污染環(huán)境下110kV戶(hù)外電纜終端的選型

丁 勇， 夏 震， 王海軍， 孫殿宏， 莊 猛

(1.3M中國(guó)有限公司，上海200233;2.銅川供電局，陜西 銅川727031;3.大別山發(fā)電有限責(zé)任公司，湖北 麻城438304)

0 引言

近些年，隨著我國(guó)現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，大氣污染加劇，電網(wǎng)污閃事故多發(fā)。電網(wǎng)的高速發(fā)展和電壓等級(jí)不斷提高，污穢條件下的電氣絕緣問(wèn)題日益突出［1-2］。目前的污閃主要發(fā)生在線(xiàn)路絕緣子上，但隨著電纜使用數(shù)量越來(lái)越多，電纜終端的污閃問(wèn)題也越來(lái)越重要。對(duì)于絕緣子污閃，在國(guó)內(nèi)外都有較多研究［3-6］，但對(duì)于電纜終端則較少，并主要在中壓電纜附件方面;文獻(xiàn)［7］分析了引起中壓電纜終端外絕緣放電的主要因素;文獻(xiàn)［8］從設(shè)計(jì)的角度來(lái)闡述了中壓電纜終端的抗電痕和抗污閃性能;文獻(xiàn)［9］針對(duì)埃及近海環(huán)境下的12/20 kV繞包終端，研究了屏蔽斷口平滑程度和膠帶繞包的長(zhǎng)度與厚度對(duì)終端閃絡(luò)電壓和電暈擊穿電壓的影響。對(duì)于110 kV以上的高壓電纜終端的污閃問(wèn)題，到目前為止，則很少研究。

由于絕緣結(jié)構(gòu)和功能的不同，電纜終端的絕緣表面閃絡(luò)和絕緣子有所不同。而對(duì)于110 kV戶(hù)外電纜終端來(lái)說(shuō)，由于其類(lèi)型不同，其在污閃方面的性能也不同。

本文分析了影響110 kV戶(hù)外終端表面閃絡(luò)的主要因素，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，指出了目前關(guān)于戶(hù)外終端污閃選型的不足，并提出110 kV戶(hù)外電纜終端選型應(yīng)該注意的一些問(wèn)題，從而以產(chǎn)品選型的角度盡可能地保證產(chǎn)品及系統(tǒng)的安全可靠性。

1 污閃放電機(jī)理

最早將污閃過(guò)程模型化、定量化是由德國(guó)的奧本諾斯在1958年完成的(見(jiàn)圖1)。該模型是由電弧和電阻的串聯(lián)組成［10］，也是目前被普遍接受的模型。

有關(guān)絕緣子污閃的放電過(guò)程的物理解釋沒(méi)有統(tǒng)一的看法，但普遍認(rèn)為絕緣子表面的閃絡(luò)過(guò)程是靠外力推動(dòng)的。這個(gè)力包括靜電吸引、電磁力、熱浮力和蒸氣壓力［10］。文獻(xiàn)［11］中指出:沿絕緣子濕潤(rùn)污穢表面的閃絡(luò)并不是單純的空氣間隙擊穿，而是一種與電、熱、化學(xué)因素有關(guān)的污穢表面氣體電離以及局部電弧發(fā)生、發(fā)展的熱動(dòng)力平衡過(guò)程。一般固體絕緣的表面閃絡(luò)是屬于空氣間隙沿固體絕緣的放電形式。雖然固體介質(zhì)的存在使電場(chǎng)發(fā)生一定的畸變，將使閃絡(luò)電壓低于純空氣間隙，但仍然是一個(gè)氣體間隙的擊穿問(wèn)題。

