某海外風電場230kV升壓站污穢放電分析及治理

[摘 要]某海外風電場230 kV升壓站出現高壓設備絕緣瓷瓶污穢放電現象，其高壓設備外絕緣配置符合該地區現場污區等級要求，但在特殊條件下，仍發生了污穢放電現象，極易發生污閃事故。文章分析了該海外風電場230 kV升壓站污穢放電的原因，提出了治理措施并應用了新一代特殊環境用的防污閃涂料，取得了良好效果。

[關鍵詞]污穢放電；絕緣；預防治理；HRTV-II防污閃涂料

[中圖分類號]TM216 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2024）06–0048–03

Analysis and Treatment of Pollution Discharge in 230 kV Booster Station of an Overseas Wind Farm

JIN Xin，LU Cheng

[Abstract]230 kV substation of overseas wind power plant appears pollution discharge phenomenon of the insulators of highvoltage equipment， its high-voltage equipment external insulation configuration meet the requirements of site pollution severity class of the area，but under special conditions， the phenomenon of pollution discharge still occurs， it’s prone to occur pollution flashover accident. This paper analyzes in detail the reasons of pollution discharge， and puts forward management measures and applies new generation antipollution flashover coating for special environments，good result has been obtained.

[Keywords]pollution discharge； insulation； preventive measure； HRTV-II anti-pollution flashover coating

1 海外風電場230 kV升壓站污穢放電問題

埃塞俄比亞某風電場230 kV升壓站帶電投運后，戶外高壓設備絕緣瓷瓶傘裙表面出現大范圍的放電現象，部分絕緣瓷瓶表面還出現局部電弧現象。若情況持續惡化，遇到特殊氣候情況時，極有可能發生閃絡事故，嚴重威脅風電場主設備安全穩定運行。

2 絕緣子污穢閃絡機理分析

絕緣子的表面性能對絕緣子污穢閃絡過程有較大影響。兩種表面條件即親水和憎水，親水的表面通常與玻璃或瓷絕緣子有關，而憎水表面通常與聚合物絕緣子，特別是硅橡膠絕緣子有關。在潮濕條件下，如雨、霧等，親水表面將完全地潮濕，從而形成電解液面覆蓋該絕緣子。相反，憎水的表面上是水珠，甚至是小水滴。

親水型污穢的閃絡過程可分為 6 個階段。在自然條件下這些階段不會消失，但可能會合并。親水表面通常為玻璃或瓷絕緣子表面，其污穢閃絡的6個階段如下。

（1）階段1。由于環境影響，絕緣子表面由污穢層覆蓋。

（2）階段2。通過潮氣的吸收、冷凝和沉降，污穢絕緣子的表面變得潮濕。

（3）階段3。一旦帶電的絕緣子覆蓋了導電的污穢層，其表面就會流過泄漏電流，在幾個工頻周期內就可以引起其熱效應，使污層一部分變干。變干部分為電流密度最高的部分，即在絕緣子的最窄部分，引起了“干帶”形成。

（4）階段4。由于存在干帶，且污層不會均勻地干燥，這就使得導電路徑被中斷了，即干帶中斷了泄漏電流的流動。

（5）階段5。跨過干帶呈現線對地電壓，引起了空氣擊穿，且此干帶通過電弧與濕的導電部分電氣相串聯。當絕緣子每次在干帶上跳火花時就會引起一個泄漏電流脈波。

（6）階段6。如果污層上是濕的，且導電部分電阻足夠低，則干帶會被電弧繼續橋接并將沿著絕緣子的延伸，橋接越來越多的表面。此時也降低了與電弧串聯的電阻，使電流變大，并使電弧可橋接更多的絕緣子表面，最后被完全地橋接并產生線對地的一次故障，即閃絡故障。

整個過程可歸納為絕緣子、污穢、受潮條件和所加電壓之間的相互作用的過程。

3 230 kV升壓站污穢放電原因分析

結合絕緣子污穢放電及閃絡機理分析，發生污閃有幾個必要條件：①絕緣子表面附著大量的污穢物；②濕潤氣象持續發生，污穢物吸收水分受潮；③設備絕緣裕度不足。

根據以上3個基本條件，結合該工程特點進行如下分析。

3.1 污穢源及污穢類別

該風電場所處區域為半戈壁地區，遠離城市，周邊無工業，每年干旱期持續時間較長，降雨時間僅在短暫的雨季，土壤主要為砂質土壤，且該區域雨季下雨前偶爾伴有沙塵暴。絕緣瓷瓶主要被風帶來的塵土所污染，雨水稀少使得絕緣瓷瓶自然清潔效果較差。其環境特點屬于 IEC/TS 60815-1-2008《污染條件下用高壓絕緣子的選擇和定尺寸 第1部分：定義、信息和一般原理》標準中環境的一般分類中典型的“荒漠型”環境，污穢物屬于A類污穢，主要為不溶污穢物。

