戶內柔性直流設備外絕緣爬電事件淺析

傅智為，吳文斌，吳勇昊，謝文炳

（1.國網福建省電力有限公司電力科學研究院，福州350007；2.國網福建省電力有限公司，福州350003）

戶內柔性直流設備外絕緣爬電事件淺析

傅智為，吳文斌，吳勇昊，謝文炳

（1.國網福建省電力有限公司電力科學研究院，福州350007；2.國網福建省電力有限公司，福州350003）

分析了一起沿海地區(qū)戶內柔性直流設備外絕緣積污爬電事件，對戶內直流設備外絕緣積污進行了深入探討。戶內直流設備由于直流吸附作用且缺乏自清潔條件，積污特性受到戶內雜質、濕度、溫度等多種因素的顯著影響，需引起重視。對于存在爬電情況的戶內直流設備，可以結合實際情況，采取噴涂PRTV、加裝增爬群、加裝絕緣子、改善通風系統(tǒng)、定期清掃等措施。

直流；爬電；積污；濕度；戶內

0 引言

自1989年建成第1回±500 kV直流線路[1]，至2015年底大氣污染防治防治行動計劃“四交四直”特高壓工程“兩直”工程開工，直流輸變電技術在我國高速發(fā)展[2]-[3]，特高壓直流電網已成為我國電網主網架的重要組成部分。同時，隨著智能電網的發(fā)展及對可再生能源的重視，直流供電技術和柔性直流技術也在近年得到飛速發(fā)展，戶內直流工程不斷增多[4]-[6]。

污閃對直流系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行造成嚴重的威脅，而積污正是污閃發(fā)展的最基本的因素，國內外學者對直流系統(tǒng)外絕緣積污特性和防污閃手段進行了大量的研究[7-17]，國網公司也制定了明確的標準規(guī)范[18]，但主要是針對戶外特高壓/超高壓直流設備，針對戶內直流設備外絕緣積污開展的研究較少，缺乏相關標準規(guī)范。在進行設計制造時，一般認為戶內設備外絕緣積污相對較輕，實際上，戶內直流設備外絕緣由于存在直流吸附作用且缺乏自潔條件，其積污特性受戶內環(huán)境影響顯著，特別是在污染嚴重以及氣候潮濕的地區(qū)，更需引起重視。筆者通過對一起柔性直流工程戶內設備外絕緣積污爬電事件進行了分析探討，三戶內直流外絕緣積污特點，并提出了戶內直流設備防污閃的措施。

1 事件概述

2016年6月，在對沿海地區(qū)某柔性直流工程兩側戶內換流站（簡稱A站、B站）進行紫外帶電測試中發(fā)現(xiàn)，兩站直流場內平波電抗器、隔離開關、電纜終端等設備瓷絕緣子表面均存在大量放電如圖1所示。

圖1 兩側換流站部分紫外測試結果Fig.1 Partial UV test results of two sides of the converter station

在現(xiàn)場金屬圍網外可聽到明顯放電聲，部分放電電弧肉眼可見，其中最嚴重一處為A站極I直流場平波電抗器支柱絕緣子上節(jié)瓷瓶表面的爬電，已形成穩(wěn)定電弧，電弧長度超過3組傘群。圖2為直流場高清攝像頭所拍攝的畫面。

圖2 A站極I直流場平波電抗器支柱絕緣子監(jiān)控畫面Fig.2 Monitoring screen of post insulators of smoothing reactor of pole I in DC field of station A

進一步利用望遠鏡觀察各設備瓷絕緣子表面，發(fā)現(xiàn)外絕緣表面普遍有大片白色痕跡，部分呈樹枝狀或裂紋狀，且位于法蘭與瓷瓶受力部位，無法確定瓷瓶是否開裂受損。次日停電后，對兩側換流站直流場、閥廳、橋臂電抗器室進行了全面的巡視檢查。

該柔性直流工程2015年12月投運后，有效帶電運行時間約4個月。

2 現(xiàn)場情況調查

該柔直工程地處沿海型環(huán)境中，其中A站距海2.2 km，西北方1.4 km、西南方1 km有水庫，周邊為道路、村落，直流場隔墻外即是后坑垃圾壓縮中轉站、后坑垃圾焚燒廠，垃圾運送車來往頻繁，環(huán)境惡劣，因此直流場外部常年惡臭。B站距海約2.5 km，西南方1 km左右有水庫，周邊農田、村莊，工業(yè)較少。