圖1 奧本諾斯模型概念

固體絕緣的污穢閃絡(luò)則完全不同，它是一個(gè)弧光熄滅問(wèn)題。固體絕緣當(dāng)表面有污層時(shí)，如污層干燥則泄漏電流不大，以微安計(jì);當(dāng)污層受潮時(shí)，泄漏電流增大，導(dǎo)電性污層的泄漏電流可達(dá)數(shù)百毫安。泄漏電流會(huì)產(chǎn)生熱，使絕緣表面水分蒸發(fā)引起局部電阻改變，部分表面出現(xiàn)干區(qū)，電流在該中斷處形成很小的局部電弧。如果電流不大，則當(dāng)交流電流過(guò)零點(diǎn)時(shí)，局部電弧可能熄滅;當(dāng)泄漏電流大時(shí)，因?yàn)樵谶@些局部小間隙中存在大量游離氣體，電弧在電流過(guò)零點(diǎn)后仍繼續(xù)燃燒，在一定條件下就造成固體絕緣表面的閃絡(luò)［12］。

絕緣子污閃發(fā)展一般經(jīng)過(guò)四個(gè)階段［11］:(1)絕緣子表面污穢積累;(2)在潮濕的環(huán)境條件下污穢變濕潤(rùn);(3)在表面泄漏電流的熱效應(yīng)作用下出現(xiàn)干區(qū)，從而改變電壓分布并引起局部電弧;(4)局部電弧發(fā)展成為絕緣子完全閃絡(luò)。

2 戶(hù)外終端污閃的主要因素

導(dǎo)致戶(hù)外終端污閃的因素較多，并且這些因素之間也可能會(huì)互相影響。下面就從污層成分、材料表面性能、表面電場(chǎng)、負(fù)荷電流、環(huán)境條件等方面分別進(jìn)行闡述。

2.1 污層成分

污穢的成分比較復(fù)雜，按來(lái)源可分為工業(yè)型污穢和自然型污穢。常見(jiàn)的工業(yè)型污穢有化工污穢、水泥污穢、煤煙污穢、冶金污穢等;常見(jiàn)的自然型污穢有塵土污穢、鹽堿污穢、海水鹽霧污穢等。通常的污穢是自然污穢和工業(yè)污穢的混合。

按照污穢物是否溶于水，可將污染物分為可溶解污穢和非溶解污穢，或者惰性成分［13］。對(duì)于可溶于水的污染物，一般用等值鹽密(ESDD)來(lái)表征;對(duì)于非溶解成分，一般用灰密(NSDD)來(lái)表征。一般來(lái)說(shuō)，人們更多的是關(guān)注等值鹽密。但試驗(yàn)表明，在相同的等值鹽密水平下，灰密的增加會(huì)導(dǎo)致閃絡(luò)電壓的降低［13］。

如果外絕緣表面污層還有導(dǎo)電顆粒，這些顆粒通過(guò)改變表面電場(chǎng)來(lái)影響污閃的發(fā)生。文獻(xiàn)［14］指出，一般外絕緣表面有導(dǎo)電顆粒時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于沒(méi)有導(dǎo)電顆粒的電場(chǎng)強(qiáng)度，而且電場(chǎng)強(qiáng)度隨著導(dǎo)電顆粒的長(zhǎng)度增加而增加，隨導(dǎo)電顆粒的直徑增加而減少。

2.2 材料表面性能

目前來(lái)看，材料表面性能對(duì)污閃的影響主要是兩個(gè)方面，一是表面熱量產(chǎn)生，二是憎水性。

文獻(xiàn)［15］指出，在帶電的情況下，外絕緣表面材料的不同，會(huì)導(dǎo)致表面溫度的不同，進(jìn)而影響閃絡(luò)過(guò)程中的干區(qū)的形成。由這種干區(qū)的形成而產(chǎn)生的局部電弧，從短期來(lái)說(shuō)，會(huì)對(duì)污閃有抑止作用，但長(zhǎng)期來(lái)說(shuō)，可能會(huì)引起材料老化，而對(duì)其電氣和機(jī)械性能產(chǎn)生不利影響。

外絕緣表面的憎水性直接影響污染物的沉積、表面潮濕程度、表面電阻，以及表面水珠的大小及形狀。而表面電阻和水珠大小及形狀，又影響表面局部場(chǎng)強(qiáng)的分布，從而影響污閃的發(fā)生。一般來(lái)說(shuō)，硅橡膠具有很好的憎水性，而陶瓷則是親水材料。由于外絕緣表面各部分會(huì)有不同的污染和濕潤(rùn)狀態(tài)，就是同一材料的外絕緣表面的不同地方，也會(huì)有不同的憎水性，而局部放電往往會(huì)從憎水性較弱的區(qū)域開(kāi)始［16］。

