输电线路绝缘子污闪原因分析及防治方法

卫世超，孟晓凯，芦竹茂，金海云，李鹏虎

（1.国网山西省电力公司电力科学研究院，山西太原 030002；2.西安交通大学 电力设备电气绝缘国家重点实验室，陕西西安 710049）

0 引言

近年来，全球经济高速发展，社会对电力需求的不断增长[1]。国内电力总装机容量从2008 年的7.93 亿千瓦增长到2019 年的20.11 亿千瓦，全社会用电量从2008 年的3.44 万亿千瓦时增长到2019 年的7.23 万亿千瓦时[2]。与此同时，以石油为代表的传统化石能源造成的环境污染不断加剧，人们开始推动以电力能源为代表的清洁能源替代传统化石能源[3]。我国从2018年已经将发展电动汽车为代表的新能源汽车上升为国家战略，将充电桩等配套设施建设纳入了地方城市规划。随着社会对电力需求的不断增长，电力系统规模的不断扩大，对供电的安全稳定性也有了更高的要求[4]。作为电力系统的重要组成部分，输变电设备外绝缘是保证电力系统安全稳定运行的关键。

绝缘子作为敞开式变电设备和架空高压输电线路的重要绝缘设备，在承受各种机械应力的同时还起到电气绝缘的作用[5]。在户外条件绝缘子表面会受到自然界盐碱、工业污秽和飞尘等的污染[6-8]。干燥气候条件下，绝缘子表面的污秽层对其电气强度没有太大影响。但在雨、露、雾等高湿度气象条件下，其表面污秽层被润湿，绝缘子表面电导大幅增加，从而使其绝缘性能急剧降低，甚至在工作电压下绝缘子表面发生闪络，造成电网污闪事故严重，影响电力系统的可靠安全运行[9]。由于一定区域内的大气染污及气象条件是相近的，一旦某个绝缘子发生污闪事故则表明该区域内其他绝缘子可能已经处于临界状态。当较多的绝缘子处于临界状态时，就会造成区域性污闪事故[10]。污闪事故不仅严重影响电网的安全稳定运行，而且会导致电网电能损耗和国民经济损失[11]。据统计，自20 世纪80 年代到21 世纪初，全国电网因污闪引发的电网大面积停电占总停电事故次数的47%，仅次于雷害事故，但其造成的经济损失远远超过雷害事故[12]。因此，解决电力系统的污闪问题对加强我国电网安全稳定运行，保障国民经济健康发展具有重要意义。

1 输电线路绝缘子污闪事故的成因

输电线路绝缘子污闪事故的成因主要包括绝缘子表面积污和使表面附着污秽物润湿的气象状态[13]。随着我国经济社会的不断发展进步，电网建设规模随之不断增长。受到工业污染物及植被破坏等因素的影响，大气污染问题变得越来越严重，某些地区的空气环境越来越差[14]。在线运行的绝缘子由于长期暴露在户外环境中，不可避免地会受到大气污染物的影响[15]。大气中的工业废气、尘土、雾霾等微粒以及鸟粪等污物在绝缘子表面的附着积累，会逐渐形成污秽层[16]。在空气干燥的情况下，表面附着有污秽层的绝缘子可以保持与未被污染时相近的绝缘水平。然而当遇到雨、雾和露等潮湿天气时，绝缘子表面会形成一层水膜。污秽中的可溶性盐会溶于水，而形成一层导电的水膜，从而使绝缘子的表面电阻大大降低，导致绝缘子表面形成沿面闪络，甚至形成贯穿性放电通道，导致电力传输中断（图1）[17]。

图1 污闪事故

由此可见，绝缘子表面污秽层的形成是污闪事故发生的前提条件。而从我国电网的运行经验来看，容易造成污闪事故发生的气象条件是“毛毛雨”、雾、露等天气[18]。因为在这些气象条件下绝缘子表面的污秽层极易达到饱和润湿状态，通过溶解污秽中的可溶性盐类，使绝缘子表面的绝缘水平大幅降低[19]。

2 输电线路绝缘子防污闪方法研究现状

造成输电线路绝缘子发生污闪的3 个条件分别是运行电压、绝缘子表面被污染和潮湿天气，缺少其中任何一个条件都可以避免污闪事故的发生[20]。其中运行电压是由电力系统正常运行要求客观决定的，不能改变。而潮湿天气是由输电线路运行的自然环境决定，人力无法抗拒。因此，户外绝缘子防污闪工作主要从增大爬电比距、减少绝缘子表面积污和解决污秽层润湿3 个方面入手。

2.1 污区划分和调整爬电比距

由于长期以来我国电力设备的外绝缘水平选取普遍偏低，没有按照污区进行划分设计，随着大气污染问题的加剧，污闪事故的增多使人们意识到通过划分污区并按污区级别选择外绝缘爬电比距的重要性[21]。绝缘子串的污闪电压与爬电距离紧密相关，对于相同绝缘子串其爬电距离越长，对应的污闪电压越高防污闪能力越强[22]。根据GB/T 26218.1—2010《污秽条件下使用的高压绝缘子的选择和尺寸确定 第1 部分：定义、信息和一般原则》，不同级别污区绝缘子的统一爬电比距按照图2 选择[23]。但是污区级别的划分容易受到很多因素影响，操作起来相对复杂，短期内难以划分准确。并且污染源和气象条件等因素会随时间不断变化，需要对其进行深入调查研究，通过线路运行经验的积累才能合理地划分污区等级[24]。现有工作经验表明，目前的污区划分难以适应污染源和气候变化快的区域，环境条件的快速变化增大了污区划分工作的难度和成本[25]。

