膨脹土地區(qū)玻璃絕緣子積污原因分析

王祥祥，譚永殿，張洪偉

(中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司百色局，廣西 百色 533000)

0 引言

玻璃絕緣子在20 世紀(jì)30 年代由英國(guó)人發(fā)明，至今已經(jīng)有90 多年的歷史[1]，玻璃絕緣子存在自清潔能力強(qiáng)、積垢粘附力小、不易老化、耐電弧性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于輸電線路中。

在輸電線路上在自然界中無(wú)論何種物質(zhì)粘附于絕緣子表面，都會(huì)對(duì)絕緣子運(yùn)行造成影響，降低絕緣子的絕緣性能，使線路絕緣水平下降，在過(guò)電壓作用下很容易引起放電跳閘的情況發(fā)生，而在污漬潮濕的條件下，會(huì)引起絕緣子沿面放電，周而復(fù)始的沿面放電也會(huì)造成污閃事故的發(fā)生，從而導(dǎo)致電網(wǎng)故障停運(yùn)。

玻璃絕緣子是500 kV 天平線使用最多的絕緣器件，占比達(dá)98 %以上，在此線路投運(yùn)的20多年來(lái)，每年都會(huì)對(duì)絕緣子進(jìn)行停電清掃，使之保持良好的絕緣性能。但是近年來(lái)位于膨脹土地區(qū)的玻璃絕緣子內(nèi)傘裙的積污速率開(kāi)始加快，并且積污垢質(zhì)地堅(jiān)硬，使用抹布、毛刷等工具都難以徹底將污穢物質(zhì)清除干凈。建立在膨脹土中的天平雙線共有180 基桿塔，線路絕緣子均為玻璃絕緣子。而玻璃絕緣子上表面由于光滑，各種污穢物質(zhì)難以在上表面長(zhǎng)時(shí)間停留，污穢物質(zhì)在風(fēng)力作用下隨風(fēng)飄走，因此位于膨脹土地區(qū)的玻璃絕緣子積污主要集中在內(nèi)傘裙。污穢物質(zhì)在內(nèi)傘裙受風(fēng)力影響較小，不易隨風(fēng)飄走。

污垢難以清除最重要的原因是膨脹土土質(zhì)的成分具有粘附性強(qiáng)、質(zhì)地堅(jiān)硬等特點(diǎn)，下面通過(guò)分析膨脹土地區(qū)的玻璃絕緣子積污特點(diǎn)，弄清膨脹土細(xì)微顆粒中的成分來(lái)判定傘裙內(nèi)積污化學(xué)成分，為有效治理膨脹土地區(qū)絕緣子積污提供相應(yīng)的依據(jù)和防范措施。

1 膨脹土的特性

1.1 膨脹土概述

膨脹土是指含有大量的強(qiáng)親水性粘土礦物成分，具有顯著的吸水膨脹和失水收縮且脹縮變形往復(fù)可逆的高塑性粘土。它一般具有強(qiáng)度較高、壓縮性低的特點(diǎn)。我國(guó)是世界上膨脹土分布廣、面積大的國(guó)家之一?，F(xiàn)有資料表明，膨脹土在我國(guó)廣西、云南、湖北、河南、安微、四川、河北、山東、陜西、浙江、江蘇、貴州和廣東等地均有不同范圍的分布。廣西百色地區(qū)的膨脹土主要集中在右江河谷田陽(yáng)至田東地段，500 kV 天平雙回線路正好經(jīng)過(guò)此地。資料顯示廣西地區(qū)的膨脹土與全國(guó)其他溫帶地區(qū)的膨脹土相比，具有脹縮性明顯強(qiáng)烈、粘性極強(qiáng)的特征。

1.2 膨脹土土質(zhì)特征

(1) 顏色。膨脹土呈黃、黃褐、灰白、花斑(雜色)和棕紅等色。

(2) 膨脹土多由高分散的粘土顆粒組成，常有鐵錳質(zhì)及鈣質(zhì)結(jié)核等零星包含物，結(jié)構(gòu)致密細(xì)膩。一般呈堅(jiān)硬-硬塑狀態(tài)，但雨天浸水劇烈變軟。