2.3 表面電場(chǎng)

放電一般來(lái)說(shuō)都是由高電場(chǎng)所引起的。對(duì)終端表面電場(chǎng)的影響有三部分組成:表面電阻的不均勻分布、附著的水珠的形狀及屏蔽斷口電應(yīng)力控制。

文獻(xiàn)［17］指出，外絕緣表面橢圓形的水珠分布比球形水珠分布的場(chǎng)強(qiáng)大，最大可高出60%。場(chǎng)強(qiáng)的集中，會(huì)導(dǎo)致濕氣在電場(chǎng)力的作用進(jìn)入橡膠絕緣表層;而電場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)隨水珠電阻的增加而減少。同時(shí)，水珠也會(huì)因電場(chǎng)而被拉長(zhǎng)或移動(dòng)。

對(duì)于電纜終端來(lái)說(shuō)，電纜屏蔽斷口的場(chǎng)強(qiáng)的控制是尤為重要。目前對(duì)于110 kV電纜終端來(lái)說(shuō)，電應(yīng)力的控制方法主要是應(yīng)力錐法，但由于絕緣結(jié)構(gòu)的不同，充油終端和全干式終端的表面電場(chǎng)會(huì)有較大差異。如圖2所示，充油終端的表面場(chǎng)強(qiáng)一般會(huì)比全干式終端的場(chǎng)強(qiáng)要低。從這一點(diǎn)來(lái)說(shuō)，在相同環(huán)境下，充油終端會(huì)比全干式終端的閃絡(luò)電壓高。

圖2 充油式和全干式終端電場(chǎng)分布

2.4 負(fù)荷電流

負(fù)荷電流對(duì)終端表面的閃絡(luò)的影響，主要是通過(guò)導(dǎo)電線(xiàn)芯的溫度的變化來(lái)改變終端表面溫度，從而影響干區(qū)形成。這一點(diǎn)，對(duì)全干式終端影響可能更明顯些。

文獻(xiàn)［18］在其他條件相同的情況下，對(duì)10 kV冷縮式終端在電纜線(xiàn)路無(wú)負(fù)荷和滿(mǎn)負(fù)荷兩種狀態(tài)進(jìn)行500 h污閃試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表1。從表1可知，試驗(yàn)均未失敗，而且滿(mǎn)負(fù)荷狀態(tài)下，終端的污閃性能更好。

表1 負(fù)荷電流對(duì)終端閃絡(luò)性能的影響

2.5 環(huán)境條件

環(huán)境條件也對(duì)污閃有很大的影響，如閃絡(luò)電壓會(huì)隨著氣壓的降低而降低［19］;濕度對(duì)閃絡(luò)電壓的影響則有從增加到飽和，然后迅速下降的過(guò)程;而在同一絕對(duì)濕度下，溫度越低閃絡(luò)電壓越高［20］。

現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，覆冰外絕緣的閃絡(luò)大多數(shù)發(fā)生在融冰期，融冰水在冰體表面形成水膜是閃絡(luò)發(fā)生的一個(gè)重要環(huán)境條件［21］。

由于工業(yè)的發(fā)展，酸雨對(duì)外絕緣腐蝕及對(duì)污閃的影響則不容忽視。特別對(duì)硅橡膠來(lái)說(shuō)，為增強(qiáng)其機(jī)械性能及抗電痕性能，以氫氧化鋁作為添加劑，而酸雨很容易使氫氧化鋁溶解，由于酸雨導(dǎo)致的局部電弧的熱量還會(huì)導(dǎo)致氫氧化鋁進(jìn)一步損失。硅橡膠中的憎水集團(tuán)也會(huì)因酸雨而老化。幸好的是，硅橡膠有憎水恢復(fù)性，當(dāng)外絕緣表面干燥后，其憎水性的恢復(fù)保證其不會(huì)快速老化［22］。

