500 kV输变电设备带电水冲洗的探索

支 锋，张海峰，吕红峰

（1.山西晋缘电力化学清洗中心有限公司，山西 太原 030006；2.国网浙江省电力公司，浙江 杭州 310007）

0 引言

随着国家经济的腾飞和电力事业的发展，供电网络的电压等级逐渐升高，500 kV输电网络已经成为我国电网的骨干网架。500 kV输变电设备的安全可靠运行对于电网供电可靠性具有举足轻重的作用。因此，对500 kV输变电设备的防污闪工作提出了更高的要求。输变电设备带电水冲洗作为一种节能高效的防污闪措施在近10年来得到了长足发展，全国数个省份大面积应用，特别是在山西、广东、浙江、江苏、东北等地应用广泛。目前主要针对的是110～220 kV输变电设备。500 kV设备由于本身基础高度较高，而且随着电压等级的升高，安全距离的增大，操作难度也大大提高。对500 kV输变电设备带电水冲洗进行科学系统的研究很有必要。

1 输变电设备带电水冲洗的原理

带电水冲洗是采用高压水泵将净化后的高阻值纯净水喷到设备表面，通过水柱的击打和水流的涡漩将设备表面污秽溶解带走，以达到降低设备表面盐密值的效果。在带电水冲洗作业中，由于冲洗水柱是由高压水泵高压射出的直线水柱，其并非水流连线，而是由无数水滴和空气间隙组成。其绝缘性能主要由水滴的水电阻率和水滴中间的空气间隙构成，其绝缘性能接近于空气间隙，在以水柱为主绝缘的冲洗方法中起着保护人身安全的关键作用。

2 国内外带电水冲洗的发展历程

国内自20世纪80年代初开始对带电水冲洗技术进行系统的研究。1980年开始对110 kV及220 kV水柱绝缘进行了研究，在此基础上提出水柱安全距离。1982和1983年又连续对110 kV及220 kV被冲洗设备的绝缘进行研究。在前期科学试验基础上，结合十几个供电局、发电厂的现场冲洗规程，总结了各地多年来的经验教训，经过认真的审查后，于1984年5月正式颁布了SD129—1984《电气设备带电水冲洗导则》(试行)，成为我国第一份保证带电水冲洗安全作业的标准[1]。1992年10月又进一步修改形成GB13395—1992《电气设备带电水冲洗导则》，对220 kV设备水冲洗的水电阻率要求在3 000Ω·cm以上；对35 kV、63 kV、110 kV组合绝缘水柱的长度进行了规范，规定了限制冲洗条件；对临界盐密值有比较大的修改，研究了临界盐密的影响。2000年以后，随着带电水冲洗设备技术的不断提高，带电水冲洗中水压和水电阻率比以往有了很大提高。典型成果有：高原地带带电水冲洗的注意事项、变电站高层设备冲洗安全保障措施、220 kV电流互感器等大直径套管冲洗方法、220 kV小水量组合绝缘带电水冲洗的试验与研究等。部分高校和研究所合作研制了一些新型的带电水冲洗设备，如固定式带电水冲洗装置。铁路电气化部门也在2003年成功研制了适用于电气化铁路的移动冲洗车。2008年9月实行的GB13395—2008《电力设备带电水冲洗导则》提出对水电阻率要求到1×105Ω·cm，该值是1992年标准3 000Ω·cm的33倍。该标准内容仅限于220 kV及以下等级的带电水冲洗，对500 kV带电水冲洗作业的相关内容未涉及到。

国外对输变电设备带电水冲洗也进行了大量研究，发展很快。美国、加拿大、日本、俄国、捷克以及中东沙特、约旦等国在超高压的输电线路及变电站都广泛地开展起来。移动式作业工具包括带绝缘斗臂的带电水冲洗车、机械手(遥控喷头)及直升飞机、带电作业机器人等，固定式水冲洗装置包括多种喷嘴的喷射系统及水幕，还包括全套自动化启动系统。带电水冲洗适用的电压等级已从交流110 kV线路扩展到交、直流的750 kV线路，从110 kV变电站扩展到500 kV变电站，以及配电网线路。

