张东东(1991), 男, 博士, 讲师, 研究方向为高电压与绝缘技术(E-mail:
刘欣(1993), 男, 硕士在读, 研究方向为高电压与绝缘技术
黄宵宁(1972), 男, 硕士, 教授, 研究方向为高电压与绝缘技术
近年来,盐城某厂区附近数次发生输电线路外绝缘放电、污闪等现象,经采用复合绝缘子后这些现象仍不能得到有效抑制。文中对盐城电网辖区内镍厂、化工厂绝缘子进行污秽取样,开展了污秽化学成分分析测试,包括阴阳离子含量、不溶物元素组成、主要化合物成分等。基于成分分析结果,开展了混合污秽下的污闪特性试验,得到了不同污染源典型污秽成分下复合绝缘子的闪络特性。研究结果表明:化工厂和镍厂附近绝缘子污秽成分有一定的差异,体现在镍厂污秽成分含硝酸盐较多,而化工厂附近含氯盐较多;对于一大两小型复合绝缘子,其在镍厂典型污秽下的闪络梯度要比化工厂低5%~10%;对于重工业粉尘地区的外绝缘配置,建议采用一大一小型绝缘子来提高电气强度。
In recent years, the external insulation discharge and pollution flashover of transmission lines have occurred several times in the vicinity of nickel plant in Yancheng, and they cannot be effectively suppressed after the use of composite insulators. This phenomenon does not happened in the nearby chemical zone. Therefore, pollution samples of insulators are conducted in nickel plants and chemical plants within the jurisdiction of Yancheng power grid for analyzing and testing pollution chemical components, including anion and cation content, insoluble element composition, main compound composition. Then, based on the results of component analysis, a test under mixed pollution is carried out to obtain the flashover characteristics of composite insulators under typical pollution components of different pollution sources. Comparison between pollution composition of near chemical plants and nickel plants indicates that the latter has higher nitrates densities but lower chloride salts density. For one large and two small composite insulators, the flashover gradient under the typical pollution of nickel plants is 5% to 10% lower than that of chemical plants. For the external insulation configuration in heavy industrial dust areas, it is recommended to use one large and one small insulator to improve the electrical strength.
我国电力事业飞速发展,输电走廊不断扩大,使得输电线路难免穿越各种环境复杂及污秽地区,从而导致大气污染物在外绝缘设备表面沉积。在高温高湿等不利气象条件下,外绝缘设备表面污层被湿润,使得运行过程中的污层表面电导及泄漏电流大大增加,降低设备绝缘性能,导致污闪事故发生[
近年来,盐城某镍业厂区附近数次发生输电线路外绝缘放电、污闪等现象,且采用复合绝缘子后这些现象仍不能得到有效抑制,而临近的化工区却无该情况发生。目前,国内外相关研究机构已针对绝缘子污秽成分、影响因素及污闪特性作了一定的研究[
