贵州省高压电力设施的臭氧环境影响

2020-05-21王德贤高兰兰王永红

环保科技 2020年2期

王德贤高兰兰王永红罗皓陈龙

(1.贵州省环境监测中心站；2.贵州省环境科学研究设计院；3.贵州众蓝科技有限公司，贵阳 550081 )

一般认为空气中电场强度超过20KV/cm就产生电晕放电，高压电晕放电即可直接使空气中的氧气电离而生成臭氧[1]，也可通过激发紫外线产生臭氧，尤其在低温多细雨浓雾的空气中，在维护状况较差和污染物附着的设备上，即使较低的电场强度也可大量发生尖端放电导致臭氧发生并向四周环境排放,粗糙表面上的尖端放电电场强度阈值可降低至1.59 KV/cm[2]。这种低温雨雾的天气在贵州山区除盛夏季节外都是很普遍的。因此，城市空气臭氧污染中也有来自各种高压电力设施的贡献，这是我们近年来对贵州城市高浓度臭氧进行大量案例调查时发现的一个现象。国内外有少量研究认为500 KV变电站工作人员患有氧化应激综合症，但将其原因归结为高压电场的作用[3]。本文将以几处风电场及其升压站、200 KV～500 KV变电站、换流站、500 KV～800 KV输电线塔附近的电晕放电引起的臭氧浓度升高情况为例，加以说明。

1 研究概况

风力发电机发出的电压是650 V，经过机组箱式变压器将电压升至35 KV；再经集电线路送至风电场的升压站，电压升至110 KV或220 KV；最后经架空线路送去公用电网。在两次高压升压过程中，都可能有高压电场中的电晕放电发生，高压电晕放电则可以直接电离空气或通过紫外线激发产生臭氧。

贵州省近二十年来在利用风力能源发电的建设取得了很大的发展，与此同时风电场运行时产生的空气臭氧也对附近的大气环境发生了一些影响。我们以贵阳市高坡风电场和威宁县风电场运行期间的大气臭氧监测资料为例，初步探讨风电场运行对附近大气臭氧的影响。

2 风电场和超高压变电站臭氧浓度特征

2.1 贵阳云顶山风电场臭氧浓度变化特征分析

图1是贵阳云顶山电场及附近桐木岭(高坡)大气环境国控监测站的位置图。在监测站和风电场之间，还有一条500 KV超高压输电线自西向东通过。

图1 云顶风电场运行对桐木岭臭氧影响明显

在当地盛行南风期间，无论冬夏，无论日夜，桐木岭测站的臭氧浓度都比贵阳市区高；而在盛行北风时则是相反，桐木岭测站的臭氧浓度比贵阳市区低；其中的原因主要就是影响桐木岭测站臭氧浓度的直接臭氧发生源(风电场和超高压输电线)都分布在其南方。

从云顶风电场建成运行前后桐木岭测站与贵阳市区测站臭氧浓度的对比可以看出风电场的臭氧贡献影响。云顶山风电场2014年6月二期建成。两期共48台风电机(一期33×1.5 MW，二期15×2.0 MW)，风电场建成投运之前，桐木岭测站的臭氧浓度水平是全贵阳市各测站中最低的，风电场投运后，桐木岭的臭氧浓度变为全市最高(见表1)。

表1 2013年云顶山风电场一期投运前后贵阳市各监测站O3-8最大浓度平均值比较(μg/m3)

(* 桐木岭是城市清洁对照点，未参加全市平均)

图2是2013年贵阳市逐日最大臭氧8小时平均浓度(O3-8)曲线和桐木岭测点的比较。贵阳市区全年平均值约为0.067 μg/m3；桐木岭在6月以前平均值约为0.038 μg/m3，7月云顶风电场开始运行以后平均值升高至0.078 μg/m3；可见风电场对桐木岭空气臭氧的贡献是显著的。

(1)贵阳市区9站平均

(2)桐木岭单站图2 2013年贵阳市逐日最大臭氧8小时平均浓度(O3-8)曲线(绿色直线是各时段的平均值)

风电场对周围空气臭氧浓度的贡献主要发生在低温阴湿的天气条件下。高山风大多云雾，风电机叶片高度是地面以上70～80 m，箱式升压设备设在地面。图3是2019年4月15-16日(地面南风2～4 m/s)在高坡风电场的风电机箱变压器、110 KV升压站进行臭氧监测的结果和国控点桐木岭、花溪碧云窝的比较。4月16日03时以后南风逐渐增大，至10时以后持续维持，桐木岭测点的臭氧浓度大幅上升(同时还有光化学机制产生的臭氧叠加)。可看出相对于北方30 km外的花溪碧云窝测点，风电场的变电设施和高压输电线对桐木岭测点臭氧大约有40～60 μg/m3的增量贡献。

