近海地區(qū)輸電線路瓷絕緣子異常放電現(xiàn)象分析

劉 輝，漆 照，沈 浩，張 洋，周 超

（1.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003；2.山東中實(shí)易通集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250003）

0 引言

山東省是我國10 個(gè)近海省市之一，地處黃河下游，位于我國中緯度地帶的東部近海。南北最寬處距離約420 km，東西最長處距離約700 km，使山東自然地理的東西差異遠(yuǎn)比南北差異明顯，同時(shí)近海地區(qū)和內(nèi)陸地區(qū)也有較大的不同。青島、東營、威海、煙臺等地距海近，在每年的干燥季節(jié)時(shí)多海霧［1］，而海霧中含有大量的氯化鈉凝結(jié)核和其他鹽類，對輸變電設(shè)備外絕緣影響很大。此外，山東的近海地區(qū)的大風(fēng)日數(shù)明顯多于內(nèi)陸，大風(fēng)將海霧吹向輸電線路和外絕緣設(shè)備，為近海地區(qū)外絕緣配置提出了更加高的要求。

依照現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)［2-4］，無論是海洋性積污，還是臨海的鹽霧，均被劃為B 類污穢。B 類污穢是指高電導(dǎo)率的一種污染物，這種污染物快速沉積在絕緣子表面，使絕緣子的狀態(tài)在一個(gè)很短的時(shí)間（＜1 h）內(nèi)從一種可允許的清潔、低電導(dǎo)率狀態(tài)改變直至放電，并且當(dāng)這一時(shí)間過去時(shí)再返回低電導(dǎo)狀態(tài)。

B 類污穢導(dǎo)致的放電首先具有瞬時(shí)性，從污穢積累到發(fā)生事故速度極快，難以察覺，危害較大；同時(shí)它還具有可逆性。因此在實(shí)際工作中近海地區(qū)的外絕緣設(shè)計(jì)和配置往往需要比同樣污穢等級的內(nèi)陸地區(qū)高出許多，帶來了一定的難度。

同時(shí)，我國在近海地區(qū)海洋性積污以及鹽霧上的研究成果和相關(guān)經(jīng)驗(yàn)較內(nèi)陸地區(qū)均較少。因此有必要對近海地區(qū)積污和各類異常放電現(xiàn)象做進(jìn)一步研究和提出解決方案。

通過分析某500 kV輸電線路桿塔上出現(xiàn)的瓷絕緣子異常放電現(xiàn)象，通過現(xiàn)場檢測，抽樣調(diào)查等方式得出了異常放電現(xiàn)象發(fā)生的原因，為今后類似放電現(xiàn)象和近海地區(qū)外絕緣配置和設(shè)計(jì)工作提供了參考。

1 異常放電現(xiàn)象介紹

線路運(yùn)維人員巡視發(fā)現(xiàn)山東某近海地區(qū)500 kV輸電線路Ⅰ、Ⅱ線1 號、2 號、4 號、6 號、9 號、14 號、16號共7 座耐張塔瓷絕緣子串整串爬電現(xiàn)象（放電情況如圖1所示），放電間隔時(shí)間最短為20 s，聲音明顯。

該500 kV 輸電線路處于山東省東營市河口區(qū)，緊鄰海邊，1 號塔距海岸線不足100 m。異常放電現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，現(xiàn)場為大霧天氣，氣溫-3～2 ℃，空氣相對濕度＞85%，西北風(fēng)3～4 級。異常放電發(fā)生后，運(yùn)維單位緊急申請線路臨時(shí)停電，相關(guān)線路Ⅰ、Ⅱ線由運(yùn)行轉(zhuǎn)為檢修。該500 kV 輸電線路Ⅰ線4 號塔中相大號側(cè)絕緣子外觀照片如圖2所示。

