貴州省高壓電力設施的臭氧環(huán)境影響

王德賢 高蘭蘭 王永紅 羅 皓 陳 龍

(1.貴州省環(huán)境監(jiān)測中心站；2.貴州省環(huán)境科學研究設計院；3.貴州眾藍科技有限公司，貴陽 550081 )

一般認為空氣中電場強度超過20KV/cm就產生電暈放電，高壓電暈放電即可直接使空氣中的氧氣電離而生成臭氧[1]，也可通過激發(fā)紫外線產生臭氧，尤其在低溫多細雨濃霧的空氣中，在維護狀況較差和污染物附著的設備上，即使較低的電場強度也可大量發(fā)生尖端放電導致臭氧發(fā)生并向四周環(huán)境排放,粗糙表面上的尖端放電電場強度閾值可降低至1.59 KV/cm[2]。這種低溫雨霧的天氣在貴州山區(qū)除盛夏季節(jié)外都是很普遍的。因此，城市空氣臭氧污染中也有來自各種高壓電力設施的貢獻，這是我們近年來對貴州城市高濃度臭氧進行大量案例調查時發(fā)現(xiàn)的一個現(xiàn)象。國內外有少量研究認為500 KV變電站工作人員患有氧化應激綜合癥，但將其原因歸結為高壓電場的作用[3]。本文將以幾處風電場及其升壓站、200 KV～500 KV變電站、換流站、500 KV～800 KV輸電線塔附近的電暈放電引起的臭氧濃度升高情況為例，加以說明。

1 研究概況

風力發(fā)電機發(fā)出的電壓是650 V，經過機組箱式變壓器將電壓升至35 KV；再經集電線路送至風電場的升壓站，電壓升至110 KV或220 KV；最后經架空線路送去公用電網。在兩次高壓升壓過程中，都可能有高壓電場中的電暈放電發(fā)生，高壓電暈放電則可以直接電離空氣或通過紫外線激發(fā)產生臭氧。

貴州省近二十年來在利用風力能源發(fā)電的建設取得了很大的發(fā)展，與此同時風電場運行時產生的空氣臭氧也對附近的大氣環(huán)境發(fā)生了一些影響。我們以貴陽市高坡風電場和威寧縣風電場運行期間的大氣臭氧監(jiān)測資料為例，初步探討風電場運行對附近大氣臭氧的影響。

2 風電場和超高壓變電站臭氧濃度特征

2.1 貴陽云頂山風電場臭氧濃度變化特征分析

圖1是貴陽云頂山電場及附近桐木嶺(高坡)大氣環(huán)境國控監(jiān)測站的位置圖。在監(jiān)測站和風電場之間，還有一條500 KV超高壓輸電線自西向東通過。

圖1 云頂風電場運行對桐木嶺臭氧影響明顯

在當?shù)厥⑿心巷L期間，無論冬夏，無論日夜，桐木嶺測站的臭氧濃度都比貴陽市區(qū)高；而在盛行北風時則是相反，桐木嶺測站的臭氧濃度比貴陽市區(qū)低；其中的原因主要就是影響桐木嶺測站臭氧濃度的直接臭氧發(fā)生源(風電場和超高壓輸電線)都分布在其南方。

從云頂風電場建成運行前后桐木嶺測站與貴陽市區(qū)測站臭氧濃度的對比可以看出風電場的臭氧貢獻影響。云頂山風電場2014年6月二期建成。兩期共48臺風電機(一期33×1.5 MW，二 期15×2.0 MW)，風電場建成投運之前，桐木嶺測站的臭氧濃度水平是全貴陽市各測站中最低的，風電場投運后，桐木嶺的臭氧濃度變?yōu)槿凶罡?見表1)。

表1 2013年云頂山風電場一期投運前后貴陽市各監(jiān)測站O3-8最大濃度平均值比較(μg/m3)

(* 桐木嶺是城市清潔對照點，未參加全市平均)

圖2是2013年貴陽市逐日最大臭氧8小時平均濃度(O3-8)曲線和桐木嶺測點的比較。貴陽市區(qū)全年平均值約為0.067 μg/m3；桐木嶺在6月以前平均值約為0.038 μg/m3，7月云頂風電場開始運行以后平均值升高至0.078 μg/m3；可見風電場對桐木嶺空氣臭氧的貢獻是顯著的。

(1)貴陽市區(qū)9站平均

(2)桐木嶺單站圖2 2013年貴陽市逐日最大臭氧8小時平均濃度(O3-8)曲線(綠色直線是各時段的平均值)

