1、第第2章章 污秽沉积与污秽沉积与表征表征电力系统污秽与覆冰绝缘电力系统污秽与覆冰绝缘大气污染物特征大气污染物特征2.1随着我国经济的迅速发展，大气环境不断恶化、降水酸化日趋严重，使电力系统运行条件日益严峻。大气环境的污染主要来自于废气的排放，主要有：贫困污染，包括低效燃烧，森林破坏等造成的空气污染；现代化污染，即工厂、汽车大量使用矿物燃料排放的SO2、NOx、铅、臭氧的污染和对地区酸化的影响；温室气体的排放，尤其是CO2排放引起的全球气候变暖。大气主要是由多种气体混合组成。如果大气中不含水汽、液体和固体杂质，则空气是干净的，对绝缘子外绝缘特性没有影响，这种情况下的混合气体称为干洁空气。但一般来
2、说，大气中除了干洁空气以外，其中还包含着悬浮着的固体杂质和液体微粒，这就是污染的空气。所谓空气污染是指分散在空气中的有害气体和颗粒物质累积到超过空气自净化过程所能降低的程度，在一定的持续时间内有害于生物和非生物的现象。空气中的污秽物不仅包括工农业生产排放的污染物质，还有海水气溅扬入大气后而被蒸发的盐粒，被风吹起的土壤微粒等。污秽物的分布随时间、地区和天气条件而变化。对于空气中的污染物，城市多于农村，冬季和春季多于夏季。这些污秽物的沉积，对高压、超高压和特高压输电线路的外绝缘造成严重危害。绝缘子污秽积聚及其影响因素绝缘子污秽积聚及其影响因素2.2工业、农业、交通运输及自然生态环境等在空气中产生大
3、量的气相、液相和固体污秽物质。不同地区空气的污染有着不同的特点。绝缘子表面的污秽沉积与污染性质、气象气候条件、地形、地貌以及绝缘子本身的造型结构等多种因素有关。(1)(1)污源性质和距污源的距离污源性质和距污源的距离绝缘子表面的积污过程取决于污面的因素：使尘埃微粒至绝缘子表面的力，如风力、重力和电场力，其中风力最重要；污秽微粒与绝缘子表面的粘附力以及微粒之间的粘聚力。一般情况下，污秽微粒与(瓷、玻璃、复合)绝缘子表面的粘附力小于微粒之间的粘聚力。洁净绝缘子表面开始时污秽积聚较慢，后来逐渐加快。影响污秽沉积量最重要的因素是绝缘子安装地点距污源的距离。(一一)绝缘子积污的影响因素绝缘子积污的影响因
4、素图图 一般盐污条件下一般盐污条件下XP-70XP-70型盘形悬式绝缘子等值附盐密度与距海型盘形悬式绝缘子等值附盐密度与距海岸距离的关系岸距离的关系 图图 在工业污秽区不同地点测得的在工业污秽区不同地点测得的XP-70XP-70型盘形悬式绝缘子型盘形悬式绝缘子等值附等值附盐密度与距污源距离的关系盐密度与距污源距离的关系(2)(2)空气污染程度与盐密的关系空气污染程度与盐密的关系由于大气中的SO2(及转化后的硫酸盐)是绝缘子表面可溶盐的主要污染物，因此以SO2为主要污染参数，TSP(总悬浮粒子)、NOx为一般污染参数。描述电网污区污秽特征的大气质量参数Q定义为：TSPTSPNONOSOSOSOS
5、Oxx222231BMBMBMBMQ式中：M为污染物实测浓度；B为评价标准，各污染评价标准取相应年日平均值，即SO2为0.06mg/m3，NOx为0.05mg/m3，TSP为0.3mg/m3。在远离工业污染区的盐碱地区和沿海岸区域，为突出风力扬尘或海盐粒子的污染，描述电网污区污秽特征的大气质量参数Q定义为：根据全国各地大量“盐密大气质量参数”数据统计分析可得绝缘子表面的等值盐密ESDD(mg/cm2)与大气质量参数的关系为：TSPTSPNONOSOSO231xx22BMBMBMQQS0806.0015.0ESDD(3)(3)空气湿度与水分的凝结空气湿度与水分的凝结 只有在极不利的气象条件下，污