(3) 近地表部位常有不規(guī)則的網(wǎng)狀裂隙，裂隙面光滑，呈蠟狀或油脂光澤，時(shí)有擦痕或水跡，并有灰白色粘土(主要為蒙脫石或伊里石礦物)充填。在地表部位裂隙常因失水而張開(kāi)，雨季又會(huì)因浸水而重新閉合。

1.3 物理力學(xué)特征

(1) 液限和塑性指數(shù)都很高。

(2) 摩擦強(qiáng)度低，但粘聚力大，常因吸水膨脹而使其強(qiáng)度衰減。

(3) 膨脹土具有超固結(jié)性，開(kāi)挖地下洞室或邊坡時(shí)往往因超固結(jié)應(yīng)力的釋放而出現(xiàn)大變形。

2 膨脹土地區(qū)的玻璃絕緣子積污特點(diǎn)

運(yùn)維單位在2020 年年度計(jì)劃?rùn)z修中，集中對(duì)500 kV 天平雙回線路膨脹土區(qū)域內(nèi)的玻璃絕緣子進(jìn)行停電大規(guī)模清掃作業(yè)，清掃效果不佳，主要原因是傘裙內(nèi)部粘附的物質(zhì)粘性極強(qiáng)，不易水解，盡管使用濕毛巾、鋼絲刷進(jìn)行反復(fù)擦拭，還是未能擦拭干凈。經(jīng)過(guò)仔細(xì)觀察可見(jiàn)，傘裙內(nèi)的污垢呈現(xiàn)疊層狀態(tài)，肉眼可明顯看到細(xì)微顆粒狀物質(zhì)。判斷是細(xì)微顆粒狀態(tài)物質(zhì)在風(fēng)力作用下一層又一層地粘附在絕緣子傘裙內(nèi)部，最靠近鋼腳部分積污厚度最大，鋼腳的積污也非常嚴(yán)重，懸垂玻璃串比水平耐張玻璃串積污更為嚴(yán)重，積污嚴(yán)重的部分會(huì)形成倒假山形態(tài)，用手觸碰感覺(jué)較為堅(jiān)硬。因?yàn)榉e污大部分為細(xì)微顆粒狀態(tài)，所以在光滑的玻璃外表面沒(méi)有形成積塵，因此玻璃絕緣子表面幾乎不積塵。

3 積污化學(xué)成分

膨脹土細(xì)微顆粒附著于絕緣子屬于自然積污，絕緣子污穢的種類(lèi)按污穢的來(lái)源和形態(tài)可分為4種，分別為：

(1) 自然污穢。在空氣中飄浮的微塵、海風(fēng)帶來(lái)的鹽霧、鹽堿嚴(yán)重地區(qū)大風(fēng)刮起的塵土以及鳥(niǎo)類(lèi)糞便等。

(2) 工業(yè)污穢。工業(yè)企業(yè)排出的煙塵或廢氣。

(3) 顆粒性污穢。這種污穢物質(zhì)，一般呈各種形式的顆粒，如灰塵、煙塵等。

(4) 氣體性污穢。這種污穢物質(zhì)呈氣態(tài)，彌漫空氣中，具有很強(qiáng)的附蓋力。

一直以來(lái)，國(guó)內(nèi)外著名學(xué)者主要對(duì)輸電線路污閃的機(jī)理及其影響因素、污穢度測(cè)量等方面進(jìn)行研究。而最近有學(xué)者對(duì)絕緣子污穢成分、測(cè)量方法及其影響進(jìn)行了研究[2]，發(fā)現(xiàn)自然污穢成分通常包含無(wú)機(jī)可溶性陽(yáng)離子和無(wú)機(jī)可溶性陰離子以及無(wú)機(jī)不可溶性其他成分。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出，內(nèi)傘裙積污主要成分有鈣離子、硅酸根離子、氨根離子、鈉離子，如表1 所示。

