绝缘子污闪及其影响因素的分析

我国东部沿海工业较发达地区的电网,早在20世纪50年代就出现了污闪事故,60年代后,污闪事故逐步向全国各电网发展。80 年代随着城乡工业迅速发展,环境污染日益加重。随着高压输变电设备大幅度增加,以及500kV输变电系统在许多电网相继投运,全国污闪事故明显上升,而且由污染严重的城市工业区扩大到以前人们认为是清洁的郊区和农田地区。20世纪80年代末到21 世纪初,东北、华北、华东及华中几个大电网,相继发生了大面积污闪事故。华东及东北新投运的500kV线路频繁发生污闪跳闸,终于使人们认识到现有的输变电设备的外绝缘水平和以清扫为主要手段的传统的防污闪工作方式已不能适应大气环境污染状况的变化,无法抵御恶劣气象条件的侵袭。为防止污闪事故特别是大面积污闪事故的发生,必须对防污闪工作有新的认识和突破。

(一) 绝缘子污秽放电的过程和机理

绝缘子污秽放电的显著特点是闪络电压低,标准绝缘子每片清洁干闪电压平均有75kV,湿闪电压也有45kV,而在潮湿脏污的状态下可能低到10kV及以下,这是因为在线运行的绝缘子,在自然环境中,受到SO2、氮氧化物以及颗粒性尘埃等大气环境的影响,在其表面逐渐沉积了一层污秽物。在天气干燥的情况下,这些表面带有污秽物的绝缘子保持着较高的绝缘水平,其放电电压和洁净、干燥状态时接近。然而,当遇有雾、露、毛毛雨以及融冰、融雪等潮湿天气时,绝缘子表面污秽物吸收水分,使污层中的电解质溶解、电离,导致污层电导增加。从而引起绝缘子的表面泄漏电流增加。由于绝缘子的形状、结构尺寸的影响以及绝缘子表面污层分布不均和潮湿程度不同等因素,使绝缘子表面各部位的电流密度不同,其结果在电流密度比较大的部位形成了干燥带。例如悬式绝缘子的钢脚附近,棒式支柱绝缘子裙和芯棒交接处。干燥带的形成促使绝缘子表面电压分布更加不均匀,干燥带承担较高的电压。当电场强度足够大时,将产生辉光放电,继而产生局部电弧。这时,染污介质的表面放电模型,相当于表面局部电弧串联着一段污层电阻。此时局部电弧有可能熄灭,也有可能发展。当局部电弧不断发生和发展,达到和超过临界状态时,电弧贯穿两极,完成闪络。

由此可见,绝缘子的污秽闪络,取决于以下四个阶段的发生和发展。即:

(1)绝缘子表面的积污过程。

(2)绝缘子表面污层湿润的过程。

(3)干燥带形成和局部电弧过程。

(4)局部电弧发展贯穿两极的过程。

1.绝缘子表面的积污

绝缘子表面沉积的污秽,来源于该地大气环境的污染 (包括远方传送来的),也受大气条件的洗涤 (例如,风吹和雨淋),还与绝缘子本身的结构、表面光洁度有着密切的关系。

长期的运行经验表明,城市工业区及大气污染严重的地区,一般绝缘子表面的积污也多。工业规模愈大,对周围影响的范围也愈大。原电力部电力科学院等单位研究表明,对于大气扩散和传送能力强的地区,大城市工业污染扩散对电力系统污染的影响范围可达20～30km 及以上;中等工业城市的影响范围可达10～20km;对四川盆地、长江三峡、汉中盆地等大气净化能力弱地区,城市工业污染影响范围多在10km 之内。一般来说,距工业污染源愈远,影响愈弱,绝缘子表面积污的盐密值也逐渐减小。据重点工业城市对44条输电线路上绝缘子表面沉积污秽的盐密值统计,其值可用下式表达

式中 ESDD——绝缘子表面污秽物盐密值,mg/cm2;

L——距污源的距离,m;

A、B——常数。

特别是大气污染比较严重地区的浓雾,对绝缘子表面的污染也是明显的。研究表明,城市工业区的浓雾的雾水电导率可达2000μs/cm 左右,一次来雾可稳定地维持数小时。城市工业区的边缘及邻近农村的浓雾的雾水电导率也可达数百至1000μs/cm 以上。雾对绝缘子表面的实际污染在北京地区的清河和草桥两个试验站进行过实测,其结果是,一次大、中型雾8～10h,绝缘子表面盐密值可增加0.01mg/cm2左右。人工模拟试验表明,当雾水电导率为2000μs/cm 时,XP—160 绝缘子,受雾6～10h,盐密值可增加0.03～0.04mg/cm2。雾水电导率为2000μs/cm 的雾可使设备的污闪电压比蒸馏水雾下降20%左右。如果雨、雪中含有较高的电导率物质,则对绝缘子有增加污染的作用。如果是大雨,则又有洗涤绝缘子使其净化的作用,某地10月 (雨季后)测得的绝缘子表面盐密值,普遍比同年3月 (无雨积污期)低,雨水的冲洗效果都很明显,平均冲洗效率为28%。

由上所述,大气环境中充满了各种气态、液态污染物和固体微粒。固体微粒中直径较大者,在重力作用下垂直降落。直径较小的微粒呈悬浮状态,也在绝缘子周围运动着。绝缘子表面污秽的积聚,一方面取决于促使微粒接近绝缘子表面的力,另一方面也取决于微粒和表面接触时保持微粒的条件。

微粒在绝缘子表面上的沉积,受风力、重力、电场力的作用,其中风力是最主要的。重力只对直径较大的微粒起作用,且主要影响污染源附近的绝缘子的上表面。微粒在交流电场中作振荡运动,作用在中性微粒上的电场力指向电力线密集的一端。空气运动的速度和绝缘子的外形决定了绝缘子表面附近的气流特性,在不形成涡流的光滑表面附近(例如,XWP2双层伞型和XMP 草帽型),微粒运动速度快,从而减少了它们降落在绝缘子表面的可能性。反之,下表面具有高棱和深槽的绝缘子表面附近则易形成涡流,使气流速度下降,创造了污秽沉积的有利条件。

由于风力对绝缘子表面积污起主要作用,因此,有风、无风及风大、风小均对微粒的沉积影响较大。也直接影响绝缘子上、下表面积污的差别以及带电与否对积污的影响。

另外,绝缘子表面的光洁度等也影响微粒在其表面的附着。因此,新的、光洁度良好的绝缘子与留有残余污秽的或者表面粗糙的绝缘子相比,其沉积污秽的速度应该是不同的。

2.污层的湿润

大多数的污物在干燥状态下是不导电的,该状态下绝缘子放电电压和洁净干燥时非常接近。只有当这些污物吸水受潮,其中的电解质电离,在绝缘子表面形成一层导电膜时,绝缘子表面的闪络电压才会降低,其中闪络电压降低的程度与污层的电导率有关。

长期的运行经验表明:雾、露、毛毛雨最容易引起绝缘子的污秽放电,其中雾的威胁性最大。华北电力科学研究院统计了1970～1983年间华北地区110～220kV线路污闪跳闸,其中雾天气下的污闪占76.4%,毛毛雨占9.7%。这些气象条件之所以容易发生污闪,是因为它们能够使污层充分湿润,使污层中的电解质完全溶解,但又不致使污层被冲洗掉。因此,污层的电导最大,污闪电压最低。

雾是由悬浮在近地面大气中缓慢沉降的微小水滴、冰晶质点或二者的混合物组成的。雾经常出现的厚度是20～50m,持续时间为1.5h至数个昼夜,雾中水滴的直径多为2～15mm,出现概率最大的是5～10mm,含水量约为0.5～1.5g/m3。雾有多种类型,例如,北京地区采暖期辐射雾近年来出现的几率最高达55.9%,其次是平流辐射雾,几率为40.2%,平流雾占4%。其中以平流辐射雾分布范围最大,持续时间最长,对输变电设备外绝缘的影响最大。1990年初,华北地区持续了10多天的平流辐射雾致使华北地区的京津唐电网、河北电网、山西电网发生了大面积的污闪事故。2001年2月21～22日,大雾笼罩着我国北方地区的部分电网,出现大面积污闪停电事故,造成辽宁中部电网220kV及以上线路跳闸44条151次,10座220kV变电所停电,66kV线路跳闸171次,120座66kV变电所停电,全省损失电量937 万kW·h。河北南部电网220～500kV线路跳闸59 条225 次,110kV线路跳闸209次,35kV线路跳闸110条次,10座220kV变电所停电。京津唐电网35kV及以上线路跳闸29 条44 次,河南北部电网500kV线路跳闸2条2次,220kV线路跳闸18条71次。

雾多在夜间发生,据华北电力科学研究院于1980～1994 年的统计,北京地区起雾时间多在20∶00～24∶00,直至凌晨,消雾时间多在9∶00～12∶00;雾的持续时间多为2～8h,占54%,持续时间超过12h,占8%以上;雾的含水量在发生发展过程中是起伏变化的,在两次对雾的全过程观测中,其含水量的高峰值在凌晨5∶00～7∶00,这也可能是输变电设备的雾闪多发生在凌晨的原因。

露是空气中水分在温度低于周围空气时绝缘子上的冷凝物。露和雾一样,也能使绝缘子的上下表面都湿润。近年来,凝露对室内10kV设备曾造成一连串的闪络事故,也应引起我们的重视。

雨夹雪、融雪融冰,特别是横担、架构上的融冰融雪伴随着污水顺绝缘子表面而下,也会造成闪络。

毛毛雨是稠密而细小的液体降水,随风飘浮、徐徐下降,迎面有潮湿感。其强度为0.5～4.0mm/h,概率最大的为2.0mm/h。水滴直径在100～500mm 范围内,大多数为200～400mm,降水速度不超过1m/s,降雨持续时间可达数小时。毛毛雨一般仅能湿润绝缘子的上表面,在相同的条件下,一般污闪电压比雾高20%～30%。

雨一般分为大、中、小雨。中雨,雨落如线,雨滴不易分辨,1h的雨量为2.5～8.0mm;超过中雨的雨称为大雨,强度很大的雨每小时的降雨量达几十毫米到几百毫米,多数雨滴的直径为1000～1400μm,雨滴的降落速度为4.0～6.0m/s。雨量10mm/h左右的雨一般可持续几小时。小雨,雨点清晰可见,无飘浮现象,1h 内的降水量可达2.5mm。大雨和中雨,水滴较大,雨强大,对染污绝缘子表面有湿润作用,但冲刷、净化污秽表面的作用较大,一般污闪较少。统计表明:在送电线路38次的污闪事故中,降水量小于0.05mm/h 的(15次)占39.5%,降水量在0.05～2.00mm/h的(13次)占34.2%,二者合计占73.7%,在降水超过2.5mm/h下发生的污闪不足3%。因此,一般地说,大雨不是污秽地区绝缘子运行的危险条件。

然而,对于伞裙较密,伞伸出不长的棒型支柱绝缘子、套管等设备,特别是在久旱无雨积污较多又突然降大雨的情况下,有可能发生闪络。

3.局部电弧的产生和发展

在前面的污秽绝缘子放电过程中已经提到,运行中的污染绝缘子长期承受工作电压,在潮湿的条件下,表面污层逐渐受潮,泄漏电流逐渐增大。在电流密度比较大的部位,例如盘形悬式绝缘子的钢脚、铁帽处,棒形支柱绝缘子的杆径处,污层烘干并形成干燥带。此时绝缘子承受电压将重新分配,干燥带承受很高的电压,以至出现辉光放电。随着泄漏电流的增大,辉光放电有可能转变为局部电弧,这时绝缘子表面相当于局部电弧和一串剩余的污层电阻相串联。这时的局部电弧可能熄灭,也可能发展,完全是随机的。

