大气污染对输变电设备的影响及防治对策

姜 梅，张 鹏，李 涛，杨 洁，马少谦

(国网甘肃省电力公司电力科学研究院，甘肃 兰州 730050)

1 大气环境是影响输变电设备的主要因素

输变电设备长期暴露在大气环境中，由于环境中空气污染和设备自身工作环境条件的限制，在长期运行的情况下受大气中所含的水分、氧气和腐蚀性介质的联合作用而引起了材料的破坏和设备的损坏。灰尘、油污、潮气、盐份、氧化及腐蚀性气体等这些大气环境污染因素无法避免地造成对设备的综合影响，日积月累形成污垢，影响设备的散热能力，使设备触点的发热—氧化—生锈—接触不良，灭弧效果变差，易造成设备误动作，局部短路，漏电流增加等事故。同样，由于大气污染的影响，会使设备绝缘性能下降，无功损耗增加，甚至发生输变电线路的污闪事故，给设备的运行带来安全隐患。

从腐蚀较严重的变电站实际调查中发现，所有遭受腐蚀损坏威胁的变电站周边的大气环境都不同程度的遭受了污染和破坏。实际监测结果表明，在遭受腐蚀的变电站所在地区的大气环境中都检测到SO2，NOx，H2S 以及NH3等污染气体。实验室和现场的大量试验数据表明，上述气体的存在导致Cu，Ag，Ni 和Al 等变电站材料腐蚀加剧。因此，大气环境污染是造成变电站材料腐蚀的主要原因［1］。

架空线路长期运行在室外，其绝缘子表面不断吸附、沉积空气中的各种污秽使线路绝缘水平下降，泄漏电流和损耗增加。一般来说，输电线路发生污闪的一个必要条件就是污秽的沉积，污秽沉积越严重，发生污闪的概率就越大［2－4］。一旦积污达到一定程度，在雾、露、毛毛雨等不利气象条件下，污秽绝缘子在较低电压作用下可能发生闪络，造成线路跳闸。由污秽引起的绝缘闪络事故目前在电网总事故中已占第二位，仅次于雷害事故，但污闪事故造成的损失却是雷害事故的10 倍［5－8］。

2 大气污染对输变电设备的腐蚀影响

大气污染物种类繁多，不同行业排放的特征污染物不尽相同，下面以砖瓦厂为例，介绍其排放污染物对变电站设备造成的腐蚀影响。砖瓦业以煤为燃料的占95%，以柴或其他为燃料的占5%。砖瓦厂在燃煤与砖坯烧制时产生大量的氟化物、二氧化硫和烟尘［9］。

2.1 监测点地形特征和污染源状况分析

兰州市泥麻砂沟位于兰州市西固区西沙大桥和沙井驿以西至永登县树屏乡尹家庄，为一深切30 m的冲积沟。

由于泥麻砂沟土质的组成适宜于烧制粘土砖，据调查，在沿沟20 km 公路两旁，有年产1000～5800 万块实心粘土砖厂30 家左右，这些砖瓦厂多属乡镇和私营企业，普遍采用内燃工艺，在原料中掺有10%～20%炉渣。沟内砖瓦厂年产粘砖约5 亿块。由于沟内的砖瓦厂缺乏统一的管理和规划，且两侧是山，主导风向沿沟体方向，沟内污染物不易扩散，砖厂排出的大气污染物在沟内弥漫，造成沟内大气污染较为严重。

2.2 变电站污染现状监测

对位于泥麻砂沟内的330 kV 兰西变、35 kV 树屏变、220 kV 南坡变和位于居民区、文教区内的220 kV 桃树村变和电研所平台五个监测点分别进行了氟化物和硫酸盐化速率两个项目的连续9 个月的测试，测试周期中包括夏季、秋季和冬季。

2.2.1 监测点与污染源的相对位置关系分析

五个监测点与污染源的相对位置关系如表1所示。

表1 监测点与污染源(泥麻砂沟)的相对位置关系

从表1中可知:330 kV 兰州西变电站及35 kV树屏变电站分别位于泥麻砂沟的两侧，站址周围主要污染亦来自泥麻砂沟内的砖瓦厂;220 kV 南坡变电站距泥麻砂沟东南侧约12 km，污染源主要来自周边的沙井驿砖瓦厂;220 kV 桃树村变电站及电研所平台分别距泥麻砂沟东南侧约15 km 和20 km，两监测点周围污染源较少，污染主要来自居民和饭庄取暖、做饭用煤。

