膨脹土地區(qū)玻璃絕緣子積污原因分析及防范措施

王祥祥，張洪偉，潘 東，李忠祥

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

玻璃絕緣子具有自清潔能力強(qiáng)，積垢黏附力小，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。在輸電線路中無論何種物質(zhì)黏附于絕緣子表面，都會對絕緣子運(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，而在污漬潮濕的環(huán)境條件下，會引起絕緣子沿面放電，周而復(fù)始地沿面放電也會造成污閃事故的發(fā)生。

文章就500 kV天平雙線位于廣西百色膨脹土地區(qū)的玻璃絕緣子積污特性作為研究對象，玻璃絕緣子是天平線使用最多的絕緣器件，占比達(dá)98%以上，在線路投運(yùn)的20多年來，每年都會對絕緣子實(shí)施停電清掃，使之保持良好的絕緣性能，但是位于膨脹土地區(qū)的玻璃絕緣子內(nèi)閃群的積污速率近年來開始加快，并且積污垢質(zhì)地堅硬，使用抹布、毛刷等工具都無濟(jì)于事，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)難以在表面長時間停留，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)閃裙，污穢物質(zhì)在內(nèi)閃裙受風(fēng)力影響小，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)的成分具有黏附性強(qiáng)、質(zhì)地堅硬等特點(diǎn)，本文通過分析膨脹土地區(qū)的玻璃絕緣子積污特點(diǎn)，弄清膨脹土細(xì)微顆粒中的成分來判定閃裙內(nèi)積污化學(xué)成分，為有效治理膨脹土地區(qū)絕緣子積污提供依據(jù)和防范措施。

1 膨脹土的特性

1.1 什么是膨脹土

膨脹土是指含有大量的強(qiáng)親水性黏土礦物成分[2]，具有顯著的吸水膨脹和失水收縮、且脹縮變形往復(fù)可逆的高塑性黏土。它一般具有強(qiáng)度較高，壓縮性低的特點(diǎn)。我國是世界上膨脹土分布廣、面積大的國家之一，據(jù)現(xiàn)有資料在廣西、云南、湖北、河南、安徽、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至田東地段，500 kV天平雙回線路正好經(jīng)過此地，據(jù)資料顯示廣西地區(qū)的膨脹土與全國其他溫帶地區(qū)者比較，脹縮性明顯強(qiáng)烈，黏性極強(qiáng)。

1.2 土質(zhì)特稱

顏色：呈黃、黃褐、灰白、花斑（雜色）和棕紅等色，如圖1 所示，膨脹土中的500 kV天平線。

圖1 位于膨脹土地區(qū)的500 kV天平線

多為高分散的黏土顆粒組成，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。一般呈堅硬—硬塑狀態(tài)，但雨天浸水劇烈變軟。

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，時有擦痕或水跡，并有灰白色黏土（主要為蒙脫石或伊里石礦物）充填，在地表部位常因失水而張開，雨季又會因浸水而重新閉合。

1.3 物理力學(xué)特征

液限和塑性指數(shù)都很高。

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

膨脹土具有超固結(jié)性，開挖地下洞室或邊坡時往往因超固結(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 年年度計劃檢修中，集中對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)，清掃質(zhì)量效果不佳，主要原因是閃裙內(nèi)部黏附的物質(zhì)，黏性極強(qiáng)不易水解，盡管濕毛巾、鋼絲刷進(jìn)行反復(fù)擦拭，均未能擦拭干凈。經(jīng)過仔細(xì)觀察可見，閃裙內(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的黏附在絕緣子閃裙內(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)重的部分會形成倒假山形態(tài)，用手觸碰感覺較為堅硬，如圖2 所示。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是沒有形成積塵，因此玻璃絕緣子表面幾乎不積塵。

圖2 膨脹土區(qū)域內(nèi)500 kV 天平線玻璃絕緣子閃裙內(nèi)部積污形態(tài)

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，根據(jù)輸電線路運(yùn)規(guī)程可知絕緣子污穢的種類按污穢的來源和形態(tài)可分為4 種，分別為[2]：自然污穢，在空氣中飄浮的微塵，海風(fēng)帶來的鹽霧，鹽堿嚴(yán)重地區(qū)大風(fēng)刮起的塵土以及鳥類糞便等；工業(yè)污穢，工廠、蒸汽機(jī)車等排出的煙塵或廢氣；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；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)的附著力。一直以來，國內(nèi)外專家主要在輸電線路污閃的機(jī)理及其影響因素，污穢度測量等方面進(jìn)行研究。[4]而最近有專家對絕緣子污穢成分、測量方法及其影響進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)自然污穢成分通常包含無機(jī)可溶性陽離子和無機(jī)可溶性陰離子以及無機(jī)不可溶性其他成分。

