巴基斯坦卡西姆电站及500kV 输电线路严重频繁污闪事故分析

蔡 斌 郭广领 代朝辉 贾 晟 赵 晨 闫力美

（ 1、中国电建集团海外投资有限公司，北京100048 2、北京世纪航凯电力科技股份有限公司，北京100000）

由中国电建与卡塔尔AMC 共同出资中国建设的装机2X660MW(超临界燃煤机组)卡西姆电站自2017 年11 月1 日投运至2019 年3 月12 日。共发生线路故障101 次，故障导致16次全厂失电（包括试送后再次跳闸），机组甩负荷25 台·次，经济损失巨大。由于线路故障导致的频繁全厂失电，对电站机组设备安全造成威胁，严重缩短设备使用寿命，全厂失电造成的机组开停机费用、设备部件损坏的修复费用、设备性能下降等直接经济损失已经高达数百万美元。极易造成主设备损坏事件的发生，需要接近一年的时间来修复损坏的设备，将给发电公司造成数亿美元的重大经济损失。设备完好是卡西姆电站可持续发展的根本，线路频繁故障，还严重影响机组年度可用率达到PPA 规定的7446 机组利用小时，危及到发电公司的正常运营和可持续发展。为此展开了相关的研究，提出科学有效解决方案，提前实现电站和输电线路安全运行（自2019 年4 月22 号投运至今未出现过异常停电事故）。

1 影响电站及500kV 输电线路正常运行原因调查

1.1 电站及500kV 输电线路基本情况

卡西姆电站及500kV 出线，部分位于阿拉伯海滩。所处环境为空气湿度大、高温、高污染地区。而卡西姆电站500kV 送出线路工程，起自卡西姆港燃煤电站，止于默蒂亚里500kV 变电站，一期线路全长55.7km。自卡西姆港燃煤电站起12km 线路紧邻阿拉伯海，途经卡拉奇工业区，附近电厂、炼油厂等重污染重工厂密集；12km-21km 距离阿拉伯海及重污染工程均超过5km，周边城镇较为密集，交通发达；21km-55.7km,线路处于沙漠地区，线路走廊附近几乎无村镇，无工厂污染，交通落后从对电站和送出线路的调研及每次事故的分析认为；电站频繁跳闸事故是由线路严重污秽引起的绝缘子闪络造成的。

1.2 电站及输电线路污秽闪络原因

根据故障测距保护数据分析，闪络大多发生在距电站21km之间。洽是经过阿拉伯海及重污染性工厂排放地区，烟气、灰尘等污秽物大量附着绝缘子表面，当遇见湿润气象条件时，形成导电层的可溶污秽物和不可溶污秽物粘在一起，其表面流过泄露电流，甚至引起空气击穿，形成一次单相接地故障，即污秽闪络。另外根据现场运行观察也证实了这点。

形成污秽闪络的必要条件为：

（1）绝缘子表面附着大量污秽物或雾状电解质。

（2）湿润气象条件发生。

（3）线路绝缘能力设计不足。

（4）有其它先天设计缺陷。

为找出线路绝缘子大面积闪络的原因，对以上四个方面进行核查。

卡西姆电站及500kV 送出线路（由巴国施工，欧洲某国设计），线路耐张绝缘子串采用4×160kN 防雾型绝缘子，悬垂绝缘子串采用2×160kN 防雾型绝缘子，绝缘子每联配置43 片（由日本NGK 生产），自卡西姆港燃煤电站起12km 线路，位于工业园区，周围重污染性工厂排放的烟气、灰尘等污秽物大量附着绝缘子表面；同时线路临近海岸线，空气湿度较大。

从现场更换下绝缘子表面不难看出污秽的严重程度（如在绝缘子表面用手擦拭会出现一黑色油墨状的条痕）。

（此绝缘子串为出线第四级耐张塔A 相，出线12km 均存在类似的表面污秽现象）。在阴天或潮湿季节（特别是在有海风时）会出现大面积的整串绝缘子连续闪络现象。

由此可见，卡西姆电站及其500kV 送出线路发生闪络满足（1）、（2）条件。

那么是否存在线路绝缘能力设计不足？为此对卡西姆电站及500kV 送出线路绝缘设计进行核实计算（中国国内500kV 电压等级要求）[1]。

2 对卡西姆电站及500kV 送出线路进行验证计算

首先查阅了卡西姆地区的10 年气象资料、周边的污染源、分析了污染源的成分、确定了卡西姆地区污秽的类型和等级[2]。

2.1 调查卡西姆电站500kV 送出线路的大气污秽，分析形成污秽闪络的气象条件。

（1）工业污秽情况，本工程涉及的工业污秽主要指沿线的大型工厂排污，工业污染排放物易在绝缘子表面沉淀，严重影响绝缘子的绝缘性能，因此对沿线电厂（40km）、冶金（40km）、水泥厂（40km）、炼焦厂、砖瓦陶瓷等企业，调查污染排放情况、与线路相对位置关系等。

