雾霾对山西电网外绝缘的影响

王欣伟，刘 宏，安瑞峰

（国网山西省电力公司电力科学研究院，山西 太原 030001）

外绝缘的污闪过程可分为积污、湿润、局部放电、局部放电桥接闪络四个阶段。外绝缘表面的积污和湿润是构成污闪的两个基本条件，二者缺一不可。“雾霾”实质就是“湿沉降”，“雾”即湿度的影响，“霾”即大气中污秽物的影响。当外绝缘表面十分干净时，“雾”几乎不会引起电网外绝缘闪络；当外绝缘表面十分干燥时，“霾”也不可能引起电网污闪。但一般情况下雾和霾是互融共存的，当相对温度和湿度变化时，霾和雾可互相转化。而外绝缘表面的积污和湿润，与地理、气候和环境污源有着密切的联系。

1 山西电网近年来的污闪事故

2007年至2016年，山西电网110 kV及以上输电线路共发生13次污闪跳闸。大雾、融雪、融冰、小雨和毛毛雨是诱发污闪跳闸的重要天气因素，在这13次跳闸中与大雾天气有关的共4次，具体情况如下。

2007年，晋中供电公司发生4次污闪事故，分别是220 kV寺绵线78号、220 kV寺平Ⅱ回145号和149号、220 kV寺绵线144号、220 kV寺平I回154号。所处环境全部为重污区（d级），4次事故都发生在3月初，与其暖春的降雨转大雾、大雾转雨夹雪的恶劣天气有直接关系；220 kV寺绵线78号为雨后起大雾引起的跳闸。

2009年，运城110 kV古王线83号发生大雾污闪事故，所处环境为重污区（d级），发生时间为2月份。

2013年，发生2次污闪事故，分别是运城110 kV高王线182号和长治110 kV长宋线55号，发生污闪月份为1月底和2月初，所处环境污区等级都中重级污区（c—d级），且全部为大雾天气。

综上所述：从气候特点来看，全部为大雾天气，空气湿度很大，而不是雾天或雾霾天；从时间上看，3次发生在1、2月份，1次发生在3月初；从设备环境看，不小于中重级污区（c—d级）。现场污秽度等级范围示意图见图1。

图1 现场污秽度等级范围示意图

2 山西电网污秽数据

2015年期间国家电网公司运检部下达《进一步加强持续雾霾对输变电设备安全运行影响分析研究工作方案》的通知，山西电网根据安排对雾霾严重、周期长、频次高地区中的110 kV及以上输变电设备进行污秽专项测量。全省测试点37个（线路32个，变电站5个）。为便于比较分析，在已有旧参照绝缘子（5片） 挂点周边或同杆塔上，新增参照测试绝缘子（5片），针对雾霾期（1月—2月）的积污数据进行测量。以下为运城220 kV桃盐线78号测量数据（桃盐线地处运城市郊，周边污源主要为化工企业、产盐区，每年1月—2月雾霾频次较高，污秽等级d），测试结果见表1。

从测试数据来看，雾霾期（1、2月） 对外绝缘上表面的积污影响要大于下表面，测试对比见表2。观察2016年3月测试、积污2个月的新模拟串测试数据比较直观；对比新旧模拟串积污12个月和14个月（跨雾霾期） 的2片绝缘子上下表面4组平均盐灰密数据，发现积污14个月的上表面比积污12个月的上表面盐灰密之略有升高，但积污14个月的下表面比积污12个月的下表面盐灰密值较接近，也可反映出雾霾期积污对外绝缘上表面的积污影响较大。

表2 上下表面积污测量对比表

表1 运城220 kV桃盐线78号污秽测试结果记录

从测试数据来看，雾霾期的直接污秽测量和间接污秽差值测量，其结果存在较大差异。所谓直接测量就是雾霾期积污2个月的测试数据；所谓间接污秽差值测量，就是跨雾霾期积污1年或1年以上的参照绝缘子盐灰密测试数据，减去同串未跨雾霾期积污的盐灰密数据所得的差值数据。观察表3的测量比较结果，发现间接测量比直接测量结果小很多。直接测量灰盐比为1.66；2次间接测量灰盐比结果差别比较大，分别为1.37和5.07，由此知间接测量存在误差较大。出现这种情况的主要原因有3个：一是外绝缘表面积污增长与积污时间不是正比例线性关系，而是非线性关系；二是间接测量的计算方法存在误差，具体原因这里不详细分析；三是同串不同片绝缘子积污数据存在一定离散性。输变电运维单位在日常测量工作中，为了减少工作量，有时会使用间接差值测量。通过数据对比发现，间接污秽差值测量法存在较大误差。

