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冶金污秽区预防污闪措施分析
jiang_0514 发表于 2009/8/20 9:01:12 1948 查看 0 回复 [上一主题] [下一主题]
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[摘要]文中分析了导致冶金厂区电气设备污闪产生的机理，简介了硅橡胶防污增爬裙的技术特性，系统的阐述了预防污闪的技术措施。
1污闪产生机理
电力设备的电瓷表面，受到固体的、液体的和气体的导电物质的污染，在遇到雾、露和毛毛雨等湿润作用时，使污层电导增大，泄漏电流增加，产生局部放电，在运行电压下瓷件表面的局部放电发展成为电弧闪络，这种闪络称为污闪。设备发生污闪，将严重影响电力系统安全运行。且在设备污闪时，重合闸成功率很低，往往造成大面积停电。污闪中所伴随的强力电弧还常导致电气设备损坏，使停电时间延长。这种大面积、长时间的停电给工农业生产和人民生活带来的危害是相当严重的。因此，防止电力设备发生污闪已成为保证电力系统安全生产的重要工作。
电气设备绝缘子的污闪放电机理与绝缘子表面积积污、表面污层湿润、绝缘子本身的耐污闪特性等因素有关。在正常运行状态下，电气设备外绝缘的闪络一般发生绝缘子污秽后受潮时，因在工作电压下，绝缘子的工作条件是有三个偶然因素的作用而决定的，即沿泄漏途径的平均场强EL，污秽密度ρW和受潮强度J。例如线路绝缘子串，平均场强EL=Uφ/L的波动是由于工作电压Uφ在额定值和最大工作值范围内的波动所决定的，这与输电线路的工作状态和绝缘子串在线路上安装的地点有关。而在长时间受潮的污秽绝缘子串上，闪络是发生在受潮开始后的最初10—20min内。在以后的时间内，由于导电杂质被冲刷掉，泄漏电流减小，电流跃变消失了。这就是在雨季，线路外绝缘闪络多发生于初期的原因。目前防污闪所采用的技术措施宜针对以上因素进行，主要为更换大爬距瓷瓶、加装伞裙、喷涂RTV涂料。而硅橡胶防污增爬裙是为了提高绝缘子公称爬电比距而研制的防污闪产品，其采用的有机硅橡胶（Siliconerubbers）是一类以聚硅氧烷为主链的半有机半无机高分子化合物，其自身没有强度，是热塑性物质，单纯的有机硅橡胶正如天然橡胶一样没有实用价值，加入一定量的填充剂补强后，在针对防污闪的技术要求，引入一定量特殊的改性物质，其物理化学性能都大幅提高。
污闪是对供电可靠性危害极大的频发性事故，多发生在秋末冬初和冬末初春季节。在输电线路经过的地区，污闪事故的发生和污秽源性质及污染程度有关。
户外绝缘子在常年的挂网运行中会受到工业污秽或自然界盐碱、飞尘等污染。在干燥情况下，绝缘子表面污层的电阻很大，对闪络电压没有多大影响。但当空气湿度很高，或在毛毛雨、雾、露、雪等不利气候条件下，绝缘子表面污层被湿润，其表面电导剧增，使绝缘子泄漏电流急剧增加，绝缘子的闪络电压大大降低，甚至可能在工作电压下发生闪络。污闪是在工作电压下发生的、常常会造成大面积和长时间的停电事故，莱钢冶金厂区的输电线路故障有60%是污闪造成的，可见污闪对冶金厂区输电线路的安全稳定运行危害特别大。
