蔡 斌 郭廣領(lǐng) 代朝輝 賈 晟 趙 晨 閆力美

（ 1、中國電建集團海外投資有限公司，北京100048 2、北京世紀(jì)航凱電力科技股份有限公司，北京100000）

由中國電建與卡塔爾AMC 共同出資中國建設(shè)的裝機2X660MW(超臨界燃煤機組)卡西姆電站自2017 年11 月1 日投運至2019 年3 月12 日。共發(fā)生線路故障101 次，故障導(dǎo)致16次全廠失電（包括試送后再次跳閘），機組甩負(fù)荷25 臺·次，經(jīng)濟損失巨大。由于線路故障導(dǎo)致的頻繁全廠失電，對電站機組設(shè)備安全造成威脅，嚴(yán)重縮短設(shè)備使用壽命，全廠失電造成的機組開停機費用、設(shè)備部件損壞的修復(fù)費用、設(shè)備性能下降等直接經(jīng)濟損失已經(jīng)高達數(shù)百萬美元。極易造成主設(shè)備損壞事件的發(fā)生，需要接近一年的時間來修復(fù)損壞的設(shè)備，將給發(fā)電公司造成數(shù)億美元的重大經(jīng)濟損失。設(shè)備完好是卡西姆電站可持續(xù)發(fā)展的根本，線路頻繁故障，還嚴(yán)重影響機組年度可用率達到PPA 規(guī)定的7446 機組利用小時，危及到發(fā)電公司的正常運營和可持續(xù)發(fā)展。為此展開了相關(guān)的研究，提出科學(xué)有效解決方案，提前實現(xiàn)電站和輸電線路安全運行（自2019 年4 月22 號投運至今未出現(xiàn)過異常停電事故）。

1 影響電站及500kV 輸電線路正常運行原因調(diào)查

1.1 電站及500kV 輸電線路基本情況

卡西姆電站及500kV 出線，部分位于阿拉伯海灘。所處環(huán)境為空氣濕度大、高溫、高污染地區(qū)。而卡西姆電站500kV 送出線路工程，起自卡西姆港燃煤電站，止于默蒂亞里500kV 變電站，一期線路全長55.7km。自卡西姆港燃煤電站起12km 線路緊鄰阿拉伯海，途經(jīng)卡拉奇工業(yè)區(qū)，附近電廠、煉油廠等重污染重工廠密集；12km-21km 距離阿拉伯海及重污染工程均超過5km，周邊城鎮(zhèn)較為密集，交通發(fā)達；21km-55.7km,線路處于沙漠地區(qū)，線路走廊附近幾乎無村鎮(zhèn)，無工廠污染，交通落后從對電站和送出線路的調(diào)研及每次事故的分析認(rèn)為；電站頻繁跳閘事故是由線路嚴(yán)重污穢引起的絕緣子閃絡(luò)造成的。

1.2 電站及輸電線路污穢閃絡(luò)原因

根據(jù)故障測距保護數(shù)據(jù)分析，閃絡(luò)大多發(fā)生在距電站21km之間。洽是經(jīng)過阿拉伯海及重污染性工廠排放地區(qū)，煙氣、灰塵等污穢物大量附著絕緣子表面，當(dāng)遇見濕潤氣象條件時，形成導(dǎo)電層的可溶污穢物和不可溶污穢物粘在一起，其表面流過泄露電流，甚至引起空氣擊穿，形成一次單相接地故障，即污穢閃絡(luò)。另外根據(jù)現(xiàn)場運行觀察也證實了這點。

形成污穢閃絡(luò)的必要條件為：

（1）絕緣子表面附著大量污穢物或霧狀電解質(zhì)。

（2）濕潤氣象條件發(fā)生。

（3）線路絕緣能力設(shè)計不足。

（4）有其它先天設(shè)計缺陷。

為找出線路絕緣子大面積閃絡(luò)的原因，對以上四個方面進行核查。

卡西姆電站及500kV 送出線路（由巴國施工，歐洲某國設(shè)計），線路耐張絕緣子串采用4×160kN 防霧型絕緣子，懸垂絕緣子串采用2×160kN 防霧型絕緣子，絕緣子每聯(lián)配置43 片（由日本NGK 生產(chǎn)），自卡西姆港燃煤電站起12km 線路，位于工業(yè)園區(qū)，周圍重污染性工廠排放的煙氣、灰塵等污穢物大量附著絕緣子表面；同時線路臨近海岸線，空氣濕度較大。

