基于变电站模拟支柱绝缘子的汕头电网自然积污特性研究

陈 昕

(广东电网有限责任公司 汕头供电局，广东 汕头 515041)



基于变电站模拟支柱绝缘子的汕头电网自然积污特性研究

陈 昕

(广东电网有限责任公司 汕头供电局，广东 汕头 515041)

正常工作电压下的绝缘子，由于表面污秽物的堆积，在阴雨、大雾等恶劣天气的作用下容易发生污闪，对电网设备的安全运行构成严重威胁.对汕头供电局辖区内的变电站模拟支柱绝缘子的自然积污情况进行了研究.结果表明：模拟支柱绝缘子自然积污特征与地理位置、积污时间段有关，不同积污时间段、不同测量点的污秽度存在差异；不同积污期间，模拟支柱绝缘子表面等值盐密变化小，灰密变化分散性大；模拟支柱绝缘子表面灰密累积速度大于盐密累积速度；汕头供电局辖区内变电站污秽等级主要为b级或c级；运行中变电站应关注装设的模拟支柱绝缘子污秽变化情况，并及时对重污秽的站点采取应对措施.研究结果对汕头电网的污区图绘制、变电站绝缘子表面污秽的清扫以及外绝缘的选择具有参考价值.

模拟支柱绝缘子；自然积污；等值盐密；灰密；灰盐比；污秽等级

电气设备污秽引发的污闪事故会对电力系统造成严重损失，因此防污闪工作成为保障电网安全运行的重中之重[1-3].绝缘子表面发生污闪必须首先经过积污的过程，是造成绝缘子污闪的主要原因[3].支柱绝缘子作为变电站必要的绝缘配件，研究其积污特性对指导防污闪工作有重要意义.

国内针对输电线路绝缘子积污规律的大量研究结果表明，绝缘子的自然积污特性受到污源性质、雨水情况、气象条件、地理位置等[4-13]多方面因素的综合影响.

美国电力科学研究院(EPRI)研究了伞形结构对支柱瓷绝缘子积污特性的影响[14]，指出盐密值0.005 mg/cm2和0.05 mg/cm2分别是支柱瓷质绝缘子在清洁区和重污区允许的最大盐密值；空气动力伞形的支柱绝缘子在自然界风和雨的作用下具有较好的自清洁能力.文献[15]对瓷质和复合绝缘子进行为期1 a的自然积污试验，试验结果表明，各类绝缘子上伞面都能得到充分自然清洗，其积污过程相似，污秽差异不大，而各绝缘子下伞面积污差异大.文献[16]对输电线路悬式绝缘子的自然积污规律进行了全面的探讨，其结果表明：110～500 kV输电线路中瓷绝缘子串中各片绝缘子自然积染程度的分散性很大.在条件不充足的情况下，可测几串(或几个)不带电设备的盐密值，取其均值来估计该处的污染程度.文献[17]对500 kV线路中瓷绝缘子进行了自然积污试验，结果表明,输电线路绝缘子自然积污与杆塔高度、电压等级等有关系.

上述研究从多个角度分析了绝缘子的积污特性，有一定的理论指导意义，但是针对变电站支柱绝缘子的积污特性少有报道.目前国内不同地区测量变电站污秽度时，采用的方法和标准不统一，即一般只测量盐密，而忽略灰密，并根据所测得的盐密进行变电站污秽绝缘选择和故障杆塔调爬.实际运行经验表明，不少升压站、换流站在投入运行不足1 a或经过几次调爬后仍然会发生污闪事故[18].

近年来，变电站的污秽度测量已逐步过渡到以模拟支柱绝缘子自然积污量为参考的阶段.文中对汕头供电局辖区内13个变电站的模拟支柱绝缘子开展为期4 a的自然积污试验，用不同方法对变电站外绝缘配置进行对比分析，藉此找出汕头电网各变电站的自然积污特性，为汕头电网各变电站的外绝缘设计以及防污闪工作提供详细的参考.