2.1 直流場積污情況

極I、極II、中性線部分位于同一戶內矩形空間內，極I、極II于兩側對稱布置，中性線部分布置于中心高平臺位置。

2.1.1 積污情況

極I、II設備瓷絕緣子（平波電抗器支柱絕緣子、隔離開關支柱/操作絕緣子、直流電纜終端瓷套）外表面臟污，局部有大量白色或黑色物質粘附且極難清洗。白色污穢最集中的位置在平波電抗器支柱絕緣子中間法蘭上下方的傘群表面。

表1 直流場各瓷絕緣子主要技術參數(shù)Table 1 Main technical parameters of porcelain insulators in DC field

復合絕緣子（直流分壓器、直流避雷器）也存在較嚴重臟污，呈黑色，但未出現(xiàn)爬電。各設備金屬裸露部分有不同程度的積污發(fā)黑情況，已接地刀閘處最為嚴重。

兩換流站直流場地面積灰明顯，極I區(qū)域比極II區(qū)域略為嚴重。見圖3。

直流場中性線區(qū)域與極I、極II空間上直接連通，但潔凈度明顯較好，中性線設備部分無明顯積污，直流電場吸附灰塵的現(xiàn)象十分明顯。見圖4-圖6。

圖3 極I、II平波電抗器支柱絕緣子表面積污Fig.3 Contamination on post insulators of smoothing reactor of

圖4 直流場設備金屬裸露部分積污Fig.4 Contamination of exposed metal parts of equipment in DC field

圖5 直流場地面積灰Fig.5 Ash accumulation on the floor in DC field

圖6 瓷瓶表面凝露小水珠Fig.6 Condensation on surface of insulator

2.1.2 通風系統(tǒng)

直流場使用外循環(huán)空氣通風散熱的形式，外部空氣經風扇濾網風道（高處、未除濕）進入室內，對流后經下風口排風機排出，SF6事故排風機平常不運行，但未裝設密閉閥，未能有效防塵。

2.1.3 溫濕度情況

調查當日，現(xiàn)場悶熱潮濕，現(xiàn)場溫濕度計顯示溫度約31℃，濕度約70%，存在少量凝露情況，且直到中午局部傘裙位置仍有微小水珠。調取A站直流場極I近期濕度數(shù)據(jù)記錄發(fā)現(xiàn)，進入梅雨季節(jié)后，直流場濕度長期超過70%（最高達87%）。見圖7。

2.2 橋臂室積污情況

2.2.1 積污情況

橋臂電抗器室地面有明顯積塵，瓷瓶表面也有積灰和少量凝露情況，基本集中在各傘群上表面，僅薄薄一層且較為均勻，輕拭即可抹去，未出現(xiàn)類似直流場內的白色固體積污。復合絕緣子也有發(fā)黑積污的情況。見圖8。同時，橋臂室內分壓器的底座、套管、支柱絕緣子法蘭螺栓等均發(fā)黑，靠近地面的較為嚴重。室內現(xiàn)場較為悶熱潮濕。

圖8 橋臂電抗器支柱絕緣子瓷瓶表面積污Fig.8 Contamination in post insulators of bridge arm reactor

2.2.2 通風情況

橋臂室使用外循環(huán)空氣通風散熱的形式，外部空氣經風扇濾網風道（地面、未除濕、濾網運行半年有積塵）進入室內，對流后經屋頂排風機排出，下部SF6排風機平常不運行，但未裝設密閉閥，未能有效防塵。

2.3 閥廳積污情況

閥廳內地面潔凈，支架支撐絕緣子表面清潔。

閥廳內正常時新風經初效過濾、亞高效過濾、表冷除濕、加熱除濕后從閥廳頂部分布式風道送風，對流后經回風循環(huán)利用。閥廳日常保持微正壓，空氣雙重過濾可有效除塵。

閥廳下部的SF6事故風機、頂部的軸流風機和消防排煙機均裝設密閉電動閥，雖無法完全達到密閉效果，但已可一定程度達到防塵效果，日常閥廳控制濕度在65%、溫度在26℃左右，近期記錄中最高運行濕度約70%。

2.4 污穢度測試

對A換流站直流場和交流場的支柱絕緣子取樣進行污穢度測試，結果見表2，直流場等值鹽密、灰密遠高于交流場，直流場等值鹽密約遠超交流場，影響外絕緣性能的主要為可溶性電解質。等值鹽密含量相對較高，同換流站位于海邊空氣鹽分含量高的實際相符。取樣測試按照Q/GDW 1152.2-2014《電力系統(tǒng)污區(qū)分級與外絕緣選擇標準第2部分直流系統(tǒng)》中附錄B要求進行。