3 目前戶(hù)外終端的污閃選型方面的問(wèn)題

在目前的110 kV戶(hù)外終端的選型中，對(duì)于污閃方面主要依據(jù)GB/T 5582—93《高壓電力設(shè)備外絕緣污穢等級(jí)》、GB/T 16434—96《高壓架空線(xiàn)路和發(fā)電廠、變電所環(huán)境污區(qū)分級(jí)及外絕緣選擇標(biāo)準(zhǔn)》和JB/T 5895—91《污穢地區(qū)絕緣子使用導(dǎo)則》，但這三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都是針對(duì)絕緣子的，并且GB/T 5582—93和GB/T 16434—96還明確說(shuō)明，其是針對(duì)瓷和玻璃材料的。由于沒(méi)有其他標(biāo)準(zhǔn)作為依據(jù)，實(shí)際應(yīng)用中也只能將其作為參考，并且實(shí)際大多數(shù)情況下，也就是僅僅以爬電距離(見(jiàn)表2［23］)，作為選型的依據(jù)。但如上所述，導(dǎo)致終端污閃的因素很多，所以針對(duì)污閃方面的選型時(shí)候，只按爬電比距、簡(jiǎn)單的污染等級(jí)的劃分，在很多時(shí)候是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。

表2 公稱(chēng)爬電比距分級(jí)數(shù)值 (單位:mm/kV)

4 污染環(huán)境下110 kV電纜終端選型應(yīng)注意的問(wèn)題

如上所述，污閃的發(fā)展是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，且影響因素比較多，這些因素之間也會(huì)相互作用。在目前還沒(méi)有一個(gè)直接針對(duì)戶(hù)外終端的選型標(biāo)準(zhǔn)的情況下，我們應(yīng)該在滿(mǎn)足基本性能要求的情況下，根據(jù)使用環(huán)境、產(chǎn)品的特點(diǎn)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際等綜合考慮，作出選型。一般來(lái)說(shuō)，通過(guò)以下幾個(gè)方面來(lái)進(jìn)行:

(1)了解近些年的氣候特點(diǎn)，如溫度、濕度、氣壓、雨季或霧氣時(shí)間長(zhǎng)短等，初步判斷氣象條件對(duì)污閃可能的影響;

(2)了解環(huán)境污染程度，如離化學(xué)污源和爐煙，化工廠、鋁廠、鋼鐵廠、煉油廠等污穢源的遠(yuǎn)近，初步了解可能的污穢類(lèi)型;

(3)對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)污染來(lái)源較為復(fù)雜者，必要時(shí)可進(jìn)行成分分析，如從等值鹽密來(lái)判斷，可能同為Ⅳ級(jí)污染，但污染源的不同，對(duì)不同產(chǎn)品產(chǎn)生的影響是不同的;

(4)了解產(chǎn)品特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際等綜合因素進(jìn)行選型。如產(chǎn)品類(lèi)型的不同，表面電場(chǎng)分布的不同，產(chǎn)品表面材料的不同，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的不同和產(chǎn)品安裝固定方式的不同;考慮到線(xiàn)路設(shè)計(jì)的負(fù)荷率，終端是否可以安裝在戶(hù)內(nèi)而盡可能減少接觸污染源的機(jī)會(huì)，終端在以后的運(yùn)行中是否可以多次停電清洗，現(xiàn)場(chǎng)是否有可以允許的安裝固定方式等。

(5)通過(guò)以上綜合因素來(lái)考慮爬距是否合理。

5 結(jié)束語(yǔ)

(1)隨著電纜用量的增加，大氣污染的加劇，110 kV電纜終端的污閃問(wèn)題會(huì)越來(lái)越突出;

(2)污閃的過(guò)程較為復(fù)雜，影響因素也較多，而這些因素又相互作用;

(3)目前尚無(wú)針對(duì)110 kV電纜終端的污閃標(biāo)準(zhǔn)，甚至也沒(méi)有其污閃方面的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，這將對(duì)產(chǎn)品的選型帶來(lái)一定影響;

(4)目前在實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常僅僅以爬電距離作為110 kV戶(hù)外終端污閃方面的選型依據(jù)，在很多情況下，特別是污染比較嚴(yán)重的情況下，是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。戶(hù)外終端應(yīng)根據(jù)使用環(huán)境、產(chǎn)品的特點(diǎn)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際等因素，綜合考慮后合理地選型。

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