從現(xiàn)場更換下絕緣子表面不難看出污穢的嚴(yán)重程度（如在絕緣子表面用手擦拭會出現(xiàn)一黑色油墨狀的條痕）。

（此絕緣子串為出線第四級耐張塔A 相，出線12km 均存在類似的表面污穢現(xiàn)象）。在陰天或潮濕季節(jié)（特別是在有海風(fēng)時）會出現(xiàn)大面積的整串絕緣子連續(xù)閃絡(luò)現(xiàn)象。

由此可見，卡西姆電站及其500kV 送出線路發(fā)生閃絡(luò)滿足（1）、（2）條件。

那么是否存在線路絕緣能力設(shè)計不足？為此對卡西姆電站及500kV 送出線路絕緣設(shè)計進行核實計算（中國國內(nèi)500kV 電壓等級要求）[1]。

2 對卡西姆電站及500kV 送出線路進行驗證計算

首先查閱了卡西姆地區(qū)的10 年氣象資料、周邊的污染源、分析了污染源的成分、確定了卡西姆地區(qū)污穢的類型和等級[2]。

2.1 調(diào)查卡西姆電站500kV 送出線路的大氣污穢，分析形成污穢閃絡(luò)的氣象條件。

（1）工業(yè)污穢情況，本工程涉及的工業(yè)污穢主要指沿線的大型工廠排污，工業(yè)污染排放物易在絕緣子表面沉淀，嚴(yán)重影響絕緣子的絕緣性能，因此對沿線電廠（40km）、冶金（40km）、水泥廠（40km）、煉焦廠、磚瓦陶瓷等企業(yè)，調(diào)查污染排放情況、與線路相對位置關(guān)系等。

（2）生活污穢情況，本工程涉及的生活污穢主要指沿線的重要交通線路。由于交通干線附近的線路絕緣子表面更容易積污，因此要調(diào)查與附近公路相對位置關(guān)系等。

（3）自然污穢調(diào)查，本工程涉及的自然污穢主要指沿線的大氣降塵及風(fēng)沙。

本工程生活污穢及自然污穢較為單一，沿線的主要交通線路為電站附近工業(yè)區(qū)內(nèi)公路和高速公路N5，其余為小型公路或土路，對線路絕緣影響較小，但會成為形成污閃的附加因素；輸電線路進入沙漠后，受風(fēng)沙天氣影響較大，細(xì)微的沙?；驂m土，隨風(fēng)附著在絕緣子表面，由于強降雨極少，絕緣子自潔能力有限，會成為形成污閃的附加因素。

生活污穢及自然污穢由于自身形成污穢物密度有限和沉積時間漫長，較難成為輸電線路污穢閃絡(luò)的主因，根據(jù)本工程運行狀況調(diào)研，輸電線路應(yīng)主要受工業(yè)污穢影響最大，對沿線污穢源調(diào)研如下：

a.ASG 金屬處理廠；

b.Sharif 油廠；

c.PAKISTAN TEX BOARD BIN QASIM（巴基斯坦卡西姆TEX BOARD BIN 油處理廠）；

d.TAHIR UMAR 油廠；

e.DEWAN/PAKLAND 水泥工廠。

表1 部分污源污穢物成分分析結(jié)果 單位：mg/L

圖1 各廠污染物成分占比分析

2.2 氣象資料的收集及污穢等級確定

氣象條件包含風(fēng)速風(fēng)向、降雨量、小雨天數(shù)、最長霧日數(shù)、平均溫度、平均濕度等，風(fēng)速風(fēng)向直接影響著污染物的有利驅(qū)散和有害擴散情況，即存在因為大風(fēng)將污染源的污穢帶到遠(yuǎn)離污染源的輸電線路，降低輸電線路絕緣能力，也存在大風(fēng)驅(qū)散了接近污染源的輸電線路附近的污穢物。降雨較大的地區(qū)，絕緣子自潔能力較強，但是小雨天和大霧天是引發(fā)污閃的主要條件，絕緣子表面沉積污穢后，在干燥的情況下，極難出現(xiàn)污穢閃絡(luò)，相反在潮濕的條件下易發(fā)生污閃。

收集卡拉奇地區(qū)氣象站1981-2010 年歷年的氣溫、氣壓、降雨量等常規(guī)氣象項目實測資料進行統(tǒng)計，各項統(tǒng)計成果見表2。

表2 卡拉奇地區(qū)1981-2010 年氣象條件

根絕本工程沿線地質(zhì)氣象條件和污染源調(diào)查結(jié)果，確定污穢類型如下：

（1）自卡西姆港燃煤電站起12km 的線路，屬于典型的沿工業(yè)型區(qū)域，同時臨近海岸線，空氣濕度較大，為污穢閃絡(luò)提供了更有力的條件。受周圍工業(yè)密集區(qū)排放的煙氣、灰塵等影響嚴(yán)重，絕緣子表面附著較厚的固體污穢物，當(dāng)遇見濕潤條件時，形成導(dǎo)電層的可溶污穢物和粘在一起的不可溶污穢物。

