霧霾對(duì)山西電網(wǎng)外絕緣的影響

王欣偉，劉 宏，安瑞峰

（國網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001）

外絕緣的污閃過程可分為積污、濕潤(rùn)、局部放電、局部放電橋接閃絡(luò)四個(gè)階段。外絕緣表面的積污和濕潤(rùn)是構(gòu)成污閃的兩個(gè)基本條件，二者缺一不可?！办F霾”實(shí)質(zhì)就是“濕沉降”，“霧”即濕度的影響，“霾”即大氣中污穢物的影響。當(dāng)外絕緣表面十分干凈時(shí)，“霧”幾乎不會(huì)引起電網(wǎng)外絕緣閃絡(luò)；當(dāng)外絕緣表面十分干燥時(shí)，“霾”也不可能引起電網(wǎng)污閃。但一般情況下霧和霾是互融共存的，當(dāng)相對(duì)溫度和濕度變化時(shí)，霾和霧可互相轉(zhuǎn)化。而外絕緣表面的積污和濕潤(rùn)，與地理、氣候和環(huán)境污源有著密切的聯(lián)系。

1 山西電網(wǎng)近年來的污閃事故

2007年至2016年，山西電網(wǎng)110 kV及以上輸電線路共發(fā)生13次污閃跳閘。大霧、融雪、融冰、小雨和毛毛雨是誘發(fā)污閃跳閘的重要天氣因素，在這13次跳閘中與大霧天氣有關(guān)的共4次，具體情況如下。

2007年，晉中供電公司發(fā)生4次污閃事故，分別是220 kV寺綿線78號(hào)、220 kV寺平Ⅱ回145號(hào)和149號(hào)、220 kV寺綿線144號(hào)、220 kV寺平I回154號(hào)。所處環(huán)境全部為重污區(qū)（d級(jí)），4次事故都發(fā)生在3月初，與其暖春的降雨轉(zhuǎn)大霧、大霧轉(zhuǎn)雨夾雪的惡劣天氣有直接關(guān)系；220 kV寺綿線78號(hào)為雨后起大霧引起的跳閘。

2009年，運(yùn)城110 kV古王線83號(hào)發(fā)生大霧污閃事故，所處環(huán)境為重污區(qū)（d級(jí)），發(fā)生時(shí)間為2月份。

2013年，發(fā)生2次污閃事故，分別是運(yùn)城110 kV高王線182號(hào)和長(zhǎng)治110 kV長(zhǎng)宋線55號(hào)，發(fā)生污閃月份為1月底和2月初，所處環(huán)境污區(qū)等級(jí)都中重級(jí)污區(qū)（c—d級(jí)），且全部為大霧天氣。

綜上所述：從氣候特點(diǎn)來看，全部為大霧天氣，空氣濕度很大，而不是霧天或霧霾天；從時(shí)間上看，3次發(fā)生在1、2月份，1次發(fā)生在3月初；從設(shè)備環(huán)境看，不小于中重級(jí)污區(qū)（c—d級(jí)）?，F(xiàn)場(chǎng)污穢度等級(jí)范圍示意圖見圖1。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)污穢度等級(jí)范圍示意圖

2 山西電網(wǎng)污穢數(shù)據(jù)

2015年期間國家電網(wǎng)公司運(yùn)檢部下達(dá)《進(jìn)一步加強(qiáng)持續(xù)霧霾對(duì)輸變電設(shè)備安全運(yùn)行影響分析研究工作方案》的通知，山西電網(wǎng)根據(jù)安排對(duì)霧霾嚴(yán)重、周期長(zhǎng)、頻次高地區(qū)中的110 kV及以上輸變電設(shè)備進(jìn)行污穢專項(xiàng)測(cè)量。全省測(cè)試點(diǎn)37個(gè)（線路32個(gè)，變電站5個(gè)）。為便于比較分析，在已有舊參照絕緣子（5片） 掛點(diǎn)周邊或同桿塔上，新增參照測(cè)試絕緣子（5片），針對(duì)霧霾期（1月—2月）的積污數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量。以下為運(yùn)城220 kV桃鹽線78號(hào)測(cè)量數(shù)據(jù)（桃鹽線地處運(yùn)城市郊，周邊污源主要為化工企業(yè)、產(chǎn)鹽區(qū)，每年1月—2月霧霾頻次較高，污穢等級(jí)d），測(cè)試結(jié)果見表1。