上述研究大多针对单种可溶盐对绝缘子闪络特性的影响,而自然污秽可溶成分为复杂的混合盐,但目前,针对复杂混合盐对绝缘子闪络特性影响方面的研究结论较少。因此,鉴于盐城电网辖区内外绝缘现状及目前研究的不足,文中以盐城电网辖区内镍厂、化工厂附近复合绝缘子为对象,开展了阴阳离子含量、不溶物元素组成、主要化合物成分等分析测试,获得了工业粉尘地区典型污秽特征;继而基于人工污秽试验,研究了不同污染源典型污秽成分下的复合绝缘子闪络特性。研究结果可为工业粉尘地区外绝缘选型及防污措施的开展提供一定参考。
试验绝缘子取自盐城工业园区镍厂及滨海化工园区化工厂复合绝缘子各一串,试验前其投入电网运行约1 a,其结构参数如
试品结构参数
Structure parameters of the sample
区域 | 伞径 | 结构高度 | 爬电距离 | 结构示意 |
镍厂 | 150/100 | 2 350 | 6 340 | |
化工厂 | 150/115 | 1 190 | 3 200 |
复合绝缘子试品
Composite insulator sample
分别对镍厂、化工厂污秽绝缘子进行污秽取样,取2—3组伞裙上下表面污秽。用毛刷将绝缘子上下表面污秽刷下,装至封袋存放,取少量粉末样品,采用能谱仪(energy dispersive spectrometer, EDS)分析。分别精确称量一定量的污秽粉末,溶于超纯水中,利用超声波辅助溶解,溶解样本分别使用电感耦合等离子放射光谱仪(inductively coupled plasma emission spectrometer, ICP)和离子色谱仪(ion chromatography, IC)分析,方案如
污秽成分分析方案
Scheme of pollution components analysis
采用ICP对绝缘子污秽粉末的盐分溶液样品进行阳离子定量分析,分析结果如
污液中阳离子含量百分比趋势
Percentage trend of cation content in sewage
污液中阴离子含量百分比趋势
Percentage trend of anion content in sewage
式中:
由
(1) 化工厂、镍厂附近绝缘子污秽盐分溶液阴阳离子中,SO42-、Ca2+含量最高,在60%以上,远远高出其他离子,其次是NO3-、Na+,NO2-、Cu2+的含量极少,说明污秽成分中以CaSO4为主。
(2) 化工厂Cl-明显高于镍厂,其原因可能与化工厂的工艺流程有关,化工厂排放的工业废气含有氯化氢、氯乙烯等,导致污秽中氯离子含量过高。
目前普遍采用的离子配对原则为人工配对,在该原则下,所得污秽化合物形式因配对原则而异,受配对人员的主观认知影响,重复性和再现性不强,不能客观真实地反映污秽成分之间的关系,因此采用模糊聚类的方法,配对时认为可溶污秽是以化合物或溶液的形式沉降在绝缘子表面。由于2种地区绝缘子表面污秽中的主要阴、阳离子成分基本相同,仅有含量差异,因此同种化合物的离子呈一定相关性。以各阴阳离子为被分类对象,所得待分类全体的论域为
离子在绝缘子表面所积累的物质的量分别反映了各离子在不同地区下污秽的积累特性,可作为独立指标。由此可得:绝缘子表面离子的物质的量
式中:
9种阴阳离子间的相关系数
Correlation coefficient among nine speies of anion and cation
阳离子 | F- | Cl- | NO3- | SO42- |
Na+ | 0.881 | 0.664 | 0.979 | 0.980 |
Al3+ | 0.738 | 0.864 | 0.751 | 0.750 |
K+ | 0.677 | 0.922 | 0.612 | 0.610 |
Mg2+ | 0.872 | 0.989 | 0.708 | 0.703 |
Ca2+ | 0.993 | 0.799 | 0.980 | 0.978 |
基于模糊聚类的离子配对原则为:结合实际污染情况,对某些特殊污秽进行优先配对或排除,再以模糊相关系数为依据进行配对。化工厂、镍厂绝缘子表面污秽主要成分分别如
化工厂绝缘子表面可溶污秽主要成分
Main components of soluble pollution on the surface of insulators in chemical plants
污秽成分 | 浓度/(mg·L-1) | 质量分数/% |
CaF2 | 0.001 9 | 1.10 |
NaCl | 0.025 9 | 14.94 |