6、秽才会对绝缘子的电气强度造成危害。大气从海洋、湖泊、河流以及潮湿土壤的蒸发中所获得的水分因自身的分子扩散和气流的传递而散布于大气之中。在一定条件下，水汽发生凝结而产生雾、露、霜、毛毛雨、雪、冰等是对污秽绝缘子极为不利的气象条件。(二二)绝缘子积污的分类绝缘子积污的分类 按照污源特征可将绝缘子的污秽分为：工业型污秽工业污秽具体包括化工厂、冶炼厂及火电厂的排烟，水泥厂、煤矿和煤场的粉尘，循环水、冷水塔和喷水池的水雾等。工业型污秽按照产生源的类型可以分为工业型污秽又可分为化工污秽、水泥污秽、冶金污秽、煤烟污秽等。自然型污秽 自然污秽是在自然条件下所产生的污秽，包括尘土污秽、盐碱污秽和海水盐雾污秽等类
7、型，以及鸟粪污秽和绝缘子覆冰积雪等。鸟粪污秽则是一种特别的自然污秽形式。绝缘子覆冰积雪也是一种特殊形式的自然污秽。工业型污秽是在工业生产过程中排出的烟尘废物从而在绝缘子上产生的污染物质，大多数则是由工厂烟囱排出的气相、液相和固相污物，工业性大气污染物的种类很多，根据其存在的状态可以分为气溶胶状态污染物和气体状态污染物两大类。气溶胶指沉降速度可以忽略的固体粒子、液体粒子或固体和液体粒子在气体介质中的悬浮体，包括粉尘、烟、飞灰、黑烟等固体微粒和其它液体微粒。在工程中，往往将上述固体污尘微粒统称为粉尘或烟尘。若大气污染物是从污源直接排出的原始物质，则称为一次污染物。若是由一次污染物与大气中原有成分或
8、几种一次污染物之间经过一系列化学或光化学反应而生成的新污染物则称为二次污染物，如硫酸烟雾和光化学烟雾等。气体状态污物极多，对于电力系统的外绝缘来说，主要是以二氧化硫为主的含硫化合物、以氧华氮和二氧化氮为主的含氮化合物、碳的氧化物、碳氢化合物和卤素化合物等五种。(1)(1)工业型污秽工业型污秽附表附表 气体状态的大气污染物种类气体状态的大气污染物种类污染物污染物一次污染物一次污染物二次污染物二次污染物含硫化合物含硫化合物SO2、H2SSO3、H2SO4、MSO4(M代表金属粒代表金属粒子，下同子，下同)碳的化合物碳的化合物CO、CO2/含氮化合物含氮化合物NO、NH3NO2、HNO3、MNO3碳
9、氢化合物碳氢化合物CmHn醛、酮、过氧乙酰基硝酸脂醛、酮、过氧乙酰基硝酸脂卤素化合物卤素化合物HF、HCl/由开采化工原料和制造化工(原料)产品的工矿企业在生产过程中或由烟囱排出的废气、脏物以及化工原料粉尘沉积在绝缘子表面上而形成的。化工污秽的主要成分是各种酸、碱、盐类。不管其成分如何复杂，各种化工污秽中都含有能导电的电解质。由于电解质在潮湿污层中溶解后使绝缘子污秽层的导电能力急剧增大，因而容易引起闪络事故。(a)化工污秽化工污秽水泥是重要的建筑材料，全国各地的楼房建设、公路、铁路、桥梁等的建设使用大量的水泥。水泥的主要成分是硅酸钙(3CaOSiO22CaOSiO2)和铝酸钙(3CaOAl2O