1 试验样本及测试方法

1.1 试验样本

选择汕头供电局220 kV官埭站等13个变电站作为试验样本，测量连续4 a的积污量，测量时间均选在雨季之间.试验所用支柱绝缘子型号均为GW4-110，安装在试验台柱上，并使其尽可能与站内运行支柱绝缘子等高.绝缘子的结构参数见表1.以220 kV官埭站和110 kV珠辛站为例，绝缘子的外形及其现场布置方式如图1所示，其中H为模拟支柱绝缘子的结构高度，D为伞径，L为总的爬电距离.

表1 支柱绝缘子的结构参数 mm

图1 GW4-110绝缘子及其现场布置方式

1.2 测试方法

每年10月份至次年4月份为汕头地区的少雨季节，由于不同年份雨季时间段有差异，取样的时间选择在2007年11月、2008年12月、2010年1月和2011年1月，分别代表2007年至2010年连续4 a的积污量.

由于变电站支柱绝缘子各个伞裙表面的污秽沉积量是不同的，目前我国电力系统中用整串的等值盐密平均值来表示绝缘子串的污秽程度，是决定电力设备外绝缘污秽等级、选择外绝缘爬电距离的重要参数，同时运行部门依据该数值来评判运行中设备的外绝缘抗污闪能力[16].

文中对各变电站模拟支柱绝缘子每一个伞裙的等值盐密和灰密进行逐一测量，取整串绝缘子等值盐密和灰密的平均值作为该测试点的污秽度.

根据相关规程[19-21]，等值盐密(Equivalent Salt Deposit Density,ESDD)、灰密(Non-soluble Deposit Density,NSDD)的测量流程如图2所示.

图2 ESDD及NSDD测量流程图

利用适量(绝缘子表面积小于2 000 cm2时用水300 mL，大于2 000 cm2时用水量按比例增加)的去离子水对模拟支柱绝缘子表面进行彻底清洗，测量清洗所得污液的电导率，分别计算出绝缘子上下表面的附着盐量；再根据绝缘子的上下表面积，换算

得出等值盐密.

将清洗绝缘子所得污液过滤；将过滤后遗留在滤纸上的固体物烘干并称重,得到不溶物的质量；根据绝缘子表面积参数，计算得到其灰密.

2 模拟支柱绝缘子自然积污测试结果与分析

2.1 测试结果

为期4 a的汕头电网13个变电站的模拟支柱绝缘子的自然积污测试结果分别见表2和表3.

表2 2007—2011年各变电站的等值盐密 mg/cm2

表3 2007—2011年各变电站的灰密值 mg/cm2

由表2和表3可知：

1)各个变电站的积污测试结果存在差异.例如在2007年11月的测试中，万吉站的等值盐密和灰密分别为0.011 0,0.001 0 mg/cm2；而西港站的等值盐密、灰密则达到0.034 0,0.097 0 mg/cm2.

2)任一测试样本每年的污秽增长存在差异，波动幅度不同.浮西站4次测量的等值盐密分别是0.034 0,0.028 1,0.011 7,0.014 3 mg/cm2，灰密分别是0.090 0,0.089 0,0.009 9,0.039 2 mg/cm2，即不同积污期的污秽差异明显.

3)任一测试样本的等值盐密值和灰密值差距较大.13个变电站的等值盐密在0.007 3～0.091 0 mg/cm2区间波动，均值仅为0.003 4 mg/cm2；灰密在0.001 0～0.391 5 mg/cm2区间波动，波动幅度远大于等值盐密，且均值达到0.065 1 mg/cm2.

4)与其他时间段的积污量相比，2010年1月测得的2009年积污量最少，13个变电站的平均等值盐密和平均灰密分别为0.0012,0.0247 mg/cm2，远小于4 a测得的平均值，说明积污情况和当年的气候、降雨量等情况有关.

2.2 各变电站等值盐密分析

将表2中测得的不同时间段各变电站模拟支柱绝缘子的等值盐密值绘制成折线图，如图3所示.