3.2 環境大氣濕度

在高濕度條件下，污穢物通常具有導電性和吸濕性，大幅降低了電氣設備的絕緣水平。經實地觀測，升壓站內高壓設備絕緣瓷瓶外表面放電及局部電弧情況主要發生在長期無降雨且風沙大、晝夜溫差大、濕度大的季節，且凌晨到清晨易發生凝露現象，因此在這種環境情況下，絕緣瓷瓶表面累積的污穢物容易受潮，導致絕緣瓷瓶表面電導和泄漏電流大幅增大，絕緣瓷瓶的閃絡電壓顯著降低。閃絡的可能性隨泄漏電流的升高而增大，并且主要由決定了電流大小的表面層電阻確定。因此，若污層導電部分的電阻足夠低，則極有可能產生閃絡事故。

3.3 外絕緣設計因素

由于前期未進行現場污穢度測量，無法得到不溶沉淀物密度NSDD和等值鹽密ESDD具體數據，但根據前期現場考察及收資情況，升壓站采用 IEC/TS 60815-1-2008標準中污穢等級e級進行設計。

參考統一爬電比距（RUSCD）和現場污穢度（SPS）對應關系如圖1所示。

根據所確定的污穢等級，結合圖1，設計選用的參考統一爬電比距為53.7 mm/kV，對應的三相交流系統的爬電比距為31 mm/kV。三相交流的最高線電壓為252 kV，因而要求的最小爬電距離為7 812 mm。該工程各高壓設備外絕緣最小爬電距離均不低于7 812 mm，滿足標準要求。

該工程230 kV送出輸電線路采用國標GB50545—2010《110 kV～750 kV架空輸電線路設計規范》設計，污穢等級選擇為IV區，也為國標中最高污穢等級。按標稱電壓（230 kV）選擇，爬電比距應達3.20～3.80 cm/kV，考慮外絕緣裕度，爬電比距采用上限值3.80 cm/kV，因此，線路絕緣子要求的最小爬電距離為8 740 mm，實際選用的耐污復合絕緣子串爬電距離達到了9 000 mm，遠高于升壓站高壓設備外絕緣最小爬電距離。

該工程的230 kV輸電線路與230 kV升壓站處于同一個區域，但230 kV輸電線路耐張絕緣子串及跳線絕緣子串卻未見污穢放電現象，這與輸電線路絕緣子串選用耐污復合絕緣子以及輸電線路爬電距離裕度較大、外絕緣性能更好這兩方面因素有一定關系。

根據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》標準，升壓站所選取的參考統一爬電比距的值53.7 mm/kV為該污穢等級最低要求的優先選用值，如果現場污穢度（SPS）等級估計趨向鄰近的較高的等級，那么可能要沿著曲線選用。綜合以上分析，如果充分考慮外絕緣裕度并結合現場實際氣候條件因素，根據圖1，升壓站進行絕緣設計時可沿曲線選擇適當高于53.7 mm/kV的爬電比距，會取得更好的防污閃效果。

4 采用合適的防污閃治理方案

4.1 絕緣子清潔

充分利用每年高壓設備調停及計劃檢修的機會對設備外絕緣進行徹底清掃，以保證外絕緣的清潔。大部分情況下出現的污閃是因為對絕緣子的清掃不夠，而導致絕緣子表面出現了很多污垢，這些污垢長期累積導致了絕緣子絕緣性能下降。

4.2 噴涂防污閃涂料

防污閃涂料是用于噴涂在運行絕緣子外表面上的一種常溫固化硅橡膠涂料，利用其優異的憎水性和憎水遷移性可抑制污穢黏附于絕緣子表面，從而提高絕緣子的防污能力。例如，在遇到雨天等惡劣天氣時，潮濕臟污的絕緣子表面會出現連續水膜而發生閃絡，而噴涂防污閃涂料，絕緣子污層表面則無法形成連續的水膜，當有污物落到絕緣子的涂層上時污物便與水珠一起滾落，阻礙絕緣子與污穢物間的接觸，抑制放電通道的發展，從而提高絕緣子的抗污閃性能。