KCl | 0.019 3 | 11.13 |
CaCl2 | 0.003 4 | 1.96 |
Al(NO3)3 | 0.023 4 | 13.49 |
Ca(NO3)2 | 0.020 6 | 11.88 |
CaSO4 | 0.078 9 | 45.50 |
镍厂绝缘子表面可溶污秽主要成分
Main components of soluble contamination on the surface of insulators in nickel plants
污秽成分 | 浓度/(mg·L-1) | 质量分数/% |
CaF2 | 0.024 2 | 2.43 |
NaCl | 0.028 8 | 2.90 |
KNO3 | 0.021 8 | 2.19 |
NaNO3 | 0.002 0 | 0.20 |
Al(NO3)3 | 0.058 7 | 5.91 |
Mg(NO3)2 | 0.002 2 | 0.22 |
Ca(NO3)2 | 0.042 5 | 4.28 |
CaSO4 | 0.813 7 | 81.87 |
由
采用X射线能谱仪对绝缘子污秽粉末样品进行全谱元素扫描,并对原子百分比平均值进行比较,得到污秽不溶物元素含量如
污秽样本各元素比例含量
Proportional content of each element in the contamination sample
由
文中研究结果表明,镍厂、化工厂可溶污秽成分有明显差异,因此第2章基于所得混合污秽成分,开展人工污闪试验,分析研究不同区域、不同伞型的污秽绝缘子闪络电压梯度特性。
根据镍厂、化工厂运行绝缘子类型,分别选取不同伞型复合绝缘子作为试品,如
绝缘子外形
Shape of insulators
绝缘子主要参数
Main parameters of insulators
型号 | 类型 | 结构高度 | 伞裙直径 | 爬电距离 |
FXBW-35/100 | 一大两小 | 600 | 150/90 | 1 370 |
XBW-35/70 | 一大一小 | 620 | 129/89 | 1 280 |
人工污闪试验在内径为7.8 m,净空高11.6 m的大型多功能人工气候室进行,试验电源由500 kV/2 000 kV ·A交流无晕试验变压器提供,最大短路电流为75 A,满足试验对电源的要求,如
试验设备
Test equipment
根据前文分析得到的镍厂、化工厂绝缘子表面污秽成分,其中CaSO4为主要污秽成分,针对镍厂硝酸盐较多,化工厂氯盐较多的特点,配置成典型工业污染源混合可溶盐,2种混合可溶盐中各种化合物质量分数配置情况如
可溶盐成分配比(化工厂)
Distribution ratio of soluble salt (chemical plant)
可溶盐成分 | 实验配比/% |
CaSO4 | 52.6 |
Ca(NO3)2 | 18.7 |
CaCl2 | 5.5 |
NaCl | 23.2 |
可溶盐成分配比(镍厂)
Distribution ratio of soluble salt (nickel plant)
可溶盐成分 | 实验配比/% |
CaSO4 | 68.5 |
NaCl | 14.3 |
Al(NO3)3 | 6.5 |
Ca(NO3)2 | 10.7 |
采用固体涂层法中的浸污法对绝缘子上下表面进行涂污,加压方法采用恒压升降法,试验期间持续输入稳定蒸汽雾,对试品进行增压或降压,每次电压的变化率应为前次的10%,即前一次未通过耐受则降低10%电压再次进行;若通过耐受,则提升10%电压再次进行,每串绝缘子的有效试验次数最少10次。得到绝缘子耐受电压
式中:
镍厂区域测量结果
Measurement results in nickel factory area
试品类型 | 盐密/
|
灰密/
|
相对误差/% | |
一大两小型 | 0.059 | 0.079 | 55.8 | 4.9 |
一大一小型 | 0.059 | 0.079 | 63.8 | 4.8 |
一大两小型 | 0.087 | 0.080 | 52.3 | 5.1 |
一大一小型 | 0.087 | 0.080 | 61.3 | 4.9 |
一大两小型 | 0.128 | 0.099 | 50.4 | 4.2 |
一大一小型 | 0.128 | 0.099 | 57.7 | 5.3 |
一大两小型 | 0.213 | 0.257 | 45.6 | 4.7 |
一大一小型 | 0.213 | 0.257 | 50.6 | 4.5 |
一大两小型 | 0.298 | 0.301 | 40.2 | 3.2 |