局部电弧的热效应,会使干区扩大,局部电弧会沿干区旋转,不断适应自己的长度。当干区扩大到电弧无法维持时,电弧就会熄灭;当周围湿润的条件继续使污层电阻不断减小,泄漏电流不断增大,局部电弧的压降不断减小时,局部电弧可不断向对极发展,直至闪络。

(二) 污闪的原因

1.电网设备外绝缘水平偏低

(1)设计值偏低。在设计、基建阶段确定输变电设备外绝缘配置时,对环境污秽的发展估计不足,片面追求降低工程造价,使设备外绝缘水平偏低,导致防污能力不足。例如,在上述2001 年2月的大面积污闪事故中,有相当一部分线路的爬电比距为所处污区的下限值,部分甚至低于所处污区的要求值。如华中某500kV1、2回线路中有58km线段所经区域按1997年污区分布图为Ⅲ级污秽区,而绝缘水平却是按Ⅱ级污秽区配置,爬电比距仅为2.31。

(2)污区等级划分偏低。例如,在上述2001年2月的大面积污闪事故中,有相当一部分线路所在区域的污区等级划分偏低,还有不少地区由于缺乏全面环境污染和气候数据,主要依据以往的盐密测量值及运行经验来划分污区等级,一旦遇上多年少见的恶劣气候,又处于环境污染高峰期,在多种不利因素的综合作用下,暴露出污区等级划分偏低,抗污闪能力较弱。

(3)调爬力度不够。例如,在上述2001 年2月的大面积污闪事故前,虽然有一部分线路曾开展过调爬工作,但调爬力度不够,不能满足所在区域防污要求。对部分因杆塔间距限制无法增加爬距的线路,没有采用防污闪性能好的绝缘子。运行线路的绝缘配置低于恶劣气候情况下的运行要求,这也是造成大面积污闪的重要原因之一。

2.大气污染和高湿气候共同作用

由上述,绝缘子表面足够的脏污是发生污闪的必要条件。一般冬春为高污闪期,因为这段时期里雨水少,绝缘子无法自然清洗,又因为北方冬季为采暖期,大气污染程度加剧。实测表明,2001年2月污闪后的盐密测量值较污闪前不久的测量值明显增加。在积污增长期间,又遇上大雾,雾气中的电解质物质的湿沉降又导致绝缘子表面产生快速污染,由于已存的污秽和外来污染叠加,在持续高湿度大雾的湿润作用下,导致绝缘子表面发生污闪。

3.运行维护不足

运行维护不足主要表现在:

(1)劣化绝缘子没有及时检出并及时更换。

(2)污秽清扫没有完全落实。因为污区的等级划分及污耐压绝缘是按1年1次清扫的前提来配置的,如果污秽清扫没有落实,而绝缘配置又没有增加裕度,相当于减弱了绝缘子的抗污闪能力,容易导致污闪事故。

(三) 污秽度及其测定方法

污秽度是用来区分污秽区和清洁区,以及轻污秽区与重污秽区的差别的物理量。国际大电网会议第33委员会推荐5种表示污秽度的方法,即等值盐密法 (ESDD)、积分电导率法、脉冲计数法、最大泄漏电流法和绝缘子污闪梯度法。我国普遍采用的是等值盐密法。

1.等值盐密法

等值盐密即等值附盐密度,简称盐密。即把绝缘子表面导电污物密度转化为等值单位面积上含多少盐 (NaCl)。盐密值在国内外应用颇为广泛,它是输变电设备划分污秽等级的依据之一,也是选择绝缘水平和进行外绝缘维护措施的依据。所以测量等值盐密是一项具有重要意义的基础性技术工作。

测量等值盐密的方法是将待测的绝缘子瓷表面的污物用蒸馏水 (或去离子水)全部清洗下来,采用电导率仪测其电导率,同时测量污液温度,然后换算到标准温度 (20℃)下的电导率值,再通过电导率和盐密的关系,计算出等值含盐量和等值盐密值。具体做法如下:

(1)取样。

1)发电厂和变电所。对于发电厂和变电所的支柱绝缘子与悬式绝缘子,应分别在户外能代表当地污染程度的、至少一根棒式支柱和一串悬垂绝缘子上取样。

2)线路。根据沿线路污染状况,每5～10km选一串悬垂绝缘子作为试样。取样的时间应是当地积污最重的时期,一般可选在无雨的污季结束,雨季来临之前。例如,华东地区一般都在每年11月至次年的3月间进行取样。

(2)清洗准备。清洗试样前应充分做好准备工作,其中包括器具、蒸馏水和测量仪器等。

1)托盘和杯子。供收集污秽溶液用。

2)泡沫塑料块或毛刷。供擦洗绝缘子表面污物用。

3)量筒。10mL 和500m L 各1 支,用以量蒸馏水。

以上所有器具,在使用前及擦洗绝缘子时,都必须洗干净,最后用去离子水冲洗、擦干。

4)蒸馏水。供擦洗绝缘子表面用。

5)测量仪器。根据国内使用经验及厂家生产情况,以使用电导仪为宜,它的配套电极是:①DJS-1和DJS-10 白电极。至少1 支,供测蒸馏水用。②DJS-1 黑电极各1 支,供测污液电导率用。

6)温度计。1支,供测污液温度用。

(3)测量与计算。

1)支柱绝缘子。

(a)单元裙段的选取。对于110～220kV的支柱绝缘子至少应均匀地取3个单元裙段,500kV支柱绝缘子取5个裙段。如图10-16所示。

(b)擦洗。首先计算出擦洗每个单元裙段所需要的蒸馏水量。若按每500cm2表面积使用100m L的水量计算,则取用的水量为

式中 Ad——单元裙段的表面积,当Ad＜500cm2时,取Qd不小于100mL。

其次把Qd至少分成两份,取其中一份,用泡沫塑料块反复擦洗单元裙段表面污秽,待基本擦干净时,换用另一份水再次擦净,直到彻底干净为止,并把泡沫塑料中的水挤入污液。擦洗时,不应把水或污液溅到器皿外部。

图10-16　支柱绝缘子单元裙段的选取

(c)测量。将上述两份污液均匀混合,即用电导仪测取污液的电导率σt(μS/cm),并记录污液温度t(℃)。然后将测得的污液电导率σt换算成20℃时的污液电导率σ20,换算公式为

式中 Kt——温度较正系数,如表10-8所示。

(d)计算等值盐密。首先根据σ20,在表10-9中查出单元裙段污秽液的等值含盐量 (mg/100mL)。然后根据等值含盐量浓度计算出单元裙段表面的等值盐密Sdd

式中 Ad——单元裙段的表面积,cm2;

Wd——等值含盐量,mg。

当σ20在40～4000μS/cm 范围内时,Wd可用下式计算为

整支支柱绝缘子的等值盐密为

式中 n——测取单元裙段数目。

表10-8　污液电导率温度校正系数Kt表

表10-9　污秽绝缘子清洗液电导率σ20与盐量浓度的关系(IEC1987年数据)

2)盘型悬式绝缘子。

(a)片数及位置的选取。测量悬式绝缘子串的等值盐密时,原则上可测取串中各片绝缘子的盐密值,取其平均值作为整串绝缘子的盐密值。对于110kV及以上的绝缘子串,可采用如下方法进行测量:

110kV绝缘子串。可测上、中、下3片绝缘子的盐密值,取其平均值作为整串绝缘子的盐密值。

220～500kV绝缘子串。可取上2 片、中1 片和下2片,计5片绝缘子的盐密的平均值,作为整串绝缘子的盐密值。

如测取XWP2型绝缘子的盐密值,有必要估算相同情况下XP 型绝缘子的盐密值,或者相反。即XP型绝缘子表面盐密值的0.5～0.7 倍 (一般取0.6倍)作为XWP2型绝缘子盐密的估计值。

当没有条件测取运行绝缘子串的盐密时,可在相同情况下测取几串不带电运行的绝缘子串的盐密值,取其平均值来估计在该处运行的绝缘子的盐密值,但要乘以大于1的系数K,对XP型绝缘子串而言,K=1.25～1.35。

(b)擦洗。擦洗一片绝缘子用水量Q1如下:对XP-70、X-4.5、XP-160绝缘子,表面积约1500cm2,用水量Q1为300m L。

对于XWP2型XHP 型推荐用水量Q1按下式计算

式中 A——一片绝缘子的表面积,cm2;常用的绝缘子表面积如表10-10所示。

表10-10　常用绝缘子表面积数据

擦洗以及测试方法与支柱绝缘子相同。

(c)计算等值盐密。

等值盐密平均值为

式中 n——测取绝缘子片的数目。

影响等值盐密测量结果的主要因素如下:

(1)盐量浓度与电导率关系的影响。据265题,盐量浓度与电导率的关系是测量等值盐密的重要依据。因此,这一关系直接决定着等值盐密的测量准确程度。国内外长期研究资料表明,采用表9-2所示的数据是较准确可靠的,可作为我国现场测量等值盐密的标准。

(2)用水量的影响。研究表明,用水量对等值盐密测量结果影响很大。其基本规律是:

1)一定量的电解质,用不同水量测量时,其结果是不同的:在盐量小时,由于浓度小,不同水量下测量结果差别不大;而盐量大时,其测量结果差别颇大。

2)测量同一电解质,特别是盐量较大时,用水量越少,误差越大。IEC1987年文件提出的用水量为2～4L/m2,我国规定采用300m L 水测一片X-4.5型绝缘子与IEC一致。

(3)清洗方法及部位的影响。在测定过程中,一方面是擦洗下来的污液不能溅失;另一方面,不该擦洗下来的污秽物,不应擦洗,如清扫不到的“死角”;钢脚周围和帽檐下的水泥面,最容易积垢,这部分污物不应擦洗。因为它不影响污闪,但对测量结果影响很大。

(4)温度的影响。研究表明,各种电解质的温度系数大致相同,温度每升高1℃,电导率约增大2%～2.5%,故测量电导率时应准确测量其温度,以便将测量值能准确换算到标准温度下的电导率。

(5)电极常数的影响。电极常数对测量结果有很大的影响。研究表明,电极常数随浓度增大而增大。当浓度增至10倍时;电极常数有20%～70%的变化。而测量时认为电极常数是不变的,因此得到的测量值偏小,且其误差也随水量减小或盐量的增大而增大。为了避免电极常数随浓度增大而增大的影响,待测溶液的浓度不应超过标定常数时的浓度,而测量用水量至少应达到规定的最低标准。通常测量的等值盐量上限为1000～1500mg,这时应该用DTS-10电导电极测量,而用水量应不少于200～300m L。

由于影响等值盐密测量结果的因素较多,所以测量时应严格要求,以得到准确的结果。并将测得的盐密值与当地的污秽等级比较,是否一致,当盐密值超过表9-3或表10-11规定时,应根据具体情况调整爬距或采取清扫、涂料等措施。

表10-11　普通支柱绝缘子盐密与对应的发、变电所污秽等级　单位:mg/cm2

2.污层电导率法

绝缘子表面污层电导率也叫表面电导率,其含义是绝缘子单位表面污层的电导值。它能够反映绝缘子表面的积污量和湿润程度,是确定现场污秽程度的一个很好的办法,借助于污层电导和污闪电压的关系,可以确定运行设备的污耐压水平。

污层电导率可分为积分电导率 (又称整体表面电导率)和局部表面电导率两种。

(1)积分电导率法。

1)测量原理。

式中 L——绝缘子泄漏距离;