表1 內(nèi)傘裙積污溶液離子含量檢測(cè)結(jié)果

通過(guò)查閱資料可知膨脹土主要由強(qiáng)親水性礦物組成，蒙脫石是膨脹土最主要成分，其礦物親水性強(qiáng)，具有既易吸水又易失水的強(qiáng)烈活動(dòng)性，因此可判定其細(xì)微顆粒在附著于絕緣子傘裙內(nèi)部和潮濕環(huán)境相互作用下更具粘性，積污堅(jiān)硬證實(shí)了鈣離子的存在。由此可見(jiàn)位于膨脹土區(qū)域的500 kV 天平雙回線路的玻璃絕緣子污穢來(lái)源于顆粒性污穢，這種污穢物質(zhì)為膨脹土的細(xì)微顆粒，在自然風(fēng)力和干燥、潮濕的空氣作用下形成吸附性極強(qiáng)的積污。

4 絕緣子積污速率提升原因分析

(1) 近年來(lái)百色地區(qū)大力發(fā)展農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)，大規(guī)模在膨脹土地區(qū)開(kāi)墾原始荒地種植芒果，破壞了原有的多種類(lèi)植被。新種植的芒果生長(zhǎng)周期緩慢，且種植密度稀疏，造成了膨脹土大范圍裸露于自然界中。在進(jìn)行芒果種植等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)時(shí)，人員活動(dòng)頻繁，位于芒果種植區(qū)域內(nèi)的機(jī)耕道路四通八達(dá)，對(duì)膨脹土搖動(dòng)非常大，極易引起揚(yáng)塵。因此膨脹土成分在風(fēng)力作用下漂浮于空氣中，附近的輸電線路首當(dāng)其沖受到細(xì)微顆粒的污染。而百色地區(qū)膨脹土位于右江河谷盆地，揚(yáng)起的細(xì)微顆粒塵埃，難以飄向遠(yuǎn)處，所以在這區(qū)域內(nèi)的玻璃絕緣子受到細(xì)微顆粒塵埃的侵襲最大，導(dǎo)致年年清污年年臟，污穢周而復(fù)始地存在。

(2) 膨脹土區(qū)域內(nèi)近年來(lái)大興土木，興修灌溉工程、高速工路、高鐵等大型基建工程，也是導(dǎo)致膨脹土加速揚(yáng)塵的主要原因之一。

5 玻璃絕緣子長(zhǎng)期積污的影響

(1) 當(dāng)玻璃絕緣子內(nèi)傘裙受到膨脹土細(xì)微顆粒的影響，再加上高電壓強(qiáng)電場(chǎng)的作用，玻璃絕緣子容易發(fā)生自爆，影響線路運(yùn)行。因?yàn)榕蛎浲帘旧砭哂袠O強(qiáng)的脹塑性，通俗的講就是膨脹土細(xì)微顆粒吸水和失水后，物理活動(dòng)劇烈，致使玻璃內(nèi)傘裙應(yīng)力發(fā)生變化而導(dǎo)致爆裂。爆裂的玻璃碎片掉到農(nóng)戶田間，容易對(duì)農(nóng)民造成刺割傷害，安全隱患極大。

(2) 玻璃絕緣子積污對(duì)線路的絕緣水平影響甚大，當(dāng)積污物質(zhì)吸潮后，導(dǎo)電性能增大的同時(shí)，還會(huì)增加玻璃絕緣子表面的泄漏電流。在整串絕緣子串上由于泄漏電流增大，泄漏電流通道上產(chǎn)生的熱量增加，就有可能引起碗頭、球頭、腳鋼等金具的急劇老化，從而引起絕緣子掉串事故的發(fā)生，嚴(yán)重危及電網(wǎng)安全運(yùn)行。

(3) 天平雙回線膨脹土區(qū)域污穢事故一旦發(fā)生，其特點(diǎn)是受影響的桿段較長(zhǎng)，500 kV 天平雙回線路在膨脹土區(qū)域內(nèi)總共180 基桿塔，因此污穢事故一旦發(fā)生，往往不能依靠重合閘迅速恢復(fù)送電，而必須經(jīng)過(guò)清污才能送電，此外還有可能造成大范圍電網(wǎng)內(nèi)部故障，所以污穢事故是電力系統(tǒng)的一種惡性事故，必須高度重視。