表3 直接测量与间接差值测量数据比较

以上2个测试分析结论，基于全省37个测试点（线路32个，变电站5个），具有一定普遍性。其中第1个结论中，37个测点中（25个测点未进行上下表面区分测量），有9个测点与其分析结论一致，有2个上下表面差别不太明显（与其参照绝缘子为复合绝缘子有关），有1个测点上表面积污小于下表面（大同110 kV东牵线1号，与其大风降雪天气有关）；第2个结论中，37个测点中的15个进行了间接差值测量，有2个测点在间接差值测试结果中出现负值，进一步印证了间接差值测试结果的误差较大。

使用参照绝缘子进行雾霾期的积污测试，其测试结果能大致反映雾霾期对绝缘子积污的影响，但不能精准测定，其原因是多方面的，比如雾霾持续时间的长短和频次、大风降雨降雪的影响、污秽组成成分不同（是否易于附着外绝缘）、参照绝缘子的悬挂位置的影响、参照绝缘子的材质（瓷、玻璃、硅橡胶）和伞形等等。因此对雾霾期外绝缘积污的影响，还需要不断地去研究和探索。

3 山西电网环境情况

雾霾对电网设备的影响分析，不能脱离其电网设备所处的周边环境，应具体情况具体分析。工农业布局、地理环境（沿海、高原、盆地、沙漠等）、污源成分组成、气候（降水、大风、雾）等的影响，都是分析研究的重要因素。

3.1 山西电网、地理及污染源情况

山西省地处黄土高原的东部，地形从东北向西南倾斜，两侧高山隆起，中部断陷为多字型盆地，可明显的分为东部山地区、西南高原区、中部盆地区三部分。全省的山地、丘陵、平原三大类地形各占40.0%、40.3%、19.79%，总的地势特点是“两山夹一川”，这一特点大体决定了山西的人口分布和工农业布局，也决定了山西电网的分布。从北到南的四大盆地（大同、忻定、晋中、运城），是工农业密集区，也是电网分布密集区，全省80%的d级以上污区位于四大盆地首尾衔接而成的狭长地带。污染最重的地区位于山西的中南部，该地区的d、e级污区所占面积较大。山西电网分布及污区分布状况如图2。

图2 山西省电力系统污区分布图

表4 山西省主要污染源

表5 山西盐渍化土地基本情况km2

如表4所示为山西省主要污染源的构成。以能源和矿藏为依托的电力、煤焦、冶金、化工、建筑材料形成了工业污染源。大量汽车尾气和食盐融雪剂的使用是交通污染的主要构成。另外盐碱地地表土中可溶性盐离子含量及电导率都很高，盐碱土对输变电设备的污染主要通过扬尘完成的，山西省盐渍化土地基本情况见表5。总体来看，山西省的污染主要以工业为主，其次为交通污染和盐碱地。另外由于大气环境的污染，酸雾、酸雨等沉降物使绝缘子表面的导电性能显著增强。

3.2 山西气候情况

山西气候以恒山为界，北部属温带半干旱季风气候，南部属暖温带半湿润季风气候，气候类型为大陆性季风气候。山西省地形地势及气象台站分布示意图见图3。

图3 山西省地形地势及气象台站分布示意图

降水对大气中污秽物质有较强的净化作用，在雨水充足时，外绝缘表面的盐密值呈下降趋势。山西降水量时空分布不均，年变率较大，由东南向西北递减，山区降水量普遍多于川谷。全省2011年—2015年日平均降水量为1.25 mm，晋东南地区日降雨量较大，在1.4 mm以上。全省2011年—2015年最长连续无降水日数在32～79天之间，从空间分布来看，北、中部日数多于南部（图4）。

图4 2011年—2015年山西省平均降雨分布图

山西省地处干旱和半干旱地区，水汽不充沛，雾日数相对较少。2011年—2015年全省平均年雾日数为14.9天，最长连续雾日数在1～9天，潞城持续时间最长，平均达8天。从空间分布看，北、中部少于南部，晋东南地区和临汾多于其他地区。

风对污染物有输送和稀释作用，污染物的扩散和输送与风向和风速有关。山西属大气扩散、输送能力强的地区（大环境易污染地区），城市及工业区的污染物易于向其周围扩散。山西省为季风气候，但受山川地形影响，地面风场不尽相同。全省污闪季节静风频率大部分在21%以下，其中以豆村、河津、河曲静风频率最高，易形成辐射性逆温，影响大气的自净能力（图5、图6）。