1987年，IEEE颁布了IEEE Std.957—1987《IEEEGuidefor cleaninginsulators》 （《IEEE绝缘子清洁导则》）。2005年，IEEE输变电委员会对该导则进行了完善和补充，形成了IEEEStd.957—2005《IEEEGuide for cleaning insulators》。其中讲述的主要是带电水冲洗技术，包括高、中、低压3种带电水冲洗技术。论述了世界上最先进的设备配置、主要参数选用、水柱电气特性、作业原则以及实践中证明安全可靠的冲洗技术。

日本对固定式带电水冲洗进行了试验研究，并于1976年开始应用在500 kV变电站变压器等设备的冲洗。主要研究了3 000Ω·cm水电阻率下不同水柱长度下的工频、雷电、操作闪络电压，设计了多喷口扇形喷嘴，对扇形喷嘴的流量和压强关系进行了试验。研究了固定带电水冲洗管路系统水锤的作用，提出应在下风向和低风速情况下进行冲洗，这与我国国家标准对带电水冲洗应用天气状况的要求一致。

意大利和印度在1994年联合研究带电水冲洗技术，主要试验了420 kV系统带电水冲洗所用水柱的绝缘性能。比较了不同波头时间对水柱绝缘性能的影响，提出当波头时间为1 100μs时，水柱击穿电压最低。试验了带电水冲洗绝缘子串不同部位时闪络电压的变化规律，得出的结论是冲洗到绝缘子串1/3处时最容易发生闪络事故。

前苏联在20世纪80年代已在全苏各种电压等级变电站和输电线路上进行带电冲洗。其喷嘴的出口压力分为高压（1 500～2 500 kPa） 和低压（500～1 500 kPa） 两类。高压水流使用5 mm和6 mm的喷嘴，流量较小；低压水流使用10～16 mm的大型喷嘴，流量较大。

前苏联根据定向水流装置在喷头各种压力和喷嘴直径的条件下对水流的流体动力性能经过广泛研究，包括不同直径水柱的有效长度，喷嘴的各种形状、水柱结构、用水量和水柱的清洗效果——水柱的冲击力与各种污秽物的可清洗性的联系等，得出一系列数据。如当8～10 mm直径的喷嘴压力从400 kPa上升到1 000 kPa时，水柱的密集性和水的透气性决定了水柱泄漏增加，当5～6 mm直径的喷嘴压力由1 000 kPa增加到2 500 kPa时，水柱泄漏减少。又如当均匀清洗时，泄漏电流的产生过程具有平稳增加的性质，而与污秽密度无关。污秽物中的导电部分可在清洗一开始就清洗掉，然后再把污秽物中的不溶解的微粒清除。

美国在电力设备带电水冲洗方面发展比较全面，特别是其冲洗工具制造方面经验丰富。大型专业生产带电水冲洗设备的公司，已经具有30多年制造、销售和维护带电水冲洗设备的经验，同时还具有高空带电作业（用带电绝缘车） 等多方面经验；并且销售到中东沙特、阿联酋、约旦、美洲巴西、墨西哥以及亚洲日本等30多个国家使用。

纵观国内外带电水冲洗技术的发展，国内外在500 kV输变电设备带电水冲洗领域还存在很多空白，需要从安全距离、水的绝缘性能、冲洗方式、邻近效应、冲洗角度、盐密控制、冲洗效果等方面开展理论和试验研究，从而支撑500 kV输变电设备带电水冲洗工程实践，形成一套成熟的500 kV输变电设备带电水冲洗作业实施办法。

3 研究的主要内容和成果

近年来，我国输变电设备带电水冲洗技术和手段在不断地改进和日臻完善，国内对于220 kV及以下电压等级的电力设备带电水冲洗技术已经成熟，而且具有了多年的实践经验，带电水冲洗工作在防污闪事故发生方面起着重要作用，而且在将来的一段时期内还将继续发挥作用。浙江省不少发电厂、变电站和输电线路都相继开展了此项工作，既减少了停电时间又达到了防污闪的效果，经济效益显著提高。由于电压等级的不断提升，电气设备的布置高度越来越高，带电水冲洗工作遇到了一个发展史上的瓶颈，国内几个发达地区正在开展500 kV变电站带电水冲洗研究工作，而且正在尝试采用直升机对500 kV线路瓷瓶进行带电水冲洗[1]。

国网浙江省电力公司和山西晋缘电力化学清洗中心有限公司顺应发展趋势，于2013年对500 kV输变电设备带电水冲洗进行了探索研究。从人身和设备安全出发，首先进行了水柱绝缘特性和设备泄漏电流的相关试验，随后对不同设备的各种冲洗方法进行了对比试验，形成了地方性的《500 kV输变电设备带电水冲洗导则》。

