沿海变电站屋外配电装置污闪原因分析及防范措

柯建城

摘 要： 地处福建东南沿海，经济、工业较为发达的厦门、泉州、莆田地区，一是工业污染加重，大气环境不断恶化，二是空气潮湿、盐分重，对屋外配电设备的运行构成严重威胁，本文阐述了变电站屋外配电装置污闪发生原因、危害及防范措施。

关键词：沿海 屋外 配电装置 污闪

1 引言

随着我国经济的迅速发展，大气环境不断恶化、降水酸化日趋严重。大气环境的污染主要来自于废气的排放：一类是贫困污染，包括低效燃烧，森林破坏等造成的空气污染；二类是现代化污染，即工厂、汽车大量使用矿物燃料排放的SO2、NOx、铅、臭氧的污染和对地区酸化的影响；三类是温室气体的排放，尤其是CO2排放引起的全球气候变暖。对于电力发展，关心的是前两者，即所谓的地区环境污染。据IEA预计，尽管采用除尘、脱硫等技术，但CO2、SO2以及粉尘等污秽物的排放量仍将很大，如全世界CO2排放量到2030年将达到381.6 Mt，比2000年增加68.6%。2002年，我国废气中SO2排放量1927万吨，仅比上年减少1.1%。烟尘排放量1013万吨，仅比上年减少5.4%。这使得运行中的绝缘子表面污染随之加剧，在复杂的气象条件下(雾、露、毛毛雨及酸性湿沉降等)下绝缘子的电气强度将显著下降，常因污秽绝缘子串闪络而导致大面积、长时间停电事故。同时尘土污秽、盐碱污秽、海水盐雾和鸟粪污秽等自然污秽也是导致绝缘子污闪的因素。

在污闪、湿闪、冰闪、雷闪、操作闪络等几种闪络中对电力系统危害最大的是污闪，虽然雷闪占外绝缘闪络次数的第一位，但污闪的损失却是雷害的近10倍。因此长期以来，变电站屋外配电装置外绝缘污闪一直困扰着电力系统，对设备、电网的安全构成严重威胁。如何防止和减小屋外配电装置的污闪，降低变电设备污闪率成为解决生产实际的一大课题；污秽问题也已经成为决定超高压和特高压输电线路绝缘水平、抑制电力系统发展的重要因素之一，污秽条件下的电气绝缘问题也日益突出。数十年来，国内外科技工作者一直致力于污闪事故预防工作的研究，通过研究污秽绝缘子的闪络机理、闪络特性，建立污秽闪络模型，确立绝缘子污秽等级的划分方法，得出了许多有价值的理论和经验，应用于工程实际中，促进了电力行业的发展。电力系统也投入了大量资金用于改善防范变电站屋外配电装置外绝缘污闪问题，通过现场和厂家的大量试验和实践，取得一定的进展和得到一些行之有效的措施和方法。

2 污闪的发生原因及其危害

2．1 近年福建片区部分污闪事故

厦门、泉州、莆田地处东南沿海，随着改革开放的深入发展，外资的投入逐年增加，经济、工业较为发达，但环境不断恶化，工业污染加重，造成配电设备特别是绝缘子和瓷瓶上的灰尘或污垢日益加重；同时由于地处沿海，空气中盐分含量大，气候潮湿，据厦门专业气象台有关资料统计，雾天占全年的三分之一，海面的雾气极易粘附在瓷瓶上，致使瓷瓶绝缘性能大大降低，引起污闪。污闪事故虽不及雷害频繁，但一旦发生，停电时间长、范围大、损失电量大，检修恢复时间长。

因污闪造成跳闸停电事故的事情已是屡见不鲜，就2003年至2005年期间，福建省电力有限公司系统内就因污闪引起跳闸事故，2003年12月31日泉州惠炼I回因空气中盐分含量过大而在雾天闪络造成线路跳闸。2005年1月28日，泉州电业局220kV山峰变电站发生站内110kV支柱绝缘子污闪事故，两次污闪虽未造成供电损失，但对电网防污闪问题发出了警示。

2001年1月，2005年9月，莆田电业局220kV笏石变电站曾先后发生了两起变电站内大面积外绝缘在大雾天气下严重的污秽爬电现象。当机立断，通过倒电或采取转供负荷的方式，逐个间隔地毯式轮换停电进行清扫、擦洗，参战人员轮换上班，工作不间断地进行，经过多部门多班组一百多人参与，连续作战半个月，才得以平息，因为处理及时有效地防止污闪的扩大化，避免了因污闪造成跳闸事故。