图3 云顶风电场监测结果和国控点桐木岭、花溪碧云窝的比较

图4是桐木岭测点各季节平均的臭氧日变化，可以看出在全年风速较大的春季臭氧浓度达到最大值；夏季尽管太阳辐射强，但风速小，臭氧浓度在全年仍处于低值；而且昼夜变化都很小(不到20 μg/m3)。这些都是风电场区不同于一般城市臭氧分布规律的特征。从桐木岭和贵阳城区的比较可以看得更清楚，图5是2014—2017年桐木岭与贵阳城区的臭氧日变化的比较，其中绿色曲线是4年中夜间风电场排放臭氧贡献较大的平均情况。可以看出在风电场运行出力较大的情况下，桐木岭测站的臭氧已基本不存在日夜的差异。

图4 桐木岭测点2017年各个季节平均臭氧日变化

图5 2014-2017年桐木岭与贵阳城区的臭氧日变化比较(“典型日”是桐木岭夜间臭氧主要来自风电场的平均情况)

使用UVOLLE-VC紫外成像仪记录了风电场各种高压输变电设备排放的紫外线(波长范围240～280 nm)。一个风电场包括风力发电机及其箱式变压器、集电线路、升压站等高压设备，可以在数十至数百处发生高压电晕放电。这些高压放电都可能自持式的或通过激发紫外线使空气电离，产生臭氧。图6是在云顶风电场实际测到的一些高压电器设施表面电晕发光和紫外线生成，这些放电发光消耗了电能，同时导致空气电离，产生臭氧。臭氧的产生量与高压电器设施的保养维护(例如是否有许多电线毛刺尖端放电)和洁净程度(例如是否有污染物短路放电)有关。

(1)高坡风电场

(2)高坡风电场的110kv升压站

(3)升压站设施的电晕放电

(4)电晕放电产生的紫外成像(红色斑点)

(5)高坡风电场附近500 KV超高压输电线的紫外成像图6 贵阳高坡风电场—升压站及附近超高压输电线电晕放电及其产生的紫外线(C的数值是紫外线的光子数,下同)

2.2 威宁风电场臭氧浓度变化特征分析

威宁是贵州省风力资源大县，区域海拔高度大都在2000 m以上，县城附近风电场分布见图7。至2019年2月威宁县共建设运行风电场21处，风力发电机约550台，总装机1047.5 MW。

在风电场有显著贡献的情况下，威宁强烈太阳辐射产生的光化学臭氧并没有显现出明显的午后高峰，图8是威宁2017年平均的臭氧浓度日变化曲线。与图4相比，威宁和贵阳云顶风电场臭氧浓度分布有较多相同的特征，但是由于威宁的风电场分布范围很宽，距离威宁县大气环境监测点都较远，所以图8上威宁的臭氧浓度(40～60 μg/m3)不如图4贵阳桐木岭测点仅有一个风电场的贡献(50～100 μg/m3)大。

威宁夜间出现臭氧的原因可能主要与当地夜间风能较大有关，图9是威宁百草坪风电场实测的地面以上70 m 高空风速与风功率密度日变化曲线，可见当地夜间高空风能量明显大于白天，而夜间的大风能量对应着较高的臭氧夜间浓度。由此造成的臭氧浓度没有明显的日夜差异，昼夜相差不超过20 μg/m3，而贵州省一般城市大气臭氧浓度的昼夜差值都在40 μg/m3以上。

图7 威宁县测点附近风电场分布

图8 2017年全年及各季节威宁臭氧浓度日变化曲线

图9 威宁风电场的风能日变化曲线

图10是在威宁乌江源风电场实测的高压设备电晕放电产生的紫外线辐射成像。据了解，在贵州省各地的风电场内这种放电和紫外线激发是普遍存在的。

图11是上述监测期间在马摆大山风电场和威宁县城同步监测的臭氧浓度。风电场110 KV升压站的臭氧浓度都比城区高，在19时以后明显下降，与当地风速减小并出现降雨有关。

图10 威宁乌江源风电场220 KV升压站和架空集电线电晕放电的紫外成像

图11 威宁马摆大山风电场升压站与威宁县城内测点的臭氧监测

2.3 超高压变电站臭氧浓度变化特征分析

贵州省“西电东送”工程建设20多年来，先后建设了近三十处大型火力、水力发电厂和数十条500 KV以上的超/特高压输变电设施。其中不少分布在一些大中城市的城郊地带，加上数量更多的110 KV～220 KV城市变电站，其电晕放电—紫外线激发产生的臭氧对城市大气环境的影响是客观存在的，但至今未见报道。我们的一些典型调查表明城市郊区的超高压送变电设施是城市空气臭氧的一种来源，只是由于臭氧活泼的强氧化性质带来的易衰变性使得对它们的定量研究非常困难。

以下是我们对贵州省几处500 KV以上的超/特高压输变电设施进行的空气臭氧浓度监测和紫外成像记录，这些结果虽然是初步和粗糙的，但为今后城市臭氧污染的研究提供了有价值的线索。

图12、图13 是两处500 KV变电站及其对照测点的空气臭氧浓度监测结果，表明在由许多超高压输变电设施组成的地带区域，存在一定范围的臭氧高值区。