D (x)——沿泄漏路径各点的直径长度。

积分电导率法把绝缘子表面污层电导率K 视为常数,即是认为其污层分布为均匀状态,而实践证明自然污秽污层的分布是绝对不均匀的,即使在试验室中人工污秽涂层也不可能做到均匀度完全一致,所以由这种方法测得的电导率仅仅是近似的,或称等值电导率。

测定整体表面电导率时,是用适量蒸馏水喷在试品表面,当其污层饱和受潮时,再在绝缘子两极上施加工频电压U,同时测出它的泄漏电流I,得出绝缘子的积分电导G=I/U。关于施加电压U 的数值,世界各国不尽相同,如表10-12所示。

表10-12　施加电压值/每米绝缘子放电距离

施加电压值的大小出于两方面的考虑,一方面是考虑污层不均,会存在稀薄的导电带或导电断层,如果所加电压过小,则在测量结果中必将出现假象,即可能污秽已很严重,但测出的电导率很小,为此才出现所加电压值不得小于30kV/m 的规定,使断层在高电压的作用下得以产生火花放电而跨过;但另一方面施加电压又不能太高,因为电压过高,泄漏电流过大将产生较多的热量,使污层温度升高而将其水分烘干,人为造成了低电导带,从而带来更大误差。出于同一因素考虑,测量时电压施加的时间也不可太长,一般只加2～5个周波,以能记录下泄漏电流即可。

关于绝缘子的形状系数F,其计算方法可根据绝缘子外形尺寸,计算出沿泄漏路径各点的圆周长度πD (x)的倒数,画出1/πD (x)与泄漏距离的关系曲线,该曲线下所包络的面积即是该绝缘子的形状系数。对于绝缘子串和支柱绝缘子来说,它们的F 值就是各个单元件F 值之和。

测量电导率时,应测出绝缘子污层的表面温度t℃,以将测量温度时的电导值Gt换算到标准温度20℃时的电导值G20为

积分电导率法能在相当好的程度上反映污染程度和潮湿的程度,其人工污秽和自然污秽下的耐受电压曲线也是比较接近的。但是,由于污秽断层带的影响,自然污染分布不均匀的影响,以及测量需要有一个容量较大的高压电源,现场测量比较麻烦,推广应用受到一定限制,有关各类绝缘子污层电导与耐受电压的关系试验也较少。图10-17列出了X—4.5绝缘子人工污秽闪络电压试验结果。

图10-17　X—4.5绝缘子人工污秽闪络电压试验结果

2)现场污层电导率测试装置介绍。

为了能在现场方便地开展悬式绝缘子污层电导率的测试,山西电力试验研究所试制了一套高压人工雾现场污秽度测试装置,简介如下:

电源采用220V 调压器、10kVTV 升压,在400mm×400mm×550mm 的人工雾室中湿润试品后测试,测试中电流整定为四档,分“预告”“警告”“危险”和“污闪”等状况,不仅可测试试品的电导率,而且还可以测出最高泄漏电流范围值。由于采用微机控制加压,实现自动计算和连续测试,操作简便,具有显示和打印功能。如果需要还可配置更大容量升压器来实现自然污秽绝缘子污秽耐受电压特性的测试。

该测量装置可以在任何时候使用,可以对人工染污绝缘子污秽度测量,也可用于自然污染绝缘子污秽度的测量,适用于典型污染抽查,也适于污秽分布的普查。但由于电压等级低、雾量小,故仅能用于单片悬式绝缘子的污秽度测量。

(2)局部表面电导率。鉴于整体表面电导率法的不足,又提出了局部表面电导率的测量法,这种方法避开污层间断在绝缘子金属附件部位的不良影响,它的测量结果对绝缘子污秽度有更真实的意义,与其污闪电压有较好的相关性。除此以外,该方法除可以测到试品污秽度的总平均值外,还能测出绝缘子表面污秽度的分布状态及随时间的变化规律。

如何进行局部表面电导率的测量呢? 下面介绍局部表面电导率仪的原理与使用。局部表面电导率仪的原理如图10-18所示。

仪器分测量电路和探头两部分,其中测量电路提供高频振荡信号,电源使用干电池供电,分“校正”和“测量”两档工作状态。

图10-18　局部表面电导率仪工作原理示意图

当在“测量”档工作时,设振荡器输出电压为Um,电阻R 上的压降UR,探头在试品表面处的电阻为RX,则求出RX就可以得出此处表面的电导率KP。通过试品被测表面的电流为IX,它与流过R 的电流相同,即IR=IX,故可得出如下结果:

式中 A——探头的几何常数。

测量前绝缘子用蒸馏水湿润。湿润应使绝缘子上的整个污层良好地湿透,但不允许污层有过分的蒙雾,否则存在污秽层被洗掉的危险。为此最好用一个新的、清洁的喷枪,灌满蒸馏水,用人工喷洒或用具有油水分离器的压缩空气装置来工作。在这时应注意使绝缘子蒙上雾时所使用的上述装置不应有其他物质或污秽微粒。喷枪应能产生很细的雾而不允许喷出水滴。

测点的选取原则是使测量结果尽可能准确,即尽量多选些测点,如悬式绝缘子可在其上、下两个表面靠钢帽处、中间及靠近外缘3处,并在全圆周均分4等分,共取24个测点进行测量,最终取其算术平均值,即为该试品的平均表面电导率值。

下面介绍局部表面电导率法的应用实例,采用固体污层法进行人工污秽试验,获取绝缘子污闪电压与其表面平均电导率的关系曲线,得到了只要试品的平均表面电导率相同,则不论试品污秽可溶盐是由何物质构成,其污闪电压都是接近一致的重要结论。图10-19给出了X—4.5型绝缘子在3种不同污秽可溶盐下污闪电压Uf与其表面平均电导率KP的关系曲线。

必须指出,如果局部表面电导率仪的电源信号电压低时,其测量结果分散性大,故准确度欠高。

3.泄漏电流脉冲计数法

污染绝缘子在运行电压下若遇潮湿天气,在发生污闪之前将会产生局部电弧和较大的脉冲式泄漏电流。对于不同污染程度的绝缘子,其表面污秽越重者,出现泄漏电流脉冲的幅值越大,而且频度也越高。换句话说,脉冲的幅值和频率迅速增加是污闪的征兆。所以,当在给定时间间隔内记录超过一定幅值的泄漏电流脉冲总数时,也就可以在某种程度上反映绝缘子的污秽度了。

图10-19　各种污盐时X—4.5绝缘子闪络电压与平均表面电导率的关系

(a)污盐:NaCl;(b)污盐:非NaCl;(c)污盐:NaCl和CaSO4混合盐

脉冲计数法能够反映绝缘子积污和闪络的全过程,方法简捷,因此可以方便地实现在线监测。虽然脉冲数和污闪电压之间没有更直接的定量关系,目前尚不能提供更有意义的绝对值,但试验研究表明,泄漏电流报警值的确定要综合考虑脉冲幅值和脉冲数目,并根据不同电流整定值的脉冲计数值来估算运行期间最大泄漏电流值,进而判断绝缘子的污秽度及耐污能力。

脉冲计数器目前有两类,早期比较简易的是电磁式计数器,随着电子器件的进展,又出现了传感器与电子集成电路构成的计数器。

(1)电磁式脉冲计数器。电磁式脉冲计数器的工作原理是当计数器线圈中流过的泄漏电流超过某个选定值时就动作计数。该选定值称启动电流,根据需要可将启动电流分设为几档。

这种计数器的抗干扰能力较强,且不需要辅助电源,作为现场的监测手段是比较方便的。但电磁式计数器对泄漏电流脉冲的响应能力较差,即它的响应时间很长,要达几十毫秒,有时还由于它“复归”时间长,在没来得及复归的情况下将不再计数,所以它的计数结果往往不能真实反映泄漏电流的脉冲数目。

以XLY 型泄漏电流记录仪在试验室中进行的动作验证性试验为例来说明,该计数器分档记录电流脉冲数,为20/35/50　mA (有效值),分5 次加压,用示波图读出结果和计数器动作结果相比较,累计结果如表10-13所示。

从表10-13 中可见,在20　mA 档时,电磁计数器的计数明显小于示波图的实际脉冲数,很可能是脉冲幅值较低时的跃变在时间上与上一次幅值较高的跃变相距较近,致使计数器来不及“复归”而未能计数造成的,在35　mA 和50　mA 两档,两台计数器分别出现计数结果超过实际脉冲数的情况,据分析认为是合闸造成误动而引起的。

表10-13　累计结果表

另有研究表明,早期设定的动作电流是20　mA、50　mA,其值偏低,而采用大于100～250　mA 的动作电流更为合理。

电磁式脉冲计数器与被测设备的连接如图10-20所示,使用时要注意与其并联的设备绝缘表面的泄漏电流对监测的影响。一般对悬式绝缘子的应用是没问题的,而对于支柱绝缘子和套管,由于考虑尽可能减少对原绝缘水平的影响,测量仪器并联的绝缘表面距离不能取得过大,因而其表面绝缘电阻的分流作用不能忽视。

如在110kV刀闸支柱绝缘子上,并联距离取1.5cm,其测量结果如表10-14所示。

为了使设备分流控制在5%以内,要求其绝缘电阻不小于30kΩ。

电磁式脉冲计数器在现场中早有应用,且效果良好。如陕西某供电局,从70年代后期就使用该型记录仪,对装有此计数器的绝缘子串,凡是警告档未动作的都没有清扫或更换涂蜡层,这些绝缘子经数年运行均未发生过污闪,对警告档动作的,经分析确认是绝缘污秽引起的,都进行了清扫或采取其他防污措施,也未发生过污闪;对于危险挡动作的,立即进行清扫,防止了污闪事故。同时该局在利用脉冲计数法判断涂蜡绝缘子涂层是否老化和确定污区清扫周期方面也起到一定作用。该局脉冲计数的电流值设定如表10-15所示。

图10-20　电磁式脉冲计数器与被测设备的连接

(a)悬式绝缘子;(b)支柱绝缘子或套管

表10-14　用XLY型泄漏仪测量结果

表10-15　各挡启动电流

(2)电子型脉冲计数器。电子型脉冲计数器的基本工作原理是通过一个特制电流互感器装置传感泄漏电流脉冲,记录幅值超过规定值的脉冲数,并进行报警,其原理框图如图10-21所示。

图10-21　电子型脉冲计数器原理框图

在传感器中产生的泄漏电流脉冲信号经放大后送到比较电路,对信号幅值超过某一预定值时,则计数器将在一预定时间内累计脉冲数。当累计的脉冲数超过一预定值时,则比较器就给出信号到报警电路而发报报警,发报距离为100m,电源由干电池供电。

4.最大泄漏电流法

国内外试验研究表明,泄漏电流不仅能够全面的反映作用电压、气候条件、绝缘子表面污染程度等综合因素的影响,而且临闪电流IC与闪络电压梯度EC有着十分确定的关系。其EC—I 关系曲线,在绝缘子表面污秽成分不同,污秽分布均匀、甚至绝缘子串长不等,都能够较好的吻合。即使绝缘子的结构形式不同,E—I 关系也无多大差别,其表达式可用幂函数表示。即

式中 EC——闪络电压梯度;

IC——临闪电流;

A、b——常数。

此处IC是临闪前的最大泄漏电流,代表着将要闪络的临界污秽度,所对应的电压也就是运行电压。如果利用泄漏电流作为监测的手段,必须选取一个比临闪电流IC低得多的电流IP来代表当地必须报警的污秽度,以便及时采取措施,防止闪络。

