輸電線路絕緣子污閃原因分析及防治方法

衛(wèi)世超，孟曉凱，蘆竹茂，金海云，李鵬虎

（1.國網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西太原 030002；2.西安交通大學(xué) 電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室，陜西西安 710049）

0 引言

近年來，全球經(jīng)濟高速發(fā)展，社會對電力需求的不斷增長[1]。國內(nèi)電力總裝機容量從2008 年的7.93 億千瓦增長到2019 年的20.11 億千瓦，全社會用電量從2008 年的3.44 萬億千瓦時增長到2019 年的7.23 萬億千瓦時[2]。與此同時，以石油為代表的傳統(tǒng)化石能源造成的環(huán)境污染不斷加劇，人們開始推動以電力能源為代表的清潔能源替代傳統(tǒng)化石能源[3]。我國從2018年已經(jīng)將發(fā)展電動汽車為代表的新能源汽車上升為國家戰(zhàn)略，將充電樁等配套設(shè)施建設(shè)納入了地方城市規(guī)劃。隨著社會對電力需求的不斷增長，電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴大，對供電的安全穩(wěn)定性也有了更高的要求[4]。作為電力系統(tǒng)的重要組成部分，輸變電設(shè)備外絕緣是保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。

絕緣子作為敞開式變電設(shè)備和架空高壓輸電線路的重要絕緣設(shè)備，在承受各種機械應(yīng)力的同時還起到電氣絕緣的作用[5]。在戶外條件絕緣子表面會受到自然界鹽堿、工業(yè)污穢和飛塵等的污染[6-8]。干燥氣候條件下，絕緣子表面的污穢層對其電氣強度沒有太大影響。但在雨、露、霧等高濕度氣象條件下，其表面污穢層被潤濕，絕緣子表面電導(dǎo)大幅增加，從而使其絕緣性能急劇降低，甚至在工作電壓下絕緣子表面發(fā)生閃絡(luò)，造成電網(wǎng)污閃事故嚴(yán)重，影響電力系統(tǒng)的可靠安全運行[9]。由于一定區(qū)域內(nèi)的大氣染污及氣象條件是相近的，一旦某個絕緣子發(fā)生污閃事故則表明該區(qū)域內(nèi)其他絕緣子可能已經(jīng)處于臨界狀態(tài)。當(dāng)較多的絕緣子處于臨界狀態(tài)時，就會造成區(qū)域性污閃事故[10]。污閃事故不僅嚴(yán)重影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，而且會導(dǎo)致電網(wǎng)電能損耗和國民經(jīng)濟損失[11]。據(jù)統(tǒng)計，自20 世紀(jì)80 年代到21 世紀(jì)初，全國電網(wǎng)因污閃引發(fā)的電網(wǎng)大面積停電占總停電事故次數(shù)的47%，僅次于雷害事故，但其造成的經(jīng)濟損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過雷害事故[12]。因此，解決電力系統(tǒng)的污閃問題對加強我國電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，保障國民經(jīng)濟健康發(fā)展具有重要意義。

1 輸電線路絕緣子污閃事故的成因

輸電線路絕緣子污閃事故的成因主要包括絕緣子表面積污和使表面附著污穢物潤濕的氣象狀態(tài)[13]。隨著我國經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展進步，電網(wǎng)建設(shè)規(guī)模隨之不斷增長。受到工業(yè)污染物及植被破壞等因素的影響，大氣污染問題變得越來越嚴(yán)重，某些地區(qū)的空氣環(huán)境越來越差[14]。在線運行的絕緣子由于長期暴露在戶外環(huán)境中，不可避免地會受到大氣污染物的影響[15]。大氣中的工業(yè)廢氣、塵土、霧霾等微粒以及鳥糞等污物在絕緣子表面的附著積累，會逐漸形成污穢層[16]。在空氣干燥的情況下，表面附著有污穢層的絕緣子可以保持與未被污染時相近的絕緣水平。然而當(dāng)遇到雨、霧和露等潮濕天氣時，絕緣子表面會形成一層水膜。污穢中的可溶性鹽會溶于水，而形成一層導(dǎo)電的水膜，從而使絕緣子的表面電阻大大降低，導(dǎo)致絕緣子表面形成沿面閃絡(luò)，甚至形成貫穿性放電通道，導(dǎo)致電力傳輸中斷（圖1）[17]。