當設計選用的絕緣子爬電距離已不能滿足實際防污等級需求時，雨霧等惡劣天氣下，爬電距離較小的絕緣子易出現污閃現象。針對此情況，可進行絕緣子換型改造，以增加絕緣子串的爬電距離，提高抗污閃能力。

由于調爬、增爬方案周期長、工作量大、成本高，結合該工程所處區域特點，經綜合評估，采用整站戶外高壓設備絕緣瓷瓶及絕緣子串噴涂第三代特殊環境用防污閃涂料的預防治理措施。其主要特點如下。

（1）污閃涂料的憎水遷移性越強，抗積污能力就越強，抗污閃能力則越好。相比傳統持久型防污染PRTV涂料，特殊環境用防污染涂料HRTV-II具有更強憎水遷移性，可提供更持久憎水性達到防污閃效果，有效解決常規防污閃涂料憎水性喪失快、壽命較短的難題。

（2）相比傳統PRTV涂料，大幅提升了涂料的防紫外線、防老化、耐溫變性能，適用于高海拔地區及強烈紫外線照射、大風沖擊、頻繁溫差變化引起的應力損傷等嚴苛環境。

該風電場所處地區干旱時間長，平均氣溫高，日照時間長，紫外線強，平均風速高，沙塵天氣較多。因此，更適合應用具有以上特性的HRTV-II防污閃涂料。

5 方案實施

5.1 方案實施重點

施工工藝要求及驗收可參考標準DL/T 5727—2016《絕緣子用常溫固化硅橡膠防污閃涂料現場施工技術規范》。施工過程中，若噴涂工藝質量控制不佳，涂層厚度不均勻或噴涂前未做好絕緣瓷瓶表面清潔，則易出現脫皮、起泡、龜裂等問題，間接導致憎水性的減退。

施工前需要將支柱絕緣瓷瓶瓷傘裙表面擦拭干凈，且處于干燥狀態，施工區域的地面及物品要采取臨時保護措施以便被涂料污染。噴涂HRTV-II涂料對施工環境要求較高，嚴禁在起霧、凝露、降水、降雪等可能導致絕緣瓷瓶表面受潮的氣象條件下進行防污閃涂料施工。此外，不宜在嚴重揚塵條件下施工，且施工期間的環境溫度應在 -20 ℃以上，風速不應高于5級。

5.2 實施后效果

在絕緣瓷瓶表面噴涂HRTV-II防污閃涂料后，在遇到霧、露、毛毛雨等潮濕氣象時，污穢層很難濕潤，即使附著少量水份，也僅以不連續的小水珠形式存在，不形成連續的水膜，抑制了泄漏電流及局部電弧的產生和發展，顯著提高了絕緣瓷瓶的耐污閃電壓，有效防止了絕緣瓷瓶發生污閃。

6 結論

（1）對于海外特殊氣候區域項目，如有條件，應充分調研，進行現場污穢度評估，選取合適的污穢等級及爬電比距，考慮足夠裕度，做好設備外絕緣設計、配置，并結合國內外類似工程經驗，提前制訂防污閃預案。

（2）HRTV-II防污閃涂料的實施應用大幅降低了污閃隱患，提高了升壓站運行的安全性。經過半年的運行監測和驗證，高壓設備絕緣瓷瓶的沿面放電情況基本消除，提高了設備的絕緣水平，起到了防止污閃的作用。

（3）該工程所在地為典型的半戈壁地區，地域廣、檢修人員少、運行維護設備多、工作量大，HRTV-II防污閃涂料擁有超強的增水性和憎水持久性，以及優秀的耐候性，較PRTV具有更長的使用壽命，正常使用周期內可實現免維護，將極大地減輕高壓設備整體維護工作量，減少停電時間。同時，這也是在海外首次涂裝應用國產特殊環境用HRTV-II防污閃涂料，對戈壁等特殊氣候地區的發輸電系統的污閃預防和治理工作有一定的指導意義。

參考文獻

[1] 齊振東.戶外絕緣子污穢閃絡原因分析及防污閃的幾點措施[J].數字化用戶，2019（28）：207.

[2] 污穢條件下使用的高壓絕緣子的選擇和尺寸確定第2部分：GB/T 26218.2—2010[S].