IP应该远小于IC,IP同时应该是最大值,但是泄漏电流是脉冲值,是一个忽大忽小的统计量,其值很难测得。只好在规定的时间内,例如15min内,在测得的许多的电流脉冲中,取其中的最大值来代表当时当地的污秽度。以此来作为报警电流。报警电流IP可用图10-22和图10-23来确定。图10-22表示在一定污秽度下,施加电压u 与泄漏电流I 之间的关系;图10-23表示在一定电压下,污秽度Sd与泄漏电流I 的关系。图中I 均代表在指定时间内测得的电流最大值。Imax与运行电压下临界污秽度SC对应,从图10-23中可找到与某一污秽度S 对应的IP,从图10-22中可找到对应于IP泄漏电流的电压,从而可找出离污闪电压UC(运行电压)的裕度。

图10-22　在一定污秽度下,施加电压与泄漏电流关系曲线

这种方法可用于在线检测,也可用来报警。适用于经常湿润的地区。长久干旱的地区,无泄漏电流显示,若突然湿润,可能还未来得及报警,就闪络了。

测量泄漏电流用的仪器大致有以下几种:

图10-23　在一定电压下,污秽度与泄漏电流关系曲线

(1)磁钢棒。这是结构最简单的测量仪器,它是将磁钢棒插入线圈中测量运行期间流过绝缘子的最大泄漏电流。磁钢棒磁化后,取下来用磁针偏转仪测量其磁化程度,然后查有关曲线确定流过磁钢棒的电流值,所以测试结果不直观。

(2)纸带自动记录电流表。这种仪器理论上可记录泄漏电流连续变化规律,但灵敏度和精度偏低,且由于记录液不能连续供给,故在运行中若无人监视很难应用。

(3)磁带记录仪。这种仪器对纸带记录仪器缺点进行改进,使其在无人监视下能连续记录电流变化,并可贮存及回放,但成本较高。

(4)光线示波器。它是试验室中长期使用的记录设备,灵敏度及测量范围都很适宜。

(5)智能型记录仪。这是最新推出的记录仪,它将微电脑技术应用于绝缘污秽监测中,其主要特点是:数字化记录泄漏电流的变化,自动打印、存贮输出泄漏电流的波形及最大值数据,操作简单,根据需要可随时整定报警值。

智能型监测仪基本原理如图10-24所示。

传感器是一个环形线圈,安装于被测绝缘子串顶部挂环周围,对设备及人身均安全。传感器将感应出的信号送至放大器和A/D 转换器,再经微机处理后打印显示连续采样的最大电流数值及波形,电源为交流220V。

使用智能型监测仪需要注意抗干扰问题。对于传感器输出信号传递过程中,对周围电磁场的强大干扰必须采取多种有效措施屏蔽,如采用双层屏蔽线、力求传输路线最短、正确接地及电源的良好屏蔽等,否则将直接影响测量结果的正确性。

该型仪器的性能优于光线示波器,成本低于磁带记录仪。目前,我国已有商品化产品供应。

5.污闪电压或污闪电压梯度法

绝缘子在潮湿脏污状态下的闪络电压称为污闪电压。污闪电压梯度是污闪电压除以绝缘子的串长。这两个参数的本质是相同的,是表征绝缘子抗污闪能力最直接、最重要的参数。其测量可在试验室或试验站现场进行。

图10-24　智能型监测仪原理图

(1)在试验室测量。在试验室中测量运行绝缘子的污闪电压或污闪电压梯度,往往采用抽查的办法。即在某些运行环境相同或相近的绝缘子中,抽取一定数量的自然污染绝缘子,在试验标准规定的人工雾室中,进行人工雾的污闪电压试验,求取绝缘子样本的污闪电压平均值、最小值和标准偏差,或者求取样本的最大污耐压值,借以估计类似绝缘子在相同运行环境下的抗污闪能力和必须采取的对策。这种方法,需要一个容量比较大的高压电源和一个满足试验标准的人工气候室。现场不好操作,往往在电力部门的试验单位考虑到有必要进行一批抽查试验时,或分析污闪事故,有必要进行污闪电压试验时才采用。

(2)试验站法。现场测量绝缘子的污闪电压或污闪电压梯度,主要在污秽试验站中进行。其主要目的是为污秽外绝缘选择提供依据,即能在其实情况下测定绝缘子的耐污性能和各类型绝缘子的优劣顺序,直接给出绝缘水平。也可以借助这种方法,对运行在类似环境下的相同绝缘子实行监视,估计运行绝缘子在相同情况下的实际抗污闪能力。

在试验站中测定绝缘子的污闪电压或污闪电压梯度一般采用图10-25所示的3种接线方式。其中图10-25 (a)是用不同长度的绝缘子串,分别用熔断器与电源连接。当最短的绝缘子串闪络时,与其串联的熔丝熔断,该串与电源脱离,重合电源后可对其他串继续试验。图10-25 (b)是使试验串中的绝缘子片数多于实际需要量,多余的绝缘子用快速熔断器短接,一旦污闪,事故串熔丝熔化,试验站跳闸,当重合时,事故串加强了一段绝缘。其余的绝缘子继续受到考验。图10-25 (c)是被试绝缘子串上,串联多个多余的绝缘子片,在每片多余的绝缘子上并联一快速熔断器,一旦污闪,则最靠近被试串的熔断器最先熔断,重合时,事故串自动地增加了1片绝缘子。如此也就自动地决定了该地区所必需的最短串长。

(四) 防污闪对策

1.加强现场巡视

现场巡视直观、方便、范围广,是供电部门防止污闪事故发生,广泛采用的方法。但巡视结果与巡视人员的经验、素质等多种因素有关,无法定量,不十分确切,容易漏检。

图1025　为确定最短绝缘子串耐受长度而采用的不同接线

(a)正常串接式;(b)自动加强式;(c)自动切除污闪片式

防污闪巡视,常常要安排在夜间和雾、毛毛雨等潮湿天气下进行。在我国北方地区,要特别重视入冬后的第一次雾和入春后的第一场雨的巡视。这时的巡视往往会发现外绝缘的一些薄弱环节。

巡视判别的方法,一是听放电声音,二是看放电现象。如果设备在潮湿天气下放电声音较小且放电声均匀,问题不大;反之,放电声音较大且伴有“哔剥”声,则放电较为严重。一般应予以处理。若按放电现象判断:一般绝缘子表面均匀覆盖一层蓝紫色的光圈者,对绝缘的危害并不大;若放电呈黄红色的伸缩性树枝状或黄白色的局部电弧时,则放电严重。应及时采取措施。

2.严格执行国标和有关规定

为杜绝大面积污闪事故的发生,应严格执行《高压架空线路和发电厂、变电所环境污秽分级及外绝缘选择标准》(GB/T 16434—1996)、《关于防止电网大面积污闪事故若干措施的实施要求》(能源办 [1990]606号)、《加强电力系统防污闪技术措施 (试行)》(调网 [1997]91 号文附件)和《电力系统电瓷防污闪技术管理规定》以及其他有关规定,完善防污管理体系,落实各项措施。

3.调整爬电距离

爬电距离是指两个导电部分之间,沿绝缘材料表面的最短距离。通常简称爬距。调整爬距是当前防止大面积污闪事故的重要措施,是物质基础。

由上述,绝缘子在运行中发生污闪的三要素是作用电压、污秽和潮湿。运行经验表明,绝缘子在上述三个要素相同的条件下,有的发生污闪,有的却不发生污闪,究其原因,发生污闪的绝缘水平低,也即爬电距离不足。研究表明,同一种结构的绝缘子,其外绝缘的耐污电压水平随着绝缘子的爬电距离的增长而线性提高。绝缘子发生污秽闪络,从根本上讲也是绝缘子污耐压水平低于实际污秽度要求的一种表现。在可能的情况下,加大爬距,一般会提高绝缘子的抗污闪能力。

对于输电线路:由于线路长、范围广、运行维护困难,特别强调输电线路的绝缘爬距要按污秽等级所要求的标准调足,认为它是防止污闪的根本性措施。对于500kV、220kV以及电源进线等重要线路,要求调至污级标准的上限。关于污区分级和外绝缘选择标准,在1996年发布的“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)中已做规定,如表10-16所示。

表10-16　线路和发电厂、变电所污秽等级及各级下的盐密值和爬电比距值

注 括号内的数字表示以额定电压为基准算出的爬电比距。

对于输电线路来说,可以通过增加绝缘子片数来增大爬距。但增加的片数受到杆塔窗口的限制。因此,多采用更换普通型绝缘子为防污型绝缘子、甚至更换为硅橡胶合成绝缘子的办法。

把普通型绝缘子更换为防尘绝缘子,要注意形状系数的影响。也就是说,由于绝缘子的结构型式发生了变化,绝缘子的爬电距离虽然相等,但在自然界积污不同,能够耐受的电压也不同。因此,就存在着爬电距离的有效性问题。为此提出有效系数K 的概念。

式中 EX和EO——被试绝缘子和标准型绝缘子在相同盐密值下的污耐 (闪)压梯度,kV/cm;

UWX和UWO——被试绝缘子和标准型绝缘子在现场自然污染时,不同盐密值下的污耐 (闪)电压值,kV;

K1=EX/EO——反映了相同盐密值下,造形不同、耐污电压或耐压电压梯度的不同;

K2=UWX/UWO——反映了绝缘子造形不同,在自然环境中,沉积污秽的不同对污闪电压的影响。

对于变电站和发电厂升压站中运行着的变电设备的防污闪问题,特别强调《因地制宜、综合治理》的原则。对于闪络比较频繁的“站”,一般来讲,其母线悬式绝缘子和支柱绝缘子,应该具备较高的爬电距离。爬电距离过小,全部采取辅助措施比较复杂。对于各类套管,调整爬电距离有很大困难,而且资金较多,一般都采用的辅助的防污闪措施。

目前国家电力公司的各公司都在按国家标准,以保安全、重质量的原则大规模调整爬电距离。例如,东北公司对其管辖的总长1117km 的7 条500kV送电线路进行了调整爬距工作。调整爬距后,送电设备的爬电比距 (瓷绝缘爬电距离对最高工作电压有效值之比)达到2.5kV/cm。调整爬电距离工作不能搞一刀切,要保证重点,实施中应综合考虑的因素如表10-17所示。

表10-17　调整爬电距离应综合考虑的因素

4.清扫

清扫是恢复外绝缘抗污闪能力,防止设备外绝缘污闪的重要手段,对于外绝缘爬距已经调整到位的输电线路,强调适时的清扫尤为必要。对于运行在一定地区的输变电设备,要结合盐密测量和运行经验,合理安排清扫周期;在盐密 (或其他污秽度参数)测量比较好的地区,可以通过统计分析,逐步以盐密值控制过渡到状态清扫。

清扫周期,按《电力系统电瓷外绝缘防污闪技术管理规定》,凡是按污秽等级配置外绝缘爬距的设备,原则上一年一清扫。这是因为划分污级标准时,规定的是一年累积的污秽盐密的最大值。

一年一清扫的设备,清扫时间应安排在污闪来临之前,一般安排在污闪季节前1～2个月内进行。清扫的顺序:通常先安排一般输电线路和变电站,后安排比较重要的线路和变电站;在绝缘子型式方面,一般先清扫防尘绝缘子,后清扫普通型绝缘子。其目的是保证重要线路和普通绝缘子最大可能安然度过污闪季节。

盐密指导清扫能够最有效地利用原设备外绝缘的抗污闪能力,避免不必要的清扫。利用盐密值控制清扫的时间在技术上应做到三点:

(1)要确定一定耐受水平下的盐密控制值。

(2)所测取的绝缘子表面盐密值,应具有代表性。

(3)要掌握清扫绝缘子在运行地区盐密的累积速度。

清扫,有停电清扫和带电清扫之分。清扫除了人力揩擦之外,还有一些自动清扫工具。如自动清洗机,旋动毛刷等。

5.带电水冲洗

为清除外绝缘上的积污,在运行状态下采用具有一定绝缘电阻的高压水柱去冲洗电瓷表面的方法,称带电水冲洗法。其主绝缘是水柱。

该方法我国从20世纪60年代初就开始使用,目前已有30多年历史,在国外是从30～40年代开始的。尽管目前还存在需要探讨的问题,但在绝缘强度的影响因素、保证水冲洗安全措施和新用工具等方面,均已有成熟的经验,我国在1984年就推出《电气设备带电水冲洗导则》。

(1)带电水冲洗基本物理过程。带电水冲洗电瓷外绝缘时,是自下而上进行。当水柱开始冲湿绝缘下部时,附着在绝缘表面的污秽将潮解而显示更强的导电性,这部分绝缘电阻将降低,它所承担的电压也将降低,而使更大部分的电压降在未被冲湿的干燥区域。此时大约是在整个外绝缘长度的一半被冲湿前,绝缘表面的泄漏电流没有太大变化;随着水柱向绝缘上部移动,干燥区域越来越少,但承受的电压更高,电场强度越来越大,在干燥区内开始出现局部电弧,并逐渐从局部延伸加长,造成泄漏电流的渐增。当干燥区只占全绝缘的1/3 左右时,泄漏电流大大增加,此时应移动水柱迅速将干燥区冲湿,使电压分布趋于均匀,从而消除局部电弧的发展延伸而引起闪络。在水柱上移过程中,外绝缘上有两种互相矛盾的现象同时存在,一方面是水使污秽受潮而增大泄漏电流,掌握不好就会导致冲击闪络;另一方面是水冲洗将污秽冲走而净化了外绝缘,又使泄漏电流减小,如何减少不利而增加有利因素,是实施水冲洗方法的核心问题。图10-26给出水冲洗过程中,绝缘子受潮长度与其泄漏电流的关系曲线。

(2)水冲洗闪络的主要影响因素。

图10-26　在冲洗过程中泄漏电流随绝缘子的受潮长度而变化的曲线

1)水阻率、盐密、设备爬距对冲闪电压的影响。

水冲洗试验证明,冲洗水的电阻率、设备表面污染盐密值以及设备本身的爬电距离,是影响设备冲击闪络电压的三个重要因素。当其他条件相同时,一般水阻率越高,冲击闪络电压也越高;设备的盐密值越大,冲击闪络电压越低;设备的爬电距离越低,冲击闪络电压也越低。如表10-18和表10-19及图10-27和图10-28所示。

表10-18　110　kV支柱绝缘子的冲击闪络电压

① 此数据是由一个加工粗糙的喷嘴试得的。

表10-19　220　kV支柱绝缘子的冲击闪络电压

图10-27　110kV支柱绝缘子冲击闪络电压与水阻率、盐密、爬距的关系

2)冲洗方式的影响。实践证明,水冲洗方式是否合适也极大地影响着冲击闪络电压,对能否保证安全运行起着很重要的作用。

图10-28　220kV支柱绝缘子冲击闪络电压与水阻率、盐密、爬距的关系

冲洗方法一般分单枪和双枪两种,而冲洗路径却有多种,如表10-20所示。

表10-20　冲洗方式

上述四种方式在相同的设备 (喷嘴、直径、压强相同),水阻率和设备盐密相同的条件下,其冲击闪络电压不同,其中双枪跟踪方式的冲击闪络电压最高,比第一种单枪方式高约12%,其原因是跟踪式可以通过主枪完成冲下污秽的作用,而辅枪可将带有污秽的污水及时冲走,使其不可能形成污水连线,从而提高了冲洗效果,另外,从实践中还能看到,单枪在一个方向不能一次洗净设备全圆周的裙内污秽,而有辅枪相助,则效果必然增强。

3)冲洗设备性能的影响。水柱冲到绝缘表面上的压强大小直接影响污物是否能被及时冲掉,也影响水碰到设备后的溅射情况,从而影响冲击闪络电压及其标准偏差。而水柱的末端性状是由水泵出口压强及喷嘴直径大小及其形状、光洁度来决定的,一般情况下,压强在小范围内变化时,对冲击闪络电压的影响并不突出,如表10-21所示。

表10-21　水柱压强对冲击闪络电压的影响

当选用不同直径喷嘴时,只要相应改变水泵压强,使水柱喷出有足够长度,并且到达被冲洗设备表面仍有足够压强,则结果对冲击闪络电压影响仍不大,如表10-22所示。

表10-22　小水冲与中水冲闪络电压的比较

注 小水冲—喷口直径2.5mm,水泵压强98×17kPa。
中水冲—喷口直径4mm,水泵压强98×8kPa。
水阻率—2300Ω·cm。

如水枪喷嘴粗糙度不够高,将会使水柱“散花”而使冲击闪络电压降低较多,且标准偏差也增大,如表10-23所示。

表10-23　喷嘴粗糙度的影响

由于喷嘴是将水流压力能转化为水柱动能的关键部件,所以对它的要求也应严格,其截面形状为圆形,以形成圆形水柱和空气的接触面积最小,因而空气阻力最小;从大直径向小直径过渡应光滑均匀,且不能有任何突变。

应当注意的是,为了使水柱长度足够,往往采用提高压力的办法,而不采用增加喷嘴直径的办法,因为前者用水量只成正比增加,而后者的用水量将与水柱增加长度成四次方比例增加,这是不足取的。但增加水压并不是永远有效的,当压力增至某一极限值时,水柱长度将不再增大。其原因是水压增大后,水柱的流速也增大,它将更容易与空气碰撞雾化成小水滴,而压力超过极限值时,即是它的压力能将会更多转化为水柱的雾化能量去提高水滴的细度,而不再用于提高水柱的长度。但在近距离部分,水柱的撞击力却一直可以随着出口流速的提高而加强。

当水柱流速过高时,它与被冲洗设备表面相撞而散射的影响面将扩大,对邻近设备的影响将变大,即邻近效应将变得恶劣。

水柱对喷枪的反作用力,也因压力提高而变大,但一般情况下都不必考虑,但对超高压设备进行水冲洗时,由于水柱射高要达25m 以上,此时巨大的反作用力将使一名持枪手难以靠自身体力支撑以保证准确的水柱射点。

4)设备高度影响。设备高度不同时,高度大的由于水柱到达时压强较低,“散花”加大而使冲击闪络电压降低。

5)邻近设备的溅闪问题。水冲洗时,有时会发生邻近设备因被水溅湿而闪络的现象。这种现象的发生与冲洗角度有关 (指被冲洗绝缘和与邻近绝缘子连线与水柱之夹角),若该角度选择不当,特别是在周围风力的作用下,会将邻近设备溅湿面积加大,导致绝缘降低而闪络。表10-24列出的试验结果表明,溅闪电压也有可能会低于被冲洗设备的冲击闪络电压。

表10-24　邻近设备的溅闪试验结果　单位:kV

注 试验条件:水压98×7.5kPa,水柱长7m,水阻率ρ=5kΩ·cm,盐密0.1mg/cm2。

(3)控制水冲洗的“临界盐密”值。通过大量的试验研究,已比较系统地总结出水阻、盐密、泄漏比距及各种因素对设备水冲洗闪络的影响,并总结出临界盐密法以求定量控制水冲洗条件,为水冲洗安全实施提供保证。

当电站内较脏污的支柱绝缘子盐密值低于临界值时,电站设备可以进行带电水冲洗,否则应使用高电阻率的水,才能保证带电水冲洗的安全,线路绝缘子可以相对放宽。

盐密临界值是由大量试验求得的。在多种盐密、多种水阻率的各种组合下,测得试品水冲洗50%工频放电电压、标准偏差,并推出万分之一闪络概率的放电电压U0.0001与盐密的关系曲线,其中U0.0001=U50(1-3.7σ),σ 是各组偏差中的最大值。如图10-29中所示,U0.0001曲线与最大运行电压及额定电压交点对应的盐密值即为这两种电压下的临界盐密值。

目前临界盐密法是惟一可定量的方法,并且在控制水冲洗中起重要作用。但实际应用很不方便,在变电站或线路上各种设备盐密取样测量结果分散性非常大,难于做到未被取样设备的盐密值不大于被取样设备的临界盐密值,个别设备的积污很有可能超过了自身的耐污能力,也没有列入冲洗。所以为保证水冲洗的安全实施,还必须遵守从实践中总结出来的操作安全规定。

(4)主绝缘——水柱的特性。水柱在水冲洗时要承受全部的工作电压,它自身的绝缘性能主要取决于它的电阻率、长度、直径和压强等因素,其中水柱长度是决定因素。为保证水冲洗时的人身安全,首选的冲洗工具性能必须良好,水柱绝缘强度应保证在系统出现最大运行电压和操作过电压时,不对人体发生闪络。

图10-29　110kV支柱绝缘子冲击闪络电压

1—泄漏比距2.5cm/kV,水阻率2300Ω·cm;2—泄漏比距1.6cm/kV,水阻率70000Ω·cm;3—泄漏比距2.5cm/kV,水阻率1000Ω·cm;4—泄漏比距1.6cm/kV,水阻率2300Ω·cm;5—泄漏比距1.6cm/kV,水阻率1000Ω·cm

1)水柱的操作波放电特性。水柱的长度是确保在操作过电压下不发生闪络的关键。试验证明水柱的操作波放电电压与水柱的长度基本呈线性关系,不论是小、中、大各种水量的水柱都遵循这个线性规律,如图10-30和图10-31所示。

图10-30　操作波放电电压与水柱长度的关系 (小水冲范围)

水柱的直径取决于喷嘴的直径,一般情况下直径大则截面大,水阻变小,绝缘强度也变小,其操作波放电电压也将降低,对于小直径喷嘴尤其显著,如图10-32所示,l为水柱长度,水柱电阻率的影响如图10-33所示,由图可见,在其他条件相同时,水电阻率大,其放电电压也高。

图10-31　操作波放电电压与水柱长度的关系 (中、大水冲范围)

图10-32　操作波放电电压与喷口直径的关系

图10-33　水电阻率对操作波放电电压的影响

2)水柱的工频放电特性。研究表明,系统中出现的最大工频电压和操作过电压所要求的水柱长度是不同的,但操作过电压是决定因素。

水柱工频放电电压与水柱长度也基本呈线性关系,并且也是随着喷嘴直径变大呈下降趋势,如图10-34和图10-35所示。

图10-34　工频放电电压与水柱长度关系

图10-35　喷口直径对工频放电电压的影响

而工频放电电压随水电阻率的增高而略有增高;水压的变化对其影响不大。

3)水柱泄漏电流的特性。由于水冲洗一般都是在工频电压下进行的,而泄漏电流大小又是影响人身安全的关键,所以了解工频下水柱泄漏电流的特性至关重要。

在可比的条件下,水柱泄漏电流随水柱长度的增加而减小;随水柱截面 (即喷嘴的直径)增加而增大;随施加电压的变化而呈线性关系如图10-36、图10-37和图10-38所示。但水的电阻率对泄漏电流的影响不大,其原因是当水阻率大于2500Ω·cm 后,对于在水柱较长的情况下,其内含有很多空气隙,增加了水柱的绝缘强度,水阻率的影响就显得很小了。

(5)保证人身安全的基本要求。

1)喷嘴与带电体间距离必须保证满足表10-25要求。

图10-36　泄漏电流与水柱长度的关系

(a)小水冲洗;(b)大水冲洗

图10-37　泄漏电流与喷口直径的关系

(a)小水冲洗;(b)大水冲洗

图10-38　泄漏电流与施加电压的关系

(a)大水冲洗;(b)小水冲洗

表10-25　喷口与带电体之间的安全距离(m)