图2 统一爬电比距和现场污秽度的相互关系

2.2 减少绝缘子表面积污

由于绝缘子表面染污是污闪的先决条件，因此根治污源是解决户外绝缘子污闪问题最彻底的办法[26]。目前我国电力系统解决绝缘子表面积污问题主要通过采用防污型绝缘子和绝缘子表面定期清扫两种方法来解决[27]。防污型绝缘子主要通过对绝缘子的外形结构优化设计来应对对不同的使用环境条件。例如双伞形和三伞形的绝缘子由于其伞形光滑风雨自洁性能好，并且具有较大的爬电距离，被广泛应用于重污秽和沙漠干燥地区的输电线路（图3a）、图3b））。而钟罩形绝缘子特有的深棱结构不仅增大了爬距，而且保护了绝缘子下表面不易被海水喷溅或海雾润湿，所以常用于沿海地区防污闪。但是其伞槽间距较小，容易积污，且不利于人工清扫（图3c））。流线形绝缘子虽然表面不易积污便于人工清扫，但是其爬距较小，且缺少能够阻抑电弧发展延伸的伞棱结构，因而主要用于绝缘子串中间或者上部的穿插，防止鸟粪造成的污闪（图3d））。对于不同结构及形状的绝缘子，实际选用时需要进行长期、系统的对比试验研究，进而得到不同类型的防污型绝缘子的适用条件和范围[28]。

图3 防污型绝缘子的外形结构

绝缘子表面定期清扫主要通过清扫绝缘子表面的污秽层使其恢复原有的绝缘水平，进而防止污闪事故的发生。我国电气设备绝缘子的清扫研究起源于上世纪60 年代，人工清扫是输电线路绝缘子除污的主要方式[29]。该方法简单易行，但是停电时间长、工作任务重，且清扫质量难以保证。随着我国电网电压等级的提高、输电容量的增大，停电所需的成本不断提高，对电力供应的稳定性产生较大影响。虽然部分电网试点了机械带点清扫技术，但是该方法作业成本较高，难以去除粘附力较高的污秽[30]。另外，对于污染严重的绝缘子采取落地清扫的办法。由于该方法工作量大，且带电作业难度较大，因此仅在部分污染严重地区采用。

2.3 降低污秽层润湿程度

在户外运行环境中，绝缘子表面积污问题是不可避免的。而瓷绝缘子和玻璃绝缘子表面为亲水表面，被污染的绝缘子表面在潮湿环境下容易受潮湿润，进而形成连续的水膜，使绝缘子的绝缘性能大大降低。目前主要通过选用防污闪涂料处理和复合绝缘子来解决。其中防污闪涂料用于瓷和玻璃绝缘子的防污闪处理，主要分为湿性和干性两种。湿性涂料是指呈现油性且涂敷完成后不干的涂料[31]。常用的材料主要包括硅油和硅脂，其主要通过阿米巴吞噬作用将户外绝缘子表面的污秽包裹起来，其吞噬能力与涂层厚度正相关。但是该涂层存在容易积灰、涂刷清擦困难等问题。干性涂料是指涂覆完成后能够固化的涂料，常用材料为室温硫化硅橡胶（RTV）。有机硅烷分子的硅橡胶在绝缘子表面固化成膜后，在潮湿天气下硅橡胶良好的憎水性能够抑制绝缘子表面连续水膜的形成。当绝缘子表面积污后，胶膜自身的憎水性可以迁移到污秽表面，使绝缘子表面仍能保持憎水性。但防污闪涂料在长期运行中容易出现脱落、粉化和起皮等现象，进而降低其耐污闪性能（图4a））。在潮湿地区，涂覆有防污闪涂料的绝缘子表面的盐密灰密值会高于未涂覆绝缘子表面的盐密灰密值。

复合绝缘子使用基于硅橡胶材料的伞裙护套，使承受应力的芯棒与外界环境隔离，将机械强度和外绝缘性能分开。复合绝缘子中的硅橡胶材料具有优良的憎水性和憎水性迁移，可以降低绝缘子表面污层的润湿，从而提高绝缘子的污闪电压。不仅可以增强绝缘子的防污闪水平，而且降低了自身重量，增强了机械强度。因此，复合绝缘子主要应用于环境污染较为严重的区域，能够有效曾提升电力系统的防污闪水平，而且能够减小绝缘子的杆径和伞裙直径，降低工程造价[32]。但是由于普通硅橡胶表面液滴的静态接触角小于120°，且滚动角较大，表现出严重的滞后性。当复合绝缘子表面积污严重时，其憎水恢复效应会减弱，甚至暂时丧失，造成绝缘性能大幅降低，威胁输电线路安全（图4b））[33]。

3 总结与展望

输电线路绝缘子表面在户外运行中会受到自然界盐碱、工业污秽和飞尘等的污染，容易造成电网污闪事故，严重影响电力系统的可靠安全运行。本文分析了输电线路绝缘子污闪事故的成因，并从3 个方面总结了输电线路绝缘子防污闪方法的研究现状。在社会经济快速发展的当下，恶劣的环境条件给输电线路的健康运行发展提出了更加严峻的挑战。因此，需要针对不同地域的实际环境情况，不断完善输电线路防污闪措施，从而降低污闪事故的发生，保障我国电力事业的不断发展。