從測(cè)試數(shù)據(jù)來看，霧霾期（1、2月） 對(duì)外絕緣上表面的積污影響要大于下表面，測(cè)試對(duì)比見表2。觀察2016年3月測(cè)試、積污2個(gè)月的新模擬串測(cè)試數(shù)據(jù)比較直觀；對(duì)比新舊模擬串積污12個(gè)月和14個(gè)月（跨霧霾期） 的2片絕緣子上下表面4組平均鹽灰密數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)積污14個(gè)月的上表面比積污12個(gè)月的上表面鹽灰密之略有升高，但積污14個(gè)月的下表面比積污12個(gè)月的下表面鹽灰密值較接近，也可反映出霧霾期積污對(duì)外絕緣上表面的積污影響較大。

表2 上下表面積污測(cè)量對(duì)比表

表1 運(yùn)城220 kV桃鹽線78號(hào)污穢測(cè)試結(jié)果記錄

從測(cè)試數(shù)據(jù)來看，霧霾期的直接污穢測(cè)量和間接污穢差值測(cè)量，其結(jié)果存在較大差異。所謂直接測(cè)量就是霧霾期積污2個(gè)月的測(cè)試數(shù)據(jù)；所謂間接污穢差值測(cè)量，就是跨霧霾期積污1年或1年以上的參照絕緣子鹽灰密測(cè)試數(shù)據(jù)，減去同串未跨霧霾期積污的鹽灰密數(shù)據(jù)所得的差值數(shù)據(jù)。觀察表3的測(cè)量比較結(jié)果，發(fā)現(xiàn)間接測(cè)量比直接測(cè)量結(jié)果小很多。直接測(cè)量灰鹽比為1.66；2次間接測(cè)量灰鹽比結(jié)果差別比較大，分別為1.37和5.07，由此知間接測(cè)量存在誤差較大。出現(xiàn)這種情況的主要原因有3個(gè)：一是外絕緣表面積污增長(zhǎng)與積污時(shí)間不是正比例線性關(guān)系，而是非線性關(guān)系；二是間接測(cè)量的計(jì)算方法存在誤差，具體原因這里不詳細(xì)分析；三是同串不同片絕緣子積污數(shù)據(jù)存在一定離散性。輸變電運(yùn)維單位在日常測(cè)量工作中，為了減少工作量，有時(shí)會(huì)使用間接差值測(cè)量。通過數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，間接污穢差值測(cè)量法存在較大誤差。

表3 直接測(cè)量與間接差值測(cè)量數(shù)據(jù)比較

以上2個(gè)測(cè)試分析結(jié)論，基于全省37個(gè)測(cè)試點(diǎn)（線路32個(gè)，變電站5個(gè)），具有一定普遍性。其中第1個(gè)結(jié)論中，37個(gè)測(cè)點(diǎn)中（25個(gè)測(cè)點(diǎn)未進(jìn)行上下表面區(qū)分測(cè)量），有9個(gè)測(cè)點(diǎn)與其分析結(jié)論一致，有2個(gè)上下表面差別不太明顯（與其參照絕緣子為復(fù)合絕緣子有關(guān)），有1個(gè)測(cè)點(diǎn)上表面積污小于下表面（大同110 kV東牽線1號(hào)，與其大風(fēng)降雪天氣有關(guān)）；第2個(gè)結(jié)論中，37個(gè)測(cè)點(diǎn)中的15個(gè)進(jìn)行了間接差值測(cè)量，有2個(gè)測(cè)點(diǎn)在間接差值測(cè)試結(jié)果中出現(xiàn)負(fù)值，進(jìn)一步印證了間接差值測(cè)試結(jié)果的誤差較大。

