污闪机理

 

　　污闪的发生是一个很复杂的过程，它不是简单的空气间隙的击穿过程，而是一种需一定时间和一定电能聚积下的一种热击穿过程。污闪的发生一般要包括以下几个过程：1)绝缘子表面沉积一层污秽物，不导电的惰性物和受潮能溶解的盐类、酸碱等物。它们在干燥状态下是不导电的。2)绝缘子表面受潮，污秽物湿润溶解后变为导电层，在正常工作电压作用下，表面产生泄漏电流。3)表面泄漏电流产生焦耳热，在电流密度大或污层电阻较高的局部区域烘干污层，称为干带，干带中断了泄漏电流，使作用电压集中，形成高场强而引起干带上空气击穿和泄漏电流的脉冲。4)干带上出现的放电与未烘干的污层电阻相串，当串联电阻较低而泄漏电流脉冲较高时，放电将转成电弧，其燃烧和持续发展将导致绝缘子两极间的闪络。故基本污闪机理为：表面积污-污层湿润-干带形成-局部电弧发展。根据上述机理，引起污闪的基本原因有以下三点：1)空气中污染源众多，污染源特性也不一样，这些都使得绝缘子上污秽层的形成。2)气象条件中的雾、毛毛细雨、小雨夹雪等，是引起污秽层充分湿润的必要条件，也是最易造成污闪事故的气象条件。3)长期作用的工频电压。无污层潮湿状态下运行不会发生污闪；有污层干燥状态下运行不会发生污闪；有污层潮湿状态无电压不会发生污闪。因此，污闪事故的发生，只有在污秽层、湿润条件与工作电压三者同时并存，相互作用下才会促成。
 

　　本文以朔黄铁路公司黄骅港车站为例，分析接触网绝缘子污秽形成的原因、规律、造成的影响以及防治对策。

 

　　随着黄骅港地区经济的不断发展，沿海附近工厂大量新建。钢铁厂、化工厂等高污染行业不断向大气中排放可导电的化学尘埃，致使港前、港口地区的接触网绝缘子附着了大量的导电介质。每到秋冬和冬春交替季节，大雾天气频繁出现，空气中湿度加大，导电尘埃被湿润后，其绝缘性能急剧下降。尤其是钢铁厂排出的二氧化硫等酸性物质，在被水溶化很高的导电介质后，变成了电导率。在2010年、2011年春融季节，两次出现大面积闪络放电，开闭所开关频繁跳闸，不能正常供电，严重影响了运输生产的安全，因此，对港口地区接触网绝缘子绝缘状况进行了定期跟踪监测。
 

　　2.1.1取样方法

 

　　黄骅港站扩能改造后的接触网绝缘子全部采用了硅橡胶式，港口站的既有瓷质棒瓷已更换完毕，目前在监测范围内无瓷质绝缘子。根据以往棒瓷闪络情况，黄骅港供电工队设定了六个现场绝缘监测点，安装不运行的绝缘子进行观察测试，其中安装硅橡胶棒式绝缘子4个，棒瓷4个，硅橡胶悬式绝缘子4个，测试的绝缘子不带电，不受机械力，可随时检查拆卸。为了更准确的测试出钢厂污染区硅橡胶绝缘子的绝缘情况，工队安排港口站西侧一组硬横梁的运行硅橡胶棒式绝缘子进行周期测试，每年的雨季（5月---9月）不进行试验，10月----4月份定为测试期，测试期内每月拆卸1组定位立柱的上、下部硅橡胶棒式绝缘子送修试工队进行各项参数测试，另外把不运行的观测点的绝缘子抽样送检。

 

　　2.1.2试验方法及步骤：

 

　　（1）分批次测量绝缘子污闪电压值（干闪测试）

 

　　（2）分批次测量绝缘子污闪电压值（湿闪测试）

 

　　（3）分批次测量绝缘子等值附盐密度

 

　　（4）清洁试品

 

　　（5）再次进行工频耐压试验

 

　　2.1.3需查明的几个原因

 

　　（1）污闪产生的原因

 

　　（2）水冲洗是否能够有效的防止污闪发生

 

　　（3）积污速度与水冲洗次数、周期之间的关系

 

　　（4）污染物与气候之间的关系

 

　　2.1.4需收集的资料

 

　　（1）黄骅港地区污染源分布情况

 

　　黄骅港站污染源分布图

 

　　（2）黄骅港地区气象资料

 

　　（3）对绝缘子样品进行绝缘电阻、工频耐压、等值敷盐密度测试，并形成试验报告。黄骅港地区绝缘子抽检试验

 