10、3)、铝铁酸钙(4CaOAl2O3Fe2O3)，即水泥中含有的主要成分为CaO、SiO2、Al2O3和Fe2O3等。水泥生产过程是以处理粉状物料为主的工艺流程，如破碎、粉磨、运输和包装等，因此产生大量粉尘。水泥虽是一种较难溶解的弱电解质，但易于吸潮，形成硬垢结壳，不易清扫，运行维护较困难。在生产、运输和建筑工地上扬起的水泥粉尘降落在运行中的绝缘子表面上，因雨水冲洗效果小，清扫又十分困难，附着于绝缘子表面的沉积量将与日俱增，每年总量可达40 mg/cm2，往往是上表面少，下表面多。水泥污秽如果兼有其它强电解质污秽时，由于水泥粉尘的保水作用，使强电解质充分溶解，导电率大大增加，绝缘子的污闪电压大为
11、降低，因此水泥污秽造成的危害极大。(b)水泥污秽水泥污秽冶金类污秽的种类繁多，主要是炼钢厂、炼铝厂及其它有色金属冶炼厂在生产过程中排出的污秽物，包括SO2等有害气体及各种金属粉尘。钢铁厂的金属粉尘与气相污物SO2起化学反应可生成Fe2(SO4)3，与冷水塔或喷水池产生的水雾混合后，污物中的亚硫酸根和金属氧化物大量增加，进一步恶化了绝缘子的污染程度。炼铝厂附近空气中含有大量的铝矾土、二氧化硅、氟化物和含碳物质等强电解质，危害性很大。冶金型污秽一般都属于强电解质，对电力系统的外绝缘有严重威胁。(c)冶金污秽冶金污秽煤碳直接燃烧是造成大气污染的主要原因之一。煤和煤气是人类生活和生产中使用最广泛的燃料
12、，其燃烧生成的大气污染物除了烟黑和飞灰外，还有CO2、CO、NOx、SO2等多种气相污物。黑烟是煤受热分解而成的微小炭粒未完全燃烧而成的。飞灰则是由灰粒和部分未燃尽的焦炭细粒组成，含有各种金属氧化物。煤烟污秽属于强电解质，危害极大，煤烟污秽是火电厂地区外绝缘污闪的重要污源。火电厂是用煤大户，是构成煤烟污秽的一个重要来源。有冷却塔时，火电厂造成的污秽更为严重。一方面是冷却塔排出的热空气遇到冷空气容易凝结成水滴飘落到周围地区，另外电厂循环水经加酸处理后含有大量的酸根离子和金属离子，是水滴的电导率增加，所以冷却塔的水雾对污染有直接影响。(d)煤烟污秽煤烟污秽交通运输污源又称为流动污源，是影响范围较大
13、的以种污秽。我国各种机动车辆逐年增多，老、旧车辆和机动船的耗油量高、排污量大。农村和城市建设过程中的道路状况不良也加剧了污秽的严重程度。火车、汽车等车流量大的地区往往是大气污染最严重的地区。(e)交通运输污秽交通运输污秽尘土污秽是指从地面扬起的尘土以及农作物施加的化肥和农药等。在尘土污秽地区，绝缘子的污染程度主要取决于土壤的性质，特别是土壤的含盐量、可溶性与生成电解质的能力，风对土壤的侵蚀以及尘土在绝缘子表面上的粘附能力等。(二)自然污秽自然污秽(a)尘土污秽尘土污秽盐碱地区的扬尘微粒及盐碱水面烝发后在空气中流下的盐碱微粒属于盐碱污秽。盐碱污秽含有较多的可溶性导电成分，并容易吸潮。绝缘子的污染
14、程度取决于土壤的含盐量以及风力作用下土壤表面微粒的扬起能力。在盐碱地区，不仅尘埃中含有大量能溶于水而生成电解质的微粒，而且大多数盐碱地区不存在含有可溶矿物质的水域。根据土壤盐渍化的程度可分为四类：弱、中、强、很强含盐土壤，其可溶于水的盐的计算含量分别为3.0%。土壤中易溶于水而生成离子的盐份量，以及在风力作用下能从土壤表面扬起的微粒，风自盐湖水库表面吹起含导电物质的水珠蒸发后在空气中留下的可游离物质等，最易造成绝缘子严重污染。因此，属于盐碱地区的沙漠和半沙漠地带是属于重污秽区。盐碱地区绝缘子污秽的特点：因风雨的净化作用，上表面的积污要比下表面小好几倍，而下表面有棱的绝缘子污染特别严重。(b)盐
