光催化防污閃絕緣子在高海拔重污穢地區(qū)的應(yīng)用

黃恒,蔡曉斌,胡俊濤,戴文新,袁齊坤,苗俊,李榕良,李憲鈞,楊剛

(1.昆明理工大學(xué)電力工程技術(shù)有限公司,昆明 650000; 2.云南電網(wǎng)公司曲靖供電局,云南 曲靖 655000; 3.福州大學(xué)國(guó)家環(huán)境光催化工程技術(shù)研究中心,福州 355000)

光催化防污閃絕緣子在高海拔重污穢地區(qū)的應(yīng)用

黃恒1,蔡曉斌2,胡俊濤1,戴文新3,袁齊坤2,苗俊2,李榕良2,李憲鈞1,楊剛1

(1.昆明理工大學(xué)電力工程技術(shù)有限公司,昆明 650000; 2.云南電網(wǎng)公司曲靖供電局,云南 曲靖 655000; 3.福州大學(xué)國(guó)家環(huán)境光催化工程技術(shù)研究中心,福州 355000)

介紹利用高壓光催化防污閃絕緣特性減少和抑制污閃發(fā)生的方法;結(jié)合高海拔、重污穢地區(qū)特點(diǎn),通過(guò)絕緣配合計(jì)算選用光催化防污閃絕緣子串掛網(wǎng)片數(shù)。

光催化;絕緣子;高海拔重污穢;絕緣配合;污閃

1 前言

我國(guó)海拔1 000 m以上地區(qū)約占國(guó)土面積的60%,高壓輸電不可避免的要經(jīng)過(guò)高海拔地區(qū),電氣設(shè)備在高海拔地區(qū)受氣壓、溫度、濕度等因素的影響,無(wú)論是空氣間隙的放電電壓、導(dǎo)線電暈起始電壓、還是污閃電壓都會(huì)隨海拔高度升高而降低,在重污穢環(huán)境下的外絕緣問(wèn)題更為突出。

2 高海拔重污穢地區(qū)特點(diǎn)

2.1 海拔對(duì)閃絡(luò)電壓的影響

隨海拔升高,氣壓、溫度、濕度都對(duì)放電電壓有影響。試驗(yàn)表明：大氣中間隙的放電電壓隨空氣密度的增大而提高。隨海拔高度的增加,大氣壓力下降,空氣密度變小,導(dǎo)致外絕緣的放電電壓隨之下降。絕緣子表面空氣的臨界擊穿電壓隨著氣壓的降低而降低,污穢度相同時(shí),低氣壓下一旦形成干區(qū),會(huì)比常壓下更容易形成局部電弧,因此,高原環(huán)境中絕緣子污閃電壓比常壓時(shí)低,目前普遍結(jié)論為：

U=U(P/P)n

(1)

oo

式中：Po表示海拔高度為0 m時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)大氣壓;Uo為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓Po時(shí)的絕緣子污閃電壓;n為氣壓對(duì)污閃電壓影響程度的下降指數(shù)。

2.2 海拔、污穢對(duì)絕緣子片數(shù)的影響

根據(jù)GB/T50545-2010,絕緣子配合設(shè)計(jì)采用爬電比距法時(shí),絕緣子片數(shù)由式 (2)：

式中no-每串絕緣子片數(shù);

λ為系統(tǒng)標(biāo)稱電壓下的爬電比距,cm/kV;U為系統(tǒng)標(biāo)稱電壓,kV;Lo1為單片絕緣子幾何爬電距離,cm;Ke絕緣子爬電距離的有效系數(shù)。

當(dāng)海拔超過(guò)1 000 m時(shí),懸垂絕緣子片數(shù)由式 (3)修正：

nH為高海拔地區(qū)每串絕緣子片數(shù);H為海拔高度,km;m1為特征指數(shù)。

(2)(3)式中,λ,Ke,m1這三個(gè)參數(shù)都隨鹽密度不同而變化,因而相對(duì)于海拔高度,污穢對(duì)絕緣子掛網(wǎng)片數(shù)的影響要復(fù)雜的多。