2 現(xiàn)場檢測

異常放電發(fā)生后，為了掌握現(xiàn)場污穢情況和絕緣子劣化狀況，首先開展塔上污穢度測試和絕緣電阻檢測［5-6］。

2.1 塔上污穢度測試

對該線路絕緣子進(jìn)行了塔上污穢度測試，將該線路Ⅰ線桿塔上瓷絕緣子拆卸下來，按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)［5］對其進(jìn)行取樣，采用激光鹽灰密儀進(jìn)行電導(dǎo)率檢測，折合到20 ℃等值鹽密，測試結(jié)果如表1所示。從表1中可以看出，1 號塔絕緣子（編號為1—6）等值鹽密為0.021～0.038 mg/cm2，55 號塔絕緣子（編號為7—10）等值鹽密為0.016～0.028 mg/cm2，83 號塔絕緣子（編號為11—15）等值鹽密為0.003～0.015 mg/cm2。結(jié)果表明絕緣子等值鹽密均低于0.04 mg/cm2，鹽灰比為5∶1情況下，該等值鹽密值對應(yīng)的現(xiàn)場污穢度為a—b級，屬于輕度污穢。

2.2 絕緣電阻測試

對異常放電現(xiàn)象出現(xiàn)線路1 號塔瓷絕緣子進(jìn)行塔上絕緣電阻檢測，絕緣電阻相關(guān)測試依據(jù)規(guī)程，首先采用5 000 V絕緣電阻測試儀對該線路Ⅰ線1號塔A相大號側(cè)雙聯(lián)絕緣子串進(jìn)行檢測［6］，左右代表面向大號側(cè)的雙聯(lián)絕緣子左串和右串，數(shù)字編號從橫擔(dān)側(cè)開始檢測，結(jié)果如表2 所示。從表2 中可以看出兩串絕緣子所有瓷瓶絕緣電阻值均在10 MΩ 左右，遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的500 MΩ［6］。

之后，還采用瓷絕緣子快速檢零裝置［7］對絕緣子串進(jìn)行檢測，結(jié)果顯示均為低（零）值，與使用5 000 V絕緣電阻測試儀檢測的結(jié)果一致。

天氣轉(zhuǎn)晴后，空氣濕度降至50%以下，在相對干燥條件下，利用屏蔽法減小表面泄漏電流影響，對該絕緣子串進(jìn)行了塔上復(fù)檢，結(jié)果基本一致，該串絕緣子須立即更換。

隨后在充分干燥條件下，再次對該絕緣子串部分絕緣子進(jìn)行塔下絕緣電阻檢測，基本排除了干擾因素，檢測結(jié)果仍然一致，并觀察到部分絕緣子絕緣電阻出現(xiàn)升高現(xiàn)象。原因是溫濕度的變化影響了絕緣子上污穢層的分布和受潮情況，引起沿面絕緣強(qiáng)度的改變［8-10］。

綜合污穢和絕緣電阻測試結(jié)果，可以看出絕緣子表面等值鹽密低，污穢輕，但絕緣電阻低，絕緣性能不合格，推斷該絕緣子在非極限運(yùn)行中出現(xiàn)了性能急劇下降直至放電的情況。根據(jù)如圖1 所示的放電現(xiàn)場照片，以及多桿塔絕緣子串同時(shí)發(fā)生放電的特點(diǎn)來看，認(rèn)為該次異常放電屬于典型的沿面放電現(xiàn)象。

3 沿面放電成因分析

沿面放電的原因有兩種，第1 種是污穢重，鹽密大，導(dǎo)致絕緣子易吸濕，導(dǎo)致沿面放電［11］，第2 種則是鹽霧（霧水電導(dǎo)率升高）的影響。鹽霧對于絕緣子沿面放電的影響極為顯著，華北電力科學(xué)研究院使用水霧和電導(dǎo)率不同鹽霧進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明高電導(dǎo)率鹽霧使氣體間隙的擊穿電壓降低較少，但絕緣子放電電壓顯著降低，并觀測到了沿面放電現(xiàn)象，證明鹽霧下絕緣子主要放電形式是沿面放電，而不是空氣擊穿［12］。

根據(jù)前文測試結(jié)果，絕緣子等值鹽密最高值為0.04 mg/cm2，屬于a 級輕度污穢，而該輸電線路外絕緣配置則按照e級重度污穢設(shè)計(jì)，因此可以排除是第一種原因即污穢重導(dǎo)致本次異常放電現(xiàn)象地發(fā)生。