圖1 污閃事故

由此可見，絕緣子表面污穢層的形成是污閃事故發(fā)生的前提條件。而從我國電網(wǎng)的運行經(jīng)驗來看，容易造成污閃事故發(fā)生的氣象條件是“毛毛雨”、霧、露等天氣[18]。因為在這些氣象條件下絕緣子表面的污穢層極易達(dá)到飽和潤濕狀態(tài)，通過溶解污穢中的可溶性鹽類，使絕緣子表面的絕緣水平大幅降低[19]。

2 輸電線路絕緣子防污閃方法研究現(xiàn)狀

造成輸電線路絕緣子發(fā)生污閃的3 個條件分別是運行電壓、絕緣子表面被污染和潮濕天氣，缺少其中任何一個條件都可以避免污閃事故的發(fā)生[20]。其中運行電壓是由電力系統(tǒng)正常運行要求客觀決定的，不能改變。而潮濕天氣是由輸電線路運行的自然環(huán)境決定，人力無法抗拒。因此，戶外絕緣子防污閃工作主要從增大爬電比距、減少絕緣子表面積污和解決污穢層潤濕3 個方面入手。

2.1 污區(qū)劃分和調(diào)整爬電比距

由于長期以來我國電力設(shè)備的外絕緣水平選取普遍偏低，沒有按照污區(qū)進行劃分設(shè)計，隨著大氣污染問題的加劇，污閃事故的增多使人們意識到通過劃分污區(qū)并按污區(qū)級別選擇外絕緣爬電比距的重要性[21]。絕緣子串的污閃電壓與爬電距離緊密相關(guān)，對于相同絕緣子串其爬電距離越長，對應(yīng)的污閃電壓越高防污閃能力越強[22]。根據(jù)GB/T 26218.1—2010《污穢條件下使用的高壓絕緣子的選擇和尺寸確定 第1 部分：定義、信息和一般原則》，不同級別污區(qū)絕緣子的統(tǒng)一爬電比距按照圖2 選擇[23]。但是污區(qū)級別的劃分容易受到很多因素影響，操作起來相對復(fù)雜，短期內(nèi)難以劃分準(zhǔn)確。并且污染源和氣象條件等因素會隨時間不斷變化，需要對其進行深入調(diào)查研究，通過線路運行經(jīng)驗的積累才能合理地劃分污區(qū)等級[24]。現(xiàn)有工作經(jīng)驗表明，目前的污區(qū)劃分難以適應(yīng)污染源和氣候變化快的區(qū)域，環(huán)境條件的快速變化增大了污區(qū)劃分工作的難度和成本[25]。

圖2 統(tǒng)一爬電比距和現(xiàn)場污穢度的相互關(guān)系

2.2 減少絕緣子表面積污

由于絕緣子表面染污是污閃的先決條件，因此根治污源是解決戶外絕緣子污閃問題最徹底的辦法[26]。目前我國電力系統(tǒng)解決絕緣子表面積污問題主要通過采用防污型絕緣子和絕緣子表面定期清掃兩種方法來解決[27]。防污型絕緣子主要通過對絕緣子的外形結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計來應(yīng)對對不同的使用環(huán)境條件。例如雙傘形和三傘形的絕緣子由于其傘形光滑風(fēng)雨自潔性能好，并且具有較大的爬電距離，被廣泛應(yīng)用于重污穢和沙漠干燥地區(qū)的輸電線路（圖3a）、圖3b））。而鐘罩形絕緣子特有的深棱結(jié)構(gòu)不僅增大了爬距，而且保護了絕緣子下表面不易被海水噴濺或海霧潤濕，所以常用于沿海地區(qū)防污閃。但是其傘槽間距較小，容易積污，且不利于人工清掃（圖3c））。流線形絕緣子雖然表面不易積污便于人工清掃，但是其爬距較小，且缺少能夠阻抑電弧發(fā)展延伸的傘棱結(jié)構(gòu)，因而主要用于絕緣子串中間或者上部的穿插，防止鳥糞造成的污閃（圖3d））。對于不同結(jié)構(gòu)及形狀的絕緣子，實際選用時需要進行長期、系統(tǒng)的對比試驗研究，進而得到不同類型的防污型絕緣子的適用條件和范圍[28]。

圖3 防污型絕緣子的外形結(jié)構(gòu)