2)冲洗用水的水阻率不得低于3000Ω·cm。

3)水冲洗作业时流经人体的电流应不超过1　mA。

4)水冲洗工具的绝缘应满足的要求是:在中性点有效接地系统中耐受3倍操作过电压;在非有效接地系统中耐受4倍操作过电压。

5)中、大型水冲洗的喷嘴和水泵,应可靠接地,接地线与地网相连;冲洗线路瓷瓶时,水枪接地线电阻应小于10Ω。

6)冲洗作业自始至终应保持水压正常,否则不得接触带电设备。

7)不要在有4 级以上的风或气温低于零度,雨、雪、雾天中作业,且注意风向,不要逆风作业。

(6)保护设备安全注意事项。

1)水冲洗前必须准确测量水电阻率,因为水电阻率的大小直接关系着人身与设备安全。

水电阻率可用电导率仪测量 (见“盐密测试法”),若无电导率仪时可用其他方法测量,如用有机玻璃管两端加装铜电极制成测量容器,将其充满待测水后测其水阻,再根据容器尺寸用式 (10-7)计算出水的电阻率。公式如下

式中 ρ——水阻率,Ω·cm;

R——水电阻,Ω;

S——容器截面,cm2;

l——容器长度,cm。

测量水电阻的仪器以采用交流电源的更为准确,直流电源加在水阻两端,在测量中将产生极化带来较大误差。

2)密封不良的设备不宜水冲洗。

3)绝缘不良的设备或预防性试验超期的设备不宜用水冲洗。

4)密裙型及螺旋型等特殊结构外绝缘不宜用水冲洗。

5)带电水冲洗的操作方法是指采用地电位作业方式,操作人员持水枪经水泵喷出一定压力、一定水阻率的水柱,按一定程序方式对带电设备瓷件的表面进行喷射。冲洗电站绝缘子 (双枪比单枪好)由两操作人员各持一水枪分别在绝缘子两侧进行对冲。一般以顺风方向为主枪。在两水枪射出的水流正常后将水柱从设备的下方慢慢举起,对准绝缘子的根部,自下而上逐裙冲洗。冲洗的位置要对准,逐裙递升的速度要慢,不断往复循环上下左右移动以冲洗各侧。每冲一裙,务必干净 (以滴下的水线变清为准),在逐裙往上移动时,主枪先行提前往上冲,辅枪落后约3～4裙,并适当上下来回以便及时把主枪冲下的污水线冲断并稀释。

6)冲洗的速度宜慢不宜快。特别是对下半截,务必冲洗干净。冲洗时间随水枪的口径、被冲洗设备的结构和污秽性质而异。例如中水量冲洗220kV棒式支柱绝缘子,冲洗全程时间掌握在1～2min,防污型支柱绝缘子和污源性质特殊者按具体情况适当增加时间。

7)在冲洗下半截时,务必保持上半截干燥,让它耐受住系统电压。为此水柱不能散花,操作者尽量避免意外失手;水柱与被冲洗设备中心轴的夹角在冲洗下半截时尽量接近90°,在冲洗上半截时应不小于45°。

8)在冲洗下半截时,如绝缘顶部已有较强的放电声,这说明被冲洗绝缘子盐密较大,或者空气湿度过大,上半截已有些受潮,应特别小心。尽量放慢冲洗速度,多冲洗下半截,务必使下半截冲洗干净,使放电声减少,让下半截绝缘强度恢复,耐受住系统电压。

9)在开始冲洗下半截时,当绝缘子顶部发生强烈的电火花,且电弧短路了3～4个瓷裙,这是盐密过高的象征,有可能发生闪络,应立即停止冲洗;严禁此时把水柱指向电弧。如果把水柱指向电弧,不仅不能灭弧反而造成闪络。

10)只有冲洗至全瓷件高度约3/4处,顶部才出现局部电弧,此时主枪水柱可冲洗顶部,把电弧冲灭,辅枪仍应继续冲洗下半截,把污水流截断。这种情况说明下半截的冲洗还不够干净,应增加冲洗时间。这样,顶部电弧才逐渐减弱并消失。

11)在冲洗下半截时,如果冲洗不干净,冲洗可以暂停。但冲洗至上半截时,绝缘子已被全部溅湿,应继续冲洗完毕,在未完全冲洗干净时,不应停止。

12)如被冲洗的绝缘子与邻近的绝缘子距离较小,水花、雾汽有可能溅湿相邻待冲洗的绝缘子时,可采用分段交替、同步递升的方法进行冲洗。分段一般以分三段为宜。即先冲洗绝缘子A 高度的1/4,接着冲洗可能被溅湿绝缘子B或C 全高度的1/4,再回来冲洗绝缘子A 整个高度的1/2 (下半截),然后再冲洗绝缘子B 或C 全高度的1/2(下半截)。余此类推。其原则是在绝缘子的下半截未冲洗干净时,尽量避免未冲洗的绝缘子上半截受潮。相邻各绝缘子下半截均冲洗干净后,可稍停片刻,待其干燥,即绝缘已恢复后,再冲洗各绝缘子的上半截。如遇盐密偏高,风力偏大,条件比较恶劣,应尽量放慢冲洗速度,采用此分段、交替循序渐进的方法。

13)冲洗悬式绝缘子时,先将水柱指向带电体(导线)附近的绝缘子,把这几片绝缘子冲洗干净后,将水柱向上侧移动几片再冲洗,然后再将水柱移到下端已冲洗干净的绝缘子上重复清洗,再向上侧移动几片,如此循序渐进重复这一过程,直至将所有绝缘子冲洗干净。

14)冲洗水平安装的耐张绝缘子串或瓷横担,应先从带电侧开始冲洗,逐渐向构架方向移动。

15)对变电站高层结构,被冲洗设备的顺序是先冲洗下层再冲洗上层。

16)同一层设备,被冲洗设备的顺序,应先冲洗下风侧,再冲洗上风侧。

17)调整水泵时,应使水柱离开带电设备,只有当水柱压力正常时,才能将喷嘴指向绝缘子。

18)水电阻率与温度的变化成反比。水温能降低水电阻率,若水已在阳光下曝晒较长时间,应将引水管里的温水排掉之后,才能将水柱指向带电设备。

19)水冲洗大直径套管容易发生闪络,其原因如下。

(a)在相同的爬电比距、相同的盐密下,大直径的绝缘子耐污闪性能比支柱绝缘子低得多。例如直径φ＞500mm 时,其有效爬电比距下降20%以上。因此大直径设备比较容易发生由于冲洗造成的闪络。

(b)水冲洗直径大于500mm 的套管,好比水柱冲到平板上,往两旁切线方向溅出的污水,大部分沿着瓷裙表面往下流,使已被冲洗过的部分再次被污染,比较容易发生由于冲洗造成的闪络。

(c)当水冲洗大直径瓷件时,虽然采用双枪对冲,但所冲的范围各为半周长,在两个半环的汇合处,两股污水汇集往下流,在这处污水特别集中,闪络概率较高。

(d)某些大直径套管,直径为上小下大成尖塔型 (如220kV电流互感器LCLWD2—220 型)且伞间距短,往下淌的污水流极易连续成串,短路了下半截绝缘,因此,闪络概率高。

(e)大直径套管的表面积大,受潮的范围也大,有时下半截还未冲干净,上半截已充分受潮,因此,它闪络概率较高。

(f)大直径套管表面积大,冲洗的时间应按比例递增,方能冲洗干净,若不注意这一点,下半截未冲洗干净即往上冲,闪络的概率也高。

为避免大直径套管发生由于冲洗时造成的闪络,要求它的临界盐密值比小直径设备控制得更低。具体数值按不同套管的污耐受值决定。

20)对500kV及以上的设备,由于水冲洗距离更远,需注意的安全问题更多,有待继续积累经验和研究。

(7)常用水冲洗设备及冲洗方式。水冲洗用的主要设备就是水泵和水枪,其性能因要求不同而异,一般分移动式和固定式两大类,每类又可细分为大、中、小三种水量。我国目前主要应用移动式水冲洗方式。所采用的设备如表10-26所示。

对于污染严重地区,也可采用固定式水冲洗方式,所采用的设备如表10-27所示。

6.采用防污闪涂料

长期以来,防污闪涂料是电力系统设备外绝缘防止污秽闪络不可缺少的补救措施。近年来,随着工业排放量的增大和环境污染的加重,输变电设备的污闪越来越频繁。在输电线路绝缘子串的爬电距离得到普遍调整之后,变电设备的防污闪问题显得更加突出。防污闪涂料在变电站的使用也与日俱增。目前,用防污闪涂料涂敷已经构成变电设备防污闪的重要手段。

表10-26　移动式水冲洗方式所用设备

表10-27　固定式水冲洗方式所用设备及其性能

我国电力系统使用防污闪涂料年代较久。20世纪六七十年代,广泛应用硅油、硅脂、地蜡等涂料,对输变电设备外绝缘的防污闪起了重要作用。80年代以来,我国又开发了室温硫化硅橡胶 (RTV)涂料,使变电设备的防污闪又有了新的进展。

硅油易于涂敷,也易于清除,操作简单、方便,但防污闪有效使用期较短。华北地区,使用硅油的粘度为多为2500mm2/s,防污闪有效期一般定为半年左右。即当年的秋季涂敷,翌年的3月底或4月中旬前擦掉。以免涂料粘染灰尘太多,绝缘子表面失去憎水性而发生设备污闪。

硅脂涂料防污闪有效期比硅油长,一般在1年左右,但清除比硅油难。

地蜡的防污闪有效期也较长,华北地区的塘沽供电局使用地蜡涂料防污闪,有效期一般为5年,甚至更长。但地蜡涂料的涂敷和清除都比较麻烦。

室温硫化硅橡胶 (RTV)涂料有效使用期也较长,大多数都能稳定地运行3～5年,某些地区,也有运行1年左右而发生闪络的。RTV 涂料防污闪性能良好,在有效期内,其污闪电压一般为相同污秽度下瓷绝缘子的2倍左右,是目前变电设备防污闪的重要涂料。

(1)有涂料绝缘子的防污闪机理。绝缘子发生污闪的基本条件之一,是其表面的湿润。瓷和玻璃是亲水性材料,污秽物本身也吸收水分。水降落到这些材料表面,使污层中的电解质电离并在其表面形成导电水膜,如图10-39 (a)所示,增大了外绝缘的表面电导,最后导致放电。有涂料的绝缘子是把憎水性涂料涂敷在瓷和玻璃绝缘子表面,使亲水性的瓷表面变为憎水性的涂料表面,且利用这些涂料本身憎水性的迁移作用以及对污秽物的吞噬作用等,使绝缘子表面的污层也具有一定的憎水性能。憎水性的表现,就是水落至这些材料表面,不会像水落到瓷表面那样浸润一片形成水膜,而是彼此孤立的小圆水珠,如图10-39 (b)所示,其结果使绝缘子表面构成许多水珠和高电阻带相串联的放电模型,如图10-39(c)所示。保持着绝缘子表面具有较高的污层电阻,限制了泄漏电流的发展,防止了绝缘子表面的污闪。

图10-39　水落到有无涂料绝缘子表面的情况

(a)浸润;(b)圆水珠;(c)多个圆水珠

涂料有干性。湿性和干湿两性兼有之分。干性涂料是指涂料涂敷于绝缘子表面后,使其形成一定厚度的干的薄膜,如RTV 涂料。这种涂料本身的憎水性能良好,污秽物落至表面后,它能通过材料中小分子的挥发和大分子链的运动,使憎水性能迁移至污层表面,使污秽层有了憎水性能。湿性涂料如硅油,涂于绝缘子表面后仍呈现粘手的湿状态。它除了本身的憎水性能之外,对落至表面的污秽还具有吞噬的作用。而地蜡涂料是干、湿两性兼有的涂料。在环境温度较低时,蜡涂料表面呈凝固状,属干性材料。而温度较高时,或者局部电弧发生时,蜡涂料熔化,使其具有湿性涂料的性能。