根據(jù)現(xiàn)場氣象調(diào)研結(jié)果，異常放電現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，當(dāng)?shù)乜諝庀鄬穸雀哂?5%、現(xiàn)場有霧，且當(dāng)時(shí)風(fēng)向是由海邊吹向桿塔，完全符合鹽霧形成，區(qū)域霧水電導(dǎo)率升高的條件。因此該異常放電現(xiàn)象發(fā)生應(yīng)該歸為鹽霧的影響。

目前我國在近海地區(qū)關(guān)于如何應(yīng)對鹽霧引起的異常放電現(xiàn)象研究成果較少，但類似的異常放電現(xiàn)象研究較多，如直流特高壓桿塔放電，鳥糞閃絡(luò)等。這些異常放電現(xiàn)象發(fā)生的共同特點(diǎn)是積污速度快，瞬時(shí)污穢重，放電形式以沿面放電為主。因此可以參照相關(guān)文獻(xiàn)［13-15］提出的增大爬電比距，改變絕緣子形狀等方法應(yīng)對近海地區(qū)鹽霧引起的異常放電現(xiàn)象。

為防止近海地區(qū)因鹽霧造成放電的進(jìn)一步發(fā)生，首先應(yīng)提高外絕緣配置標(biāo)準(zhǔn)，使用形狀特殊、爬電比距大［16］、傘面大難以積污的絕緣子［17-18］，針對性增強(qiáng)近海地區(qū)外絕緣可靠性；此外在相關(guān)研究和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)缺少的情況下應(yīng)加強(qiáng)對近海地區(qū)污穢與絕緣子絕緣性能的監(jiān)測，采取多種觀測方法如紅外成像、可見光測量、化學(xué)觀測法等及時(shí)識別鹽霧的生成情況［19-21］和絕緣子的絕緣性能變化情況［22］，對類似異常放電現(xiàn)象做出預(yù)防和反應(yīng)。

4 抽樣試驗(yàn)

在絕緣電阻測量后，對絕緣子進(jìn)行了劣化情況抽樣試驗(yàn)，按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定對該批次絕緣子開展了溫度循環(huán)、機(jī)電破壞負(fù)荷、擊穿耐受等抽樣試驗(yàn)［23］（其中，所有樣品均進(jìn)行溫度循環(huán)試驗(yàn)，機(jī)電破壞負(fù)荷試驗(yàn)每批次12片，擊穿耐受試驗(yàn)每批次6片，每批次剩余2 片備用），試驗(yàn)結(jié)果如表3 所示。從表3 中可以看出，該批次絕緣子機(jī)電負(fù)荷試驗(yàn)基本不符合要求，耐壓水平低于測試標(biāo)準(zhǔn)［24］，劣化嚴(yán)重，存在質(zhì)量問題。初步判斷瓷件或水泥膠合劑整體不滿足要求。今后需要加強(qiáng)對相關(guān)設(shè)備的抽檢強(qiáng)度和技術(shù)監(jiān)督工作。

表3 抽樣試驗(yàn)結(jié)果

此外，由于該500 kV 輸電線路設(shè)計(jì)時(shí)滿足當(dāng)時(shí)外絕緣水平要求，因此在建設(shè)階段該批絕緣子未涂覆防污閃涂料。鹽霧導(dǎo)致的瞬時(shí)污穢積累和絕緣電阻急劇下降的情況僅出現(xiàn)在親水表面［4］，防污閃涂料可以有效應(yīng)對上述問題。因此在今后的近海地區(qū)外絕緣配置和絕緣子設(shè)計(jì)中還應(yīng)對瓷絕緣子涂覆防污閃涂料，或采用復(fù)合絕緣子［24-27］。

