膨胀土地区玻璃绝缘子积污原因分析

王祥祥，谭永殿，张洪伟

(中国南方电网有限责任公司超高压输电公司百色局，广西 百色 533000)

0 引言

玻璃绝缘子在20 世纪30 年代由英国人发明，至今已经有90 多年的历史[1]，玻璃绝缘子存在自清洁能力强、积垢粘附力小、不易老化、耐电弧性能优良等优点，被广泛应用于输电线路中。

在输电线路上在自然界中无论何种物质粘附于绝缘子表面，都会对绝缘子运行造成影响，降低绝缘子的绝缘性能，使线路绝缘水平下降，在过电压作用下很容易引起放电跳闸的情况发生，而在污渍潮湿的条件下，会引起绝缘子沿面放电，周而复始的沿面放电也会造成污闪事故的发生，从而导致电网故障停运。

玻璃绝缘子是500 kV 天平线使用最多的绝缘器件，占比达98 %以上，在此线路投运的20多年来，每年都会对绝缘子进行停电清扫，使之保持良好的绝缘性能。但是近年来位于膨胀土地区的玻璃绝缘子内伞裙的积污速率开始加快，并且积污垢质地坚硬，使用抹布、毛刷等工具都难以彻底将污秽物质清除干净。建立在膨胀土中的天平双线共有180 基杆塔，线路绝缘子均为玻璃绝缘子。而玻璃绝缘子上表面由于光滑，各种污秽物质难以在上表面长时间停留，污秽物质在风力作用下随风飘走，因此位于膨胀土地区的玻璃绝缘子积污主要集中在内伞裙。污秽物质在内伞裙受风力影响较小，不易随风飘走。

污垢难以清除最重要的原因是膨胀土土质的成分具有粘附性强、质地坚硬等特点，下面通过分析膨胀土地区的玻璃绝缘子积污特点，弄清膨胀土细微颗粒中的成分来判定伞裙内积污化学成分，为有效治理膨胀土地区绝缘子积污提供相应的依据和防范措施。

1 膨胀土的特性

1.1 膨胀土概述

膨胀土是指含有大量的强亲水性粘土矿物成分，具有显著的吸水膨胀和失水收缩且胀缩变形往复可逆的高塑性粘土。它一般具有强度较高、压缩性低的特点。我国是世界上膨胀土分布广、面积大的国家之一。现有资料表明，膨胀土在我国广西、云南、湖北、河南、安微、四川、河北、山东、陕西、浙江、江苏、贵州和广东等地均有不同范围的分布。广西百色地区的膨胀土主要集中在右江河谷田阳至田东地段，500 kV 天平双回线路正好经过此地。资料显示广西地区的膨胀土与全国其他温带地区的膨胀土相比，具有胀缩性明显强烈、粘性极强的特征。

1.2 膨胀土土质特征

(1) 颜色。膨胀土呈黄、黄褐、灰白、花斑(杂色)和棕红等色。

(2) 膨胀土多由高分散的粘土颗粒组成，常有铁锰质及钙质结核等零星包含物，结构致密细腻。一般呈坚硬-硬塑状态，但雨天浸水剧烈变软。

(3) 近地表部位常有不规则的网状裂隙，裂隙面光滑，呈蜡状或油脂光泽，时有擦痕或水迹，并有灰白色粘土(主要为蒙脱石或伊里石矿物)充填。在地表部位裂隙常因失水而张开，雨季又会因浸水而重新闭合。