使用參照絕緣子進(jìn)行霧霾期的積污測(cè)試，其測(cè)試結(jié)果能大致反映霧霾期對(duì)絕緣子積污的影響，但不能精準(zhǔn)測(cè)定，其原因是多方面的，比如霧霾持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短和頻次、大風(fēng)降雨降雪的影響、污穢組成成分不同（是否易于附著外絕緣）、參照絕緣子的懸掛位置的影響、參照絕緣子的材質(zhì)（瓷、玻璃、硅橡膠）和傘形等等。因此對(duì)霧霾期外絕緣積污的影響，還需要不斷地去研究和探索。

3 山西電網(wǎng)環(huán)境情況

霧霾對(duì)電網(wǎng)設(shè)備的影響分析，不能脫離其電網(wǎng)設(shè)備所處的周邊環(huán)境，應(yīng)具體情況具體分析。工農(nóng)業(yè)布局、地理環(huán)境（沿海、高原、盆地、沙漠等）、污源成分組成、氣候（降水、大風(fēng)、霧）等的影響，都是分析研究的重要因素。

3.1 山西電網(wǎng)、地理及污染源情況

山西省地處黃土高原的東部，地形從東北向西南傾斜，兩側(cè)高山隆起，中部斷陷為多字型盆地，可明顯的分為東部山地區(qū)、西南高原區(qū)、中部盆地區(qū)三部分。全省的山地、丘陵、平原三大類地形各占40.0%、40.3%、19.79%，總的地勢(shì)特點(diǎn)是“兩山夾一川”，這一特點(diǎn)大體決定了山西的人口分布和工農(nóng)業(yè)布局，也決定了山西電網(wǎng)的分布。從北到南的四大盆地（大同、忻定、晉中、運(yùn)城），是工農(nóng)業(yè)密集區(qū)，也是電網(wǎng)分布密集區(qū)，全省80%的d級(jí)以上污區(qū)位于四大盆地首尾銜接而成的狹長(zhǎng)地帶。污染最重的地區(qū)位于山西的中南部，該地區(qū)的d、e級(jí)污區(qū)所占面積較大。山西電網(wǎng)分布及污區(qū)分布狀況如圖2。

圖2 山西省電力系統(tǒng)污區(qū)分布圖

表4 山西省主要污染源

表5 山西鹽漬化土地基本情況km2

如表4所示為山西省主要污染源的構(gòu)成。以能源和礦藏為依托的電力、煤焦、冶金、化工、建筑材料形成了工業(yè)污染源。大量汽車尾氣和食鹽融雪劑的使用是交通污染的主要構(gòu)成。另外鹽堿地地表土中可溶性鹽離子含量及電導(dǎo)率都很高，鹽堿土對(duì)輸變電設(shè)備的污染主要通過揚(yáng)塵完成的，山西省鹽漬化土地基本情況見表5?？傮w來看，山西省的污染主要以工業(yè)為主，其次為交通污染和鹽堿地。另外由于大氣環(huán)境的污染，酸霧、酸雨等沉降物使絕緣子表面的導(dǎo)電性能顯著增強(qiáng)。

3.2 山西氣候情況

山西氣候以恒山為界，北部屬溫帶半干旱季風(fēng)氣候，南部屬暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，氣候類型為大陸性季風(fēng)氣候。山西省地形地勢(shì)及氣象臺(tái)站分布示意圖見圖3。

