電站戶外高壓電力設(shè)備外絕緣防污閃狀況的分析
以大亞灣核電站戶外高電壓設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)本站周圍環(huán)境污區(qū)等級(jí)進(jìn)行了評(píng)定。在確認(rèn)為四級(jí)的條件下，提出了戶外設(shè)備外絕緣爬電比距應(yīng)大于3.5cm/kV的基本要求，并依此重新核定了設(shè)備外絕緣的選擇是否符合要求。通過(guò)對(duì)部分爬電比距小于要求的設(shè)備實(shí)施改造，使核電站戶外電力設(shè)備的防污閃水平得到了顯著提高。最后就進(jìn)一步提高設(shè)備抗污閃能力和加強(qiáng)維護(hù)工作等提出了幾點(diǎn)意見(jiàn)?！?/span>
關(guān) 鍵 詞：戶外高電壓設(shè)備；外絕緣；污穢等級(jí)；爬電比距；污閃 高壓電氣設(shè)備的絕緣水平是以設(shè)備所在系統(tǒng)的絕緣配合來(lái)決定的。戶外電瓷設(shè)備的外絕緣水平應(yīng)滿足其所處各級(jí)污穢條件下的相應(yīng)絕緣水平標(biāo)準(zhǔn)。大亞灣核電站戶外高壓電氣設(shè)備自運(yùn)行以來(lái)，曾多次出現(xiàn)污閃爬電現(xiàn)象，因此，從防止戶外設(shè)備污閃的角度，對(duì)大亞灣核電站污穢等級(jí)劃分、外絕緣爬電比距的選取要求、原設(shè)計(jì)、運(yùn)行狀況和改進(jìn)情況等進(jìn)行分析、研究，是十分必要的?！?/span>
1戶外高壓電力設(shè)備及運(yùn)行概況
1.1設(shè)備 大亞灣核電站裝機(jī)為2臺(tái)900MW的高壓發(fā)電機(jī)組，其發(fā)電機(jī)輸出電壓為26kV。1號(hào)機(jī)組的電力通過(guò)3臺(tái)容量各為375MVA的單相變壓器升壓到400kV，2號(hào)機(jī)組的電力通過(guò)3臺(tái)容量各為375MVA的單相變壓器升壓到500kV，然后再通過(guò)全封閉SF 6母線管道(GIC)和400kV/500kV開關(guān)站將電力由高壓輸電線路送往香港電網(wǎng)和廣東電網(wǎng)。在400kV/500kV開關(guān)站內(nèi)還設(shè)有400kV/500kV聯(lián)絡(luò)變壓器2臺(tái)，以調(diào)整對(duì)2個(gè)電網(wǎng)的送電比例。全套400kV/500kV高壓開關(guān)和高壓母線均采用SF6組合電器設(shè)備(GIS)。電瓷絕緣的設(shè)備為12只(相)SF6氣體－空氣套管，12只(相)電容式電壓互感器和24組(相)支柱絕緣子。作為大亞灣核電站后備電源的220kV水核線，其核電側(cè)在桿塔引下線有1組(三相)支柱絕緣子、1組電式電壓互感器(三相)和1組220kVSF6組合電器(GIS)進(jìn)線套管(三相)。
1.2戶外高壓電力設(shè)備的運(yùn)行情況 自1991年500kV開關(guān)站投運(yùn)以來(lái)，在500kV核惠線出口曾一度存在著支柱絕緣子因污穢而爬電的現(xiàn)象。由于設(shè)計(jì)方面的原因，500kV核惠線的出線處于風(fēng)口位置，阻波器支柱絕緣子爬電比距不足，在冬、春干旱季節(jié)，經(jīng)常發(fā)生支柱絕緣子外表面閃絡(luò)、爬電現(xiàn)象，僅1993年就達(dá)3次之多(1991年和1992年亦發(fā)生多次)。核電站運(yùn)行初期，就此問(wèn)題曾與制造廠家及設(shè)計(jì)部門進(jìn)行過(guò)交涉，但對(duì)方未有答復(fù)。
從污閃放電的設(shè)備來(lái)看，每次污穢放電事件中，500kV阻波器支柱絕緣子的U相污穢放電最為嚴(yán)重。其主要原因是：汽輪發(fā)電機(jī)冷凝水回路出口排放時(shí)，由于海水飛濺，產(chǎn)生霧化水汽。在東北風(fēng)吹來(lái)時(shí)，鹽霧隨風(fēng)飄落到220kV和500kV支柱絕緣子上，在其表面形成鹽污層，并在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下形成電暈放電或部分絕緣子表面爬電閃絡(luò)。因此，如何阻止冷凝水回路出口海水的侵襲，亦是防止絕緣子污閃的有效途徑之一?！?/span>
