現(xiàn)狀及發(fā)展[J].東北電力技術，1994（7）：41-43.