圖3 山西省地形地勢(shì)及氣象臺(tái)站分布示意圖

降水對(duì)大氣中污穢物質(zhì)有較強(qiáng)的凈化作用，在雨水充足時(shí)，外絕緣表面的鹽密值呈下降趨勢(shì)。山西降水量時(shí)空分布不均，年變率較大，由東南向西北遞減，山區(qū)降水量普遍多于川谷。全省2011年—2015年日平均降水量為1.25 mm，晉東南地區(qū)日降雨量較大，在1.4 mm以上。全省2011年—2015年最長(zhǎng)連續(xù)無降水日數(shù)在32～79天之間，從空間分布來看，北、中部日數(shù)多于南部（圖4）。

圖4 2011年—2015年山西省平均降雨分布圖

山西省地處干旱和半干旱地區(qū)，水汽不充沛，霧日數(shù)相對(duì)較少。2011年—2015年全省平均年霧日數(shù)為14.9天，最長(zhǎng)連續(xù)霧日數(shù)在1～9天，潞城持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)，平均達(dá)8天。從空間分布看，北、中部少于南部，晉東南地區(qū)和臨汾多于其他地區(qū)。

風(fēng)對(duì)污染物有輸送和稀釋作用，污染物的擴(kuò)散和輸送與風(fēng)向和風(fēng)速有關(guān)。山西屬大氣擴(kuò)散、輸送能力強(qiáng)的地區(qū)（大環(huán)境易污染地區(qū)），城市及工業(yè)區(qū)的污染物易于向其周圍擴(kuò)散。山西省為季風(fēng)氣候，但受山川地形影響，地面風(fēng)場(chǎng)不盡相同。全省污閃季節(jié)靜風(fēng)頻率大部分在21%以下，其中以豆村、河津、河曲靜風(fēng)頻率最高，易形成輻射性逆溫，影響大氣的自凈能力（圖5、圖6）。

圖5 山西省2011年—2015年最長(zhǎng)連續(xù)霧日數(shù)圖

圖6 山西省2011年—2015年大風(fēng)日數(shù)圖

4 霧霾對(duì)山西電網(wǎng)影響的綜合分析

從氣象條件綜合分析，山西省北、中部大部分地區(qū)霧日數(shù)較少，降水量少、相對(duì)濕度較?。ㄎ迮_(tái)山和呂梁以北的關(guān)帝山屬于山區(qū)，降水和濕度較大，電網(wǎng)設(shè)備少），風(fēng)速較大，不易于發(fā)生污閃。而南部地區(qū)，尤其是晉東南長(zhǎng)治和晉南臨汾地區(qū)和運(yùn)城北部分地區(qū)，霧霾期內(nèi)相對(duì)濕度大，大風(fēng)日數(shù)少，霧日數(shù)較多，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，部分地區(qū)達(dá)10天以上，較容易發(fā)生污閃，應(yīng)作為防污閃工作重點(diǎn)。從2007年至2016年大霧引起的污閃跳閘故障也可看出主要是長(zhǎng)治和運(yùn)城地區(qū)，臨汾地區(qū)之所以近些年未發(fā)生污閃事故，與其2000年和2002年前后發(fā)生大面積污閃事故之后大力治理有很大關(guān)系，雖有其他形式的污閃發(fā)生，但近些年未發(fā)生過大霧引起的污閃跳閘事故。