1996年3月16日，500kV核惠線阻波器支柱絕緣子污閃放電，情況十分嚴(yán)重，為防止可能發(fā)生的短路事故，緊急申請(qǐng)核惠線停電維修，在對(duì)所有支柱絕緣子進(jìn)行清潔處理后，才恢復(fù)對(duì)該線路的送電。同年的5月18日和10月7日，500kV核惠線阻波器支柱絕緣子又發(fā)生了兩次較嚴(yán)重的表面污閃放電現(xiàn)象，從而造成多次非計(jì)劃停電維修。由于多次停電維修，不僅直接影響了輸電線路的可靠運(yùn)行和電網(wǎng)的潮流分布，而且污穢放電最終后果將是直接影響核電站的安全可靠運(yùn)行?！⊥?00kV外絕緣設(shè)備運(yùn)行情況相類似，220kV輔助電源系統(tǒng)的外絕緣設(shè)備亦發(fā)生多次因支柱絕緣子發(fā)生嚴(yán)重污穢放電而導(dǎo)致緊急停電維修的事件?！ ?/span>
500kV開關(guān)站運(yùn)行以來(lái)，維修部門一直堅(jiān)持執(zhí)行“逢停必掃”的原則，并對(duì)設(shè)備定期巡視檢查，發(fā)現(xiàn)污穢爬電現(xiàn)象就及時(shí)加強(qiáng)跟蹤或申請(qǐng)停電進(jìn)行清掃維護(hù)，從而有效地防止了污閃事故的 發(fā)生。
2 核電站周圍環(huán)境污穢等級(jí)水平的確定 大亞灣核電站位于深圳東部的大亞灣海畔，電站設(shè)備距大海不足400m。每年3月至5月份天氣異常潮濕，最大濕度可達(dá)100%。6月到10月份為多雨和臺(tái)風(fēng)季節(jié)，11月至第2年2月氣候干旱。本區(qū)域?qū)儆趪?yán)重鹽霧侵襲地區(qū)。為防止大氣中的鹽霧影響，400kV/500kV開關(guān)站設(shè)計(jì)為戶內(nèi)型。根據(jù)早期對(duì)本地區(qū)(龍崗地區(qū))鹽密度的測(cè)試結(jié)果，鹽密度大于0.1～0.25mg/cm2。因此，作為戶外設(shè)備的外絕緣設(shè)計(jì)，廠家是以三級(jí)污穢等級(jí)為基礎(chǔ)選擇爬電比距的。
按照文獻(xiàn)［1］中關(guān)于污穢等級(jí)的劃分原則，針對(duì)大亞灣核電站周圍的環(huán)境和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，對(duì)本地污穢等級(jí)水平進(jìn)行了重新評(píng)定，其評(píng)定結(jié)果是本地污穢等級(jí)應(yīng)按四級(jí)劃分。理由為四方面：一是緊臨大海，空氣和雨水中含鹽分較高；二是龍崗地區(qū)(大范圍區(qū))污穢檢測(cè)雖為三級(jí)，但核電站對(duì)設(shè)備的安全、可靠運(yùn)行指標(biāo)有著更高的要求；三是現(xiàn)有設(shè)備的歷史運(yùn)行情況表明，外絕緣設(shè)備因污穢導(dǎo)致爬電現(xiàn)象多次發(fā)生，甚至不得已而進(jìn)行非計(jì)劃停電清掃；四是核電站外絕緣設(shè)備很少，提高設(shè)備外絕緣水平的費(fèi)用對(duì)成本或投資影響極小，而污閃事故的發(fā)生會(huì)造成極大的損失，站內(nèi)發(fā)生污閃短路事故是不能接受的?！?/span>
3 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備爬電比距的校核
文獻(xiàn)［1］和文獻(xiàn)［2］規(guī)定，對(duì)應(yīng)四級(jí)污穢地區(qū)的高壓電力設(shè)備外絕緣爬電比距應(yīng)按大于或等于3.1cm/kV選擇，而原水電部頒發(fā)的有關(guān)文件規(guī)定，對(duì)應(yīng)四級(jí)污穢地區(qū)的爬電比距應(yīng)滿足3.5cm/kV(中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng))的要求。