6 防范措施

(1) 實(shí)施技術(shù)改造，分批次分層級(jí)地對(duì)位于膨脹土地區(qū)內(nèi)的玻璃絕緣子進(jìn)行更換改造，全部換成耐污性好的合成絕緣子或防污性能更高的其他新型絕緣子。合成絕緣子具有重量輕、抗拉強(qiáng)度高以及耐污性極強(qiáng)的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于輸變電工程當(dāng)中，生產(chǎn)質(zhì)量達(dá)標(biāo)的合成絕緣子運(yùn)行效果極佳。通過(guò)對(duì)位于膨脹土地區(qū)玻璃絕緣子已換成合成絕緣子的桿塔絕緣子情況進(jìn)行試驗(yàn)檢查，發(fā)現(xiàn)2005 年玻璃絕緣子換為合成絕緣子的天平雙線某些桿塔，其合成絕緣子積污并不明顯，因?yàn)楹铣山^緣子傘裙屬于開(kāi)放式，膨脹土細(xì)微顆粒在風(fēng)力作用下也不易累積，且憎水性試驗(yàn)結(jié)果均保持在HC2 至HC4 等級(jí)之間，憎水性屬于優(yōu)良水平，運(yùn)行了10 多年彈性尚存，符合運(yùn)行規(guī)程的要求。合成絕緣子在膨脹土地區(qū)無(wú)需清污，既節(jié)省了運(yùn)維成本又大大提高了輸電運(yùn)行的安全維度。

(2) 加大絕緣子的清污力度。采取停電清掃為主和帶電清掃為輔相結(jié)合的方式，每年充分利用停電契機(jī)進(jìn)行清掃，制定每年清掃塔號(hào)的滾動(dòng)計(jì)劃，保證膨脹土片區(qū)絕緣子每年至少清掃一輪。停電清掃時(shí)要改進(jìn)傳統(tǒng)單一抹布或鋼絲球清掃的模式，應(yīng)研發(fā)一種快速溶解膨脹土細(xì)微顆粒的溶液，使之能快速有效徹底地清除玻璃絕緣子傘裙內(nèi)的鈣離子、硅酸根離子等頑固污垢。目前尚未有適用于運(yùn)行中的絕緣子的清污溶解液，建議運(yùn)行單位加大科技研發(fā)投入，組織人員進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)或與科研單位密切合作，及早研發(fā)出適用于運(yùn)行中污穢玻璃絕緣子的溶解液，可以在人工清污時(shí)不損傷絕緣子玻璃性能和絕緣強(qiáng)度，達(dá)到高度清潔的效果。

(3) 對(duì)于未能及時(shí)改造的玻璃絕緣子，如果發(fā)生自爆裂化等不良情況時(shí)，應(yīng)及時(shí)帶電進(jìn)行更換，不必等到計(jì)劃停電時(shí)期才更換，以便迅速恢復(fù)絕緣子串的整體絕緣水平，提高抗污閃能力。

(4) 天平雙線沿線的農(nóng)業(yè)發(fā)展和基建工程建設(shè)，應(yīng)盡量控制膨脹土揚(yáng)塵，特別是在線路附近的動(dòng)土項(xiàng)目應(yīng)做好防塵措施，以降低揚(yáng)塵幾率。

7 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上分析可知，膨脹土區(qū)域內(nèi)的輸電線路存在細(xì)微顆粒污染嚴(yán)重、積污頑固、難以有效清除污穢的特點(diǎn)。當(dāng)線路絕緣子的積污問(wèn)題同時(shí)受到不同環(huán)境疊加影響時(shí)，容易導(dǎo)致污閃事故發(fā)生，會(huì)造成絕緣子掉串，引發(fā)線路大面積停電，嚴(yán)重威脅電網(wǎng)安全運(yùn)行，對(duì)電力企業(yè)造成巨大損失。因此應(yīng)加強(qiáng)對(duì)積污原因的分析，加大對(duì)輸電線路絕緣子進(jìn)行清污和技術(shù)改造力度，以提高輸電線路絕緣水平，有效地提升絕緣子防污能力[3]，避免污閃事故的發(fā)生，為輸電線路正常運(yùn)行提供保障。