图3 各变电站模拟支柱绝缘子的等值盐密值

由图3可知，以2007年11月采集的数据为基础，可以看到大多数站点的等值盐密在2008年12月、2010年1月都有所下降，而且在2010年1月下降得相对多一点.其中下降显著的站点有红莲站、两英站、东墩站、礐石站、长厦站等，而在2011年1月各站点等值盐密普遍上升，上升显著的站点有两英站、长厦站、红莲站，这说明红莲站、两英站、长厦站的等值盐密波动比较大.等值盐密下降最显著的是保税站，从2008年12月到2010年1月其等值盐密下降了93.28%.而盐密增加最多的是红莲站，从2010年1月到2011年1月其等值盐密增加了12.38%，根据GB/T 16434—1996的污秽等级标准可知，保税站的污秽等级已由原来的等级Ⅳ下降到等级Ⅰ，而红莲站的污秽等级已经上升到等级Ⅱ.

从近4年的等值盐密数据可以看出，除保税站的数值较高，需对其采取相关的清扫或增爬措施外，其他变电站的等值盐密都在等级Ⅰ以下，满足安全运行的外绝缘水平.

2.3 各变电站灰密分析

将表3中测得的不同时间段各变电站模拟支柱绝缘子的灰密值绘制成折线图，如图4所示.

图4 各变电站模拟支柱绝缘子的灰密值

由图4可知，以2007年11月采集数据为基础，可以看到灰密的变化和等值盐密的变化相差不大，大多数站点也在2008年12月和2010年1月都有所下降，且在2010年1月下降得要相对多一些，其中下降显著的有西港站、红莲站、上华站、两英站、礐石站、长厦站、保税站等.而在2011年1月各站点等值盐密普遍上升，上升显著的站点有西港站、红莲站、官埭站、上华站、两英站、东墩站、万吉站、长厦站、浮西站，而且西港站、上华站、两英站、东墩站、长厦站、浮西站的灰密上升幅度都很大，这说明西港站、红莲站、上华站、两英站、长厦站的灰密波动比较大.灰密下降最显著的是浮西站，从2008年12月到2010年1月其灰密下降了88.88%，而灰密上升最多的是万吉站，从2007年11月到2008年12月其灰密增加了32.60%.通过对图3和图4各曲线中的同位置点数据进行对比分析可知，灰密的波动幅度明显比等值盐密大，因此不同时间段盐密值的变化相对均匀，而灰密值相对分散，这和前面的分析结果一致.

2.4 各变电站积污比分析

由于绝缘子表面等值盐密和灰密值对其污闪电压都有影响，因此绝缘子自然积污情况下灰密和等值盐密的比值对全面了解变电站外绝缘水平具有重要的意义.定义灰盐积污比K为

(1)

式中：NSDD为绝缘子表面平均灰密值，mg/cm2；ESDD为绝缘子表面平均等值盐密值，mg/cm2.

根据表2和表3的测试结果，利用式(1)可计算得各变电站模拟支柱绝缘子K值柱状图如图5所示.

由图5可知：灰盐比波动比较大的站点有红莲站、上华站、东墩站、万吉站、浮西站、珠辛站和保税站等，且万吉站的灰盐比连续3 a在增加.

由以上数据也还知道，绝大多数变电站的等值盐密变化和灰密变化是同方向的，即盐密增加时，灰密也增加；盐密减小时，灰密也减小；但也存在部分变电站的变化不一致，例如东墩站2008年12月盐密下降39.79%,灰密增加219.00%，珠辛站2008年12月盐密下降44%,灰密增加33.64%，红莲站2008年12月盐密增加93.08%,灰密下降56.67%.

图5 各变电站测试样本的K值

绝大多数情况下，K值大于1，即绝缘子表面灰密大于等值盐密.其原因是堆积在绝缘子表面的可溶于水的导电物质容易由于雨水的冲刷而流失，而不溶于水的惰性物质则不容易被雨水冲刷掉.

不同时间段下的K值存在差异，2007年11月的K值为0.10～5.48，平均值为2.64；2008年12月的K值为0.67～4.65，平均值为2.76；2010年1月的K值为0.74～4.65，平均值为2.12；2011年1月的K值为0.13～5.65，平均值为2.52.

