巴基斯坦卡西姆電站及500kV 輸電線路嚴重頻繁污閃事故分析

2021-01-22 07:47:06郭廣領代朝輝閆力美

科學技術創新 2021年3期

蔡斌郭廣領代朝輝賈晟趙晨閆力美

（ 1、中國電建集團海外投資有限公司，北京100048 2、北京世紀航凱電力科技股份有限公司，北京100000）

由中國電建與卡塔爾AMC 共同出資中國建設的裝機2X660MW(超臨界燃煤機組)卡西姆電站自2017 年11 月1 日投運至2019 年3 月12 日。共發生線路故障101 次，故障導致16次全廠失電（包括試送后再次跳閘），機組甩負荷25 臺·次，經濟損失巨大。由于線路故障導致的頻繁全廠失電，對電站機組設備安全造成威脅，嚴重縮短設備使用壽命，全廠失電造成的機組開停機費用、設備部件損壞的修復費用、設備性能下降等直接經濟損失已經高達數百萬美元。極易造成主設備損壞事件的發生，需要接近一年的時間來修復損壞的設備，將給發電公司造成數億美元的重大經濟損失。設備完好是卡西姆電站可持續發展的根本，線路頻繁故障，還嚴重影響機組年度可用率達到PPA 規定的7446 機組利用小時，危及到發電公司的正常運營和可持續發展。為此展開了相關的研究，提出科學有效解決方案，提前實現電站和輸電線路安全運行（自2019 年4 月22 號投運至今未出現過異常停電事故）。

1 影響電站及500kV 輸電線路正常運行原因調查

1.1 電站及500kV 輸電線路基本情況

卡西姆電站及500kV 出線，部分位于阿拉伯海灘。所處環境為空氣濕度大、高溫、高污染地區。而卡西姆電站500kV 送出線路工程，起自卡西姆港燃煤電站，止于默蒂亞里500kV 變電站，一期線路全長55.7km。自卡西姆港燃煤電站起12km 線路緊鄰阿拉伯海，途經卡拉奇工業區，附近電廠、煉油廠等重污染重工廠密集；12km-21km 距離阿拉伯海及重污染工程均超過5km，周邊城鎮較為密集，交通發達；21km-55.7km,線路處于沙漠地區，線路走廊附近幾乎無村鎮，無工廠污染，交通落后從對電站和送出線路的調研及每次事故的分析認為；電站頻繁跳閘事故是由線路嚴重污穢引起的絕緣子閃絡造成的。

1.2 電站及輸電線路污穢閃絡原因

根據故障測距保護數據分析，閃絡大多發生在距電站21km之間。洽是經過阿拉伯海及重污染性工廠排放地區，煙氣、灰塵等污穢物大量附著絕緣子表面，當遇見濕潤氣象條件時，形成導電層的可溶污穢物和不可溶污穢物粘在一起，其表面流過泄露電流，甚至引起空氣擊穿，形成一次單相接地故障，即污穢閃絡。另外根據現場運行觀察也證實了這點。

形成污穢閃絡的必要條件為：

（1）絕緣子表面附著大量污穢物或霧狀電解質。

（2）濕潤氣象條件發生。

（3）線路絕緣能力設計不足。

（4）有其它先天設計缺陷。

為找出線路絕緣子大面積閃絡的原因，對以上四個方面進行核查。

卡西姆電站及500kV 送出線路（由巴國施工，歐洲某國設計），線路耐張絕緣子串采用4×160kN 防霧型絕緣子，懸垂絕緣子串采用2×160kN 防霧型絕緣子，絕緣子每聯配置43 片（由日本NGK 生產），自卡西姆港燃煤電站起12km 線路，位于工業園區，周圍重污染性工廠排放的煙氣、灰塵等污穢物大量附著絕緣子表面；同時線路臨近海岸線，空氣濕度較大。