依照上述標(biāo)準(zhǔn)，以大亞灣核電站周圍環(huán)境污穢等級(jí)為四級(jí)來(lái)考核，再考慮到本地區(qū)未來(lái)污穢水平的變化和核電站設(shè)備本身應(yīng)具有更高的可靠性(其安全可靠運(yùn)行指標(biāo)要高于一般的常規(guī)電站)，對(duì)核電站外絕緣爬電比距的選用，實(shí)際上應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的基礎(chǔ)上留有適當(dāng)?shù)陌踩\(yùn)行裕度，即要求核電站設(shè)備的外絕緣爬電比距不得低于3.1cm/kV，實(shí)際應(yīng)選擇大于3.5cm/kV。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備爬電比距的實(shí)測(cè)值(見(jiàn)表1)，顯然有多個(gè)設(shè)備的外絕緣爬電比距達(dá)不到基本要求值。實(shí)際上正是爬電比距小于3.1cm/kV的設(shè)備在惡劣氣象條件下污穢放電最為嚴(yán)重?！ ?/span>
4 改進(jìn)措施和效果分析 影響設(shè)備外絕緣電氣強(qiáng)度的3個(gè)基本因素是電壓、污穢和潮濕。通過(guò)提高設(shè)備外絕緣的爬電比距、改善電場(chǎng)分布或清除設(shè)備表面污穢等均可達(dá)到提高設(shè)備抗污閃能力的目的。
4.1對(duì)部分設(shè)備進(jìn)行增爬改造 按照本地區(qū)的污穢水平和實(shí)際條件，合理地調(diào)整爬電比距是防止污閃事故的一項(xiàng)重要措施。大亞灣核電站電瓷外絕緣設(shè)備很少，整個(gè)電站支柱絕緣子共有24組(相)，而小于3.5cm/kV的支柱絕緣子不足6組(相)，如果每一組適當(dāng)增加一節(jié)支柱絕緣子，則外絕緣爬電比距可提高到3.5cm/kV以上。增加絕緣子所增加的投資費(fèi)用與提高電站的安全可靠性的效益及今后的維護(hù)費(fèi)用相比是很小的。因此，從提高電站抗污能力，避免污閃事故發(fā)生的總原則上來(lái)講，提高絕緣爬電比距是保證核電站具有較高抗污閃能力的有效措施之一。經(jīng)過(guò)論證，認(rèn)為這種辦法受到原設(shè)備設(shè)計(jì)位置、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和承重等的限制。所以，在調(diào)爬措施中只宜選用增加附加的爬裙，即在原有的支柱絕緣子上增加一些硅橡膠增爬裙來(lái)提高設(shè)備的外絕緣爬電比距?！?/span>
采用適當(dāng)?shù)木鶋貉b置，可改善電瓷設(shè)備沿面的電場(chǎng)分布，使電瓷設(shè)備沿面單位長(zhǎng)度的絕緣承受均勻的電壓應(yīng)力，避免電暈或爬電的產(chǎn)生。采用有限元法的電場(chǎng)分布計(jì)算方法，對(duì)500kV阻波器支柱絕緣子的電場(chǎng)分布情況進(jìn)行了計(jì)算。在對(duì)加裝均壓環(huán)后的電場(chǎng)分布計(jì)算中，比較了兩種不同均壓環(huán)直徑和不同位置時(shí)沿支柱絕緣子電壓分布的情況，其結(jié)果是當(dāng)采用均壓環(huán)后，高壓端的最高電場(chǎng)強(qiáng)度可由345.3kV/m降為240.5kV/m，最高電場(chǎng)強(qiáng)度下降了30.4%，其改善效果十分明顯。在這一措施的可實(shí)施論證中，由于受現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備實(shí)際布置情況的影響，即周圍設(shè)備、構(gòu)架空間距離的限制，相間電場(chǎng)的相互影響和增加均壓環(huán)后對(duì)原支柱絕緣子的載荷強(qiáng)度的影響等，使這種方法受到了限制?！?/span>
通過(guò)對(duì)已運(yùn)行設(shè)備防污性能的多種改造方案進(jìn)行比較分析和技術(shù)論證，在對(duì)采用增加爬裙法、采用防污涂料法、進(jìn)行清掃和水沖洗三種方案進(jìn)行了逐一討論后，認(rèn)為采用增加附加爬電比距技術(shù)為最佳方法。改造的實(shí)施是在支柱絕緣子上加裝防污熱縮增爬裙，以此來(lái)增大絕緣子的爬電比距和限制其泄漏電流，從而提高支柱絕緣子的抗污閃水平(改造后可提高污閃電壓50%以上)。