絕緣子表面定期清掃主要通過清掃絕緣子表面的污穢層使其恢復(fù)原有的絕緣水平，進而防止污閃事故的發(fā)生。我國電氣設(shè)備絕緣子的清掃研究起源于上世紀(jì)60 年代，人工清掃是輸電線路絕緣子除污的主要方式[29]。該方法簡單易行，但是停電時間長、工作任務(wù)重，且清掃質(zhì)量難以保證。隨著我國電網(wǎng)電壓等級的提高、輸電容量的增大，停電所需的成本不斷提高，對電力供應(yīng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響。雖然部分電網(wǎng)試點了機械帶點清掃技術(shù)，但是該方法作業(yè)成本較高，難以去除粘附力較高的污穢[30]。另外，對于污染嚴(yán)重的絕緣子采取落地清掃的辦法。由于該方法工作量大，且?guī)щ娮鳂I(yè)難度較大，因此僅在部分污染嚴(yán)重地區(qū)采用。

2.3 降低污穢層潤濕程度

在戶外運行環(huán)境中，絕緣子表面積污問題是不可避免的。而瓷絕緣子和玻璃絕緣子表面為親水表面，被污染的絕緣子表面在潮濕環(huán)境下容易受潮濕潤，進而形成連續(xù)的水膜，使絕緣子的絕緣性能大大降低。目前主要通過選用防污閃涂料處理和復(fù)合絕緣子來解決。其中防污閃涂料用于瓷和玻璃絕緣子的防污閃處理，主要分為濕性和干性兩種。濕性涂料是指呈現(xiàn)油性且涂敷完成后不干的涂料[31]。常用的材料主要包括硅油和硅脂，其主要通過阿米巴吞噬作用將戶外絕緣子表面的污穢包裹起來，其吞噬能力與涂層厚度正相關(guān)。但是該涂層存在容易積灰、涂刷清擦困難等問題。干性涂料是指涂覆完成后能夠固化的涂料，常用材料為室溫硫化硅橡膠（RTV）。有機硅烷分子的硅橡膠在絕緣子表面固化成膜后，在潮濕天氣下硅橡膠良好的憎水性能夠抑制絕緣子表面連續(xù)水膜的形成。當(dāng)絕緣子表面積污后，膠膜自身的憎水性可以遷移到污穢表面，使絕緣子表面仍能保持憎水性。但防污閃涂料在長期運行中容易出現(xiàn)脫落、粉化和起皮等現(xiàn)象，進而降低其耐污閃性能（圖4a））。在潮濕地區(qū)，涂覆有防污閃涂料的絕緣子表面的鹽密灰密值會高于未涂覆絕緣子表面的鹽密灰密值。

復(fù)合絕緣子使用基于硅橡膠材料的傘裙護套，使承受應(yīng)力的芯棒與外界環(huán)境隔離，將機械強度和外絕緣性能分開。復(fù)合絕緣子中的硅橡膠材料具有優(yōu)良的憎水性和憎水性遷移，可以降低絕緣子表面污層的潤濕，從而提高絕緣子的污閃電壓。不僅可以增強絕緣子的防污閃水平，而且降低了自身重量，增強了機械強度。因此，復(fù)合絕緣子主要應(yīng)用于環(huán)境污染較為嚴(yán)重的區(qū)域，能夠有效曾提升電力系統(tǒng)的防污閃水平，而且能夠減小絕緣子的桿徑和傘裙直徑，降低工程造價[32]。但是由于普通硅橡膠表面液滴的靜態(tài)接觸角小于120°，且滾動角較大，表現(xiàn)出嚴(yán)重的滯后性。當(dāng)復(fù)合絕緣子表面積污嚴(yán)重時，其憎水恢復(fù)效應(yīng)會減弱，甚至?xí)簳r喪失，造成絕緣性能大幅降低，威脅輸電線路安全（圖4b））[33]。

3 總結(jié)與展望

輸電線路絕緣子表面在戶外運行中會受到自然界鹽堿、工業(yè)污穢和飛塵等的污染，容易造成電網(wǎng)污閃事故，嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)的可靠安全運行。本文分析了輸電線路絕緣子污閃事故的成因，并從3 個方面總結(jié)了輸電線路絕緣子防污閃方法的研究現(xiàn)狀。在社會經(jīng)濟快速發(fā)展的當(dāng)下，惡劣的環(huán)境條件給輸電線路的健康運行發(fā)展提出了更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。因此，需要針對不同地域的實際環(huán)境情況，不斷完善輸電線路防污閃措施，從而降低污閃事故的發(fā)生，保障我國電力事業(yè)的不斷發(fā)展。