莱钢冶金厂区的主要污秽源有焦化厂排放的废气中含有SO2、NH2、NO3、Cl2等，遇潮湿空气形成酸碱溶液(酸碱雾)、高炉、转炉生产的冶金粉尘，冶金工业粉尘中有硅铁厂的粉尘、电石厂的粉尘、水泥厂的粉尘等。这些含导电性颗粒的烟尘和化学性污秽源附着在绝缘子表面，将使绝缘水平降低。
污闪事故的发生还与气候条件有关。因为干燥天气，污垢表面电阻较大不易形成闪络。大雨天气，污垢被雨水冲掉，闪络机率也小。而大雾、细雨和溶雪天气，空气湿度很大，绝缘子表面污垢吸潮，某些溶于水的物质发生分解，使表面电阻大大降低，放电电压下降。在过电压下，有时甚至在正常工作电压下发生局部放电，造成污闪事故。由于莱芜地区的特殊地形，其湿润气流受沂蒙山脉阻挡不易扩散，在每年的4、9、10月的月平均湿度相对较大，且风力不大，在逆温层的作用下而形成大雾。这种天气是诱发污闪的主要气候。
污闪有它的规律性：污闪有季节性和气象特性还有时间性。凌晨是污闪出现的高峰，因此时是雾形成的最好时间和降雪雨最多的时段，一般情况下当太阳出来后逆温层消失，雾也就散去了，中午出现污闪极少。
污闪事故宜导致重合失败，因污闪是局部电弧伸展的过程，当发展为整个绝缘子沿面闪络为弧光接地，从而使系统形成弧光接地过电压，又会使另外污秽层重的设备发生污闪而形成两相(三相)接地短路(110kV以上系统为单相接地短路)而跳闸。一般自动重合闸的动作时间为0.5s，手动强送小于3min，因诱发污闪的条件(气温、湿度、雾、雨雪与污秽层等)未消除，介质绝缘强度尚未恢复，在重合闸合闸或强送合闸的瞬间，又出现操作过电压，此时污闪处的电弧有可能重燃，致使绝缘子炸裂，或促使别处再出现污闪。所以污闪事故中的自动重合闸装置重合(或强送)成功率极低。
2防止污闪机理
2.1防污机理
在输变电设备瓷件上，采用硅橡胶绝缘子或采用硅橡胶增爬裙和RTV涂料的防污机理，可以从憎水性能、电压分布、污闪电压、阻弧效益、自洁能力等几个方面加以分析。具体防污机理如下：
2.1.1憎水性及憎水迁移性的作用机理;从实验现象中可观察到物质憎水性现象，当水滴落到物体表面时，水以小珠的形状附着于物体表面上，小水滴的珠形越圆说明其憎水性越好；反之憎水性差。在表面工程学中，物体的憎水性是用憎水角描述，见图1；硅橡胶的基料是一种特殊的聚硅氧烷高分子化合物，分子链为Si-O-Si结构，取代基或侧链为C-H结构，如图2所示；
聚硅氧烷分子中的甲基（有机基）与主链相连，在Si原子外形成一个倒立正四面体的伞状空间构形。由于H原子是范德华原子半径最小的原子，它们所形成的伞状甲基结构，紧密地排列在一起，形成一道封闭屏障，把水分子拒之“帐”外，表现出其优良的憎水性能。
物质憎水性在表面化学中用物质的表面能或表面张力描述。水的临界表面张力是72.8×10-3N/m，一般有机物的表面张力是33×10-3N/m，而有机硅的表面张力仅为19×10-3N/m，是除以C-F键为特征的氟碳聚合物之外表面张力最小的物质。根据表面化学理论可知，与水的表面张力差值越大的物质憎水性越好。