上述特性表明,高海拔地區(qū)中高壓絕緣子的防污閃性能降低是一種普遍現(xiàn)象,解決此問(wèn)題的關(guān)鍵在于進(jìn)一步提高絕緣子本身的防污閃性能。福州大學(xué)國(guó)家環(huán)境光催化工程技術(shù)研究中心主導(dǎo)開(kāi)發(fā)的光催化防污閃絕緣子具有降解有機(jī)污垢、提高閃絡(luò)電壓的特性[2-3],有可能是有效防止高海拔重污穢地區(qū)污閃事故的途徑之一。

3 高壓光催化防污閃絕緣子

由于TiO2無(wú)毒、物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、催化活性高、制備工藝簡(jiǎn)單、可重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn),已成為應(yīng)用最廣泛的光催化原料。該光催化技術(shù)首次應(yīng)用于絕緣子,在普通瓷質(zhì)或玻璃絕緣子表面鍍上一層TiO2薄膜制成光催化防污閃絕緣子,在太陽(yáng)光 (自動(dòng)吸收紫外光)作用下,光催化薄膜可分解吸附在其表面的大多數(shù)有機(jī)污染物 (如碳?xì)浠衔飳⒈贿€原成CO2和H2O)和部分無(wú)機(jī)物污染物,降低絕緣子表面的親油性能,使得親油的灰塵顆粒及其他污穢不易吸附在其表面,而殘留的有機(jī)分解物和無(wú)機(jī)物會(huì)被風(fēng)吹雨淋帶走。因此,絕緣子表面在陽(yáng)光、雨水和風(fēng)等自然條件作用下可長(zhǎng)期保持自潔凈,使得污穢無(wú)法生成和累積,最終實(shí)現(xiàn)防污閃目的。另外,TiO2薄膜的光致高親水性、半導(dǎo)體涂層均布電場(chǎng)特性也對(duì)局部干區(qū)、局部高場(chǎng)強(qiáng)有一定的抑制作用[4-5]。

光催化防污閃絕緣子的制備工藝主要包括：光催化劑的制備、涂層、熱處理工藝。光催化劑制備采用溶膠方法;涂層工藝用旋轉(zhuǎn)噴涂法,考慮到絕緣子的曲面幾何形狀,設(shè)置上中下三個(gè)噴頭進(jìn)行旋噴出料以保證涂層的均勻;熱處理工藝使用輥道窯,燒結(jié)溫度在400～500℃。成品通過(guò)掃描電鏡 (SEM)、原子力顯微鏡 (AFM)測(cè)試,結(jié)果顯示：膜層厚度為300～400 nm,TiO2粒子尺寸在10～30 nm之間;X射線衍射 (XRD)測(cè)試表明膜層為期望的銳鈦礦結(jié)構(gòu)TiO2;紫外-可見(jiàn)漫反射光譜測(cè)試表明膜層在波長(zhǎng)小于360 nm處有明顯的紫外吸收特征。

淋雨沖刷實(shí)驗(yàn)和酸堿處理實(shí)驗(yàn)分別驗(yàn)證光催化膜層的穩(wěn)定性和耐酸堿性能,以流速60 ml/s降水沖刷絕緣子表面12小時(shí)后放置12小時(shí),重復(fù)6次為一個(gè)循環(huán),處理后絕緣子表面膜層無(wú)任何變化;利用PH值4～9的酸、堿溶液以及鹽溶液處理光催化絕緣子表面后,再用水彩涂覆到絕緣子表面,在紫外光照射下水彩褪色,該實(shí)驗(yàn)表明光催化膜層經(jīng)過(guò)酸堿腐蝕后,依然具有降解有機(jī)物的能力。光催化絕緣子的機(jī)械性能、電氣性能也經(jīng)過(guò)測(cè)試,其中耐磨性遠(yuǎn)好于普通絕緣子,說(shuō)明熱處理后的膜層致密且與基底附著力強(qiáng),其他各項(xiàng)參數(shù)均與普通絕緣子相當(dāng),對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表1。