15、碱污秽盐碱污秽海水污秽主要发生在海洋沿岸，在紧靠海边几百米以内的绝缘子常常被海水飞沫直接湿润。但顺着流入海洋的江河也可以扩展到离海岸较远的地区。由于海浪冲击海岸和风力的作用，海边空气中含有大量的海水微粒。海风的风速能达到56m/s以上，最大高度可达到10001500 m，深入陆地的距离一般为2050 km。海水或海盐污秽与海边的地形、海水含盐量、风向及风力等多种因素有关。海盐污秽或海水污秽的过程有下面几种典型情况：海水的小水滴被风吹到陆地的干燥空气中，水分蒸发而形成小颗粒的盐分沉积在绝缘子表面上；在紧靠海边的几百米以内的绝缘子常被海水飞沫直接湿润；在不利的气象条件下，海水水滴或盐粒可以构成雾的
16、凝聚核心而形成海雾或盐雾，使绝缘子表面受到湿润。(c)海盐与海水污秽海盐与海水污秽鸟粪污秽是指鸟类粪便直接飞洒在绝缘子表面造成的一种特殊污秽形式。在广阔的田野、森林、草原和盐碱地区，不仅绝缘子上堆积的干鸟粪因受潮而使绝缘性能下降，而且机率最大的闪络原因是鸟停留在杆塔的末相上排粪，粪流污染绝缘子导致沿粪流放电。鸟粪是粪与尿的混合体。鸟类独特的排泄系统最终会把机体消化蛋白质剩下的含氮废物转变成尿酸。这样可以节省大量的水分。于是我们看到鸟粪上白色的部分，其实就是鸟高度浓缩的尿液。尿酸的pH值为3.89，虽然酸性较弱，但足以对金属结构产生腐蚀。鸟粪中含有不少铵盐，这些铵盐在潮湿的情况下会与金属产生电化
17、学反应，从而破坏金属的强度并导致绝缘子发生污秽闪络。在夏季和秋季的清晨或夜间，鸟粪污秽对220kV及以下电压等级的线路是最危险的。(d)鸟粪污秽鸟粪污秽绝缘子覆冰积雪是一种特殊形式的污秽，这里所指的覆冰积雪污秽是指绝缘子覆冰积雪后，冰层和积雪层中所含有的可溶于水的导电物质。空气中存在各种形式的污秽微粒，覆冰和积雪过程中，这些导电或不导电的污秽微粒成为冰粒或雪粒的冻结核。集覆在绝缘子表面，当冰层或积雪层融化时，明显提高绝缘子的表面电导，导致绝缘子在运行电压下发生闪络事故，这种闪络事故称为冰闪，也是一种特殊形式的污闪。因此绝缘子覆冰积雪也是一种特殊形式的污秽。覆冰积雪这种特殊形式的污秽，其表征方式
18、与传统污秽有一定的差异。主要采用绝缘子覆冰重量和覆冰水电导率等参数来表征，在覆冰特征参量中将另行讨论。(e)覆冰与积雪覆冰与积雪合理选择表征污秽绝缘子运行状态的特征量，或污秽参数，就可以通过对各类污秽的测量来确定绝缘子的污秽程度，定量地划分污秽水平，为设计及运行维护提供可靠依据。到目前为止，国内外没有找到一个统一的能够确切地表征污秽绝缘子运行状态的特征量。目前常用的污秽特征参数有以下几种：ESDD SPLC IC 绝缘子污秽特征的表征绝缘子污秽特征的表征2.3(1)(1)等值附盐密度等值附盐密度(ESDD)(ESDD)ESDD(Equivalent Salt Deposit Density)是