　　（4）绝缘子运行时间统计
 

　　随着黄骅港地区经济的不断发展，沿海附近工厂大量新建。钢铁厂、化工厂等高污染行业不断向大气中排放可导电的化学尘埃，致使港前、港口地区的接触网绝缘子附着了大量的导电介质。每到秋冬和冬春交替季节，大雾天气频繁出现，空气中湿度加大，导电尘埃被湿润后，其绝缘性能急剧下降。尤其是钢铁厂排出的二氧化硫等酸性物质，在被水溶化后，变成了电导率很高的导电介质，化工厂排放的废气含有硫化物、氮氧化、悬浮颗粒物等，遇潮湿空气容易形成酸碱溶液(酸碱雾)。另外钢铁厂高炉、转炉生产的冶金粉尘和港口地区大量施工场地扬起的碱土灰及港口煤炭场地扬起的煤灰形成的污染粉尘，使港口地区空气质量变得很差，对接触网绝缘设备产生较大危害。从而造成了港口地区绝缘子污闪故障频繁发生。为了减少绝缘子污闪，我们在港口地区将部分在网运行的陶瓷绝缘子更换为硅橡胶绝缘子，并对更换前后的绝缘子绝缘状况和绝缘子运行环境进行定期跟踪监测。

 

　　黄骅港地区污秽源污秽物对应关系，季节风向与污秽物对应关系如下：

 

　　（1）、黄骅港地区污秽源及污秽物：

 

　　渤海海面（东）：海洋潮湿气流、富盐粒子。

 

　　施工工地及道路扬尘（南、西、北环绕港区）：碱性灰土。

 

　　港务公司煤场、运输车皮（东、整个港区）：粉煤灰。

 

　　中铁练钢厂、焦化厂（北、西北）：硫化物、氮氧化、悬浮颗粒物。

 

　　（2）、风向与污秽物对应关系：

 

　　①、东风、东北风、东南风--海洋潮湿气流、粉煤灰、电厂排放气体。

 

　　②、南风、西风、西南风--周边工地及车辆运行所形成的碱性尘土。

 

　　③、北风、西北风、东北风--周边工地及车辆运行所形成的碱性尘土，焦化厂、练钢厂所排放的硫化物、氮氧化、悬浮颗粒物。

 

　　④、任意方向风--站内地面碱性尘土、运输漂落的粉煤。

 

　　（3）、风向变化规律（根据黄骅港地区气象图表资料）：

 

　　2012年1月：东北风、西北风、北风

 

　　2012年2月：东北风、西北风、东南风

 

　　2012年3月：北风、西南风、东北风

 

　　2012年4月：西南风、东北风、南风

 

　　2012年5月：东南风、西南风

 

　　2012年6月：南风、东南风、西南风

 

　　2012年7月：东南风、东风

 

　　2012年8月：东北风、东南风、东风

 

　　2012年9月：南风、西南风、东南风

 

　　2012年10月：西北风、西南风、东南风

 

　　2012年11月：西北风、西南风

 

　　2012年12月：西北风、南风

 

　　2013年1月：西北风、东北风

 

　　2013年2月：北风、东北风、西南风

 

　　2013年3月：北风、东北风、东风

 

　　2013年4月：东风、西北风

 

　　规律：每年中的10月至次年4月黄骅港地区均以东北风、西北风、北风为主，风力均不大，以4至6级为主，整个港区正好位于中铁练钢厂和焦化厂排放物随风履盖区，因风力均不大可致使港口地区成为大颗粒浮尘的主要下落区。
 

　　综合多次试验数据分析，硅橡胶棒式绝缘子在污秽等级较高的运行条件下，也能达到120KV的交流耐压等级，出现拉弧现象时的测试电压也高于60KV，符合接触网供电线路的绝缘耐压要求，能较好的实现恶劣环境下的供电安全运行。经过棒式绝缘子表面清洁前和清洁后的交流耐压试验数据对比，可发现清洁后的棒式绝缘子的交流耐压有所提高，证明清洁棒式绝缘子对提高绝缘子的绝缘强度有明显的作用。因此，我们对黄骅港地区绝缘子防污闪采取了以下措施：一、将港口地区所有的接触网绝缘子全部更换为硅橡胶绝缘子；二、加大对接触网绝缘子的清洗次数。通过上述措施有效地提高了港口地区绝缘子防污闪的能力。具体防污闪措施如下：

 

　　1、为了提高绝缘子绝缘性能，从2012年4月起将黄骅港地区原有瓷质棒式绝缘子全部更换为绝缘性能更好，泄漏距离达1600mm的硅橡胶绝缘子。

 

　　2、清除绝缘子表面附着的导电介质，2012年4月、9月、11月，2013年2月、3月进行绝缘子水冲洗，2012年3月、4月、9月、10月、11月、12月，2013年1月、2月、3月、4月、5月进行了部分绝缘子人工清扫。

 

　　3、在钢厂附近重污区布置测试用绝缘子，进行分批抽检试验，监测环境对绝缘子的影响。截至2013年5月低共抽检试验10批33个绝缘子。
 

　　根据抽检绝缘子试验数据分析，绝缘子覆盐密度在春冬季节较大，达到污秽等级2级，2013年较2012年更为严重，达到污秽等级3级，所有绝缘子在干燥情况下都有较好的绝缘性能，一经模拟海洋性潮湿条件（向绝缘子喷海水）进行绝缘子试验就发现绝缘性能下降较大，并且拉弧跳闸电压都较低，但硅橡胶绝缘子拉弧或引起跳闸时的试验电压要高于瓷质绝缘子。说明绝缘子表面的污秽物对绝缘子的绝缘性能有很大的影响，但在经过清扫干净后基本上都能恢复较好的绝缘性能，且硅橡胶绝缘子较瓷质绝缘子抗闪络性能更强。也因此应证了黄骅港地区环境污染对绝缘子绝缘性能影响较大，但通过更换大爬距硅橡胶绝缘子和及时进行绝缘子清洁也能达到降低污闪的效果。经过防污闪整治，在2013年度1月28至1月30日的大雾天气中（恶劣气象条件），黄骅港地区未因接触网绝缘子闪络引起大面积停电。
 