風電場對周圍空氣臭氧濃度的貢獻主要發(fā)生在低溫陰濕的天氣條件下。高山風大多云霧，風電機葉片高度是地面以上70～80 m，箱式升壓設備設在地面。圖3是2019年4月15-16日(地面南風2～4 m/s)在高坡風電場的風電機箱變壓器、110 KV升壓站進行臭氧監(jiān)測的結果和國控點桐木嶺、花溪碧云窩的比較。4月16日03時以后南風逐漸增大，至10時以后持續(xù)維持，桐木嶺測點的臭氧濃度大幅上升(同時還有光化學機制產生的臭氧疊加)?？煽闯鱿鄬τ诒狈?0 km外的花溪碧云窩測點，風電場的變電設施和高壓輸電線對桐木嶺測點臭氧大約有40～60 μg/m3的增量貢獻。

圖3 云頂風電場監(jiān)測結果和國控點桐木嶺、花溪碧云窩的比較

圖4是桐木嶺測點各季節(jié)平均的臭氧日變化，可以看出在全年風速較大的春季臭氧濃度達到最大值；夏季盡管太陽輻射強，但風速小，臭氧濃度在全年仍處于低值；而且晝夜變化都很小(不到20 μg/m3)。這些都是風電場區(qū)不同于一般城市臭氧分布規(guī)律的特征。從桐木嶺和貴陽城區(qū)的比較可以看得更清楚，圖5是2014—2017年桐木嶺與貴陽城區(qū)的臭氧日變化的比較，其中綠色曲線是4年中夜間風電場排放臭氧貢獻較大的平均情況?？梢钥闯鲈陲L電場運行出力較大的情況下，桐木嶺測站的臭氧已基本不存在日夜的差異。

圖4 桐木嶺測點2017年各個季節(jié)平均臭氧日變化

圖5 2014-2017年桐木嶺與貴陽城區(qū)的臭氧日變化比較(“典型日”是桐木嶺夜間臭氧主要來自風電場的平均情況)

使用UVOLLE-VC紫外成像儀記錄了風電場各種高壓輸變電設備排放的紫外線(波長范圍240～280 nm)。一個風電場包括風力發(fā)電機及其箱式變壓器、集電線路、升壓站等高壓設備，可以在數(shù)十至數(shù)百處發(fā)生高壓電暈放電。這些高壓放電都可能自持式的或通過激發(fā)紫外線使空氣電離，產生臭氧。圖6是在云頂風電場實際測到的一些高壓電器設施表面電暈發(fā)光和紫外線生成，這些放電發(fā)光消耗了電能，同時導致空氣電離，產生臭氧。臭氧的產生量與高壓電器設施的保養(yǎng)維護(例如是否有許多電線毛刺尖端放電)和潔凈程度(例如是否有污染物短路放電)有關。

(1)高坡風電場

(2)高坡風電場的110kv升壓站

(3)升壓站設施的電暈放電

(4)電暈放電產生的紫外成像(紅色斑點)

(5)高坡風電場附近500 KV超高壓輸電線的紫外成像圖6 貴陽高坡風電場—升壓站及附近超高壓輸電線電暈放電及其產生的紫外線(C的數(shù)值是紫外線的光子數(shù),下同)

2.2 威寧風電場臭氧濃度變化特征分析

威寧是貴州省風力資源大縣，區(qū)域海拔高度大都在2000 m以上，縣城附近風電場分布見圖7。至2019年2月威寧縣共建設運行風電場21處，風力發(fā)電機約550臺，總裝機1047.5 MW。

在風電場有顯著貢獻的情況下，威寧強烈太陽輻射產生的光化學臭氧并沒有顯現(xiàn)出明顯的午后高峰，圖8是威寧2017年平均的臭氧濃度日變化曲線。與圖4相比，威寧和貴陽云頂風電場臭氧濃度分布有較多相同的特征，但是由于威寧的風電場分布范圍很寬，距離威寧縣大氣環(huán)境監(jiān)測點都較遠，所以圖8上威寧的臭氧濃度(40～60 μg/m3)不如圖4貴陽桐木嶺測點僅有一個風電場的貢獻(50～100 μg/m3)大。

威寧夜間出現(xiàn)臭氧的原因可能主要與當?shù)匾归g風能較大有關，圖9是威寧百草坪風電場實測的地面以上70 m 高空風速與風功率密度日變化曲線，可見當?shù)匾归g高空風能量明顯大于白天，而夜間的大風能量對應著較高的臭氧夜間濃度。由此造成的臭氧濃度沒有明顯的日夜差異，晝夜相差不超過20 μg/m3，而貴州省一般城市大氣臭氧濃度的晝夜差值都在40 μg/m3以上。