19、绝缘子在自然环境下积污(包括自然污秽和工业污秽)程度表示方法之一，是以绝缘子表面每平方厘米的面积上附着的污秽物中导电物质的含量所相当的NaCl的量(mg/cm2)，简称等值盐密。ESDD表征污层中可溶性物质导电率的大小，直观地反映了绝缘子的污秽程度，测量简单，对测量的技术要求不高，在我国有较长的应用历史和较广泛的应用基础，有较丰富的以盐密指导防污闪工作的经验，是我国目前在防污闪工作中用以表征污秽度最为重要的基本参数。污秽闪络过程可分为积污、污秽湿润、干带形成并产生局部电弧和局部电弧发展成完全闪络四个阶段。等值盐密只反映绝缘子污闪过程中的第一个阶段，即积污阶段，不表征污秽的受潮、干带形成、局部电
20、弧产生和发展过程等。ESDD与污闪电压之间没有直接关系，仅与绝缘子的污秽量、成份和性质有关，所以称为污秽的静态参数。附图附图:盐密与灰密的测量流程图盐密与灰密的测量流程图(2)(2)表面污层电导率表面污层电导率(SPLC)(SPLC)SPLC是Surface pollution layer conductivity的缩写。SPLC是污秽绝缘子表面的电导(S)，污层电导率越高，其表面污染程度越严重。SPLC反映了绝缘子的积污和受潮二个因素的联合作用的结果。对于强电解质和弱电解质污秽，污层电导率均可以较为客观的反映绝缘子的污染程度，排除了等值盐密因污秽种类不同带来的误差，并可以对复合绝缘子和涂憎水
21、性涂料的绝缘子进行测量。但这种方法所用的试验和测量设备相对来说比较复杂，现场控制饱和湿润困难，目前多用于试验室测试。SPLC是在污秽绝缘子受潮和施加比运行电压低的电压下测得的，其特征是与污秽和电压直接联系起来，但电压低，并不能完全反映绝缘子的运行状况，因此称为表征污秽绝缘子运行状态的半动态参数。(a)(a)局部电导率仪法局部电导率仪法采用局部污层电导率法测量污秽绝缘子的污层电导率时可以排除污层间断以及污层受潮不均匀等因素的影响，局部污层电导率代表了试品的真实污秽程度，与绝缘子的污闪电压有直接联系，是一种很有应用前景的表征绝缘子污秽程度的方法。将试品绝缘子经一隔离绝缘子垂直悬挂在支持结构上，绝缘
22、子钢脚联接于变压器或电压互感器高压侧，绝缘子钢帽经电流测量装置后接地。试品用烝馏水通过手持式喷雾器来湿润，湿润时避免污层流失。(b)(b)喷雾湿润法喷雾湿润法(3)(3)泄漏电流泄漏电流(Ic)(Ic)泄漏电流(Leakage Current)是指在运行电压作用下污秽受潮时测得的流过绝缘子表面污层的电流。它是电压、湿润气候条件、污秽三个主要因素的综合反映和最终结果，称为反映绝缘子污秽闪络特性的动态参数。附图附图 运行绝缘子泄漏电流测试方法运行绝缘子泄漏电流测试方法 附图附图 运行绝缘子泄漏电流波形运行绝缘子泄漏电流波形 正常泄漏电流正常泄漏电流 临闪前临闪前 闪络闪络 污秽等级划分是外绝缘设计
23、的基础。污秽等级和区域的划分是根据国标、行标的要求，依据本地区的污湿特征运行经验绝缘子表面污秽物质的等值附盐密度(简称盐密)三个因素综合考虑确定。当三者不一致时，按运行经验确定。外绝缘污秽等级划分方法外绝缘污秽等级划分方法2.4国家标准(GB/T5582、GB/T 16434-1996)和电力行业标准规定：外绝缘按最小公称爬电比距和人工污秽耐受值分为0、I、II、III和IV五级。0级适用于无明显污秽地区，不需要进行人工污秽试验。线路和发电厂、变电所污秽等级对应的盐密值如表2.6所示，各级污秽等级下相应的爬电比距如表2.7所示。对于500kV以下线路，划分污秽等级的盐密值是以13年的连续积污盐