1.3 物理力学特征

(1) 液限和塑性指数都很高。

(2) 摩擦强度低，但粘聚力大，常因吸水膨胀而使其强度衰减。

(3) 膨胀土具有超固结性，开挖地下洞室或边坡时往往因超固结应力的释放而出现大变形。

2 膨胀土地区的玻璃绝缘子积污特点

运维单位在2020 年年度计划检修中，集中对500 kV 天平双回线路膨胀土区域内的玻璃绝缘子进行停电大规模清扫作业，清扫效果不佳，主要原因是伞裙内部粘附的物质粘性极强，不易水解，尽管使用湿毛巾、钢丝刷进行反复擦拭，还是未能擦拭干净。经过仔细观察可见，伞裙内的污垢呈现叠层状态，肉眼可明显看到细微颗粒状物质。判断是细微颗粒状态物质在风力作用下一层又一层地粘附在绝缘子伞裙内部，最靠近钢脚部分积污厚度最大，钢脚的积污也非常严重，悬垂玻璃串比水平耐张玻璃串积污更为严重，积污严重的部分会形成倒假山形态，用手触碰感觉较为坚硬。因为积污大部分为细微颗粒状态，所以在光滑的玻璃外表面没有形成积尘，因此玻璃绝缘子表面几乎不积尘。

3 积污化学成分

膨胀土细微颗粒附着于绝缘子属于自然积污，绝缘子污秽的种类按污秽的来源和形态可分为4种，分别为：

(1) 自然污秽。在空气中飘浮的微尘、海风带来的盐雾、盐碱严重地区大风刮起的尘土以及鸟类粪便等。

(2) 工业污秽。工业企业排出的烟尘或废气。

(3) 颗粒性污秽。这种污秽物质，一般呈各种形式的颗粒，如灰尘、烟尘等。

(4) 气体性污秽。这种污秽物质呈气态，弥漫空气中，具有很强的附盖力。

一直以来，国内外著名学者主要对输电线路污闪的机理及其影响因素、污秽度测量等方面进行研究。而最近有学者对绝缘子污秽成分、测量方法及其影响进行了研究[2]，发现自然污秽成分通常包含无机可溶性阳离子和无机可溶性阴离子以及无机不可溶性其他成分。

通过实验得出，内伞裙积污主要成分有钙离子、硅酸根离子、氨根离子、钠离子，如表1 所示。

表1 内伞裙积污溶液离子含量检测结果

通过查阅资料可知膨胀土主要由强亲水性矿物组成，蒙脱石是膨胀土最主要成分，其矿物亲水性强，具有既易吸水又易失水的强烈活动性，因此可判定其细微颗粒在附着于绝缘子伞裙内部和潮湿环境相互作用下更具粘性，积污坚硬证实了钙离子的存在。由此可见位于膨胀土区域的500 kV 天平双回线路的玻璃绝缘子污秽来源于颗粒性污秽，这种污秽物质为膨胀土的细微颗粒，在自然风力和干燥、潮湿的空气作用下形成吸附性极强的积污。

4 绝缘子积污速率提升原因分析

(1) 近年来百色地区大力发展农业经济，大规模在膨胀土地区开垦原始荒地种植芒果，破坏了原有的多种类植被。新种植的芒果生长周期缓慢，且种植密度稀疏，造成了膨胀土大范围裸露于自然界中。在进行芒果种植等农业生产时，人员活动频繁，位于芒果种植区域内的机耕道路四通八达，对膨胀土摇动非常大，极易引起扬尘。因此膨胀土成分在风力作用下漂浮于空气中，附近的输电线路首当其冲受到细微颗粒的污染。而百色地区膨胀土位于右江河谷盆地，扬起的细微颗粒尘埃，难以飘向远处，所以在这区域内的玻璃绝缘子受到细微颗粒尘埃的侵袭最大，导致年年清污年年脏，污秽周而复始地存在。

(2) 膨胀土区域内近年来大兴土木，兴修灌溉工程、高速工路、高铁等大型基建工程，也是导致膨胀土加速扬尘的主要原因之一。

5 玻璃绝缘子长期积污的影响

(1) 当玻璃绝缘子内伞裙受到膨胀土细微颗粒的影响，再加上高电压强电场的作用，玻璃绝缘子容易发生自爆，影响线路运行。因为膨胀土本身具有极强的胀塑性，通俗的讲就是膨胀土细微颗粒吸水和失水后，物理活动剧烈，致使玻璃内伞裙应力发生变化而导致爆裂。爆裂的玻璃碎片掉到农户田间，容易对农民造成刺割伤害，安全隐患极大。