仅有憎水性的物质还不能做为绝缘子防污闪的材料，还必须具有优良的憎水迁移性。一种高分子聚合物是一类分子结构特点相同，分子量不等的同系物所组成。而不同分子链长的物质，根据分子运动理论，其扩散迁移的能力也不尽相同，短分子链的物质由于个体小而“灵活”，易从物体内部“蒸发”到表面上来，但在有机硅橡胶中，这一部分“活性”分子是极有限的，可自由扩散的分子随时间推移越来越少，并迅速衰减，就不能保持“活性”有机硅分子持续均衡地“蒸发”出来。基料有机硅橡胶的选型对能否持续有机硅分子从内部“蒸发”出来致管重要，这是提供“可迁移物质”的一条有效途径。选择专用的有机硅橡胶，从基料分子结构设计出发，改进有机硅橡胶的化学组成，是为硅橡胶防污增爬裙提供更多的“活性”有机硅分子源，是保证迁移性的关键。
硅橡胶绝缘子和RTV涂料都具有极强的憎水性，在这两种材料表面上的水分形成了水滴，污层难于湿润，不易形成连续的导电层，从而改善了组合绝缘介质的表面状况，采用硅橡胶绝缘子或在瓷体记忆系上加有硅橡胶伞裙并涂刷RTV涂料后的绝缘子表面泄漏电流甚小，改善了污闪特性。
由于硅橡胶和RTV涂料都具有很强的憎水性，难以形成连续的导电层，所以不会出现电压分布不均，形成伞裙跳弧现象。
2.2硅橡胶防污增爬裙特性
硅橡胶防污增爬裙是用于改善提高35KV—500KV输变电设备外绝缘（支柱绝缘子、油开关、互感器、隔离开关等瓷绝缘）的抗污性能。它是采用特制硅橡胶模压制成伞裙，现场粘贴在瓷裙表面上增加瓷瓶爬距，改善表面特性和结构形状。硅橡胶增爬裙与瓷裙组合形成的绝缘结构，其抗污性能和污闪特性远优于纯瓷绝缘，该种组合绝缘结构污闪电压可提高10%—30%，是输变电设备外绝缘最有效的防污措施。其技术性能特点是：
2.2.1憎水，硅橡胶防污增爬裙具有极强的憎水性，由于硅橡胶材料表面能低，水份在表面形成水滴，污层难于润湿，从而改善了组合绝缘介质表面状况，污层不易形成连续的导电层，使瓷绝缘体表面泄露电流甚小，改善污闪特性。
2.2.2自洁；硅橡胶防污增爬裙起到遮盖作用，可减少瓷瓶积污，而伞裙本身有一定的斜度，表面光滑，并且是软质弹性材料，在风力、雨水作用下的自洁能力强，所以加装伞裙后瓷瓶的积污量、盐密度都有明显降低，起到防污作用。
2.2.3增加爬距；若在ZS-110/400支柱瓷瓶上加装一个GQB-185/275硅橡胶防污增爬裙，可增加爬距8.2%，加装二个可增加爬距16%，是输变电设备外绝缘增加爬距的有效措施。
2.2.4弧道曲折；附加的硅橡胶防污增爬裙改善了瓷瓶的形状，延长了电弧通道，试验观测瓷瓶污闪路径为直线，而加装硅橡胶防污增爬裙后，其闪络路线是绕过伞裙呈曲折形状，路径远比直线长，所以污闪电压高。
2.2.5阻弧效应；绝缘子上下法兰附加硅橡胶防污增爬裙后，能起到屏障作用，能阻止电弧发生和发展。
2.2.6防污水流、防冰流；硅橡胶防污增爬裙可有效的防止污水及冰流短接瓷裙。
加装伞裙改变了绝缘子形状，延长了电弧通道。试验观测在加伞裙前绝缘子污闪路径是直线，而加装防污裙后，其闪络路径是过伞裙呈曲折形状，路径远比直线长，所以污闪电压高。同时，加装硅橡胶增爬裙可增加瓷件的爬距，如在ZS-110/400支柱绝缘子加装一个GQB-190/290伞裙，可增加爬距8.2%，加装两个伞裙可增加爬距16%，这是变电所绝缘子增爬的有效措施。