(2)防污闪涂料应具有的基本性能。任何一种防污闪措施都有它的长处和不足,都有它的适用范围和使用有效期。同一种涂料,在不同的环境、不同的设备上使用,也可能产生不同的效果。总的来讲,选择使用涂料要因地制宜,要不断总结当地的运行经验,创造出适合当地设备防污闪的最好措施和运行的最佳成绩。然而,涂料用来防止设备外绝缘发生污闪,它应具备以下的基本性能:

1)涂料应具有良好的电性能和绝缘性能,不能因为设备涂敷涂料,而降低了原有的绝缘性能。

2)涂料本身应有良好的憎水性能。染有一定程度的污秽后,仍具有较强的抗污闪能力。

3)涂料应具有良好的耐候性和耐电弧性能,要求其化学性能稳定和有效使用期较长。

4)涂料应具有较好的机械性能。能完整地覆盖并固定于绝缘子表面,不起皮、不开裂、不流失。

5)涂料的涂敷与清除,尽可能工艺简单、操作方便。最好能带电实施。

(3)防污涂料的种类。由上所述,硅油、硅脂和RTV 涂料等是常用防污涂料。硅油、硅脂和室温硫化硅橡胶,属硅有机聚合物,是一种新型的高分子物质。其主链是硅醚键,具有比较明显的离子性结构,与无机物质相似。主链的侧面可挂上各种有机基因R,因此,聚合物又具有类似于有机物的各种特性。

聚硅醚的制取,通常是由各种有机氯硅烷水解而获得相应的有机硅醇,然后再通过缩聚反应获得硅醚。如

R 表示有机物的基团,如甲基 (-CH3);乙基 (-C2H5);苯基 (-C6H5)等。硅醚在聚合过程中,由于聚合度的不同,填充料种类、数量的不同;交链支数,形状的不同,以及侧链上连接的有机物的种类和数量的不同,因而状态和性能各有差异。在聚硅醚中,如果分子量较小,则呈油状的液体,如具有线状或环状结构的甲基硅油。由于分子量的不同,可以有不同粘度的硅油。分子量再继续增加可以形成膏状的硅脂和具有高弹性的硅橡胶。

聚硅醚有如下共同点:①具有良好的憎水性。虽然主链具有极性,但周围都包有一层非极性的有机基,起了屏蔽的作用。②具有良好的电气性能,能耐电晕、耐电弧。③有良好的耐候性和稳定的化学性,能长期的抗耐氧、臭氧、弱酸、碱以及太阳的照射。

1)硅油。目前作为防污闪涂料使用的硅油是二甲基硅油,它是一种无色透明的液体,油状物,随着分子量的增加,黏度也在增高。防污闪用甲基硅油的常用黏度为2000～2500mm2/s,硅油比较稳定,随温度的变化甚小。在150℃以下长期加热不氧化,在-50℃下仍不失去流动性。硅油的表面张力低,能覆盖和渗润在附着物的表面,吞噬污秽颗粒。

硅油的化学性稳定,几乎不与金属盐类的水溶液、稀硝酸、稀硫酸、稀盐酸等作用。

硅油不溶于水及酒精,但可以溶于某些有机溶剂之中,如芳烃、二氯甲烷、酒精与苯的混合物等。

硅油具有良好的电气性能,如表10-28所示。

表10-28　硅油的电气性能

长期以来,硅油就作为电力设备外绝缘的防污闪涂料。可以用毛刷停电涂敷,也可以利用工具带电喷涂。但不管哪种方法,均要求涂层有一定厚度,且表面完整,尽量均匀,薄厚一致,涂料在表面不能堆积,也不能流挂。涂层太薄,硅油在污秽作用下很快失去憎水性,缩短了涂料有效使用期,涂油太厚,则容易流挂。

华北地区,涂刷使用的硅油粘度多为2000～2500mm2/s,普通悬式绝缘子XP—70,一片面积约1500cm2,1kg硅油大约可涂70～80片。有效使用期一般为半年左右。华北地区喷涂使用的甲基硅油,黏度为880mm2/s。有效使用期为3～4个月。喷涂硅油可以进行带电作业,甚至在设备表面产生局部电弧时,可进行紧急处理,以阻止局部电弧的发展,防止设备的污闪。

硅油易涂也易擦。有效使用期与当地的污秽环境和污层厚度有关,各地应总结自己的运行经验,控制有效使用期。但硅油失效,应立即擦掉,因为失效的硅油上都具有很多的污物,在潮湿的天气下易发生闪络。

2)硅脂。硅脂是膏状物,在绝缘的表面上可以涂得更厚些。有效使用期为1年左右。硅脂的物化特性与硅油相似,其绝缘性能良好,如表10-29所示。

表10-29　硅脂的电气特性

硅脂的涂敷方法多为手工涂刷。硅脂稀释后也可喷涂。使用硅脂要充分利用可以涂厚的优点,以便使用有效期更长些。若涂层厚度为1mm,一般1kg涂料可涂刷普通悬式绝缘子8～10片。

3)室温硫化硅橡胶 (RTV)涂料。20 世纪80年代初,清华大学率先开展了RTV 防污闪涂料的研究。迄今,已在全国各供电部门得到广泛的应用。

RTV 涂料,也是有机硅高分子聚合物。其基本的物、化特性与硅油、硅脂类似。目前生产厂家较多,其性能互有差别。经过数年的研究,认为RTV 涂料应具备以下基本特性:

(a)涂料应无明显的杂质,絮状物和沉淀物。

(b)涂料的表面电阻率应不小于1.0×1012Ω·cm,体积电阻率不小于1.0×1014Ω·cm。

(c)涂料的介电常数应不大于3.0,tanδ应不大于0.5%～0.6%。

(d)涂料的击穿场强E≮150kV/cm。

(e)涂料应具有良好的憎水性和憎水迁移性。(f)涂层应光滑、平整、无气泡。

(g)涂层的表干时间约30min。

(h)涂层与瓷表面附着力应不低于2级 (画图法)。

(i)涂层在稀酸、碱、盐的作用下,不应脱落和起泡。

(j)相同污秽度下RTV 涂料绝缘子,比相同的瓷绝缘子的污闪电压提高1倍及以上。

某些试验表明:1 片X—4.5 悬式瓷绝缘子,按国标GB 775.2—87 规定的方法进行淋雨试验,RTV 涂料绝缘子的湿闪电压比未涂料时高27%;凝露的条件下,涂料绝缘子的露闪电压比未涂料时高200%～400%;在绝缘子染污盐密值为0.05～0.4mg/cm2的情况下,涂料绝缘子的污闪电压比未涂料时高100%以上。

RTV 涂料的显著优点是憎水性迁移。当污秽降落到RTV 防污涂料表面时,“蒸发”到涂层表面的活性有机硅分子与污秽接触,爬升附着于污秽物质表面,实现有机硅对污秽物质的表面整理,使其表面能和表面张力降低,即憎水性迁移到污秽物质上,使污秽也具有有机硅的憎水性。但迁移的速度与绝缘子表面的污秽密度和温度有关。一般温度低时,迁移速度慢;灰密高时,憎水性的迁移也比较慢。

由于RTV 涂料具有投资少、见效快的特点,所以适用性很广,可用于现有的电瓷设备上。这项应用技术将电网的防污闪专业工作由传统的多维护、短时效、高成本、低可靠性向先进的少维护、长时效、低成本、高可靠性转变,提供了成功的技术途径。

迄今生产的RTV 涂料,有单组分、双组分和多组分之别。选择涂料要严格把关,具体使用时可参考网调 [1997]130 号文附件二《RTV 防污闪涂料使用指导意见》。一般,单组分使用比较方便,可直接涂刷或喷涂 (有时要稀释)在设备表面上。双组分和多组分,需要在用前再行按比例配制,搅拌均匀然后涂刷。否则将影响涂料的固化时间,配时,一般是用多少就配多少,以免放置时间长了无法再涂。

对RTV 涂料,要严格按使用说明书操作。涂前,一般应将被涂表面清理干净、擦干水分,以免涂层起泡、龟裂或影响涂料的附着力。涂层不可太薄,一般宜取0.25～0.5mm。涂时要求均匀、完整、涂料在表面不堆积、不流、不缺损。在实际运行中已经出现因涂层太薄或严重缺损而造成的闪络事故。

RTV 涂料的有效使用期较长,有人提出5 年左右。我们认为这个提法欠确切。因为RTV 涂料的使用有效期除了与涂料本身的制造质量有关外,还与涂敷质量有关,也与运行的环境、污秽量的积累以及被涂设备的基础绝缘水平有关。要具体情况具体分析,要不断总结自己地区的运行经验,找出当地RTV 涂料的有效使用期。

迄今为止,还没有人提出对RTV 涂料失效的检测方法。我们认为,RTV 涂料绝缘子失去抗污闪的能力的检测,至少应包括两个方面内容的检测;①RTV 涂料憎水性及憎水迁移性的检测;②RTV涂料绝缘子表面污秽度的测量。如果涂料失去憎水性。或者涂料本身尚有憎水性,但不能迁移至污层表面,则失去涂料抗污闪的能力。另外,如果绝缘子表面沉积污秽比较严重,虽然涂料的憎水性可以使污闪电压有所提高,但总的污闪电压仍然低于运行电压,也难免要发生污闪事故。

(4)蜡涂料绝缘子。

20世纪50年代末,华北电力科学研究院和塘沽供电局开始研制并首先在塘沽地区使用热浸蜡涂料绝缘子,主要用于输电线路的悬式绝缘子。1977年又研制了带电冷喷蜡涂料绝缘子,把蜡涂料推广至变电设备的防污闪。70年代末、80年代初,蜡涂料防污闪曾在我国的塘沽、天津、北京、河北、沈阳、大连、青岛、江苏和西安等地广泛使用,对当时的防污闪起了重要的作用。

蜡涂料的主要原料为地蜡和凡士林。带电冷喷的蜡涂料,其中还有相当量的机油并用溶剂汽油稀释以便于喷涂。

蜡涂料的主要原料都是有机物,地蜡为非极性分子,表面具有良好的憎水性能。同时介电常数较小 (ε=2.7～2.8),介质损耗因数较小 (tanδ=0.01～0.0002),具有较高的体积电阻率 (ρ=1014Ω·cm 数量级)和较高的击穿场强 (E=250kV/cm)。

蜡涂料中地蜡与凡士林的配比为1∶1.2～1.8,因地区温度不同,而有所差别。

华北电力科学研究院对蜡涂料绝缘子作过试验,其结果如表10-30和表10-31所示。

表10-30　湿放电电压试验结果

表10-31　热浸与冷喷蜡物理特性比较

蜡涂料绝缘子使用有效期较长,塘沽地区一般在5年以上,峰峰地区也是5年一轮换,个别地区也有运行2年而发生闪络的。蜡涂料的有效使用期与原料配方,施工工艺以及运行地区有关。在运行中应进行运行监测,不断总结经验,确定合理的更换周期。

热浸蜡涂料绝缘子的施工要点是:

1)涂料按比例配备,投入容器中烧熔,并均匀搅拌。

2)浸蜡前,绝缘子及使用工具要干燥洁净,避免潮湿和污垢。

3)施工时,绝缘子表面与蜡溶液温差不可过大,一般以环境温度10℃以上,温差不超过30℃为宜。

4)要避免一次未浸好,二次再补浸。

冷喷蜡涂料施工要点是:

1)要尽量均匀地喷涂整个瓷表面,避免把局部一个地区喷到要求的厚度,然后再喷另一个地方。

2)喷嘴喷出的液体的主流方向与瓷表面越接近垂直越好。

3)要按泵的压力,调整喷嘴至瓷表面的距离,以不破坏涂料表面的光滑平整为宜。

4)涂层要尽可能厚一些,一次喷涂厚度不足,可停一段时间再喷第二次。

冷喷蜡涂料运行若干时间后,防污闪性能失效,可以更换,也可以再次喷涂,将沉积的污垢包没在新的蜡涂料之内,使抗污闪性能再次恢复。

7.加装防污闪辅助伞裙

对已投运的输变电设备,当运行的污秽环境变重时,或者设计和选择外绝缘的爬电距离不能满足污秽等级的要求时,采用加装辅助伞裙的方法也是行之有效且比较经济的防污闪措施。目前,辅助伞裙基本上可分两大类:一类是活动型的,俗称防护罩;另一类是固定型的,又称增爬裙。防护罩在我国使用的时间较久始于20世纪70年代,山东、淮北、陕西等地,有着较好的运行经验。增爬裙的生产和使用始于80年代,起初主要用于防污闪。随着高电压、大直径套管雨闪的增多,加装辅助伞裙已发展成为防止大直径套管雨闪的重要手段。

(1)活动型伞裙 (防护罩)。

1)防护罩及其主要作用。防护罩是加装在电瓷外绝缘伞裙间的、可活动的、形状和瓷绝缘子伞裙相似的绝缘隔板。一般做成开口的环状,用尼龙螺丝连接,以便于安装和随时拆卸。这种防护罩的主要作用是:①改善绝缘子表面的受潮条件;②阻止局部电弧的发展,有绝缘隔板的作用;③在雨水稍大时,能够防止污水流桥接瓷裙;④部分盐密测试结果表明,防护罩还可以改善绝缘子的染污状况。30多年的运行实践认为它有一定的防止污闪和雨闪的作用。

图10-40　防污罩的结构及安装方式

(a)防污罩结构;(b)安装方式

2)防护罩的材质和结构。目前使用的防护罩,材质多为聚乙烯、聚丙烯,并增加了一些防老化的添加剂。70 年代使用的材料多为聚氯乙烯。板材的厚度一般为1～2mm,加工制造成为类似于绝缘子伞裙的样子,如图10-40所示。防护罩的尺寸视被防护的绝缘子而定。一般的情况下,罩的外径比被罩瓷绝缘子的外径大100mm 左右。也就是说,罩的伞伸出要比瓷伞的伸出大,但不可过分大,即不要超出瓷伞伸出的一倍。因为罩的伞伸出过于长则影响瓷绝缘子的自洁性,而且伞长易变形。罩的内径一般略大于被保护伞根部套管 (或棒)的直径,以便于套装且可自由活动。罩不需与瓷表面粘接,相反,罩的下表面常常还装有一定数量的绝缘垫块,垫块高约2mm,使罩与瓷表面间有一定空隙,以利于局部电弧的熄灭。垫块不可过低,否则,罩面与瓷面相贴,局部电弧则可能烧坏罩面和瓷裙。垫块也不可过高,若过高,在下雾的天气下,有可能失去防瓷表面潮湿的性能。

3)防护罩的材质一般应符合以下条件。

(a)防护罩的材质应具有良好的电气性能。瓷绝缘子不会因装防护罩而降低绝缘子各项电气性能指标。

(b)材质应具有一定的机械性能。安装在运行地区的最高温度和最低温度下、风雨中、以及不断振动下,不脆裂,不变形。

(c)应具有一定的阻燃性,能够耐受住电晕和局部电弧。

(d)应具有一定的耐候性,材质的老化速度不可太快,有效使用期应在3～5年以上。

对材质的具体技术参数要求如表10-32所示。

4)防护罩的使用范围和要求。防护罩大多数使用在110kV及以下电压等级的支柱绝缘子上。使用地区,一般在Ⅱ级及以下的污秽区内。有些试验表明,110kV支柱绝缘子每隔1～2个瓷裙加一个罩伞,在盐密0.1mg/cm2的污秽下,会发生严重放电。目前,110kV支柱绝缘子,大多加6片防护罩,即每隔一瓷裙,装一个罩伞。装防护罩要注意两点:①要尽量均匀分布,防止因防护罩安装不均匀,在潮湿天气下引起的电场过分集中而产生局部电弧;②在两端法兰的第一个瓷伞裙上不宜装防护罩。因为该处场强较大,容易产生局部电弧烧伤瓷件和防护罩。

表10-32　聚丙烯或聚乙烯的基本性能

此外,对于新的防护罩,其抗污闪的能力不能太低。一般认为,在盐密0.1mg/cm2下,加防护罩的绝缘子的污闪 (耐)电压应比未加装前高40%～50%。

防护罩在运行中要加强巡视和维护。如发现有损坏或有局部放电者,应及时更换。同时应进行污秽度参数测量,当积污太重时,也应及时清涂。

(2)固定型伞裙 (增爬裙)。

1)增爬裙及其作用。增爬裙为固定伞裙,该伞裙紧缩或通过粘合剂密粘在瓷绝缘子的伞裙上,构成复合绝缘,共同承担设备所应承担的各种电压。其作用除了兼有防护罩的几种作用外,由于增爬裙的直径大,又和瓷裙密粘成一体,对于原绝缘子来讲有增加爬电距离的作用。因此,对该种伞裙的材质、粘合剂的性能以及粘接质量的要求都较高。其中一项把关不严,则可能降低抗污闪性能。若伞裙粘接不牢或留有气隙,不但失去增加爬电距离的作用,而且会因产生局部电弧而灼伤瓷裙表面。

目前,安装运行现场发现较多的仍然是外观上的问题。主要是伞裙搭接不平整,甚至是两层胶皮叠加在一起形成很厚的接缝,易藏污积水形成污水流,造成伞裙间的桥接。也发现有粘接不好,一碰即掉的情况。这些都是应该引起注意的。

2)增爬裙和粘合剂的性能。增爬裙的材料,目前多为高温硫化硅橡胶。部分厂家增加了热型材料。高温硫化硅橡胶属高分子聚合物。主链为 [—Si—O—]硅氧结构、具有良好的耐候性、耐电弧性和绝缘性能,其侧面为有机基团,具有良好的憎水性能。

由于增爬裙、粘合剂和瓷裙混为一体组成复合绝缘,共同承担各种电气和机械力的作用。因此,一些技术参数要相互配合。表10-33和表10-34给出的技术条件供参考。

表10-33　复合绝缘的技术参数

表10-34　粘结剂的技术参数

3)增爬裙装设的片数。增爬裙装设的片数和增爬裙本身的材质与抗污闪能力有关,也与运行的污秽环境和原来设备基础绝缘水平有关。究竟加多少片合适? 对具体设备而言,最好进行不同污秽度下不同片数的污闪电压试验。并经过技术经济比较,最后取一个比较安全经济的片数。

目前,有关单位试验结果如下:

(a)采用固体污层法对110kV支柱绝缘子ZS-110/400 加装5 个伞裙,进行盐密0.05、0.1、0.25mg/cm2的污闪电压试验,其结果列于表10-35 中,试验结果表明,在盐密值为0.05 ～0.25mg/cm2时,加装5个伞裙比不加伞裙污闪电压提高约60%～70%。

表10-35　ZS110/400型支柱绝缘子试验结果

(b)采用固体污层法,对110kV普通支柱绝缘子进行了不同盐密值下加装不同片数的最佳利用率试验。试验结果认为:在盐密值为0.05mg/cm2下,加1个伞利用率最高;在Ⅱ级污秽区,即盐密值为0.1mg/cm2左右,分别在支柱的上部和下部各装1伞利用率最佳;在重污秽区,即盐密值为0.2mg/cm2左右,在支柱绝缘子的上、中、下部各装一伞利用率最好。

(c)采用盐雾法对ZS—110/400进行加装伞裙的污闪电压试验。其结果是:加1伞在瓷柱的第9或第10伞较好,适用于污秽度小于20kg/m3的轻污秽区;加2个伞,在瓷柱的第2和第11裙较好,适用于污秽度20～40kg/m3的地区;加3 个伞,在瓷柱的第3裙、第7裙和第11裙为好,适用于污秽度大于40kg/m3的地区。

我们认为,对于110kV及以上的设备,加装增爬裙,即使在轻污区也不可过少。原因是:①加装伞裙愈少,在潮湿天气下,电压分布愈易集中于增爬裙,容易造成闪络;②加伞愈少,对伞的质量要求愈高,目前的粘接工艺很难做到。

《变电设备防污闪辅助伞裙使用指导性意见》(网调 [1997]130 号)对各个电压等级加装的伞裙推荐数如表10-36所示。

表10-36　加装伞裙推荐表

4)安装验收、运行维护与监测。由于增爬裙起增加爬距并担当主绝缘的作用,因此,施工质量要高,并坚持运行监测。

施工质量,除了外观检查其接缝是否平整之外,最重要的是检查是否粘好。关键是做耐受电压试验。施加电压的数值,从原则上讲,既然作为主绝缘,所加电压即使引起表面闪络,也绝不会造成伞或伞间界面的击穿。从增爬裙主要在运行电压下防止污闪的角度出发,所加电压可适当降低。但由于冷热温差影响和风、雨等机械力的作用,都将影响伞裙的牢固程度,因此,对新安装的伞裙也不可过分放低要求。假如周圈能够完整地粘接5mm 厚,至少可耐受工频电压75kV。因此,建议每片施加工频耐受电压60kV。

运行维护与监测的内容很多,着重提出以下3点供参考:

(a)坚持雾、雨天对增爬裙运行情况的巡视,如有伞下局部放电,应及时检查并处理。

(b)坚持对增爬裙进行憎水性能的测量。若表面憎水性丧失,应及时处理。

(c)坚持盐密测量。不论是瓷伞,还是增爬裙,其抗污闪能力均随盐密值的增大而降低。当污秽沉积到污闪电压低于运行电压时则发生闪络。

8.使用合成绝缘子

硅橡胶合成绝缘子因其优异的憎水性和憎水迁移特性而具有很强的抗污闪能力,其污闪电压一般比相同爬距的瓷绝缘子提高1倍左右。在1996～1997年期间,华东、华中、西北、山东、福建等地电网瓷绝缘子大面积污闪时,运行于中等及重污秽地区的全部20多万支合成绝缘子无一闪络。成功的运行经验表明,合成绝缘子有效防止了污闪事故的发生,大大减轻了繁重的清扫、检测零值等运行维护工作,已成为我国解决污秽地区线路污闪问题最为有效的方法。

9.加装“环状薄片”

华中理工大学研制了一种用复合材料制成的环状薄片,将其嵌入绝缘子铁帽的下部,如图10-41所示。由于它能改善绝缘子表面的电场分布,如图10-42所示。所以它能抑制帽檐根部电晕的产生、提高污闪电压。该方法有较好的应用前景。

上述对策是有针对性的,不同方法针对不同的污闪因素,为比较,表10-37列出了国内外防污闪的主要方法。

图10-41　环状薄片的嵌入位置

1—铁帽;2—环状薄片;3—绝缘;4—铁脚

图10-42　线路绝缘子有无环状薄片的电场分布比较

(a)常规线路绝缘子电场分布;(b)加上环状薄片后的电场分布

表10-37　国内外防污闪主要方法

续表