2005年3月，厦门电业局220kV东渡变电站曾先后发生了两起变电站内大面积外绝缘在细雨浓雾天气下发生严重的污闪现象。在污闪现象之初，即通过倒电或采取转供负荷的方式，逐个间隔地毯式轮换停电进行清扫、擦洗，后因处理及时，避免了污闪的扩大化。

500kV晋江变在2006年3、4月间发生了3次隔离开关支柱瓷瓶和悬式绝缘子污闪爬电现象，但没有造成设备跳闸。

2.2 污秽闪络发生原理

污闪，是指输变电设备表面受到固体的、液体的和气体的导电物质的污染，在遇到雾、露、毛毛雨等湿润作用，使污层电导增大、泄漏电流增加产生局部放电，在运行电压下输变电设备表面的局部电弧发展成为完全闪络。这种闪络的发生不是由于作用电压的升高，而是因为输变电设备表面绝缘能力的降低造成的。

污闪早期最让人困惑的是其过分低的闪络电压。比如极不均匀电场下棒-板空气间隙的工频击穿场强一般为5 kV/cm(峰值)；5 m长的棒-棒空气间隙，其工频击穿场强约为4 kV/cm(峰值)；即使10 m棒-板空气间隙的工频击穿场强也还有2 kV/cm(峰值)。而运行中的输变电设备按所选的系统绝缘水平和碰撞游离的空气放电机理，在运行电压下不可能发生闪络事故。但在实际运行中的输变电设备却还一再发生污闪，说明污闪的确有不同于空气间隙击穿的机理。到目前为止，有关染污绝缘表面的放电机理还没有统一的看法，但大都认为：沿输变电设备湿润污秽表面的闪络现象已不是一种单纯的空气间隙击穿，而是一种与电、热、化学因素有关的污秽表面气体电离以及局部电弧发生、发展的热动力平衡过程。污秽闪络过程必须经过四个阶段，即积污、湿润、出现干区和局部电弧、局部电弧发展至完全闪络。一般认为完成污闪，这四个阶段缺一不可。

从20世纪50年代开始，国内外大量学者对污秽闪络模型进行了大量的研究，得出了绝缘子污秽闪络的一系列物理、数学模型，对研究绝缘子污秽闪络过程、机理以及判断污秽绝缘子临界闪络电压提供了依据。早期，在研究交流污闪问题时一般采用直流污闪模型，对交、直流染污放电差异未加区别。实际上对交流模型，由于其特殊的地方使其远远不同于直流污闪。在交流污闪中，当每半周电流两次过零时，交流电弧就会减弱甚至可能熄灭，电弧的强弱作周期变化，所以把它作为稳定的直流电弧是不准确的。在直流污闪条件中，若最大电弧长度达不到临界数值，闪络不会发生；这对于交流污闪同样成立。对直流，最大电弧长度达到临界数值，就一定会完成闪络；而对交流而言除了这个条件外，还必须在电弧发展到临界弧长的过程中满足电弧恢复条件。

绝缘子表面的污秽物包括可溶解污物和不可溶解污物或惰性污物。可溶解污物用等值附盐密度(ρESDD)表征，已经广泛地应用于污秽试验、污秽闪络过程及机理分析和电力系统污秽等级划分等研究当中；不可溶解污物用灰密(ρNSDD)表征。早期，国内外大部分理论和试验研究中一般将污秽物用适量的NaCl来表征ρESDD，对不可溶解污秽物即ρNSDD只是规定了一定的范围。这些研究中忽视了不同污秽物性质的差异，也忽略了ρNSDD对污秽闪络的影响。

国内外大量试验研究结果表明，人工污秽绝缘子的闪络电压Uf与等值附盐密度ρESDD的关系可表示为：



式中 Uf为闪络电压kV；A是与绝缘子形状和污秽程度有关的系数； a为表征ρESDD对污闪电压影向的特征指数。

IEC60507(1991)和GB/T4585(2004)推荐的固体层法并未详细考虑ρNSDD对污闪电压的影响。许多研究表明ρNSDD对闪络电压有一定的影响。目前人工污秽试验中根据ρESDD也考虑到ρNSDD，只是从安全角度出发规定ρNSDD为1.0~2.0 mg/cm2[3,12]。但近期研究表明：不同型式绝缘子的污闪电压Uf随ρNSDD变化规律基本一致，即随着ρNSDD的增加，Uf逐渐降低，其关系可表示为：



