户内柔性直流设备外绝缘爬电事件浅析

傅智为，吴文斌，吴勇昊，谢文炳

（1.国网福建省电力有限公司电力科学研究院，福州350007；2.国网福建省电力有限公司，福州350003）

户内柔性直流设备外绝缘爬电事件浅析

傅智为，吴文斌，吴勇昊，谢文炳

（1.国网福建省电力有限公司电力科学研究院，福州350007；2.国网福建省电力有限公司，福州350003）

分析了一起沿海地区户内柔性直流设备外绝缘积污爬电事件，对户内直流设备外绝缘积污进行了深入探讨。户内直流设备由于直流吸附作用且缺乏自清洁条件，积污特性受到户内杂质、湿度、温度等多种因素的显著影响，需引起重视。对于存在爬电情况的户内直流设备，可以结合实际情况，采取喷涂PRTV、加装增爬群、加装绝缘子、改善通风系统、定期清扫等措施。

直流；爬电；积污；湿度；户内

0 引言

自1989年建成第1回±500 kV直流线路[1]，至2015年底大气污染防治防治行动计划“四交四直”特高压工程“两直”工程开工，直流输变电技术在我国高速发展[2]-[3]，特高压直流电网已成为我国电网主网架的重要组成部分。同时，随着智能电网的发展及对可再生能源的重视，直流供电技术和柔性直流技术也在近年得到飞速发展，户内直流工程不断增多[4]-[6]。

污闪对直流系统安全稳定运行造成严重的威胁，而积污正是污闪发展的最基本的因素，国内外学者对直流系统外绝缘积污特性和防污闪手段进行了大量的研究[7-17]，国网公司也制定了明确的标准规范[18]，但主要是针对户外特高压/超高压直流设备，针对户内直流设备外绝缘积污开展的研究较少，缺乏相关标准规范。在进行设计制造时，一般认为户内设备外绝缘积污相对较轻，实际上，户内直流设备外绝缘由于存在直流吸附作用且缺乏自洁条件，其积污特性受户内环境影响显著，特别是在污染严重以及气候潮湿的地区，更需引起重视。笔者通过对一起柔性直流工程户内设备外绝缘积污爬电事件进行了分析探讨，三户内直流外绝缘积污特点，并提出了户内直流设备防污闪的措施。

1 事件概述

2016年6月，在对沿海地区某柔性直流工程两侧户内换流站（简称A站、B站）进行紫外带电测试中发现，两站直流场内平波电抗器、隔离开关、电缆终端等设备瓷绝缘子表面均存在大量放电如图1所示。

图1 两侧换流站部分紫外测试结果Fig.1 Partial UV test results of two sides of the converter station

在现场金属围网外可听到明显放电声，部分放电电弧肉眼可见，其中最严重一处为A站极I直流场平波电抗器支柱绝缘子上节瓷瓶表面的爬电，已形成稳定电弧，电弧长度超过3组伞群。图2为直流场高清摄像头所拍摄的画面。

图2 A站极I直流场平波电抗器支柱绝缘子监控画面Fig.2 Monitoring screen of post insulators of smoothing reactor of pole I in DC field of station A

进一步利用望远镜观察各设备瓷绝缘子表面，发现外绝缘表面普遍有大片白色痕迹，部分呈树枝状或裂纹状，且位于法兰与瓷瓶受力部位，无法确定瓷瓶是否开裂受损。次日停电后，对两侧换流站直流场、阀厅、桥臂电抗器室进行了全面的巡视检查。

该柔性直流工程2015年12月投运后，有效带电运行时间约4个月。

2 现场情况调查

该柔直工程地处沿海型环境中，其中A站距海2.2 km，西北方1.4 km、西南方1 km有水库，周边为道路、村落，直流场隔墙外即是后坑垃圾压缩中转站、后坑垃圾焚烧厂，垃圾运送车来往频繁，环境恶劣，因此直流场外部常年恶臭。B站距海约2.5 km，西南方1 km左右有水库，周边农田、村庄，工业较少。