2.2.2 硫酸盐化速率测试结果

硫酸盐化速率可反映空气中含硫污染物(主要是二氧化硫)的污染状况和污染趋势。硫酸盐化速率测试结果见图1所示。

图1 各监测点硫酸盐化速率变化趋势

从图1中可知，6、10、11月份兰西变、树屏变、南坡变的硫酸盐化速率较大，7、8、9 三个月份的硫酸盐化速率较低;11月份起，位于居民生活区、文教区内的电研所平台和桃树村变电站的硫酸盐化速率比前几个月有较大辐度的增加;12月份起兰西变、树屏变、南坡变电站硫酸盐化速率测定值低于市区的桃树村变和电研所平台。

2.2.3 氟化物测试结果

各监测点氟化物测试结果如图2所示。

图2 各监测点氟化物浓度变化趋势

从图2中可知，6～11月份变电站的氟化物浓度偏高，12月份起各监测点浓度值差别不大。

2.3 变电站污染原因分析

砖瓦厂的生产周期一般是从每年的3月份至11月中下旬，根据兰州市历年气象资料和降雨资料显示，7、8、9 三个月份是兰州的主要降雨月份，由于雨水的洗刷作用，可使空气中的污染物浓度降低，故7、8、9 三个月份的硫酸盐化速率较低，但由于氟化物中的碱土金属和镧系元素的氟化物难溶于水，雨水对氟化物的捕集作用不如对二氧化硫的捕集作用明显，因此7、8、9 三个月份的氟化物浓度较其他月份无明显变化趋势;从11月份起开始进入采暖期，11月中下旬由于天气转冷，各砖瓦厂相继停止生产，因此硫酸盐化速率会出现图1所示的变化趋势。

通过以上的勘察及分析，认为砖瓦厂排放的SO2是造成兰西变、树屏变、南坡变电站机械传动件、铜导线和铜铭牌锈蚀的主要因素，主要影响月份是3～11月份，特别是降雨潮湿季节。

砖瓦厂排放的氟化氢易引起变电站周围的氟含量超标，但由于氢氟酸是弱酸，且不形成含氧酸和含氧酸盐，故对镀锌、镀铬件和铜件不腐蚀。

3 大气污染对输电线路的污闪影响

以110 kV 输电线路1116 张洞线和1115 张碳一线发生的闪络事故为例介绍大气污染对输电线路的影响［10］。1116 张洞线由张家寺变至洞子村变，全长13.706 km，1115 张碳一线由张家寺变至碳素厂变，线路长度32.13 km，两条线路均处于Ⅲ级污秽区，绝缘子型号为XP－7，直线为8 片成串，绝缘子连接长度为1168 mm，泄露比距2.18 cm/kV。2005年11月14日23 时45 分至2005年11月15日3 时26 分，1116 张洞线33号杆A、B、C 三相绝缘子相继发生闪络，2005年11月15日2 时26 分至6时0 分，1115 张碳一线30号杆A、B、C 三相绝缘子相继发生闪络，闪络绝缘子上均有不同程度的烧伤痕迹，瓷瓶表面污秽略有粘性。

3.1 闪络绝缘子污秽成分分析

1116 张洞线33号杆故障点与1115 张碳一线30号故障点相距40 m 左右，为了有所对比，选择了发生闪络的1116 张洞线33号杆A 相、C 相两串绝缘子，以及远离闪络事故发生点的1115 张碳一线47号杆A 相、B 相两串绝缘子，张碳一线47号杆与发生闪络的张洞线33号杆相距3 公里多。选择电导率、盐密、pH、Ca2+、Mg2+、K+、Na+、Cl－、F－、SO2－4等成分进行分析，分析结果见表2。

表2 污秽成分测试结果分析

从表2可知，1116 张洞线33号杆绝缘子污秽中Cl－含量远大于1115 张碳线47号杆，且绝缘子瓷瓶污秽中Ca2+、SO24－比1115 张碳线47号杆大。

3.2 闪络原因分析

经过现场调查与分析，认为这次闪络事故是由于1116 张洞线33号杆西北方向约150 m 处的简易化工厂生产光卤石时产生大量含氯化物的气体所致。该化工厂用工业盐生产光卤石，且生产设施简陋，无任何环境保护治理措施。