式中 ρNSDD为其灰密，mg/cm2；B为与绝缘子形状和污秽程度有关的系数；b为表征绝缘子串闪络电压随ρESDD变化而改变的特征指数。

国内采用的污秽等级划分方法的定量参量中，测量等值盐密法是使用历史最长、应用最普遍、累积数据最多、总结经验最多的方法，是电力运行部门采用的主要测量手段。实践证明，结合运行经验，用盐密值划分污秽等级是目前比较有效的方法，国家标准《高压架空线路和发电厂、变电所环境污区分级及外绝缘选择标准》(GB/T 16434-1996)推荐的根据等值盐密划分的污秽等级如表3.1所示。

表3.1 线路和发电厂、变电所污秽等级

污秽等级 污 湿 特 征 盐密/mg/cm2

线 路 发电厂、变电所

0 大气清洁地区及离海岸盐场50km以上无明显污染地区。 ≤0.03 —

Ⅰ 大气轻度污染地区，工业区和人口低密集区，离海岸盐场10km~50km地区。在污闪季节中干燥少雾(含毛毛雨)或雨量较多时。 >0.03~0.06 ≤0.06

Ⅱ 大气中等污染地区，轻盐碱和炉烟污秽地区，离海岸盐场3km~10km地区，在污闪季节中潮湿多雾(含毛毛雨)但雨量较少时。 >0.06~0.10 >0.06~0.10

Ⅲ 大气污染较严重地区，重雾和重盐碱地区，近海岸盐场1km~3km地区，工业与人口密度较大地区，离化学污源和炉烟污秽300m~1500m的较严重污秽地区。 >0.10~0.25 >0.10~0.25

Ⅳ 大气特别严重污染地区，离海岸盐场1km以内，离化学污源和炉烟污秽300m以内的地区。 >0.25~0.35 >0.25~0.35

国家标准《高压架空线路和发电厂、变电所环境污区分级及外绝缘选择标准》(GB/T16434-1996)推荐的各污秽等级下爬电比距值如表3.2所示。各级污区所需爬电比距值是根据广泛使用的外形简单的普通型绝缘子性能确定，而各种类型、结构的绝缘子有不同的爬电距离有效系数，即不同型式绝缘子爬电距离得到有效利用的程度不一样。

表3.2 各污秽等级下的爬电比距分级数值

污秽等级 爬电比距/cm/kV

线 路 发电厂、变电所

220kV及以下 330kV及以上 220kV及以下 330kV及以上

0 1.39 (1.60) 1.45 (1.60) — —

Ⅰ 1.39~1.74 (1.60~2.00) 1.45~1.82 (1.60~2.00) 1.60 (1.84) 1.60 (1.76)

Ⅱ 1.74~2.17 (2.00~2.50) 1.82~2.27 (2.00~2.50) 2.00 (2.30) 2.00 (2.20)

Ⅲ 2.17~2.78 (2.50~3.20) 2.27~2.91 (2.50~3.20) 2.50 (2.88) 2.50 (2.75)

Ⅳ 2.78~3.30 (3.20~3.80) 2.91~3.45 (3.20~3.80) 3.10 (3.57) 3.10 (3.41)

注：①线路和发电厂、变电所爬电比距计算时取系统最高工作电压。上表()内数字为按额定电压计算值。②计算各污级下的绝缘强度时仍用几何爬电距离。绝缘子爬电距离的有效系数需根据大量的人工与自然污秽试验的结果确定。③对电站设备0级(220kV及以下爬电比距为1.48cm/kV、330kV及以上爬电比距为1.55cm/kV)，目前保留作为过渡时期的污级。

而对于500kV泉州变电所地处III级污区，根据对该所测得的输变电设备表面等值盐密在0.24 mg/cm2，而根据部分试验研究得到单片普通型绝缘子XP-160型绝缘子污闪电压与等值盐密ρESDD的关系(只适用于低海拔地区)：

Uf=5.45ρ-0。22ESDD

而根据研究表明在一定串长之内绝缘子串片数与闪络电压成线性关系，则对于500kV泉州变电所内220kV及500kV出线及龙门架上耐张串，所需配置的XP-160的片数分别为17和39片。而根据国家标准《高压架空线路和发电厂、变电所环境污区分级及外绝缘选择标准》(GB/T16434-1996)中规定的各个污秽等级对应的ρESDD范围和爬电比距范围值，可计算出500kV泉州变电所220kV及500kV输变电设备所需的爬电距离分别为(取电压为1.1倍最高运行相电压)350cm和794cm。

3 污闪防范措施

防污闪工作重在管理，重点以预防为主，落实各级责任制，落实各项反措，继续抓好变电站屋外配电装置变电防污闪综合治理工作，如实施设备外绝缘增爬和RTV单组分绝缘子防污闪涂料的应用，特别是沿海地区的防盐雾工作，对超过3年以上过期的防污涂料及时复涂，确保污染严重地区防污措施的有效性，防止污闪跳闸事故。