2.1 直流场积污情况

极I、极II、中性线部分位于同一户内矩形空间内，极I、极II于两侧对称布置，中性线部分布置于中心高平台位置。

2.1.1 积污情况

极I、II设备瓷绝缘子（平波电抗器支柱绝缘子、隔离开关支柱/操作绝缘子、直流电缆终端瓷套）外表面脏污，局部有大量白色或黑色物质粘附且极难清洗。白色污秽最集中的位置在平波电抗器支柱绝缘子中间法兰上下方的伞群表面。

表1 直流场各瓷绝缘子主要技术参数Table 1 Main technical parameters of porcelain insulators in DC field

复合绝缘子（直流分压器、直流避雷器）也存在较严重脏污，呈黑色，但未出现爬电。各设备金属裸露部分有不同程度的积污发黑情况，已接地刀闸处最为严重。

两换流站直流场地面积灰明显，极I区域比极II区域略为严重。见图3。

直流场中性线区域与极I、极II空间上直接连通，但洁净度明显较好，中性线设备部分无明显积污，直流电场吸附灰尘的现象十分明显。见图4-图6。

图3 极I、II平波电抗器支柱绝缘子表面积污Fig.3 Contamination on post insulators of smoothing reactor of

图4 直流场设备金属裸露部分积污Fig.4 Contamination of exposed metal parts of equipment in DC field

图5 直流场地面积灰Fig.5 Ash accumulation on the floor in DC field

图6 瓷瓶表面凝露小水珠Fig.6 Condensation on surface of insulator

2.1.2 通风系统

直流场使用外循环空气通风散热的形式，外部空气经风扇滤网风道（高处、未除湿）进入室内，对流后经下风口排风机排出，SF6事故排风机平常不运行，但未装设密闭阀，未能有效防尘。

2.1.3 温湿度情况

调查当日，现场闷热潮湿，现场温湿度计显示温度约31℃，湿度约70%，存在少量凝露情况，且直到中午局部伞裙位置仍有微小水珠。调取A站直流场极I近期湿度数据记录发现，进入梅雨季节后，直流场湿度长期超过70%（最高达87%）。见图7。

2.2 桥臂室积污情况

2.2.1 积污情况

桥臂电抗器室地面有明显积尘，瓷瓶表面也有积灰和少量凝露情况，基本集中在各伞群上表面，仅薄薄一层且较为均匀，轻拭即可抹去，未出现类似直流场内的白色固体积污。复合绝缘子也有发黑积污的情况。见图8。同时，桥臂室内分压器的底座、套管、支柱绝缘子法兰螺栓等均发黑，靠近地面的较为严重。室内现场较为闷热潮湿。

图8 桥臂电抗器支柱绝缘子瓷瓶表面积污Fig.8 Contamination in post insulators of bridge arm reactor

2.2.2 通风情况

桥臂室使用外循环空气通风散热的形式，外部空气经风扇滤网风道（地面、未除湿、滤网运行半年有积尘）进入室内，对流后经屋顶排风机排出，下部SF6排风机平常不运行，但未装设密闭阀，未能有效防尘。

2.3 阀厅积污情况

阀厅内地面洁净，支架支撑绝缘子表面清洁。

阀厅内正常时新风经初效过滤、亚高效过滤、表冷除湿、加热除湿后从阀厅顶部分布式风道送风，对流后经回风循环利用。阀厅日常保持微正压，空气双重过滤可有效除尘。

阀厅下部的SF6事故风机、顶部的轴流风机和消防排烟机均装设密闭电动阀，虽无法完全达到密闭效果，但已可一定程度达到防尘效果，日常阀厅控制湿度在65%、温度在26℃左右，近期记录中最高运行湿度约70%。

2.4 污秽度测试

对A换流站直流场和交流场的支柱绝缘子取样进行污秽度测试，结果见表2，直流场等值盐密、灰密远高于交流场，直流场等值盐密约远超交流场，影响外绝缘性能的主要为可溶性电解质。等值盐密含量相对较高，同换流站位于海边空气盐分含量高的实际相符。取样测试按照Q/GDW 1152.2-2014《电力系统污区分级与外绝缘选择标准第2部分直流系统》中附录B要求进行。