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

表1 溶液離子含量檢測結(jié)果

通過查閱資料可知膨脹土主要由等強(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)烈活動性，因此可判定其細(xì)微顆粒在附著于絕緣子閃裙內(nèi)部，在潮濕環(huán)境相互作用下更具黏性，積污堅硬證實(shí)了鈣離子的存在，由此可見位于膨脹土區(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、潮濕的空氣作用下造成吸附性極強(qiáng)的積污。

4 膨脹土地區(qū)絕緣子積污速率提升原因分析

近年來，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)開墾原始荒地種植芒果，破壞了原有的多種類植被，新種植的芒果生長周期緩慢，且種植密度稀疏，造成了膨脹土大范圍裸露于自然界中，在維護(hù)芒果時人員活動頻繁，位于芒果區(qū)域內(nèi)的機(jī)耕道路四通八達(dá)，對膨脹土搖動非常大，極易引起揚(yáng)塵，因此膨脹土成分在風(fēng)力作用坐下漂浮于空氣中，在附近的輸電線路受到細(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，此區(qū)域內(nèi)的玻璃絕緣子受到細(xì)微顆粒塵埃的侵襲最大，因此年年清污年年臟。

膨脹土區(qū)域內(nèi)近年來大興土木，興修灌溉工程，高速工路，高鐵等大型基建工程不約而至的開工，也是導(dǎo)致膨脹土加速揚(yáng)塵的主要原因。

5 玻璃絕緣子長期積污的影響

當(dāng)玻璃絕緣子內(nèi)裙受到膨脹土細(xì)微顆粒的影響，加上高電壓強(qiáng)電場的作用，玻璃絕緣子容易發(fā)生自爆，因?yàn)榕蛎浲帘旧砭哂袠O強(qiáng)的脹塑性，通俗地講就是膨脹土細(xì)微顆粒吸水和失水后，物理活動劇烈，致使玻璃內(nèi)部閃裙內(nèi)力發(fā)生變化而導(dǎo)致爆裂，爆裂的玻璃碎片掉落到農(nóng)戶田間地頭，容易對農(nóng)民造成刺割傷害，安全隱患極大。

玻璃絕緣子積污對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，還會增加玻璃表面的泄漏電流。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。

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，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

實(shí)施技術(shù)改造，分批次分層級地對位于膨脹土地區(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)，被廣泛運(yùn)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。通過對位于膨脹土地區(qū)玻璃換合成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^緣子閃裙屬于開放式，膨脹土細(xì)微顆粒在風(fēng)力作用下不易累積，且憎水性試驗(yàn)結(jié)果均保持在HC2～HC4 等級之間，憎水性屬于優(yōu)良水平（如圖3、圖4所示），運(yùn)行了10 多年彈性尚存，符合運(yùn)行規(guī)程要求，合成絕緣子在膨脹土地區(qū)無須清污，即節(jié)省了運(yùn)維成本又大大提高了輸電運(yùn)行的安全維度。

圖3 斜V串合成絕緣子閃裙積污情況

圖4 懸垂串合成絕緣子閃裙積污情況

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，每年充分利用停電契機(jī)進(jìn)行清掃，制定每年清掃塔號的滾動計劃，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閃裙內(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)行中的污穢玻璃絕緣子溶解液，在人工清污時不損傷玻璃性能和絕緣強(qiáng)度，達(dá)到高度清潔的效果。

對于未能及時改造的玻璃絕緣子，如果發(fā)生自爆裂化等不良情況時，應(yīng)及時帶電更換，不必等到計劃停電時期才更換，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。

線路運(yùn)行維護(hù)單位對天平雙線沿線的農(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土項目應(yīng)做好防塵措施，雖不能完全控制揚(yáng)塵，但是通過技術(shù)改良，降低揚(yáng)塵概率是有可能的。

7 結(jié)束語

通過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題同時受到不同環(huán)境疊加影響時，容易導(dǎo)致污閃事故發(fā)生，會造成絕緣子掉串，引發(fā)線路大面積停電，嚴(yán)重威脅電網(wǎng)安全運(yùn)行，對電力企業(yè)經(jīng)濟(jì)造成的損失是巨大的。因此加強(qiáng)對積污原因的分析，加大對輸電線路絕緣子進(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，避免污閃事故的發(fā)生，為輸電線路正常運(yùn)行提供保障[4]。