從現場更換下絕緣子表面不難看出污穢的嚴重程度（如在絕緣子表面用手擦拭會出現一黑色油墨狀的條痕）。

（此絕緣子串為出線第四級耐張塔A 相，出線12km 均存在類似的表面污穢現象）。在陰天或潮濕季節（特別是在有海風時）會出現大面積的整串絕緣子連續閃絡現象。

由此可見，卡西姆電站及其500kV 送出線路發生閃絡滿足（1）、（2）條件。

那么是否存在線路絕緣能力設計不足？為此對卡西姆電站及500kV 送出線路絕緣設計進行核實計算（中國國內500kV 電壓等級要求）[1]。

2 對卡西姆電站及500kV 送出線路進行驗證計算

首先查閱了卡西姆地區的10 年氣象資料、周邊的污染源、分析了污染源的成分、確定了卡西姆地區污穢的類型和等級[2]。

2.1 調查卡西姆電站500kV 送出線路的大氣污穢，分析形成污穢閃絡的氣象條件。

（1）工業污穢情況，本工程涉及的工業污穢主要指沿線的大型工廠排污，工業污染排放物易在絕緣子表面沉淀，嚴重影響絕緣子的絕緣性能，因此對沿線電廠（40km）、冶金（40km）、水泥廠（40km）、煉焦廠、磚瓦陶瓷等企業，調查污染排放情況、與線路相對位置關系等。

（2）生活污穢情況，本工程涉及的生活污穢主要指沿線的重要交通線路。由于交通干線附近的線路絕緣子表面更容易積污，因此要調查與附近公路相對位置關系等。

（3）自然污穢調查，本工程涉及的自然污穢主要指沿線的大氣降塵及風沙。

本工程生活污穢及自然污穢較為單一，沿線的主要交通線路為電站附近工業區內公路和高速公路N5，其余為小型公路或土路，對線路絕緣影響較小，但會成為形成污閃的附加因素；輸電線路進入沙漠后，受風沙天氣影響較大，細微的沙粒或塵土，隨風附著在絕緣子表面，由于強降雨極少，絕緣子自潔能力有限，會成為形成污閃的附加因素。

生活污穢及自然污穢由于自身形成污穢物密度有限和沉積時間漫長，較難成為輸電線路污穢閃絡的主因，根據本工程運行狀況調研，輸電線路應主要受工業污穢影響最大，對沿線污穢源調研如下：

a.ASG 金屬處理廠；

b.Sharif 油廠；

c.PAKISTAN TEX BOARD BIN QASIM（巴基斯坦卡西姆TEX BOARD BIN 油處理廠）；

d.TAHIR UMAR 油廠；

e.DEWAN/PAKLAND 水泥工廠。

表1 部分污源污穢物成分分析結果單位：mg/L

圖1 各廠污染物成分占比分析

2.2 氣象資料的收集及污穢等級確定

氣象條件包含風速風向、降雨量、小雨天數、最長霧日數、平均溫度、平均濕度等，風速風向直接影響著污染物的有利驅散和有害擴散情況，即存在因為大風將污染源的污穢帶到遠離污染源的輸電線路，降低輸電線路絕緣能力，也存在大風驅散了接近污染源的輸電線路附近的污穢物。降雨較大的地區，絕緣子自潔能力較強，但是小雨天和大霧天是引發污閃的主要條件，絕緣子表面沉積污穢后，在干燥的情況下，極難出現污穢閃絡，相反在潮濕的條件下易發生污閃。

收集卡拉奇地區氣象站1981-2010 年歷年的氣溫、氣壓、降雨量等常規氣象項目實測資料進行統計，各項統計成果見表2。

表2 卡拉奇地區1981-2010 年氣象條件

根絕本工程沿線地質氣象條件和污染源調查結果，確定污穢類型如下：

（1）自卡西姆港燃煤電站起12km 的線路，屬于典型的沿工業型區域，同時臨近海岸線，空氣濕度較大，為污穢閃絡提供了更有力的條件。受周圍工業密集區排放的煙氣、灰塵等影響嚴重，絕緣子表面附著較厚的固體污穢物，當遇見濕潤條件時，形成導電層的可溶污穢物和粘在一起的不可溶污穢物。

（2）12km-21km 線路屬于A 類污穢型，該段屬于工業型環境，但是距離工業園區大于5km，距離南部沿海區域大于5km，北部距離沙漠環境接近5km，同時受工業污穢、沿海濕氣及沙漠環境的影響，并且城鎮較為密集，交通較為發達，會受到工業型污穢閃絡和沙漠型污穢閃絡的綜合影響。