（2）12km-21km 線路屬于A 類污穢型，該段屬于工業(yè)型環(huán)境，但是距離工業(yè)園區(qū)大于5km，距離南部沿海區(qū)域大于5km，北部距離沙漠環(huán)境接近5km，同時受工業(yè)污穢、沿海濕氣及沙漠環(huán)境的影響，并且城鎮(zhèn)較為密集，交通較為發(fā)達，會受到工業(yè)型污穢閃絡(luò)和沙漠型污穢閃絡(luò)的綜合影響。

（3）21km-55.7km 線路屬于A 類污穢型，砂質(zhì)土壤，干旱期持續(xù)時間很長，面積廣闊。這些地區(qū)的污穢層統(tǒng)籌含有溶解速度緩慢的鹽并且NSDD 水平很高，絕緣子主要被風(fēng)帶來的污穢物所染，自然清潔可以發(fā)生在稍有的下雨期或者強風(fēng)形成的“吹沙”時，雨水稀少并且鹽的溶解性差，自然清潔效果較差。絕緣子凝露現(xiàn)象可能經(jīng)常產(chǎn)生臨界濕潤，導(dǎo)致絕緣子閃絡(luò)。電站12km-21km 線路屬于A 類污穢型，該段屬于工業(yè)型環(huán)境，但是距離工業(yè)園區(qū)大于5km，距離南部沿海區(qū)域大于5km，北部距離沙漠環(huán)境接近5km，同時受工業(yè)污穢、沿海濕氣及沙漠環(huán)境的影響，并且城鎮(zhèn)較為密集，交通較為發(fā)達，會受到工業(yè)型污穢閃絡(luò)和沙漠型污穢閃絡(luò)的綜合影響。[2]

2.3 現(xiàn)場污穢度（SPS）的確定

根據(jù)上述沿線污染源調(diào)研結(jié)果及污穢類型的鑒定，可得本工程典型環(huán)境情況：自卡西姆港燃煤電站起12km 線路，同時屬沿海型區(qū)域和工業(yè)型區(qū)域，線路緊鄰阿拉伯海岸線，距海岸線在5km 范圍以內(nèi)，同時附近煉油廠等污染重工業(yè)密集，距最近廠礦在5 km 范圍以內(nèi)。12km-21km 線路介于工業(yè)型區(qū)域和沙漠型區(qū)域之間，受兩者綜合影響。21km-55.7km 線路屬于荒漠型環(huán)境，沿線地質(zhì)為沙質(zhì)土壤，干旱持續(xù)時間長。

根據(jù)IEC/TS 60815-1（2008），給出一些典型環(huán)境及其現(xiàn)場污穢度和污穢類型進行細(xì)分，相應(yīng)等值鹽密距離規(guī)定的工業(yè)污染源和交通干線遠(yuǎn)的取下限值，距離近的取上限值；積污期干旱少霧取下限值，持續(xù)霧日多，取上限值。由此可以得出：

卡西姆港燃煤電站起12km 線路，近似于E7 典型環(huán)境，同時屬沿海型區(qū)域和工業(yè)型區(qū)域，可按照e 基污穢區(qū)配置絕緣。12km-21km 線路介于工業(yè)型區(qū)域和沙漠型區(qū)域之間，近似于E5 典型環(huán)境，可按照d 基污穢區(qū)配置絕緣。21km-55.7km 線路屬于荒漠型環(huán)境，近似于E3 典型環(huán)境，可按照c 基污穢區(qū)上限配置絕緣。

2.4 參考統(tǒng)一爬電比距（RUSCD）的確定

自卡西姆港燃煤電站起12km 線路，近似于E7 典型環(huán)境，不溶沉淀物密度NSDD 約1.0mg/cm2，等值鹽密ESDD 約0.7mg/cm2。12km-21km 線路近似于E5 典型環(huán)境，不溶沉淀物密度 NSDD 約 0.5mg/cm2， 等 值 鹽 密 ESDD 約 0.3mg/cm2。21km-55.7km 線路近似于E3 典型環(huán)境，不溶沉淀物密度NSDD約0.3mg/cm2，等值鹽密ESDD 約0.08mg/cm2。