5 原因分析

綜上所述，本次瓷絕緣子異常放電現(xiàn)象有絕緣子質(zhì)量問題和近海鹽霧（霧水電導(dǎo)率升高）兩個(gè)原因。根據(jù)該線路投運(yùn)已有一段時(shí)間，線路總體運(yùn)行正常，異常放電現(xiàn)象發(fā)生在濕度大，大霧天氣的氣象情況下，霧水電導(dǎo)率升高應(yīng)是導(dǎo)致該異常放電現(xiàn)象的主要原因。

中國電力科學(xué)研究院使用無質(zhì)量問題的XWP-300型號懸式瓷絕緣子開展了在不同霧水電導(dǎo)率下瓷絕緣子的交流耐壓特性研究［28］，測定了不同霧水電導(dǎo)率下染污絕緣子的50%耐受電壓曲線，試驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示。從圖3 中可以看出隨霧水電導(dǎo)率升高，50%耐受電壓呈冪指數(shù)關(guān)系下降。按照前文測定的塔上污穢度最高為0.04 mg/cm2的相關(guān)數(shù)據(jù)，對照圖3中接近0.06 mg/cm2的曲線，可以看出隨霧水電導(dǎo)率升高，50%耐受電壓下降近一半，即異常放電概率提升一倍；同時(shí)可以看出，絕緣子污穢越輕，鹽霧對50%耐受電壓的削弱就越嚴(yán)重，相對于無鹽霧情況發(fā)生異常放電的概率就越大，因此霧水電導(dǎo)率升高很好地解釋了本次放電現(xiàn)象中污穢輕卻放電顯著地異常情況，應(yīng)為該異常放電現(xiàn)象的主要原因。

圖3 不同霧水電導(dǎo)率下染污絕緣子的50%耐受電壓曲線

6 建議

目前，沿海地區(qū)500 kV 線路已有的外絕緣配置雖然已經(jīng)加強(qiáng)，但依然是把鹽霧的影響直接換算到現(xiàn)場污穢度進(jìn)行外絕緣配置計(jì)算，忽略了鹽霧瞬時(shí)污穢重，積污速度快的特性。華中科技大學(xué)在針對熱帶海島鹽霧放電問題的研究中提出應(yīng)測定當(dāng)?shù)鼐嗪?5 km 處鹽霧濃度值Sa，結(jié)合當(dāng)?shù)噩F(xiàn)場污穢度，使用的絕緣子型號，現(xiàn)場測定并繪制鹽霧鹽度-閃絡(luò)電壓曲線，得到式（1）。

式中：Uf為閃絡(luò)電壓；B和-b均為計(jì)算出的常數(shù)值［29］。并采用該式進(jìn)行外絕緣配置的進(jìn)一步計(jì)算。

同時(shí)還應(yīng)適當(dāng)增大絕緣子的傘裙，對其參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。華北電力大學(xué)、蘭州交通大學(xué)等［30-32］對鹽霧中絕緣子開展的電場仿真和風(fēng)洞模擬研究中，采用超大—大—小傘絕緣子，超大傘裙直徑為229 mm，在增大有效爬電距離的基礎(chǔ)上，能夠有效地改善不同風(fēng)向下絕緣子的防污能力和傘裙上電場分布情況，增強(qiáng)絕緣子的主動(dòng)防污特性，防止鹽霧中污穢粒子在絕緣子表面的積累。

7 結(jié)語

對山東省近海地區(qū)某500 kV輸電線路瓷絕緣子異常放電現(xiàn)象進(jìn)行了分析。分析表明近海地區(qū)的鹽霧是導(dǎo)致該異常放電現(xiàn)象的主要原因，近海地區(qū)因海風(fēng)及氣候影響生成的鹽霧導(dǎo)致異常霧水電導(dǎo)率升高，絕緣電阻急劇降低，導(dǎo)致異常放電現(xiàn)象發(fā)生。此外還通過抽樣試驗(yàn)證明絕緣子本身存在質(zhì)量和未涂敷防污閃涂料的問題，并提出使用大傘裙、增大爬電比距、涂敷防污閃涂料等方法對近海地區(qū)外絕緣配置和維護(hù)工作進(jìn)行改進(jìn)，為今后類似異常放電現(xiàn)象的分析和解決提供了相關(guān)參考。