（2）生活污秽情况，本工程涉及的生活污秽主要指沿线的重要交通线路。由于交通干线附近的线路绝缘子表面更容易积污，因此要调查与附近公路相对位置关系等。

（3）自然污秽调查，本工程涉及的自然污秽主要指沿线的大气降尘及风沙。

本工程生活污秽及自然污秽较为单一，沿线的主要交通线路为电站附近工业区内公路和高速公路N5，其余为小型公路或土路，对线路绝缘影响较小，但会成为形成污闪的附加因素；输电线路进入沙漠后，受风沙天气影响较大，细微的沙粒或尘土，随风附着在绝缘子表面，由于强降雨极少，绝缘子自洁能力有限，会成为形成污闪的附加因素。

生活污秽及自然污秽由于自身形成污秽物密度有限和沉积时间漫长，较难成为输电线路污秽闪络的主因，根据本工程运行状况调研，输电线路应主要受工业污秽影响最大，对沿线污秽源调研如下：

a.ASG 金属处理厂；

b.Sharif 油厂；

c.PAKISTAN TEX BOARD BIN QASIM（巴基斯坦卡西姆TEX BOARD BIN 油处理厂）；

d.TAHIR UMAR 油厂；

e.DEWAN/PAKLAND 水泥工厂。

表1 部分污源污秽物成分分析结果 单位：mg/L

图1 各厂污染物成分占比分析

2.2 气象资料的收集及污秽等级确定

气象条件包含风速风向、降雨量、小雨天数、最长雾日数、平均温度、平均湿度等，风速风向直接影响着污染物的有利驱散和有害扩散情况，即存在因为大风将污染源的污秽带到远离污染源的输电线路，降低输电线路绝缘能力，也存在大风驱散了接近污染源的输电线路附近的污秽物。降雨较大的地区，绝缘子自洁能力较强，但是小雨天和大雾天是引发污闪的主要条件，绝缘子表面沉积污秽后，在干燥的情况下，极难出现污秽闪络，相反在潮湿的条件下易发生污闪。

收集卡拉奇地区气象站1981-2010 年历年的气温、气压、降雨量等常规气象项目实测资料进行统计，各项统计成果见表2。

表2 卡拉奇地区1981-2010 年气象条件

根绝本工程沿线地质气象条件和污染源调查结果，确定污秽类型如下：

（1）自卡西姆港燃煤电站起12km 的线路，属于典型的沿工业型区域，同时临近海岸线，空气湿度较大，为污秽闪络提供了更有力的条件。受周围工业密集区排放的烟气、灰尘等影响严重，绝缘子表面附着较厚的固体污秽物，当遇见湿润条件时，形成导电层的可溶污秽物和粘在一起的不可溶污秽物。

（2）12km-21km 线路属于A 类污秽型，该段属于工业型环境，但是距离工业园区大于5km，距离南部沿海区域大于5km，北部距离沙漠环境接近5km，同时受工业污秽、沿海湿气及沙漠环境的影响，并且城镇较为密集，交通较为发达，会受到工业型污秽闪络和沙漠型污秽闪络的综合影响。

（3）21km-55.7km 线路属于A 类污秽型，砂质土壤，干旱期持续时间很长，面积广阔。这些地区的污秽层统筹含有溶解速度缓慢的盐并且NSDD 水平很高，绝缘子主要被风带来的污秽物所染，自然清洁可以发生在稍有的下雨期或者强风形成的“吹沙”时，雨水稀少并且盐的溶解性差，自然清洁效果较差。绝缘子凝露现象可能经常产生临界湿润，导致绝缘子闪络。电站12km-21km 线路属于A 类污秽型，该段属于工业型环境，但是距离工业园区大于5km，距离南部沿海区域大于5km，北部距离沙漠环境接近5km，同时受工业污秽、沿海湿气及沙漠环境的影响，并且城镇较为密集，交通较为发达，会受到工业型污秽闪络和沙漠型污秽闪络的综合影响。[2]