图5 山西省2011年—2015年最长连续雾日数图

图6 山西省2011年—2015年大风日数图

4 雾霾对山西电网影响的综合分析

从气象条件综合分析，山西省北、中部大部分地区雾日数较少，降水量少、相对湿度较小（五台山和吕梁以北的关帝山属于山区，降水和湿度较大，电网设备少），风速较大，不易于发生污闪。而南部地区，尤其是晋东南长治和晋南临汾地区和运城北部分地区，雾霾期内相对湿度大，大风日数少，雾日数较多，持续时间较长，部分地区达10天以上，较容易发生污闪，应作为防污闪工作重点。从2007年至2016年大雾引起的污闪跳闸故障也可看出主要是长治和运城地区，临汾地区之所以近些年未发生污闪事故，与其2000年和2002年前后发生大面积污闪事故之后大力治理有很大关系，虽有其他形式的污闪发生，但近些年未发生过大雾引起的污闪跳闸事故。

从地理和污源情况综合分析，山西北部的大同、朔州地区基本没有发生大雾引起的污闪事故，其主要污染源是发电和采矿业，并且该地区因融冰融雪发生污闪事故也较少。山西中部的忻州、太原、阳泉、晋中、吕梁地区，其主要污染源如化工、冶金、焦化、水泥建材等，虽然近些年未发生过大面积的污闪事故，但在个别小的区域内出现了反复频繁的污闪跳闸事故。如忻州豆罗镇附近有众多的水泥厂和建材厂，途经该区域的神侯Ⅰ、Ⅱ回线投产后，在雾霾期多次反复的发生跳闸事故；晋中灵石县境内矿产资源丰富，焦化冶金等企业多建在山沟内，污染物极不易扩散，且易于起雾，因此造成周边区域的个别输电杆塔反复跳闸。山西南部是污闪跳闸的重灾区，尤其是运城和临汾地区。临汾地处山地丘陵之间的盆地内，且众多污染企业相对比较集中，污染物不易扩散，是其发生污闪的重要原因。运城地区以闻喜县东镇为中心的重污区作为代表最为明显，其主要污染源是金属镁企业群、化工和水泥厂，该区域的盐密测试值远大于e级污区上限，最大达到1.6 mg/cm2。在1999年到2003年间运城地区发生的8次污闪事故中有5次发生在这一区域。另外，运城市有我国最大的内陆盐池，盐池及其周边的盐碱化土地对外绝缘积盐的影响较大。

从雾霾本身来分析，雾霾因其湿度的不同可分为“湿雾霾”和“干雾霾”。大雾天气就是雾多霾少，为典型湿雾霾，这种情况下外绝缘污秽等级不是很高（c—d级），但绝缘配置裕度稍有不足，就有可能发生污闪跳闸。如2013年运城110 kV高王线182号和长治110 kV长宋线55号发生的跳闸事故。霾天就是霾多雾少，为典型干雾霾，一般这种天气几乎不发生跳闸事故，但也有极端情况：如果污染严重地区，长时间无降水无强风，空气中的污秽物聚集不扩散，恰在此时降雨降雪，空气中的污染物被裹挟而下，外绝缘表面电导率会迅速升高，污闪机率会大为增加，这是近些年华北内陆地区污闪的新特征“快速积污”现象。有些污闪跳闸事故看似与霾天无关，是由于毛毛雨、小雨、融雪融冰直接造成的，但究其原因，霾天也是其发生污闪事故的重要因素之一。

5 总结

“雾霾”对电网设备影响最大时期不是近些年，而是二十世纪九十年代和2000年初，那时华北地区包括山西，都发生了大面积污闪跳闸事故。2004年后，随着污闪治理的力度加大，以及大面积使用复合绝缘子、喷涂防污闪涂料，雾霾造成的污闪事故才大大减少。但运维单位的“过绝缘配置”及复合绝缘的定期检测和更换，都大大加大了电网设备的运维成本，这些费用是巨大且持续化的。

本文研究分析了山西雾霾期外绝缘的积污规律，包括对上下表面积污的差异和测量污秽两种方法的比较及选择；结合山西的地理、污源、气候、跳闸事故和雾霾本身，研究了雾霾在不同地区对电网设备的影响程度。本文研究的目的就是探讨和总结山西电网雾霾污闪规律，以期减少电网污闪事故和运维费用。