(2) 玻璃绝缘子积污对线路的绝缘水平影响甚大，当积污物质吸潮后，导电性能增大的同时，还会增加玻璃绝缘子表面的泄漏电流。在整串绝缘子串上由于泄漏电流增大，泄漏电流通道上产生的热量增加，就有可能引起碗头、球头、脚钢等金具的急剧老化，从而引起绝缘子掉串事故的发生，严重危及电网安全运行。

(3) 天平双回线膨胀土区域污秽事故一旦发生，其特点是受影响的杆段较长，500 kV 天平双回线路在膨胀土区域内总共180 基杆塔，因此污秽事故一旦发生，往往不能依靠重合闸迅速恢复送电，而必须经过清污才能送电，此外还有可能造成大范围电网内部故障，所以污秽事故是电力系统的一种恶性事故，必须高度重视。

6 防范措施

(1) 实施技术改造，分批次分层级地对位于膨胀土地区内的玻璃绝缘子进行更换改造，全部换成耐污性好的合成绝缘子或防污性能更高的其他新型绝缘子。合成绝缘子具有重量轻、抗拉强度高以及耐污性极强的特点，被广泛应用于输变电工程当中，生产质量达标的合成绝缘子运行效果极佳。通过对位于膨胀土地区玻璃绝缘子已换成合成绝缘子的杆塔绝缘子情况进行试验检查，发现2005 年玻璃绝缘子换为合成绝缘子的天平双线某些杆塔，其合成绝缘子积污并不明显，因为合成绝缘子伞裙属于开放式，膨胀土细微颗粒在风力作用下也不易累积，且憎水性试验结果均保持在HC2 至HC4 等级之间，憎水性属于优良水平，运行了10 多年弹性尚存，符合运行规程的要求。合成绝缘子在膨胀土地区无需清污，既节省了运维成本又大大提高了输电运行的安全维度。

(2) 加大绝缘子的清污力度。采取停电清扫为主和带电清扫为辅相结合的方式，每年充分利用停电契机进行清扫，制定每年清扫塔号的滚动计划，保证膨胀土片区绝缘子每年至少清扫一轮。停电清扫时要改进传统单一抹布或钢丝球清扫的模式，应研发一种快速溶解膨胀土细微颗粒的溶液，使之能快速有效彻底地清除玻璃绝缘子伞裙内的钙离子、硅酸根离子等顽固污垢。目前尚未有适用于运行中的绝缘子的清污溶解液，建议运行单位加大科技研发投入，组织人员进行技术攻关或与科研单位密切合作，及早研发出适用于运行中污秽玻璃绝缘子的溶解液，可以在人工清污时不损伤绝缘子玻璃性能和绝缘强度，达到高度清洁的效果。

(3) 对于未能及时改造的玻璃绝缘子，如果发生自爆裂化等不良情况时，应及时带电进行更换，不必等到计划停电时期才更换，以便迅速恢复绝缘子串的整体绝缘水平，提高抗污闪能力。

(4) 天平双线沿线的农业发展和基建工程建设，应尽量控制膨胀土扬尘，特别是在线路附近的动土项目应做好防尘措施，以降低扬尘几率。

7 结束语

通过以上分析可知，膨胀土区域内的输电线路存在细微颗粒污染严重、积污顽固、难以有效清除污秽的特点。当线路绝缘子的积污问题同时受到不同环境叠加影响时，容易导致污闪事故发生，会造成绝缘子掉串，引发线路大面积停电，严重威胁电网安全运行，对电力企业造成巨大损失。因此应加强对积污原因的分析，加大对输电线路绝缘子进行清污和技术改造力度，以提高输电线路绝缘水平，有效地提升绝缘子防污能力[3]，避免污闪事故的发生，为输电线路正常运行提供保障。