不同变电站的K值存在差异，这说明K值受地理位置和气候条件的影响比较严重；13个变电站中的绝大多数站点的平均灰盐比K值在2.5左右，基本在3上下波动.

3 汕头电网各变电站外绝缘的安全裕度分析

目前汕头电网辖区内变电站的外绝缘设备基本上按d级污秽进行配置.根据连续4 a积累的现场污秽测试结果可以分析汕头电网辖区内变电站外绝缘的安全裕度.各变电站的等值盐密、灰密对应值如图6所示.

图6 基于等值盐密和灰密的变电站污秽等级分布

根据最新的国内标准[19]以及IEC60815的污秽等级划分标准，可知汕头电网各变电站的污秽等级主要为b级或c级，即现有的外绝缘配置满足安全运行的要求.

2007年11月和2008年12月保税站的污秽等级为e级，经现场调研发现，是由于变电站临近海边，导致绝缘子受盐雾污染严重，按照“配置到位，留有裕度”的原则，对该变电站户外的棒形绝缘子及支柱绝缘子，采取安装增爬裙并喷涂RTV涂层的措施，使情况得到明显改善.

通过布置模拟支柱绝缘子测量点观测辖区内变电站的积污情况，分析辖区内变电站的污秽程度，及时针对污秽严重地区采取必要的有效措施，近4 a来汕头供电局未发生污闪事故，切实提高了汕头电网的供电可靠性.

4 结 语

通过汕头电网为期4 a的变电站模拟支柱绝缘子自然积污试验，总结得出汕头电网各变电站的自然积污规律.

1)同一时间段、不同变电站测量点的积污特性存在显著差异；同一测量点、不同年份的积污特性也存在明显差异.不同积污时间段，模拟支柱绝缘子的等值盐密变化相对均匀，而灰密值变化幅度大且相对分散.

2)等值盐密和灰密的变化是同方向的.4个不同时间段测得的模拟支柱绝缘子灰盐比K的均值比较接近，约为2.5，但灰密的累积速度大于等值盐密的累积速度.

3)K值受地理位置和气候条件的影响比较严重，不同变电站的K值存在差异，且同一变电站不同年份之间的K值也有较大差异；13个变电站的K值波动于1～5.

4)根据等值盐密值和灰密值确定汕头电网辖区内各变电站的污秽等级主要为b级或c级，现有的外绝缘配置可以满足安全运行要求，运行中变电站应关注已装设的模拟支柱绝缘子污秽变化情况并及时对重污秽的站点采取应对措施.

[1]顾乐观,孙才新．电力系统的污秽绝缘[M]．重庆：重庆大学出版社，1990．

[2]蒋兴良,舒立春,孙才新．电力系统污秽与覆冰绝缘[M]．北京：中国电力出版社，2009．

[3]张仁豫．绝缘污秽放电[M]．北京：水利电力出版社，1994．

[4]Cheng T C,Wu C T.Performance of HVDC insulators under contaminated conditions[J].Electrical Insulation,IEEE Transactions on,1980,EI-15(3):270-286.

[5]Horenstein M N,Melcher J R.Particle contamination of high voltage DC insulators below corona threshold[J].Electrical Insulation,IEEE Transactions on,1979,EI-14(6):297-305.

[6]Hall J F,Mauldin T P.Wind-tunnel studies of the insulator contamination process[J].IEEE Transactions on Electrical Insulation,1981,16(3):180-188.

[7]Ravelomanantsoa N,Farzaneh M,Chisholm W A.Effects of wind velocity on contamination of HV insulators in winter conditions[C]∥Electrical Insulation and Dielectric Phenomena CEIDP 2008,Annual Report Conference on,2008:240-244.

[8]王海燕，刘刚，陈锡阳，等.不同地形地貌情况下绝缘子积污规律分析[C]∥中国电机工程学会高压专委会2007 年学术年会论文集，2007:77-81.