圖2 爬電比距（RUSCD）和現(xiàn)場污穢度（SPS）對應(yīng)關(guān)系

如圖2 所示：根據(jù)IEC/TS 60815-1（2008）中參考統(tǒng)一爬電比距（RUSCD）和現(xiàn)場污穢度（SPS）對應(yīng)關(guān)系，自卡西姆港燃煤電站起12km 線路，可按照不小于60mm/kV 配置絕緣。12km-21km 線路屬于荒漠型環(huán)境，可按照不小于45mm/kV 配置絕緣。21km-55.7km 線路屬于荒漠型環(huán)境，可按照不小于37mm/kV 配置絕緣。

3 絕緣配置現(xiàn)狀及要求

輸電線路的絕緣配合，應(yīng)使線路在工頻電壓、操作過電壓、雷電過電壓等各種條件下安全可靠地運行。操作過電壓和雷電過電壓對絕緣子串片數(shù)選擇不起控制作用，一般按工頻電壓選擇絕緣子串片數(shù)。

3.1 本工程絕緣子外形型式

本工程采用NGK 的FOG TYPE CORROSION-PROOF SUSPENSION INSULATOR M&E STRENGTH：16500KG（耐污型防腐懸式絕緣子- 機電破壞負(fù)荷16.5 噸）。

該種型式絕緣子工程應(yīng)用中懸垂串垂直安裝、耐張串同時存在水平按照和垂直安裝情況，這種外形的優(yōu)缺點是：在下雨、薄霧等條件下，其下表面受潮較慢，與相同尺寸的標(biāo)準(zhǔn)外形相比，深下棱形狀使單片爬電距離得到延長；缺點是下表面自潔能力較差，尤其在耐張串水平安裝時，深下棱的下表面易形成積污。

3.2 絕緣子片數(shù)設(shè)計核實

絕緣子串片數(shù)的選擇應(yīng)能使線路在工頻電壓、操作過電壓、雷電過電壓等各種條件下安全可靠的運行；因此，絕緣子串片數(shù)的選擇應(yīng)能滿足上述三種狀況的要求。

電網(wǎng)由于受到大氣污染的影響，外絕緣水平一般由工作電壓控制。因此，輸變電設(shè)備外絕緣配置主要取決于絕緣子的耐污閃能力，絕緣子片數(shù)選擇也主要取決于工作電壓下的污穢耐壓特性，所以，一般是根據(jù)污穢性能選定絕緣子片數(shù)。[3]

由工頻電壓爬電距離要求的絕緣子串片數(shù)應(yīng)符合下式要求：

式中：

N 每串絕緣子串片數(shù)，片；

Um系統(tǒng)額定電壓，kV；

Ke絕緣子爬電距離的有效系數(shù)；

Lo每片懸式絕緣子的幾何爬電距離，cm；

λ 爬電比距，cm/kV；

表3 單串絕緣子核算結(jié)果

3.3 多串并聯(lián)條件對絕緣子片數(shù)選擇的影響

現(xiàn)有的研究結(jié)果表明，絕緣子串的污閃概率與絕緣子串的閃絡(luò)電壓和串長之間呈現(xiàn)正態(tài)分布，而標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布公式為：

對單串絕緣子來說，在特定污穢度及運行電壓下，絕緣子串的污穢閃絡(luò)概率P(u)可通過絕緣子的50%污穢閃絡(luò)電壓U50%和標(biāo)準(zhǔn)偏差σ 來表示：

式中：U 為絕緣子的運行電壓；u 為絕緣子的耐受電壓；σ標(biāo)準(zhǔn)偏差；U50%為絕緣子的50%污穢閃絡(luò)電壓。

對于多串并聯(lián)絕緣子串的串長設(shè)計時，除串間相互的影響外，還應(yīng)考慮，即使并聯(lián)絕緣子串間距較大、相互間不存在降低絕緣子污閃電壓的影響時，維持多串并聯(lián)絕緣子串的整體閃絡(luò)概率不降低。對于單串閃絡(luò)概率和多串閃絡(luò)概率之間的關(guān)系，可用如下關(guān)系式表達：

式中：

Pn為并聯(lián)絕緣子串的閃絡(luò)概率；

P1為單個絕緣子串的閃絡(luò)概率；

n 為并聯(lián)串?dāng)?shù)。

對于多串并聯(lián)絕緣子串，即使并聯(lián)絕緣子串間距足夠大、相互間不存在降低絕緣子污閃電壓的影響時，該并聯(lián)絕緣子串的閃絡(luò)概率也會有所增加。