表2 A换流站污秽度测试结果Table 2 Measured results of contamination severity in converter station A mg·cm-2

3 事件分析

外绝缘积污是直流吸附、重力、风力等多种因素共同作用的结果。文献[15]的研究表明当风速低于1.5m/s时，绝缘子表面积污主要由直流电场场强决定，直交流积污比随污秽微粒粒径的增大而减小。由于直流场内主要杂质颗粒粒径较小（外部空气经滤网进入），导致本站户内交直流设备外绝缘积污比较大。

[19]、[20]的研究结果表明，支柱绝缘子的电场大小分布曲线两头高，中间低，呈马鞍型，金具的棱角部分及金具与电介质结合的部分是场强较大区域。本次观测到的积污最为严重的位置位于平波电抗器支柱绝缘子的中间法兰附近，同支柱绝缘子场强分布结果相符（上部法兰位于电抗器均压环作用范围内）。同时平波电抗器支柱绝缘子直接落地，高度相对于隔离开关绝缘子低很多，更有利于克服重力和直流场内空气对流作用[21-22]，快速吸附微粒形成积污。

本次爬电事件是一起典型的户内直流设备外绝缘积污导致的爬电事件，从本次现场调查情况可以看出，影响户内换流站直流场积污爬电的主要因素包括：

1）外部杂质：直流场非全密封结构，场内上部送风口、未密闭的上部风机口紧挨垃圾处理站，而风机滤网仅能过滤较大颗粒杂质，带有盐分、水汽和其他杂质的空气经上部风口进入场内，从下风口出去，导致场内存在大量污染源。

2）自清洁条件：同户外特高压直流设备相比，本柔直工程直流场、电抗器室均为封闭空间，场内风速小，污秽物扩散很慢，形成微粒沉降的有利条件。绝缘子表面的污秽无法被风吹去，也无法受到自然雨水的洗涤，绝缘子不存在自清洁条件导致外表面污秽长期不断积累。

3）直流吸附作用：直流场内空气中的带电微粒在直流电压下受到恒定方向电场力作用被吸引到绝缘子表面（即静电吸尘效应），导致直流绝缘子比交流的积污严重的多。

4）温湿度：本直流工程周边水汽充足，离海、水库等距离较近，直流场内湿度较高，外部的湿热风进入场内后遇到冷的瓷绝缘子，在瓷绝缘子表面冷凝，使电解质溶解电离。

国内相关研究表明[16-17]，当相对湿度R＜70%时，污层湿润程度较低，使得盐的溶解度较低，绝缘子表面泄漏随污秽程度变化不明显。当相对湿度R＞70%时，随着相对湿度的增加，污层受潮较快，盐的溶解度较大，绝缘子开始形成导电液膜，泄漏电流幅值迅速增加，泄漏电流幅值随相对湿度变化的曲线近似于指数函数。

在直流场各类设备的运行条件中均要求相对湿度不超过70%，但现场实际运行环境难以满足此要求。此外，现场温度情况对于外绝缘爬电也有一定影响[16]。

5）爬电比距：对于户内直流设备的爬电比距要求，一直以来缺少一个明确的参照标准，仅在GB/T 25091-2010《高压直流隔离开关和接地开关》中有着一个简单的数值规定：“户内直流开关场的爬电比距为25mm/kV”。

Q/GDW 1152.2—2014《电力系统污区分级与外绝缘选择标准第2部分直流系统》中要求“各级污区直流线路绝缘子和换流站直流场支柱/空心绝缘子，其外绝缘配置应通过污耐受法确定”，但此要求在实际中难以实现，特别对于户内直流工程，户内外环境不同、积污放电特性也不同，户外试验不具备参考价值，而直流场建筑物建成后，受绝缘距离和户内空间的限制，设备尺寸已相对固定，再开展人工污秽试验和调整并不现实。