從地理和污源情況綜合分析，山西北部的大同、朔州地區(qū)基本沒有發(fā)生大霧引起的污閃事故，其主要污染源是發(fā)電和采礦業(yè)，并且該地區(qū)因融冰融雪發(fā)生污閃事故也較少。山西中部的忻州、太原、陽泉、晉中、呂梁地區(qū)，其主要污染源如化工、冶金、焦化、水泥建材等，雖然近些年未發(fā)生過大面積的污閃事故，但在個(gè)別小的區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)了反復(fù)頻繁的污閃跳閘事故。如忻州豆羅鎮(zhèn)附近有眾多的水泥廠和建材廠，途經(jīng)該區(qū)域的神侯Ⅰ、Ⅱ回線投產(chǎn)后，在霧霾期多次反復(fù)的發(fā)生跳閘事故；晉中靈石縣境內(nèi)礦產(chǎn)資源豐富，焦化冶金等企業(yè)多建在山溝內(nèi)，污染物極不易擴(kuò)散，且易于起霧，因此造成周邊區(qū)域的個(gè)別輸電桿塔反復(fù)跳閘。山西南部是污閃跳閘的重災(zāi)區(qū)，尤其是運(yùn)城和臨汾地區(qū)。臨汾地處山地丘陵之間的盆地內(nèi)，且眾多污染企業(yè)相對(duì)比較集中，污染物不易擴(kuò)散，是其發(fā)生污閃的重要原因。運(yùn)城地區(qū)以聞喜縣東鎮(zhèn)為中心的重污區(qū)作為代表最為明顯，其主要污染源是金屬鎂企業(yè)群、化工和水泥廠，該區(qū)域的鹽密測(cè)試值遠(yuǎn)大于e級(jí)污區(qū)上限，最大達(dá)到1.6 mg/cm2。在1999年到2003年間運(yùn)城地區(qū)發(fā)生的8次污閃事故中有5次發(fā)生在這一區(qū)域。另外，運(yùn)城市有我國最大的內(nèi)陸鹽池，鹽池及其周邊的鹽堿化土地對(duì)外絕緣積鹽的影響較大。

從霧霾本身來分析，霧霾因其濕度的不同可分為“濕霧霾”和“干霧霾”。大霧天氣就是霧多霾少，為典型濕霧霾，這種情況下外絕緣污穢等級(jí)不是很高（c—d級(jí)），但絕緣配置裕度稍有不足，就有可能發(fā)生污閃跳閘。如2013年運(yùn)城110 kV高王線182號(hào)和長(zhǎng)治110 kV長(zhǎng)宋線55號(hào)發(fā)生的跳閘事故。霾天就是霾多霧少，為典型干霧霾，一般這種天氣幾乎不發(fā)生跳閘事故，但也有極端情況：如果污染嚴(yán)重地區(qū)，長(zhǎng)時(shí)間無降水無強(qiáng)風(fēng)，空氣中的污穢物聚集不擴(kuò)散，恰在此時(shí)降雨降雪，空氣中的污染物被裹挾而下，外絕緣表面電導(dǎo)率會(huì)迅速升高，污閃機(jī)率會(huì)大為增加，這是近些年華北內(nèi)陸地區(qū)污閃的新特征“快速積污”現(xiàn)象。有些污閃跳閘事故看似與霾天無關(guān)，是由于毛毛雨、小雨、融雪融冰直接造成的，但究其原因，霾天也是其發(fā)生污閃事故的重要因素之一。

5 總結(jié)

“霧霾”對(duì)電網(wǎng)設(shè)備影響最大時(shí)期不是近些年，而是二十世紀(jì)九十年代和2000年初，那時(shí)華北地區(qū)包括山西，都發(fā)生了大面積污閃跳閘事故。2004年后，隨著污閃治理的力度加大，以及大面積使用復(fù)合絕緣子、噴涂防污閃涂料，霧霾造成的污閃事故才大大減少。但運(yùn)維單位的“過絕緣配置”及復(fù)合絕緣的定期檢測(cè)和更換，都大大加大了電網(wǎng)設(shè)備的運(yùn)維成本，這些費(fèi)用是巨大且持續(xù)化的。

本文研究分析了山西霧霾期外絕緣的積污規(guī)律，包括對(duì)上下表面積污的差異和測(cè)量污穢兩種方法的比較及選擇；結(jié)合山西的地理、污源、氣候、跳閘事故和霧霾本身，研究了霧霾在不同地區(qū)對(duì)電網(wǎng)設(shè)備的影響程度。本文研究的目的就是探討和總結(jié)山西電網(wǎng)霧霾污閃規(guī)律，以期減少電網(wǎng)污閃事故和運(yùn)維費(fèi)用。