工业盐是食用盐生产的副产物，其主要成分是氯化钠、氯化镁，其次是硫酸镁，含少量的氯化钾。在光卤石生产过程中，溶解的工业盐在较高的温度下蒸发，产生了大量蒸汽，蒸汽中含有较多的氯化物，随着空气流动附着在不远处的绝缘子瓷瓶表面，造成附近线路绝缘子上盐密增加引起的。氯化物的溶解度远大于含Ca2+、Mg2+的硫酸盐，当绝缘子瓷瓶上的污秽量积累到一定程度，在遇有大雾、阴湿等气象条件时，含有大量氯化物的污秽层经润湿后具有较强的导电性，从而引起闪络。

由于1116 张洞线33号杆距离光卤石生产厂地较近，因此，其绝缘子污秽中Cl－含量远远大于1115张碳一线47号杆。1116 张洞线33号杆靠近公路，且地势较高，受马路上来往车辆影响较大，车辆行驶扬起的尘土造成绝缘子瓷瓶污秽中Ca2+、SO2－4的含量比1115 张碳一线47号杆的大。

因此，工业污染和公路扬尘污染是造成此次污闪事故的主要原因。此次事故造成1116 张洞线损失负荷6.44 万kW，损失电量17.96 万(kW·h);造成1115 张碳一线损失负荷5.4 万kW，损失电量3.3343 万(kW·h)。

4 对策和措施

大气污染导致的输电线路污闪对电力系统的破坏是灾难性的，应防范于未然;需要深入研究改进架空线路的外绝缘水平，提出新的可靠防污技术;防污闪工作是一个系统工程，应从设计、运行维护、污秽盐密监测、污区划分图编制和修正等方面综合考虑，结合技术经济分析以较小投入获得最优效果［11－12］。因此，防治大气污染对输变电设备的影响应遵循“预防为主，防治结合，综合治理”的原则。

4.1 预防措施

对新建输变电工程的前期和初期运行阶段应采取以下措施:

(1)环评阶段。除评价噪声、电磁环境等污染对周围环境的影响外，还应当评价周围环境的大气污染对工程的影响，尤其是附近工矿企业排放的特征污染物对输变电设备的影响;对变电站的选址进行可行性分析，提出相应的污染防护措施。

(2)设计阶段。在线路设计时除根据污区图采用相应绝缘和防污措施外，还应根据地区发展进行有针对性和前瞻性的设计。采用具有强度高、耐污闪、无零值、憎水性好、制造维护方便等优点的新型复合绝缘子。

(3)初期运行阶段。建议输变电工程从运行初期就做好设备盐密和腐蚀等相关成分分析的记录和整理，对设备材料、防护方法进行专门的分类管理，以便为设备腐蚀防护和设备损坏预测及状态检修提供参考。

4.2 治理措施

对已运行且长期暴露于大气环境中的输变电设备建议采取下列措施:

(1)加强污秽清扫工作及运行巡视，开展经常性的测试等技术管理，建立数据库，开展变电站腐蚀和污闪影响因素研究，正确绘制污秽等级区域图:一般每个污秽测量点所代表的现场污秽度等级可以覆盖半径2 km 的区域;若相邻区域的污染状况与其基本相似，则该范围可以适当扩大;在污区分布图绘制过程中，应考虑周边地区大型污染源对本地区的影响，若污秽测量点周围环境较复杂且污染源较多，则可将区域的半径适当缩小。不断了解线路经过地区污秽等级的变化，并及时调整相应的绝缘水平，提高绝缘子的防污能力。

(2)调整爬距。污闪的主要因素就是单位泄漏距离的工作电压，相同条件下电压梯度越大，其泄漏电流越大，则线路闪络的机率就越高。因此，对不同污区线路采用相应的泄漏比距(调整爬距)是降低污闪事故的有效措施。

(3)对存在造成线路污闪隐患的厂矿，应及时联系地方环境保护部门对其进行管理，关停或限期治理。对在输电线路附近拟建、新建、扩建存在线路污闪隐患的厂矿，供电公司可禁止其报装。

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