表2 A換流站污穢度測試結果Table 2 Measured results of contamination severity in converter station A mg·cm-2

3 事件分析

外絕緣積污是直流吸附、重力、風力等多種因素共同作用的結果。文獻[15]的研究表明當風速低于1.5m/s時，絕緣子表面積污主要由直流電場場強決定，直交流積污比隨污穢微粒粒徑的增大而減小。由于直流場內主要雜質顆粒粒徑較?。ㄍ獠靠諝饨洖V網進入），導致本站戶內交直流設備外絕緣積污比較大。

[19]、[20]的研究結果表明，支柱絕緣子的電場大小分布曲線兩頭高，中間低，呈馬鞍型，金具的棱角部分及金具與電介質結合的部分是場強較大區(qū)域。本次觀測到的積污最為嚴重的位置位于平波電抗器支柱絕緣子的中間法蘭附近，同支柱絕緣子場強分布結果相符（上部法蘭位于電抗器均壓環(huán)作用范圍內）。同時平波電抗器支柱絕緣子直接落地，高度相對于隔離開關絕緣子低很多，更有利于克服重力和直流場內空氣對流作用[21-22]，快速吸附微粒形成積污。

本次爬電事件是一起典型的戶內直流設備外絕緣積污導致的爬電事件，從本次現(xiàn)場調查情況可以看出，影響戶內換流站直流場積污爬電的主要因素包括：

1）外部雜質：直流場非全密封結構，場內上部送風口、未密閉的上部風機口緊挨垃圾處理站，而風機濾網僅能過濾較大顆粒雜質，帶有鹽分、水汽和其他雜質的空氣經上部風口進入場內，從下風口出去，導致場內存在大量污染源。

2）自清潔條件：同戶外特高壓直流設備相比，本柔直工程直流場、電抗器室均為封閉空間，場內風速小，污穢物擴散很慢，形成微粒沉降的有利條件。絕緣子表面的污穢無法被風吹去，也無法受到自然雨水的洗滌，絕緣子不存在自清潔條件導致外表面污穢長期不斷積累。

3）直流吸附作用：直流場內空氣中的帶電微粒在直流電壓下受到恒定方向電場力作用被吸引到絕緣子表面（即靜電吸塵效應），導致直流絕緣子比交流的積污嚴重的多。

4）溫濕度：本直流工程周邊水汽充足，離海、水庫等距離較近，直流場內濕度較高，外部的濕熱風進入場內后遇到冷的瓷絕緣子，在瓷絕緣子表面冷凝，使電解質溶解電離。

國內相關研究表明[16-17]，當相對濕度R＜70%時，污層濕潤程度較低，使得鹽的溶解度較低，絕緣子表面泄漏隨污穢程度變化不明顯。當相對濕度R＞70%時，隨著相對濕度的增加，污層受潮較快，鹽的溶解度較大，絕緣子開始形成導電液膜，泄漏電流幅值迅速增加，泄漏電流幅值隨相對濕度變化的曲線近似于指數(shù)函數(shù)。

在直流場各類設備的運行條件中均要求相對濕度不超過70%，但現(xiàn)場實際運行環(huán)境難以滿足此要求。此外，現(xiàn)場溫度情況對于外絕緣爬電也有一定影響[16]。

5）爬電比距：對于戶內直流設備的爬電比距要求，一直以來缺少一個明確的參照標準，僅在GB/T 25091-2010《高壓直流隔離開關和接地開關》中有著一個簡單的數(shù)值規(guī)定：“戶內直流開關場的爬電比距為25mm/kV”。

Q/GDW 1152.2—2014《電力系統(tǒng)污區(qū)分級與外絕緣選擇標準第2部分直流系統(tǒng)》中要求“各級污區(qū)直流線路絕緣子和換流站直流場支柱/空心絕緣子，其外絕緣配置應通過污耐受法確定”，但此要求在實際中難以實現(xiàn)，特別對于戶內直流工程，戶內外環(huán)境不同、積污放電特性也不同，戶外試驗不具備參考價值，而直流場建筑物建成后，受絕緣距離和戶內空間的限制，設備尺寸已相對固定，再開展人工污穢試驗和調整并不現(xiàn)實。