24、密值为准。对于500kV及以上线路，则以3年积污的盐密值确定污秽等级。线路和发电厂、变电所的盐密均指由普通悬式绝缘子XP-70型(或X-4.5型)及XP-160型所组成的悬垂绝缘子串上测得的值，其它绝缘子应按照实际积污量加以修正。变电所取样应逐步过渡到以支柱绝缘子为主，按普通支柱绝缘子测量的盐密划分污秽等级的方法如表2.8。(一一)基于盐密测量值的划分方法基于盐密测量值的划分方法(1)(1)等值盐密法等值盐密法 污秽等级污湿特征盐密/(mg/cm2)线路发电厂变电所0大气清洁地区及离海岸盐场50km以上无明显污染地区。0.03I大气轻度污染地区，工业区和人口低密集区，离海岸盐场1050km地区
25、。在污闪季节中干燥少雾(含毛毛雨)或雨量较多时。0.030.060.06II大气中等污染地区，轻盐碱和炉烟地区，离海岸盐场310km地区，在污闪季节中干燥少雾(含毛毛雨)但雨量较少时。0.060.100.060.10III大气污染较严重地区，重雾和重盐碱地区，近海岸盐场13km地区，工业与人口密度较大地区，离化学污染源和炉烟3001500m的较严重污秽地区。0.100.250.100.25IV大气污染特别严重地区，离海岸盐场1km以内，离化学污染源和炉烟300m以内的地区。0.250.350.250.35附表附表 线路和发电厂、变电所污秽等级对应的盐密值线路和发电厂、变电所污秽等级对应的盐密值
26、 外绝缘污秽等级线路(发电厂、变电站)电站设备220kV及以下330kV及以上220kV及以下330kV及以上013.9(16.0)14.5(16.)/I13.917.4(16.020.0)14.518.2(16.020.0)16.0(18.4)16.0(17.6)II17.421.7(20.025.0)18.222.7(20.025.0)20.0(23.0)20.0(22.0)III21.727.8(25.032.0)22.729.1(25.032.0)25.0(28.8)25.0(27.5)IV27.833.0(32.038.0)29.134.5(32.038.0)31.0(35.7)31
27、.0(34.1)注：爬电比距计算时取系统最高工作电压，其中()内数据为额定电压计算值附表附表 各污秽等级下的爬电比距各污秽等级下的爬电比距(mm/kV)污秽等级0IIIIIIIV盐密/(mg/cm2)0.020.020.020.050.050.100.100.20附表附表 变电所根据普通支柱绝缘子测量的盐密划分污秽等级变电所根据普通支柱绝缘子测量的盐密划分污秽等级(2)(2)局部电导率法局部电导率法 局部表面电导率(p)的测量克服了ESDD测量过程中必须将污秽物全部清洗下来的缺点，它的测量和染污绝缘子在雾、露等易发生污闪的恶劣运行状态是一致的。理论分析和试验结果均表明p与Uf的相关性较好。清华大学通过试验研究提出了根据p划分污秽等级的方法 污秽等级污秽等级p/S单片单片XWP-70的的Uf值值/kV002019.11204019.116.52408016.514.338016014.312.4416019.122016019.112.438016014.312.4416031.855.0