利用硅橡胶的大盘径切断“污水桥”，防止春雨造成的“桥络”事故，还可防止绝缘子在覆冰、融冰过程中的冰闪事故。同时，在上下法兰附近加装大盘径伞裙起屏障作用，能阻止电弧发生、发展。另外，在瓷件上法兰处，加装大盘径的伞裙，阻止充油设备中的绝缘油对RTV的侵蚀，使RTV能长期呈现良好的防污性能。
瓷件上加装大盘径伞裙后，可减少绝缘子上RTV涂层的积污，而伞裙本身有一定的斜度，表面光滑，并且是软质弹性材料，在风力、雨水作用下的自洁能力强。通过试验测量证明，加装伞裙，绝缘子的积污量、盐密都有明显降低，抗雨闪、雾闪能力明显增强。
2.3硅橡胶防污增爬裙选择与安装
莱钢电网由于受到冶金厂区各种冶金粉尘和腐蚀气体的严重污染，一旦遇到潮湿气候，雷雨季节，就有污闪发生，甚至造成停电事故，给生产带来不同程度的损失。分析造成莱钢电网污闪的主要原因是冶金粉尘造成变配电设备绝缘子的污秽，而抑制的有效措施是提高公称爬电比距λ，其实施的具体方法是采用硅橡胶防污增爬裙。
2.3.1硅橡胶防污增爬裙选择;硅橡胶防污增爬裙选择的原则是，一是要根据变电站区域及线路通廊所处的周围的环境污染实况，第二是依据变配电设备和线路的电压等级，来确定采用硅橡胶防污增爬裙的型号和组合片数。例如莱钢银山110KV变电站，因其地处冶金厂区，变电站设备区域的环境污染较为严重，为有效抑制污闪应采用硅橡胶防污增爬裙3片组合方式。几年的运行实践表明，其能够完全有效的抑制由于冶金粉尘而引起的绝缘子污闪。
2.4硅橡胶防污增爬裙安装
硅橡胶防污增爬裙产品配套安装用材料有；粘接剂和清洁剂，在产品安装前要对绝缘子进行清洁，并核对伞裙内孔按绝缘子的形状进行二次修剪后。分别在绝缘子瓷裙表面和伞裙上均匀涂上粘接剂，将伞裙敷盖在绝缘子瓷裙上，按压排除界面气隙，在用粘接剂填充沿口，整个硅橡胶防污赠爬裙安装工作完成，待2小时后粘接剂即可基本固化。首先将瓷裙擦净，再用厂家提供的清洁剂清洁瓷裙。核对瓷裙周长，调整硅橡胶伞裙的缘口周长。分别在绝缘子表面和伞裙上涂厂家配套供应的粘接剂。将硅橡胶伞裙覆盖在瓷裙上，调整接缝和覆盖角度，滚压伞裙排除界面气隙。用腻子胶填充硅橡胶伞裙的沿口、缘口和缝隙。粘接剂应注意使硅橡胶伞裙与瓷裙的粘帖界面性能可靠，无气泡，无缝隙，粘接强度高，伞裙成整体。
2.5RTV涂料涂刷工艺
硅橡胶增爬裙安装完后，即可在无硅橡胶的瓷面上涂刷RTV涂料。将绝缘子清扫干净，不能有残余灰尘和水分。将A、B两液按1:1比例，分批少量地混合搅拌均匀，并马上涂刷，要求在30min内使用完毕。涂层要均匀，切不可漏涂，也不能出现拉丝现象，待第一遍涂完约30min后再涂刷第二遍，使涂层厚度达到0.5mm左右为宜。涂刷RTV时，应注意选择好天气，且中午时间为最好，因为此时气温高，固化时间短。RTV涂刷完毕，清扫现场后，整个工作宣告结束。
2.6可行性分析
实践证明，在同一瓷件上安装硅橡胶增爬裙并涂刷RTV涂料具有很强的可行性。
2.6.1利用硅橡胶防污增爬裙和RTV涂料的性能互补，可以从根本上消除电压分布不均和雨闪、雾闪缺陷，使两者达到和谐完美的统一。
2.6.2两者材料性能优异，具有极强的憎水性能和优良的憎水迁移性能，因此有着极强的耐污防污闪能力。再加上大盘径闪裙可减少RTV涂层上的积污，且本身具有一定的自洁作用，因此清扫周期可延长至3～5年，表现出比防污绝缘子更为优越的性能。这特别适用于难以停电或不易进行带电清扫的高压大型变电所。