2.3 现场污秽度（SPS）的确定

根据上述沿线污染源调研结果及污秽类型的鉴定，可得本工程典型环境情况：自卡西姆港燃煤电站起12km 线路，同时属沿海型区域和工业型区域，线路紧邻阿拉伯海岸线，距海岸线在5km 范围以内，同时附近炼油厂等污染重工业密集，距最近厂矿在5 km 范围以内。12km-21km 线路介于工业型区域和沙漠型区域之间，受两者综合影响。21km-55.7km 线路属于荒漠型环境，沿线地质为沙质土壤，干旱持续时间长。

根据IEC/TS 60815-1（2008），给出一些典型环境及其现场污秽度和污秽类型进行细分，相应等值盐密距离规定的工业污染源和交通干线远的取下限值，距离近的取上限值；积污期干旱少雾取下限值，持续雾日多，取上限值。由此可以得出：

卡西姆港燃煤电站起12km 线路，近似于E7 典型环境，同时属沿海型区域和工业型区域，可按照e 基污秽区配置绝缘。12km-21km 线路介于工业型区域和沙漠型区域之间，近似于E5 典型环境，可按照d 基污秽区配置绝缘。21km-55.7km 线路属于荒漠型环境，近似于E3 典型环境，可按照c 基污秽区上限配置绝缘。

2.4 参考统一爬电比距（RUSCD）的确定

自卡西姆港燃煤电站起12km 线路，近似于E7 典型环境，不溶沉淀物密度NSDD 约1.0mg/cm2，等值盐密ESDD 约0.7mg/cm2。12km-21km 线路近似于E5 典型环境，不溶沉淀物密度 NSDD 约 0.5mg/cm2， 等 值 盐 密 ESDD 约 0.3mg/cm2。21km-55.7km 线路近似于E3 典型环境，不溶沉淀物密度NSDD约0.3mg/cm2，等值盐密ESDD 约0.08mg/cm2。

图2 爬电比距（RUSCD）和现场污秽度（SPS）对应关系

如图2 所示：根据IEC/TS 60815-1（2008）中参考统一爬电比距（RUSCD）和现场污秽度（SPS）对应关系，自卡西姆港燃煤电站起12km 线路，可按照不小于60mm/kV 配置绝缘。12km-21km 线路属于荒漠型环境，可按照不小于45mm/kV 配置绝缘。21km-55.7km 线路属于荒漠型环境，可按照不小于37mm/kV 配置绝缘。

3 绝缘配置现状及要求

输电线路的绝缘配合，应使线路在工频电压、操作过电压、雷电过电压等各种条件下安全可靠地运行。操作过电压和雷电过电压对绝缘子串片数选择不起控制作用，一般按工频电压选择绝缘子串片数。

3.1 本工程绝缘子外形型式

本工程采用NGK 的FOG TYPE CORROSION-PROOF SUSPENSION INSULATOR M&E STRENGTH：16500KG（耐污型防腐悬式绝缘子- 机电破坏负荷16.5 吨）。

该种型式绝缘子工程应用中悬垂串垂直安装、耐张串同时存在水平按照和垂直安装情况，这种外形的优缺点是：在下雨、薄雾等条件下，其下表面受潮较慢，与相同尺寸的标准外形相比，深下棱形状使单片爬电距离得到延长；缺点是下表面自洁能力较差，尤其在耐张串水平安装时，深下棱的下表面易形成积污。

3.2 绝缘子片数设计核实

绝缘子串片数的选择应能使线路在工频电压、操作过电压、雷电过电压等各种条件下安全可靠的运行；因此，绝缘子串片数的选择应能满足上述三种状况的要求。

电网由于受到大气污染的影响，外绝缘水平一般由工作电压控制。因此，输变电设备外绝缘配置主要取决于绝缘子的耐污闪能力，绝缘子片数选择也主要取决于工作电压下的污秽耐压特性，所以，一般是根据污秽性能选定绝缘子片数。[3]