圖7 威寧縣測點附近風電場分布

圖8 2017年全年及各季節(jié)威寧臭氧濃度日變化曲線

圖9 威寧風電場的風能日變化曲線

圖10是在威寧烏江源風電場實測的高壓設備電暈放電產生的紫外線輻射成像。據(jù)了解，在貴州省各地的風電場內這種放電和紫外線激發(fā)是普遍存在的。

圖11是上述監(jiān)測期間在馬擺大山風電場和威寧縣城同步監(jiān)測的臭氧濃度。風電場110 KV升壓站的臭氧濃度都比城區(qū)高，在19時以后明顯下降，與當?shù)仫L速減小并出現(xiàn)降雨有關。

圖10 威寧烏江源風電場220 KV升壓站和架空集電線電暈放電的紫外成像

圖11 威寧馬擺大山風電場升壓站與威寧縣城內測點的臭氧監(jiān)測

2.3 超高壓變電站臭氧濃度變化特征分析

貴州省“西電東送”工程建設20多年來，先后建設了近三十處大型火力、水力發(fā)電廠和數(shù)十條500 KV以上的超/特高壓輸變電設施。其中不少分布在一些大中城市的城郊地帶，加上數(shù)量更多的110 KV～220 KV城市變電站，其電暈放電—紫外線激發(fā)產生的臭氧對城市大氣環(huán)境的影響是客觀存在的，但至今未見報道。我們的一些典型調查表明城市郊區(qū)的超高壓送變電設施是城市空氣臭氧的一種來源，只是由于臭氧活潑的強氧化性質帶來的易衰變性使得對它們的定量研究非常困難。

以下是我們對貴州省幾處500 KV以上的超/特高壓輸變電設施進行的空氣臭氧濃度監(jiān)測和紫外成像記錄，這些結果雖然是初步和粗糙的，但為今后城市臭氧污染的研究提供了有價值的線索。

圖12、圖13 是兩處500 KV變電站及其對照測點的空氣臭氧濃度監(jiān)測結果，表明在由許多超高壓輸變電設施組成的地帶區(qū)域，存在一定范圍的臭氧高值區(qū)。

圖12 貴陽青巖500 KV變電站和城區(qū)的臭氧對比監(jiān)測

圖13 興仁500 KV換流站及對照測點的臭氧濃度比較

圖14是2019年春—夏季在貴州省中—西部幾個高壓變電站監(jiān)測的電暈放電紫外成像圖。這幾處高壓輸變電設施都位于大氣環(huán)境監(jiān)測點附近，其臭氧記錄都較高。其中一條800 KV特高壓輸電線在盤州縣城以南過境，因是新建工程，電暈放電紫外線不強。

貴陽沙文500 kv變電站1

貴陽沙文500 kv變電站2

貴陽青巖500 kv變電站1

貴陽青巖500 kv變電站2

貴陽醒獅500 kv變電站1

貴陽醒獅500 kv變電站2

興仁500 kv換流站1

興仁500 kv換流站2

興仁500 kv換流站3

興仁500 kv輸電線

興義香書塘220 KV變電站

盤州平關110 KV升壓站

鐘山區(qū)窯上10 KV變電站

盤州過境800 K特高壓輸電線圖14 貴州中—西部一些高壓輸變電設施的電暈放電紫外成像

3 結論

本文討論的高壓電力設施的臭氧環(huán)境影響問題，只是在有限的觀測事實基礎上提出了一些可能存在的高壓放電影響城市大氣臭氧的情景；立論雖然簡單粗糙，但提示我們對城市臭氧的全面深入研究不應局限在NOx+VOCs的光化學反應機制框架內。

鑒于現(xiàn)代城市工業(yè)化水平越來越高，高壓電器使用必將日益擴展，各種高壓放電的臭氧排放必將成為一個公眾關注的問題 ，希望我們的工作起到拋磚引玉的作用。

本項目和其他一系列有關城市臭氧的研究是在貴州省生態(tài)環(huán)境廳的支持下進行的。我們將在現(xiàn)有的觀測事實和其它可獲得的資料數(shù)據(jù)支持下繼續(xù)開拓前行，在貴州省生態(tài)環(huán)保廳的支持和各方面大力協(xié)同下，希望能夠取得更扎實的工作成果。

本項目研究還得到貴州省能源局和各地電網公司的大力協(xié)助，特此表示感謝！