根据每年冬末春初是污闪的高发季节的特点，应密切关注小雨和大雾天气发生时机，特别是沿海盐雾大的地区，更应加强日常巡视和事故防范措施的应用，对设备存有严重隐患的要尽快安排停电处理，当外绝缘表面爬电严重时，应及时开展带电或停电清扫工作，将污闪隐患消除在萌芽阶段，避免发生大面积污闪事故。

做好变电站盐密监测和定期测试工作，做好各变电站的污秽普查工作并建立设备外绝缘清洁情况台帐。对变电站的绝缘子串同时积极开展饱和盐密的测量工作，为今后逐步过渡到以饱和盐密来划分污秽等级奠定基础。

落实变电设备的带电清扫工作，带电清扫是防污闪临时性的有效应急措施，因此有必要在修试部门配置和补充相当数量且产品质量可靠的带电清扫设备，带电清扫工作是一项高难度、高风险的作业，现场危险点多，人员素质要求较高，必须加强人员培训及清扫工作的实践锻炼和提高。

对近海盐雾污染问题，加强对临海边运行的设备外绝缘防污闪措施的应用，特别是强化合成绝缘子在变电站的应用，对沿海地区的变电站的绝缘子串尽量全部更换为合成绝缘子。

在海边盐雾严重地区应充分考虑变电站防污闪工作的需要，在设计时，应尽可能采用高爬距的外绝缘配置参数，并在基建时将防污闪措施一起实施，确保设备长期运行可靠。沿海地区设备选型原则上规定按Ⅲ级配置，在目前运行环境下，基本可以满足运行条件。

据最新数据显示，几年来，经过各基层单位的大量实践和及时处理，避免了一次又一次的设备污闪事故跳闸，取得了一定的成绩，收集了大量的原始数据，同时也积累了大量的处理和运行经验。

实际运行线路污秽等级的划分除考虑输变电设备的等值盐密外，还应考虑各地的污湿特征及运行经验。运行经验是划分污秽等级三个因素起决定性的因素，当三者不一致时，应依据运行经验决定。应用运行经验划分污秽等级时应综合考虑的因素有：运行设备的污闪事故率及跳闸率；设备在系统中的重要性及其发生污闪事故损失和影响的程度；本地区采用其他防污闪措施的经验；运行经验还包括科学的预见性，工程设计应给运行管理留有适当的安全运行裕度。建议在工业粉尘较大及临海边地区附近的新建变电站应考虑进一步提高外绝缘配置水平。随着大气环境的不断恶化，对新建变电站或技改设备，可考虑设备外绝缘爬距采用污秽等级Ⅳ级污区配置，爬电比距按3.0设计。若条件许可，可考虑使用全封闭组合电器或采用屋内配电装置。对在运行中的设备外绝缘瓷瓶爬距满足不了现场运行条件的，安排技改资金，尽快对绝缘子串进行调爬和设备瓷瓶进行更换。

据有关资料记载，在变电站屋外配电设备发生外绝缘和绝缘子串污闪的记录中，可以看出，设备外绝缘本身损坏也占一定比例，制造厂应进一步提高产品质量，提高瓷瓶表面的清洁度和自清洁能力。

严把设备入网关，继续强化入网绝缘子的订货及抽样试验验收的管理，确保优质产品上网运行。对于新建项目，要把好源头质量关，除了提高设计标准外，加强基建过程的全程管理也是重要的环节。目前，国内不少设计单位在设备外绝缘配置上考虑不周，更多的是考虑资金方面，设计上就形成了先天不足，严重影响了设备抗污闪水平。对此，应立即制止这种不良的设计倾向，严格按照有关规定和标准保质保量地完成设备外绝缘选型，保证设备发挥应有的抗污闪能力。

同时在污秽检测工作上，认真按照有关新的管理要求，确保污秽检测数据可靠准确，为制定针对性的防护措施提供技术依据，为运行中的设备提供后方技术数据和运行观察提供可信赖的数据。

充分利用当地气象资源，跟踪预报，对变电站屋外配电装置外绝缘薄弱的设备，早部署早安排，及时消除绝缘瓷瓶上的污秽层，把有可能再次发生污闪的设备隐患消除在恶劣天气来临之前。

健全和完善变电站、输电线路污秽在线监测系统，充分和有效利用污秽在线监测系统资源，正确发送情报，及时分析数据，有效防止设备外绝缘污闪的扩大化。

参考文献

1、72.5kV及以上高压支柱瓷绝缘子技术监督规定

2、国家电网公司十八项电网重大反事故措施（试行） 国家电网生技[2005]400号

3、国家电网公司输变电设备检修规范