一大一小型 | 0.298 | 0.301 | 45.3 | 4.9 |
化工厂区域测量结果
Measurement results in chemical plant area
试品类型 | 盐密/
|
灰密/
|
相对误差/% | |
一大两小型 | 0.075 | 0.087 | 60.5 | 4.6 |
一大一小型 | 0.075 | 0.087 | 62.7 | 4.2 |
一大两小型 | 0.105 | 0.089 | 53.6 | 4.1 |
一大一小型 | 0.105 | 0.089 | 58.4 | 3.2 |
一大两小型 | 0.167 | 0.094 | 50.2 | 4.7 |
一大一小型 | 0.167 | 0.094 | 54.7 | 4.9 |
一大两小型 | 0.238 | 0.125 | 47.3 | 4.5 |
一大一小型 | 0.238 | 0.125 | 49.5 | 4.6 |
一大两小型 | 0.295 | 0.147 | 45.1 | 3.2 |
一大一小型 | 0.295 | 0.147 | 46.6 | 4.9 |
污闪试验结果(NaCl)
Pollution flashover test results (NaCl)
试品类型 | 盐密/(mg·cm-2) | |
一大两小型 | 0.024 | 58.5 |
一大一小型 | 0.024 | 57.1 |
一大两小型 | 0.030 | 53 |
一大一小型 | 0.030 | 53.1 |
一大两小型 | 0.047 | 48.2 |
一大一小型 | 0.047 | 49.6 |
一大两小型 | 0.063 | 45.7 |
一大一小型 | 0.063 | 45.5 |
一大两小型 | 0.091 | 41.6 |
一大一小型 | 0.091 | 42.1 |
在2种典型区域下,不同伞形结构绝缘子的闪络梯度变化特性如
闪络梯度特性(镍厂)
Flashover gradient characteristics (nickel factory)
闪络梯度特性(化工厂)
Flashover gradient characteristics (chemical plant)
由
(1) 混合污秽成分下绝缘子的闪络电压梯度与Nacl有明显差异,体现在相同等值盐密下,混合污秽成分下绝缘子的闪络电压梯度高于Nacl,高出30%左右。
(2) 混合可溶污秽成分下,一大一小型复合绝缘子的闪络电压梯度要高于一大两小型复合绝缘子,且高8%~14%,这可能与爬距与干弧之比(
上述结果表明,混合可溶成分下的绝缘子闪络特性与氯化钠显著不同。对比2种典型污染源地区不同伞形结构绝缘子闪络特性如
不同典型地区下的闪络特性差异
Differences for flashover characteristics in different typical regions
由
(1) 对于一大两小型复合绝缘子,在镍厂典型污秽成分下的闪络电压梯度比化工厂低5%~10%,这与镍厂的典型污秽成分有关。硝酸盐受热易分解、附水性强且部分硝酸盐助燃性、催化性较好,有利于污闪放电,这在一定程度上解释了镍厂附近复合外绝缘易发生污闪的原因。
(2) 对于一大一小型复合绝缘子,在镍厂典型污秽成分下的闪络电压梯度与化工厂差异较小;在重工业粉尘地区建议使用一大一小型伞形绝缘子来辅助提高电气强度。
文中基于现场取样分析及人工试验,研究了典型工业粉尘地区绝缘子污秽成分特征及闪络特性,得到结论如下:
(1) 化工厂、镍厂附近绝缘子表面污秽可溶污秽成分差异明显,其中镍厂地区绝缘子污秽成分含Ca(NO3)2、Al(NO3)3等硝酸盐较多,其质量分数可达到10%;而化工厂附近含NaCl、KCl等氯盐较多,其质量分数可达15%,造成上述差异的原因与镍厂、化工厂的物品原料、制作工艺、气象环境等因素有关。
(2) 根据化工厂、镍厂的工艺流程,得到污秽不溶物可能含有成分为炭黑、有机碳、碳酸盐、SiO2、硅铝酸盐(SiAlO4-)、硅酸盐、CaSO4、Fe3O4、Al2O3等。
(3) 一大两小型复合绝缘子在镍厂典型污秽成分下的闪络电压梯度要比化工厂下低5%~10%。对于重工业粉尘地区的外绝缘配置,建议使用一大一小伞形复合绝缘子。
本文得到南京工程学院高层次引进人才科研启动基金(YKJ201819),国网江苏省电力有限公司电力科学研究院项目“特殊工业粉尘地区污秽成分与绝缘子闪络特性”(J2019053)资助,谨此致谢!
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