由工频电压爬电距离要求的绝缘子串片数应符合下式要求：

式中：

N 每串绝缘子串片数，片；

Um系统额定电压，kV；

Ke绝缘子爬电距离的有效系数；

Lo每片悬式绝缘子的几何爬电距离，cm；

λ 爬电比距，cm/kV；

表3 单串绝缘子核算结果

3.3 多串并联条件对绝缘子片数选择的影响

现有的研究结果表明，绝缘子串的污闪概率与绝缘子串的闪络电压和串长之间呈现正态分布，而标准正态分布公式为：

对单串绝缘子来说，在特定污秽度及运行电压下，绝缘子串的污秽闪络概率P(u)可通过绝缘子的50%污秽闪络电压U50%和标准偏差σ 来表示：

式中：U 为绝缘子的运行电压；u 为绝缘子的耐受电压；σ标准偏差；U50%为绝缘子的50%污秽闪络电压。

对于多串并联绝缘子串的串长设计时，除串间相互的影响外，还应考虑，即使并联绝缘子串间距较大、相互间不存在降低绝缘子污闪电压的影响时，维持多串并联绝缘子串的整体闪络概率不降低。对于单串闪络概率和多串闪络概率之间的关系，可用如下关系式表达：

式中：

Pn为并联绝缘子串的闪络概率；

P1为单个绝缘子串的闪络概率；

n 为并联串数。

对于多串并联绝缘子串，即使并联绝缘子串间距足够大、相互间不存在降低绝缘子污闪电压的影响时，该并联绝缘子串的闪络概率也会有所增加。

以本工程4 串绝缘子并联为例，此时4 联串的闪络概率（P4）为：

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

显然，为了保持整条线路设计的统一性，同时也使系统运行的安全性不降低，需要增大每串的串长，提高单串绝缘子的耐受电压（U1）从而使6 联串的闪络概率（P6）仍保持为0.135%。根据计算，当

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

时，单串绝缘子的闪络概率（P1）应为0.034%。此时，该单串绝缘子中的每片绝缘子的耐受电压应降为：

单串绝缘子的耐受电压与单串绝缘子的串长的关系为：

当б 取7%时，即单串绝缘子的串长应增加3.9%；当б 取8%时，即单串绝缘子的串长应增加4.6%

根据上述结论，本工程耐张串采用4*160kN 串型，在绝缘配置方面，需增加4.6%×40=2.02 片，即耐张串在配置44 片绝缘子的基础上（原设计为44 片。由于杆塔档距的限制，不可能在增加绝缘子的片数来提高绝缘水平），需再增加2 片。

表4 四串并联绝缘子核算结果

4 用数值计算查找其它原设计缺陷

经在巴国几个月的考查，发现尽管原设计存在线路绝缘子绝缘不够的问题，但就其原设计留有的裕度也不至于严重到一年两个月的时间跳闸98 次。是否还有其它先天设计缺陷呢？在对500kV 线路正常运行时的观察发现，在正常运行电压下距导线侧最近的几片绝缘子电晕声极大（大大超出国内500kV 线路）。为此，对卡西姆电站及500kV 送出线路绝缘子电位分布进行了数值计算。

4.1 数值计算建模

见图3。建模原型（巴方NTDC 提供）。

图3 a 整体模型

图3 b 绝缘子体模型

图3 c 高压端局部模型

4.2 数值计算及结果

结果显示均压环尺寸设计过小（包括摆放位置不合适）导致绝缘子电位分布严重不均匀。

首端绝缘子（靠近导线侧）1、2、3、4 片局部场强过高，所以在正常运行电压下也会出现强烈的电晕放电现象。

另外，数值计算结果显示，首端1、2、3、4 片绝缘子两端电压也过高，容易形成沿面闪络（4 串并运行时）：

第1 片绝缘子两端电压为；49.5kV

第2 片绝缘子两端电压为；52kV

第3 片绝缘子两端电压为；45kV

第4 片绝缘子两端电压为；39kV

值得注意的是；从现场拍的大量照片来看，第二片绝缘子上表面放电留痕比其它绝缘子都严重许多（现场绝缘子实际运行情况验证了数值计算的正确性）。

5 结论

通过几个月对巴基斯坦卡西姆电站及500kV 输电线路频繁污闪事故调查和分析，得出以下结论：

（1）频繁污闪事故主要原因，是该地区存在严重的工业污染。为A 类污染，属于E7 典型环境。

（2）原绝缘子设计外绝缘裕度不足。

（3）绝缘子的均压环设计不当，尺寸偏小，导致在正常工作电压下绝缘子与均压环之间存在严重放电现象（助长了污秽闪络的发生）。

建议：

（1）在杆塔档距有限的情况下（不能靠增加绝缘子个数来提高外绝缘）引进国内成熟的绝缘子表面浸涂RTV 涂料技术提高抗污闪能力。

（2）在污秽严重地区更换绝缘子均压环以减小电位分布不均现象。