　　利用行业内成熟的泄露电流传感器技术，建立接触网绝缘子污秽监测系统，电力行业已经建立了成熟的绝缘子污秽监测系统，将其进行改进移植到接触网设备上，实现对线路接触网绝缘子工况的连续实时监测，主要是对表示绝缘子污秽度的参数-泄漏电流的几个特征量以及相关气象参数进行在线监测。该装置可对绝缘子污秽情况进行动态分析与评价，提出先期报警，使运行部门及时了解和掌握绝缘子的污秽状况，并及时获得线路绝缘子污秽程度的信息，为开展绝缘子状态检修提供正确的理论指导和有效的技术支持，为采取相关防污措施提供安全的时间裕度。
 

　　1、连续在线监测线路绝缘子工况，定期评估，提供实时分析。

 

　　2、同步监测周围环境参量，多参量综合判断，及时提供报警信号。

 

　　3、根据不同污秽程度，自动提出低、中、高三级可靠、准确报警。

 

　　4、自动记录泄漏电流报警波形。

 

　　5、数据通过GSM网络传输，快捷方便。

 

　　6、接触网绝缘子污秽监测专家诊断软件配有专家诊断功能，可及时了解和掌握接触网绝缘子的污秽状况，并支持对监测箱实施远程修改参数。

 

　　7、远程数据管理站全面建立线路绝缘子污秽信息数据库。提供全面查询功能，永久保存所有报警记录。

 

　　8、低功耗，使用太阳能作为电源，运行费用低廉。

 

　　9、传感器安装时不需短路或增加一片绝缘子，因而不改变原绝缘子串长；爬电比距和空气间隙，不影响绝缘水平。
 

　　5.2.1、系统构架

 

　　接触网绝缘子污秽在线监测装置由专用泄露电流传感器、监测箱和远程数据管理站等部分组成。其中专用泄露电流传感器安装于绝缘子接地端的挂环处。

 

系统构架如图1所示

 

　　5.2.2、硬件构架

 

　　硬件系统主要由传感器、电源管理模块、微处理器、无线通信模块、唤醒模块以及后台机构成。硬件系统原理图如图2所示。

 

　　主芯片（微处理器）通过采样泄露电流信号、温湿度信号，进而进行数据处理，主要是小信号调理。最后将处理的信号储存在内部存储器中。具体功能原理如图3所示

 

　　4）具备无线发送模块功能，将温湿度信号，泄漏电流信号以及时间信号经GPRS/GSM网络发给监控中心的PC机。

 

　　5）电源管理模块实现能量的有序管理：当阳光充足时，太阳能电池板一方面对蓄电池充电，另一方面直接给各个模块提供电源；当遇到阴天时，由蓄电池提供电源能量。该装置使用的太阳能电池板及蓄电池参数如表2所示。

 

　　5.2.3、硬件和软件功能

 

　　1）数据采集功能：主要完成对绝缘子泄漏电流、温湿度的采集；

 

　　2）无线通信功能：系统可以将采集到的泄露电流及环境参数通过GPRS网络传给后台监控系统。

 

　　3）后台管理功能：远程管理软件有自动诊断功能，可及时了解和掌握绝缘子的污秽状况。可对监测箱实施远程修改，包括有发送时间、杆号调整、校准时间等。可全面建立线路绝缘子污秽信息数据库，提供全面查询功能，可按时间检索和打印数据、图形、报表，永久保存所有报警记录。
 

　　1）基站（铁路杆塔）

 

　　①泄露电流传感器：感应泄漏电流信号。

 

　　②温、湿度传感器：提供大气湿度和温度参数。

 

　　③数据监测箱：密封在屏蔽盒内，由数据采集装置、通信单元、太阳能充电器及可充蓄电池等组成。

 

　　③太阳能电池板：供电电源输出。

 

　　2）远程数据管理

 

　　①绝缘子污秽专家诊断分析系统：可对监测点提供全面的管理。

 

　　②后台机：分为PC电脑和服务器。

 

　　③操作系统：Windows98／NT／2000／XP或WindowsServer2008等。
 

　　污闪防治工作是电气化铁路的一项重要工作，污闪发生的原因可能由多种因素构成，需要我们认真分析，采取针对性的措施，既要加强人工清扫的工作，同时也要积极利用新技术、新方法，利用科技手段指导我们的日常工作，实现事半功倍的效果，积累污闪防治的经验，提高工作效率和水平。