（3）21km-55.7km 線路屬于A 類污穢型，砂質土壤，干旱期持續時間很長，面積廣闊。這些地區的污穢層統籌含有溶解速度緩慢的鹽并且NSDD 水平很高，絕緣子主要被風帶來的污穢物所染，自然清潔可以發生在稍有的下雨期或者強風形成的“吹沙”時，雨水稀少并且鹽的溶解性差，自然清潔效果較差。絕緣子凝露現象可能經常產生臨界濕潤，導致絕緣子閃絡。電站12km-21km 線路屬于A 類污穢型，該段屬于工業型環境，但是距離工業園區大于5km，距離南部沿海區域大于5km，北部距離沙漠環境接近5km，同時受工業污穢、沿海濕氣及沙漠環境的影響，并且城鎮較為密集，交通較為發達，會受到工業型污穢閃絡和沙漠型污穢閃絡的綜合影響。[2]

2.3 現場污穢度（SPS）的確定

根據上述沿線污染源調研結果及污穢類型的鑒定，可得本工程典型環境情況：自卡西姆港燃煤電站起12km 線路，同時屬沿海型區域和工業型區域，線路緊鄰阿拉伯海岸線，距海岸線在5km 范圍以內，同時附近煉油廠等污染重工業密集，距最近廠礦在5 km 范圍以內。12km-21km 線路介于工業型區域和沙漠型區域之間，受兩者綜合影響。21km-55.7km 線路屬于荒漠型環境，沿線地質為沙質土壤，干旱持續時間長。

根據IEC/TS 60815-1（2008），給出一些典型環境及其現場污穢度和污穢類型進行細分，相應等值鹽密距離規定的工業污染源和交通干線遠的取下限值，距離近的取上限值；積污期干旱少霧取下限值，持續霧日多，取上限值。由此可以得出：

卡西姆港燃煤電站起12km 線路，近似于E7 典型環境，同時屬沿海型區域和工業型區域，可按照e 基污穢區配置絕緣。12km-21km 線路介于工業型區域和沙漠型區域之間，近似于E5 典型環境，可按照d 基污穢區配置絕緣。21km-55.7km 線路屬于荒漠型環境，近似于E3 典型環境，可按照c 基污穢區上限配置絕緣。

2.4 參考統一爬電比距（RUSCD）的確定

自卡西姆港燃煤電站起12km 線路，近似于E7 典型環境，不溶沉淀物密度NSDD 約1.0mg/cm2，等值鹽密ESDD 約0.7mg/cm2。12km-21km 線路近似于E5 典型環境，不溶沉淀物密度 NSDD 約 0.5mg/cm2，等值鹽密 ESDD 約 0.3mg/cm2。21km-55.7km 線路近似于E3 典型環境，不溶沉淀物密度NSDD約0.3mg/cm2，等值鹽密ESDD 約0.08mg/cm2。

圖2 爬電比距（RUSCD）和現場污穢度（SPS）對應關系

如圖2 所示：根據IEC/TS 60815-1（2008）中參考統一爬電比距（RUSCD）和現場污穢度（SPS）對應關系，自卡西姆港燃煤電站起12km 線路，可按照不小于60mm/kV 配置絕緣。12km-21km 線路屬于荒漠型環境，可按照不小于45mm/kV 配置絕緣。21km-55.7km 線路屬于荒漠型環境，可按照不小于37mm/kV 配置絕緣。

3 絕緣配置現狀及要求

輸電線路的絕緣配合，應使線路在工頻電壓、操作過電壓、雷電過電壓等各種條件下安全可靠地運行。操作過電壓和雷電過電壓對絕緣子串片數選擇不起控制作用，一般按工頻電壓選擇絕緣子串片數。

3.1 本工程絕緣子外形型式

本工程采用NGK 的FOG TYPE CORROSION-PROOF SUSPENSION INSULATOR M&E STRENGTH：16500KG（耐污型防腐懸式絕緣子- 機電破壞負荷16.5 噸）。