[9]周建国,肖嵘,SUZWKI Y，等．多伞盘式绝缘子的污秽特性[C]∥电工陶瓷第七次学术年会暨学术交流会论文集，2001：页码范围缺失．

[10]冉启鹏．瓷绝缘子结构、型式对其闪络特性影响的分析[J]．云南电力技术，2007，35(5)：9-10．

[11]高海峰,樊灵孟,李庆峰，等．±500 kV高肇直流线路绝缘子积污特性对比分析[J]．高电压技术，2010，36(3)：672-677．

[12]宿志一,刘燕生．我国北方内陆地区线路与变电站用绝缘子的直、交流自然积污试验结果的比较[J]．电网技术，2004，28(10)：13-17．

[13]王少华,方玉群,胡旭光，等．自然积污绝缘子等值盐密的累积规律[J]．绝缘材料，2011，44(4)：52-54．

[14]Baker A C,Zaffanella L E,Anzivino L D,et al.A comparison of HVAC and HVDC contamination performance of station post insulators[J].Power Delivery,IEEE Transactions on,1989,4(2):1486-1491.

[15]王彬,梁曦东,张轶博，等．交、直流电压下复合绝缘子和瓷绝缘子的自然积污试验[J]．高电压技术，2009，35(9)：2322-2328．

[16]张开贤．悬式绝缘子串自然积污规律的探讨[J]．电网技术，1997，21(3)：39-43．

[17]王靖勤,沈庆河,程学启．500 kV线路自然积污规律试验研究[J]．电网技术，1994，18(6)：5-10,16．

[18]汪涛,欧其和,吴江虹，等．用盐密指导高压输电线路清扫的试验研究[J]．电网技术，2004，28(4)：22-26．

[19]杨迎建，孙西昌，王绍武，等.GB/T 26218污秽条件下使用的高压绝缘子的选择和尺寸确定[S].北京:中国标准出版社,2011.

[20]李恒真,刘刚,李立涅．广州地区线路盘式防污型玻璃绝缘子的自然积污规律[J]．中国电机工程学报，2011，31(25)：118-124．

[21]Sima W,Yuan T,Yang Q,et al.Effect of non-uniform pollution on the withstand characteristics of extra high voltage (EHV) suspension ceramic insulator string[J].Generation,Transmission Distribution,IET,2010,4(3):445-455.

(责任编辑：杜明侠)

Research on Natural Contamination Depositing Characteristics of Simulated Post Insulators for Transformer Substations in Shantou Power Grid

CHEN Xin

(Shantou Power Supply Bureau, Guangdong Power Grid Co., Ltd., Shantou 515041, China)

Because of contamination deposition, insulators are easy to flashover under normal working voltage in severe weathers, such as rain, heavy fog, and so on, which seriously threats the reliability of the electric equipments in power grids. The contamination deposition characteristics of simulated post insulators for the transformer substations in Shantou Power Grid were researched. The results show that the natural contamination deposition characteristics of simulated post insulators are related to geographic locations and contamination depositing periods, the contamination degree is different with different contamination depositing periods and different measuring points, the variation of the equivalent salt deposit density of simulated post insulators is not obvious, while the variation of the non-soluble deposit density of simulated post insulators has a big dispersity, The accumulation rate of the non-soluble deposit density on the surface of simulated post insulators is more serious than that of the equivalent salt deposit density, the contamination grade of the transformer substations in Shantou Power Bureau is mainly b or c, the variation of contamination of simulated post insulators should be timely observed during the operation of transformer substations, and the countermeasures should be adopted to treat heavy contamination points by observed results. These research results provide some references for the plotting of contamination regions in Shantou Power Grid, the cleaning for insulators in transformer substations and the choice of external insulation.

simulated post insulator; natural contamination; equivalent salt deposit density; non-soluble deposit density; the ratio of non-soluble deposit density and equivalent salt deposit density; contamination grade

2014-11-12

陈 昕(1984—)，男，广东汕头人，工程师，工程硕士，主要从事电网化学试验及电测试验方面的研究.

10.3969/j.issn.1002-5634.2015.01.015

TV124

A

1002-5634(2015)01-0070-06