4 實(shí)際掛網(wǎng)應(yīng)用

TiO2光催化涂層絕緣子在非帶電情況下的降解油污、戶外抗積污 (5年以上)、光致親水性已得到大量實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證,而帶電掛網(wǎng)應(yīng)用在國(guó)內(nèi)外尚屬空白;人工氣候室能在加載高壓的情況下,模擬同海拔高度氣壓、鹽霧、溫度、降水等參數(shù)[6],但光催化防污閃絕緣子的效果需要陽(yáng)光、雨水的共同作用,且自然環(huán)境下污穢成分也因污染源不同而有明顯的小區(qū)域差異,實(shí)際積污也是一個(gè)漫長(zhǎng)、動(dòng)態(tài)的過(guò)程。因而,只有通過(guò)較長(zhǎng)時(shí)期的帶電掛網(wǎng)運(yùn)行、運(yùn)行中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、運(yùn)行后電氣性能對(duì)比測(cè)試等工作才能準(zhǔn)確、全面反映光自潔防污閃絕緣子的實(shí)際效果。掛網(wǎng)設(shè)計(jì)中,高壓光催化防污閃絕緣子自身的絕緣強(qiáng)度是需要首先考慮的問(wèn)題。相對(duì)于普通絕緣子,高壓光催化絕緣子表面TiO2涂層微弱的漏電流雖然能改善絕緣子局部電場(chǎng)畸變,但這層10～102納米級(jí)別的半導(dǎo)體層是否會(huì)影響絕緣子絕緣性能并無(wú)經(jīng)驗(yàn)借鑒。在掛網(wǎng)前,對(duì)普通、光催化絕緣子串的濕閃絡(luò)電壓進(jìn)行測(cè)試,試驗(yàn)結(jié)果表明高壓光自潔防污閃絕緣子閃絡(luò)電壓符合掛網(wǎng)要求,且濕耐受時(shí)間高于普通絕緣子。結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 普通絕緣子與光催化絕緣子性能對(duì)比測(cè)試

表2 掛網(wǎng)前濕閃絡(luò)測(cè)試

為保證電力系統(tǒng)正常運(yùn)行,絕緣子串的設(shè)計(jì)也必須達(dá)到規(guī)定的絕緣強(qiáng)度。如果絕緣水平確定太低,會(huì)有安全隱患;但如果確定過(guò)高,簡(jiǎn)單的采用增加絕緣子片數(shù)以提高單位泄露距離的方式增強(qiáng)絕緣強(qiáng)度,會(huì)導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)的不合理,因此在確定絕緣水平上需要統(tǒng)籌兼顧[7]。

在高海拔重污穢地區(qū),由于紫外輻射,酸雨侵蝕等,RTV、復(fù)合絕緣子的外絕緣特性、憎水性和憎水遷移性會(huì)加速衰減[8～10],從而導(dǎo)致此類絕緣子使用壽命大打折扣;而豐富的紫外光,充沛的雨水以及TiO2自身化學(xué)性質(zhì) (耐酸堿)的穩(wěn)定性,正好適合在光催化絕緣子在此類地區(qū)推廣應(yīng)用。對(duì)眾多污穢地區(qū)進(jìn)行掛網(wǎng)試應(yīng)用,掛網(wǎng)至今最長(zhǎng)已運(yùn)行三年,三年來(lái)定期檢測(cè)積污程度、線路運(yùn)行情況。掛網(wǎng)至今,自潔凈功能得到用戶的肯定,實(shí)現(xiàn)了免清洗且線路運(yùn)行良好,未發(fā)生任何污閃事故。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)濕閃絡(luò)測(cè)試和絕緣配合計(jì)算驗(yàn)證了光催化防污閃絕緣子具有應(yīng)用基礎(chǔ)。實(shí)際掛網(wǎng),運(yùn)行至今未發(fā)生任何污閃事故;三年掛網(wǎng)運(yùn)行結(jié)束后,還將對(duì)掛網(wǎng)點(diǎn)的光自潔、普通絕緣子進(jìn)行濕閃絡(luò)、鹽密、灰密對(duì)比測(cè)試,對(duì)不同污染源掛網(wǎng)樣品進(jìn)行定量對(duì)比,以分析、評(píng)定光自潔絕緣子針對(duì)不同污染源防治污閃的實(shí)際效果。另外,在掛網(wǎng)應(yīng)用中,針對(duì)光催化涂層絕緣子的爬電比距有效系數(shù)Ke、特征指數(shù)m1、污閃隨氣壓的下降系數(shù)n等電氣參數(shù)也將開(kāi)展與常規(guī)絕緣子的對(duì)比分析。研究上述問(wèn)題,需要基礎(chǔ)研究和應(yīng)用究相結(jié)合,通過(guò)大量深入細(xì)致的試驗(yàn)來(lái)確定,這對(duì)光催化防污閃絕緣子在超高壓乃至特高壓等級(jí),海拔、污穢更苛刻地區(qū)的應(yīng)用有重要意義。