2.6.3硅橡胶防污增爬裙和RTV涂料适用性广。硅橡胶防污增爬裙为永久性措施，寿命在15年以上，RTV涂料自然老化周期长，其寿命也在3～5年以上，因此一旦采用，多年受益。
2.6.4投资少、效益高。在普通型绝缘子上安装硅橡胶增爬裙并涂刷RTV涂料后，可获得比防污型绝缘子更好的效果，比更换防污绝缘子可节约资金40%。
3预防污闪的措施
3.1基础技术工作
落实原电力部安生技(1994)22号文《转发全国电力系统高电压专业工作网第四次会议纪要》做好本地区范围内污秽等级的监测工作，并绘制污秽区分布图。并对现有设备进行外绝缘的爬距调整。凡新建线路、变电所均按批准的污秽区分布图分级配置外绝缘。
做好污闪事故的统计、调查、分析工作，严格按照《电业生产事故调查规程》之规定进行调查，特别要对事故当时的气象、温度、湿度等环境要素要填报清楚，以便经过统计分析进一步认识污闪的自然规律和诱发的环境要素。这里要特别强调凡"重合""强送"成功的也应统计。
坚持行之有效的带电冲洗，带电擦绝缘子的带电作业，进行长年的清除绝缘子表面的污秽是防止污闪的最有效的措施。
经常测试，更换零值绝缘子以保证外绝缘的爬距；特别对已运行15年以上的线路要重点监测。
3.2技术措施
污闪故障波及面广且时间较长，有时造成几十条线路污闪停电。所以，防止污闪对保证线路安全极为重要。一般可根据本地区的运行经验，采取以下防污措施。
3.2.1确定线路的污秽期和污秽等级。要正确了解线路通过地区的大气污秽程度和污秽性质，正确划分各地区的污秽区，以便为防污闪工作提供可靠依据。
3.2.2定期清扫绝缘子。在污秽季节到来之前，逐基登杆清扫绝缘子，除去绝缘子表面的污秽物。清扫方法一般每年在雨季前清扫一次，可用干布、湿布或蘸汽油的布(或浸肥皂水的布)。将绝缘子擦干净，也可带电冲洗绝缘子。对污秽严重，不易在现场清扫的绝缘子，也可以更换新的绝缘子，将旧绝缘子带回在工厂进行清扫。
3.2.3更换不良和零值绝缘子。定期对绝缘子串进行绝缘检测，发现不良绝缘子和零值绝缘子，要及时更换。
3.2.4增加绝缘子串的单位泄漏比距。绝缘子表面泄漏电流越大，污闪越严重，而泄漏电流的大小与绝缘子串的单位泄漏比距成反比。因此，可以增加绝缘子片数或改为耐污绝缘子来增加绝缘子串的单位泄漏比距。
3.2.5采用防污涂料。对污秽严重地区的绝缘子，必要时可采取定期在表面涂有机硅油等防污涂料，以增强其抗污能力。有条件时，也可采用半导体釉绝缘子。
3.2.6采用合成绝缘子。合成绝缘子是由环氧玻璃纤维棒制成芯棒和以硅橡胶为基本绝缘体构成。环氧玻璃纤维棒抗张强度相当高，硅橡胶绝缘伞裙具有良好的耐污闪性能，所以采用合成绝缘子是线路防污闪的有较措施。
综上所述，采取以上几种方法可以有效地防止污闪故障的产生。
5结语
现代科学技术日新月异，新型材料层出不穷。变电设备防污闪的主要手段，一是推广应用硅橡胶绝缘子，二是在瓷绝缘子表面涂刷硅油已有被涂刷RTV涂料和安装硅橡胶防污增爬裙所取代的趋势。利用硅橡胶增爬和RTV涂料的性能互补，在同一瓷件上同时采用上述两种材料，达到了很好的防污效果。同时，由于停电清扫周期的延长，也取得了可观的经济效益和社会效益。