目前，对于户内直流设备外绝缘，国内在设计阶段一般根据经验并参照户外设备标准进行选取，一般认为户内设备对爬距的要求低于户外，且并未考虑到环境差异。本次发生爬电的平波电抗器支柱绝缘子爬距设计10 500 mm，实测爬距与之相符，统一爬电比距为32.8 mm/kV，满足不小于25 mm/kV的要求，但从带电运行4个月即发生爬电的情况看，该爬电比距严重不适应设备的现场环境。

4 结论与建议

通过上述分析可以看出，该柔直工程直流场内瓷绝缘子外绝缘受直流电场静电吸尘效应影响，表面污秽严重且缺乏自然清扫的条件（大风、降雨），污秽物不断积累，且场内空气湿度较高，存在凝露现场，有利于污秽电解质电离导电，导致本次爬电事件的发生。

本次的爬电事件未引起绝缘子损伤，直流场设备擦拭后未发现绝缘子表面损伤，现已投运，爬电情况消失。这种直流设备爬电情况短时间内虽不会导致设备污闪跳闸，但必须引起重视，户内直流场绝缘子表面污秽因缺乏自洁手段，污秽只会不断增多，若不采取手段爬电只会越来越严重，且可能引起设备外绝缘的永久性损伤。

为改善户内直流场瓷绝缘子外绝缘运行状况，可根据情况采取以下措施：

1）喷涂PRTV对直流场内瓷绝缘子喷涂PRTV，使绝缘子表面具备憎水性提升防污闪能力，但应特别注意对喷涂工艺的控制，保证喷涂质量[23-25]。户内设备使用PRTV寿命相对较长，但由于缺乏自洁条件（雨水、风等），长期运行仍可能存在污闪问题。

2）加装增爬群，在支柱绝缘子的中部加装增爬群[21]，提高绝缘子爬距，避免闪络。但增爬裙可能会改变支柱绝缘子及周边设备外绝缘的电场分布，需进行仿真计算，另一方面增爬裙不宜设置过多因此爬距增加有限。

3）加装绝缘子，在平波电抗器支柱绝缘子底部增加一截绝缘子，该方法可有效提高绝缘子爬距，但该方法受到建筑物空间的限制，需要重新核算安全距离。

4）改善通风系统，改善直流场通风条件和空气质量，通过加装滤网、除湿机或整体改造等手段，从源头上改善、控制直流场内空气的清洁度及湿度情况。

5）定期清扫，直流设备吸尘问题普遍存在，均需结合停电定期进行清扫，爬电严重时应及时停电清扫。

对于户内直流设备，由于难以在施工建设前进行有效的污秽试验，且后期调整改造受户内空间限制，因此，在设计阶段，应更加重视现场调研工作，了解现场周边气候及环境情况，对污染源进行细致的调查分析，并根据调查结果，综合考虑，确定设备外绝缘爬电比距、建筑物空间尺寸和通风系统方案等，而不宜直接参考其他地区的历史经验。

此外，想要更准确的制定直流场内设备外绝缘的防污闪方案，需要提高重视程度，不断的积累收集运行经验，并对户内直流设备的积污特性开展更多的技术研究。

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Initial Analysis on the Creepage Event of External Insulation of Indoor VSC-HVDC Equipment

FU Zhiwei,WUwenbin,WU Yonghao,XIE Wenbing
（1.State Grid Fujian Electric Power Research Institute,Fuzhou 350007,China；2.State Grid Fujian Electric Power Co，.Ltd.，Fuzhou 350007,China）

There is little related researches on contamination of indoor DC equipment all the time.Through the introduction and analysis on the creepage event of external insulation of the VSC-HVDC equipment which is on the coast,this paper discusses the contamination accumulation of external insula⁃tion of indoor DC equipment.Due to the adsorption effect of DC and the lack of self-cleaning condition,contamination accumulation characteristics are greatly affected by many factors,such as impurity,temper⁃ature and humidity,which should given more attention.For indoor DC equipment which is creepage dis⁃charged,measures such as spray PRTV,install booster shed,add insulator,improving ventilate system,cleaning regularly can be taken by combining with the practical situation.

direct current；creepage；contamination accumulation；humidity；indoor

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.05.035

2016-07-05

傅智为（1985—），男，高级工程师，硕士，从事高电压与绝缘技术研究。