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10月27日,南瑞集團(tuán)穩(wěn)定公司、國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電科院、華北電力大學(xué)共同承擔(dān)的國(guó)網(wǎng)公司重點(diǎn)科技項(xiàng)目-"災(zāi)害磁暴對(duì)大電網(wǎng)安全運(yùn)行的影響及防御技術(shù)研究"通過(guò)國(guó)網(wǎng)山東省電力公司組織的科技成果鑒定。

委員會(huì)專家認(rèn)為該項(xiàng)目成果首次圍繞中低緯度磁暴對(duì)電網(wǎng)安全影響及防御技術(shù)開(kāi)展研究,總體達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平,對(duì)于防御災(zāi)害磁暴引發(fā)大停電,保障電網(wǎng)安全和社會(huì)穩(wěn)定具有巨大的潛在經(jīng)濟(jì)效益,所提出的災(zāi)害磁暴引發(fā)電網(wǎng)設(shè)備群發(fā)性故障概率的在線評(píng)估方法、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)及其一體化防御框架為國(guó)際首創(chuàng),一致同意該項(xiàng)目通過(guò)鑒定。該項(xiàng)目對(duì)災(zāi)害磁暴影響大電網(wǎng)安全運(yùn)行的機(jī)理、預(yù)警以及應(yīng)急防御開(kāi)展相關(guān)基礎(chǔ)性研究,著重研究災(zāi)害磁暴對(duì)我國(guó)特高壓交直流混聯(lián)大電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的影響、監(jiān)測(cè)預(yù)警及應(yīng)急防御問(wèn)題。并在此基礎(chǔ)上,給出災(zāi)害磁暴對(duì)我國(guó)當(dāng)前和規(guī)劃電網(wǎng)安全運(yùn)行影響的評(píng)估、計(jì)算結(jié)果,相應(yīng)的監(jiān)測(cè)預(yù)警和應(yīng)急預(yù)案以及防御控制方法。

該項(xiàng)目進(jìn)一步豐富和充實(shí)我國(guó)電力界首創(chuàng)并積極研究應(yīng)用的涵蓋極端外部災(zāi)害停電防御的廣域動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)分析控制保護(hù)系統(tǒng) (WARMAP)建設(shè),為構(gòu)建中國(guó)特色的堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)提供理論和技術(shù)支撐,為防范磁暴災(zāi)害提供科學(xué)依據(jù)和后續(xù)工程建設(shè)創(chuàng)造試驗(yàn)環(huán)境,項(xiàng)目的前沿性、科學(xué)意義和推廣實(shí)用價(jià)值巨大。(信息來(lái)源：國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院)

Application of Photocatalytic Induced Self-cleaning Insulator in High Altitude Heavy Pollution Areas

HUANG Heng,CAI Xiaobin,HU Juntao,DAI Wenxin,YUAN Qikun,
MIAO Jun,LI Rongliang,LI Xianjun,YANG Gang
(1.KMUST Electric Power Engineering Technology Co.,Ltd,Kunming 650000; 2.Qujing Electric Power Supply Bureau,Qujing,Yunnan 655000; 3.National Enginneering Center of Environmental Photocatalysis,Fuzhou University,Fuzhou 355000)

Based on the characteristics of photocatalytic,hydrophilc,uniform distributing the electric field,the photoinduced selfcleaning high-voltage insulator can inhibite the pollution flashover.The pieces of insulator string under the power grid at high altitude and heavy pollution areas were calculated based on insulation coordination.The insulations appled for the high-voltage lines in China Southern Power Grid of Yunnan.Operation conditions of lines functioned well.and the pollution flashover never occurred in recent three years.

Photocatalytic;Insulator;High altitude and heavy pollution;Insulation coordination;Pollution flashover

TM853

B

1006-7345(2014)01-0078-04

2013-11-05

黃恒 (1974),男,工程師,昆明理工大學(xué)電力工程技術(shù)有限公司,從事光催化絕緣子、防覆冰涂層的研究 (e-mail) 1054237819@qq.com。

資助基金項(xiàng)目：

國(guó)家科技型中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新基金

昆明市科技型中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新基金

中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司科技項(xiàng)目