以本工程4 串絕緣子并聯(lián)為例，此時4 聯(lián)串的閃絡(luò)概率（P4）為：

P4=1-(1-P1)4=0.539%

顯然，為了保持整條線路設(shè)計的統(tǒng)一性，同時也使系統(tǒng)運行的安全性不降低，需要增大每串的串長，提高單串絕緣子的耐受電壓（U1）從而使6 聯(lián)串的閃絡(luò)概率（P6）仍保持為0.135%。根據(jù)計算，當(dāng)

P4=1-(1-P1)4=0.135%

時，單串絕緣子的閃絡(luò)概率（P1）應(yīng)為0.034%。此時，該單串絕緣子中的每片絕緣子的耐受電壓應(yīng)降為：

單串絕緣子的耐受電壓與單串絕緣子的串長的關(guān)系為：

當(dāng)б 取7%時，即單串絕緣子的串長應(yīng)增加3.9%；當(dāng)б 取8%時，即單串絕緣子的串長應(yīng)增加4.6%

根據(jù)上述結(jié)論，本工程耐張串采用4*160kN 串型，在絕緣配置方面，需增加4.6%×40=2.02 片，即耐張串在配置44 片絕緣子的基礎(chǔ)上（原設(shè)計為44 片。由于桿塔檔距的限制，不可能在增加絕緣子的片數(shù)來提高絕緣水平），需再增加2 片。

表4 四串并聯(lián)絕緣子核算結(jié)果

4 用數(shù)值計算查找其它原設(shè)計缺陷

經(jīng)在巴國幾個月的考查，發(fā)現(xiàn)盡管原設(shè)計存在線路絕緣子絕緣不夠的問題，但就其原設(shè)計留有的裕度也不至于嚴(yán)重到一年兩個月的時間跳閘98 次。是否還有其它先天設(shè)計缺陷呢？在對500kV 線路正常運行時的觀察發(fā)現(xiàn)，在正常運行電壓下距導(dǎo)線側(cè)最近的幾片絕緣子電暈聲極大（大大超出國內(nèi)500kV 線路）。為此，對卡西姆電站及500kV 送出線路絕緣子電位分布進行了數(shù)值計算。

4.1 數(shù)值計算建模

見圖3。建模原型（巴方NTDC 提供）。

圖3 a 整體模型

圖3 b 絕緣子體模型

圖3 c 高壓端局部模型

4.2 數(shù)值計算及結(jié)果

結(jié)果顯示均壓環(huán)尺寸設(shè)計過小（包括擺放位置不合適）導(dǎo)致絕緣子電位分布嚴(yán)重不均勻。

首端絕緣子（靠近導(dǎo)線側(cè)）1、2、3、4 片局部場強過高，所以在正常運行電壓下也會出現(xiàn)強烈的電暈放電現(xiàn)象。

另外，數(shù)值計算結(jié)果顯示，首端1、2、3、4 片絕緣子兩端電壓也過高，容易形成沿面閃絡(luò)（4 串并運行時）：

第1 片絕緣子兩端電壓為；49.5kV

第2 片絕緣子兩端電壓為；52kV

第3 片絕緣子兩端電壓為；45kV

第4 片絕緣子兩端電壓為；39kV

值得注意的是；從現(xiàn)場拍的大量照片來看，第二片絕緣子上表面放電留痕比其它絕緣子都嚴(yán)重許多（現(xiàn)場絕緣子實際運行情況驗證了數(shù)值計算的正確性）。

5 結(jié)論

通過幾個月對巴基斯坦卡西姆電站及500kV 輸電線路頻繁污閃事故調(diào)查和分析，得出以下結(jié)論：

（1）頻繁污閃事故主要原因，是該地區(qū)存在嚴(yán)重的工業(yè)污染。為A 類污染，屬于E7 典型環(huán)境。

（2）原絕緣子設(shè)計外絕緣裕度不足。

（3）絕緣子的均壓環(huán)設(shè)計不當(dāng)，尺寸偏小，導(dǎo)致在正常工作電壓下絕緣子與均壓環(huán)之間存在嚴(yán)重放電現(xiàn)象（助長了污穢閃絡(luò)的發(fā)生）。

建議：

（1）在桿塔檔距有限的情況下（不能靠增加絕緣子個數(shù)來提高外絕緣）引進國內(nèi)成熟的絕緣子表面浸涂RTV 涂料技術(shù)提高抗污閃能力。

（2）在污穢嚴(yán)重地區(qū)更換絕緣子均壓環(huán)以減小電位分布不均現(xiàn)象。