該種型式絕緣子工程應用中懸垂串垂直安裝、耐張串同時存在水平按照和垂直安裝情況，這種外形的優缺點是：在下雨、薄霧等條件下，其下表面受潮較慢，與相同尺寸的標準外形相比，深下棱形狀使單片爬電距離得到延長；缺點是下表面自潔能力較差，尤其在耐張串水平安裝時，深下棱的下表面易形成積污。

3.2 絕緣子片數設計核實

絕緣子串片數的選擇應能使線路在工頻電壓、操作過電壓、雷電過電壓等各種條件下安全可靠的運行；因此，絕緣子串片數的選擇應能滿足上述三種狀況的要求。

電網由于受到大氣污染的影響，外絕緣水平一般由工作電壓控制。因此，輸變電設備外絕緣配置主要取決于絕緣子的耐污閃能力，絕緣子片數選擇也主要取決于工作電壓下的污穢耐壓特性，所以，一般是根據污穢性能選定絕緣子片數。[3]

由工頻電壓爬電距離要求的絕緣子串片數應符合下式要求：

式中：

N 每串絕緣子串片數，片；

Um系統額定電壓，kV；

Ke絕緣子爬電距離的有效系數；

Lo每片懸式絕緣子的幾何爬電距離，cm；

λ 爬電比距，cm/kV；

表3 單串絕緣子核算結果

3.3 多串并聯條件對絕緣子片數選擇的影響

現有的研究結果表明，絕緣子串的污閃概率與絕緣子串的閃絡電壓和串長之間呈現正態分布，而標準正態分布公式為：

對單串絕緣子來說，在特定污穢度及運行電壓下，絕緣子串的污穢閃絡概率P(u)可通過絕緣子的50%污穢閃絡電壓U50%和標準偏差σ 來表示：

式中：U 為絕緣子的運行電壓；u 為絕緣子的耐受電壓；σ標準偏差；U50%為絕緣子的50%污穢閃絡電壓。

對于多串并聯絕緣子串的串長設計時，除串間相互的影響外，還應考慮，即使并聯絕緣子串間距較大、相互間不存在降低絕緣子污閃電壓的影響時，維持多串并聯絕緣子串的整體閃絡概率不降低。對于單串閃絡概率和多串閃絡概率之間的關系，可用如下關系式表達：

式中：

Pn為并聯絕緣子串的閃絡概率；

P1為單個絕緣子串的閃絡概率；

n 為并聯串數。

對于多串并聯絕緣子串，即使并聯絕緣子串間距足夠大、相互間不存在降低絕緣子污閃電壓的影響時，該并聯絕緣子串的閃絡概率也會有所增加。

以本工程4 串絕緣子并聯為例，此時4 聯串的閃絡概率（P4）為：

P4=1-(1-P1)4=0.539%

顯然，為了保持整條線路設計的統一性，同時也使系統運行的安全性不降低，需要增大每串的串長，提高單串絕緣子的耐受電壓（U1）從而使6 聯串的閃絡概率（P6）仍保持為0.135%。根據計算，當

P4=1-(1-P1)4=0.135%

時，單串絕緣子的閃絡概率（P1）應為0.034%。此時，該單串絕緣子中的每片絕緣子的耐受電壓應降為：

單串絕緣子的耐受電壓與單串絕緣子的串長的關系為：

當б 取7%時，即單串絕緣子的串長應增加3.9%；當б 取8%時，即單串絕緣子的串長應增加4.6%

根據上述結論，本工程耐張串采用4*160kN 串型，在絕緣配置方面，需增加4.6%×40=2.02 片，即耐張串在配置44 片絕緣子的基礎上（原設計為44 片。由于桿塔檔距的限制，不可能在增加絕緣子的片數來提高絕緣水平），需再增加2 片。

表4 四串并聯絕緣子核算結果

4 用數值計算查找其它原設計缺陷

經在巴國幾個月的考查，發現盡管原設計存在線路絕緣子絕緣不夠的問題，但就其原設計留有的裕度也不至于嚴重到一年兩個月的時間跳閘98 次。是否還有其它先天設計缺陷呢？在對500kV 線路正常運行時的觀察發現，在正常運行電壓下距導線側最近的幾片絕緣子電暈聲極大（大大超出國內500kV 線路）。為此，對卡西姆電站及500kV 送出線路絕緣子電位分布進行了數值計算。