目前，對于戶內直流設備外絕緣，國內在設計階段一般根據(jù)經驗并參照戶外設備標準進行選取，一般認為戶內設備對爬距的要求低于戶外，且并未考慮到環(huán)境差異。本次發(fā)生爬電的平波電抗器支柱絕緣子爬距設計10 500 mm，實測爬距與之相符，統(tǒng)一爬電比距為32.8 mm/kV，滿足不小于25 mm/kV的要求，但從帶電運行4個月即發(fā)生爬電的情況看，該爬電比距嚴重不適應設備的現(xiàn)場環(huán)境。

4 結論與建議

通過上述分析可以看出，該柔直工程直流場內瓷絕緣子外絕緣受直流電場靜電吸塵效應影響，表面污穢嚴重且缺乏自然清掃的條件（大風、降雨），污穢物不斷積累，且場內空氣濕度較高，存在凝露現(xiàn)場，有利于污穢電解質電離導電，導致本次爬電事件的發(fā)生。

本次的爬電事件未引起絕緣子損傷，直流場設備擦拭后未發(fā)現(xiàn)絕緣子表面損傷，現(xiàn)已投運，爬電情況消失。這種直流設備爬電情況短時間內雖不會導致設備污閃跳閘，但必須引起重視，戶內直流場絕緣子表面污穢因缺乏自潔手段，污穢只會不斷增多，若不采取手段爬電只會越來越嚴重，且可能引起設備外絕緣的永久性損傷。

為改善戶內直流場瓷絕緣子外絕緣運行狀況，可根據(jù)情況采取以下措施：

1）噴涂PRTV對直流場內瓷絕緣子噴涂PRTV，使絕緣子表面具備憎水性提升防污閃能力，但應特別注意對噴涂工藝的控制，保證噴涂質量[23-25]。戶內設備使用PRTV壽命相對較長，但由于缺乏自潔條件（雨水、風等），長期運行仍可能存在污閃問題。

2）加裝增爬群，在支柱絕緣子的中部加裝增爬群[21]，提高絕緣子爬距，避免閃絡。但增爬裙可能會改變支柱絕緣子及周邊設備外絕緣的電場分布，需進行仿真計算，另一方面增爬裙不宜設置過多因此爬距增加有限。

3）加裝絕緣子，在平波電抗器支柱絕緣子底部增加一截絕緣子，該方法可有效提高絕緣子爬距，但該方法受到建筑物空間的限制，需要重新核算安全距離。

4）改善通風系統(tǒng)，改善直流場通風條件和空氣質量，通過加裝濾網、除濕機或整體改造等手段，從源頭上改善、控制直流場內空氣的清潔度及濕度情況。

5）定期清掃，直流設備吸塵問題普遍存在，均需結合停電定期進行清掃，爬電嚴重時應及時停電清掃。

對于戶內直流設備，由于難以在施工建設前進行有效的污穢試驗，且后期調整改造受戶內空間限制，因此，在設計階段，應更加重視現(xiàn)場調研工作，了解現(xiàn)場周邊氣候及環(huán)境情況，對污染源進行細致的調查分析，并根據(jù)調查結果，綜合考慮，確定設備外絕緣爬電比距、建筑物空間尺寸和通風系統(tǒng)方案等，而不宜直接參考其他地區(qū)的歷史經驗。

此外，想要更準確的制定直流場內設備外絕緣的防污閃方案，需要提高重視程度，不斷的積累收集運行經驗，并對戶內直流設備的積污特性開展更多的技術研究。

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Initial Analysis on the Creepage Event of External Insulation of Indoor VSC-HVDC Equipment

FU Zhiwei,WUwenbin,WU Yonghao,XIE Wenbing
（1.State Grid Fujian Electric Power Research Institute,Fuzhou 350007,China；2.State Grid Fujian Electric Power Co，.Ltd.，F(xiàn)uzhou 350007,China）

There is little related researches on contamination of indoor DC equipment all the time.Through the introduction and analysis on the creepage event of external insulation of the VSC-HVDC equipment which is on the coast,this paper discusses the contamination accumulation of external insula?tion of indoor DC equipment.Due to the adsorption effect of DC and the lack of self-cleaning condition,contamination accumulation characteristics are greatly affected by many factors,such as impurity,temper?ature and humidity,which should given more attention.For indoor DC equipment which is creepage dis?charged,measures such as spray PRTV,install booster shed,add insulator,improving ventilate system,cleaning regularly can be taken by combining with the practical situation.

direct current；creepage；contamination accumulation；humidity；indoor

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.05.035

2016-07-05

傅智為（1985—），男，高級工程師，碩士，從事高電壓與絕緣技術研究。