對(duì)500kV核惠線阻波器支柱絕緣子和220kV設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)改造于1997年12月完成。500kV核惠線阻波器支柱絕緣子改造后，每節(jié)支柱絕緣子實(shí)際安裝了4片增爬傘裙，每相柱支柱絕緣子共安裝12個(gè)增爬傘裙。改造后設(shè)備的爬電比距由原來(lái)的3.08cm/kV提高到3.56cm/kV。220kV設(shè)備改造后的爬電比距已提高到3.50cm/kV以上?，F(xiàn)場(chǎng)安裝的增爬裙主要特點(diǎn)為：爬電比距提高了；憎水性強(qiáng)；自潔能力強(qiáng)；弧道曲折，污閃電壓提高了；使用壽命長(zhǎng)，可達(dá)15年；維護(hù)周期長(zhǎng)，一般情況下3～5年內(nèi)不需清掃污穢。
改造效果分析：對(duì)500kV核惠線阻波器支柱絕緣子和220kV水核線戶外高壓設(shè)備進(jìn)行增爬改造后，經(jīng)近4年的運(yùn)行，設(shè)備耐污穢性能表現(xiàn)良好，設(shè)備的電暈放電噪聲明顯降低，未再發(fā)生因污穢放電而導(dǎo)致的停電維護(hù)事件。這說(shuō)明改造是很有成效的?！?/span>
4.2對(duì)設(shè)備進(jìn)行定期清掃 在每年冬季久旱無(wú)雨時(shí)節(jié)，瓷裙缺乏自潔能力，遇到大霧等不良?xì)夂?，污穢嚴(yán)重的瓷瓶易發(fā)生閃絡(luò)。因此，在久旱之后及時(shí)地清掃污穢是提高設(shè)備抗污能力的重要手段之一。大亞灣核電站檢修程序規(guī)定了戶外設(shè)備的每年清掃工作，即在設(shè)備計(jì)劃性年度停電檢修中，對(duì)戶外設(shè)備按程序進(jìn)行檢查和清掃，以保證設(shè)備的抗污能力。為做好設(shè)備的防污工作，即使對(duì)已經(jīng)進(jìn)行增爬改造的設(shè)備，同樣要按程序進(jìn)行檢查和清掃?！?/span>
5結(jié)論 a)根據(jù)大亞灣核電站的地理環(huán)境、氣候條件、污濕特征、設(shè)備運(yùn)行狀況以及設(shè)備重要性的要求，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，大亞灣核電站周圍環(huán)境的污穢等級(jí)水平劃分應(yīng)按四級(jí)來(lái)確定。設(shè)備爬電比距應(yīng)選擇大于3.5cm/kV?！?/span>
b)提高核電站支柱絕緣子的爬電比距，在條件上和技術(shù)上都是可行的。部分設(shè)備的改造效果表明，增大設(shè)備爬電比距對(duì)提高設(shè)備的抗污閃能力是很有成效的?！?/span>
c)在設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)的維護(hù)工作方面，必須遵守“逢停必掃”的原則。改造后的設(shè)備“一般情況下3～5年內(nèi)不需清掃”這一說(shuō)法目前在實(shí)際上是不可靠的。因此，每年設(shè)備年度停電檢修時(shí)都必須進(jìn)行清掃，即應(yīng)保證每年至少要清掃一次。人工清掃要在技術(shù)上制定出相適應(yīng)的措施，以保證清掃質(zhì)量和人員、設(shè)備的安全?！?/span>
d)污穢閃絡(luò)放電不僅與支柱絕緣子結(jié)構(gòu)造型有關(guān)，而且與積污量相關(guān)。對(duì)本地區(qū)設(shè)備外表面污穢物質(zhì)的等值附鹽密度的準(zhǔn)確檢測(cè)，是掌握戶外絕緣設(shè)備污穢閃絡(luò)放電特性的重要參考依據(jù)。雖然將大亞灣核電站周圍環(huán)境污穢等級(jí)劃定為四級(jí)，但是，仍應(yīng)定期對(duì)大亞灣周圍環(huán)境的污穢程度進(jìn)行檢測(cè)，以使對(duì)防污工作做到心中有數(shù)。
e)其它可行的防污閃措施是：將發(fā)電機(jī)冷凝水回路排放出水口及部分排放渠加裝蓋板，使海水經(jīng)暗渠排放，防止鹽霧的形成；使用硅橡膠高壓絕緣涂料，在支柱絕緣子表面采用RTV硅橡膠噴涂技術(shù)，可提高設(shè)備的抗爬電和抗閃絡(luò)性能。這兩種方法屬于非增加爬電比距的方法。
f)改造后的增爬裙有壽期要求，因此，應(yīng)做好該類設(shè)備的跟蹤和監(jiān)督工作。發(fā)現(xiàn)其性能下降或壽命即將到期時(shí)，應(yīng)采取措施予以更換。