针对水柱绝缘特性，选取洁净支柱绝缘子为带电水冲洗对象，在支柱绝缘子上施加最大工作相电压（50×1.1=318 kV），采用“双枪跟踪、一冲多回”方法进行带电水冲洗，用微安表测量流过水枪喷口处的泄漏电流。研究不同水柱长度，见表1；水电阻率，见表2；喷口直径，见表3对水柱泄漏电流的影响。并且形成了水柱泄漏电流与水柱长度的关系曲线，见图1；水柱泄漏电流与水电阻率的关系曲线，见图2；水柱泄漏电流与喷口直径的关系曲线，见图3。

表1 泄漏电流与水柱长度的关系

图1 水柱泄漏电流与水柱长度的关系

表2 泄漏电流与水电阻率的关系

图2 水柱泄漏电流与水电阻率的关系

表3 泄漏电流与喷口直径的关系

图3 水柱泄漏电流与喷口直径的关系

从相关试验数据可以看出：水柱泄漏电流随水柱长度的增加减小，随枪嘴口径的增大而减小，随水电阻率的增大而减小；只有在水柱长度为4 m，喷口直径为10 mm，设备相电压不低于500 kV时，水柱泄漏电流大于1 mA。

对不同直径的设备进行不同冲洗方法的比较，分别对电流互感器、支柱绝缘子和断路器绝缘支柱进行两枪、三枪、四枪的冲洗效果比较。通过对冲洗方法的优选，根据设备直径的大小对500 kV不同的设备类型建议采用不同的方法进行冲洗。支柱绝缘子和断路绝缘支柱建议采用双枪跟踪法，电流互感器和电压互感器建议采用三枪组合冲洗法，双支柱并立式隔离开关建议采用四枪组合冲洗。并且对有关参数建议如下：水柱长度6 m以上，枪嘴口径10 mm以下，水电阻率200 000Ω·cm以上，严格控制各参数，保证施工安全。

在明确了水柱绝缘特性的前提下，确定了不同类型设备的冲洗方法和技术参数，进行了电气设备在人工污秽条件下的带电水冲洗试验，并且采用紫外成像仪进行全程拍摄。冲洗参数：水电阻率≥300 000Ω·cm，喷口直径8 mm，水泵出口压力1.9 MPa，水柱长度10 m，设备表面盐密值为0.03～0.75 mg/cm2。当设备表面盐密值小于0.2 mg/cm2时，所有设备均无明显起弧现象，泄漏电流小于30 mA；当设备表面盐密值大于0.2 mg/cm2时，电流互感器和双支柱隔离开关有明显放电声，伴有明显起弧现象，泄漏电流大于40mA。建议500kV变电设备带电水冲洗表面盐密控制在0.2mg/cm2以下，特别注意电流互感器等大直径设备和双支柱隔离开关。

针对输电线路绝缘子串，主要采用组合绝缘小水冲进行冲洗，由于电压等级的升高，绝缘子数量增加，安全距离增大，悬垂绝缘子串建议采用绝缘绳悬吊冲洗法，耐张绝缘子串采用滑板支撑冲洗法。此两种方法安全系数高，通过人身泄漏电流小于0.5 mA，设备泄漏电流小于10 mA。操作简单，对施工设备要求较低，可满足所有地区的冲洗要求，特别是山区，交通不便水量不足的地方。

在试验场地完成大量试验，取得详实可靠试验数据的情况下，于2014年6月6日在500kV王店变电站完成500kV变电设备带电水冲洗现场试验。于2014年7月1日在500 kV瓯四5471线上完成了输电设备带电水冲洗现场试验，均取得了良好的效果。

4 结束语

500 kV输变电设备带电水冲洗的试验研究证明，500 kV输变电设备可以进行带电水冲洗，在操作过程中不同类型的设备采用不用的冲洗方法，可以严格控制设备表面盐密值，如果严格执行有关规程和标准，安全可以保证，冲洗效果良好。500 kV输变电设备带电水冲洗是国内首次开展的最高电压等级的现场应用，项目成果可直接用于500 kV输变电设备的防污闪工作；项目的大面积推广应用，可有效防止污闪跳闸事故，提高电网的供电可靠性。

[1]王如璋.带电水冲洗的现状及发展[J].东北电力技术，1994（7）：41-43.