王德賢 高蘭蘭 王永紅 羅 皓 陳 龍

(1.貴州省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站；2.貴州省環(huán)境科學(xué)研究設(shè)計(jì)院；3.貴州眾藍(lán)科技有限公司，貴陽(yáng) 550081 )

一般認(rèn)為空氣中電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)20KV/cm就產(chǎn)生電暈放電，高壓電暈放電即可直接使空氣中的氧氣電離而生成臭氧[1]，也可通過(guò)激發(fā)紫外線產(chǎn)生臭氧，尤其在低溫多細(xì)雨濃霧的空氣中，在維護(hù)狀況較差和污染物附著的設(shè)備上，即使較低的電場(chǎng)強(qiáng)度也可大量發(fā)生尖端放電導(dǎo)致臭氧發(fā)生并向四周環(huán)境排放,粗糙表面上的尖端放電電場(chǎng)強(qiáng)度閾值可降低至1.59 KV/cm[2]。這種低溫雨霧的天氣在貴州山區(qū)除盛夏季節(jié)外都是很普遍的。因此，城市空氣臭氧污染中也有來(lái)自各種高壓電力設(shè)施的貢獻(xiàn)，這是我們近年來(lái)對(duì)貴州城市高濃度臭氧進(jìn)行大量案例調(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn)的一個(gè)現(xiàn)象。國(guó)內(nèi)外有少量研究認(rèn)為500 KV變電站工作人員患有氧化應(yīng)激綜合癥，但將其原因歸結(jié)為高壓電場(chǎng)的作用[3]。本文將以幾處風(fēng)電場(chǎng)及其升壓站、200 KV～500 KV變電站、換流站、500 KV～800 KV輸電線塔附近的電暈放電引起的臭氧濃度升高情況為例，加以說(shuō)明。

1 研究概況

風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的電壓是650 V，經(jīng)過(guò)機(jī)組箱式變壓器將電壓升至35 KV；再經(jīng)集電線路送至風(fēng)電場(chǎng)的升壓站，電壓升至110 KV或220 KV；最后經(jīng)架空線路送去公用電網(wǎng)。在兩次高壓升壓過(guò)程中，都可能有高壓電場(chǎng)中的電暈放電發(fā)生，高壓電暈放電則可以直接電離空氣或通過(guò)紫外線激發(fā)產(chǎn)生臭氧。

貴州省近二十年來(lái)在利用風(fēng)力能源發(fā)電的建設(shè)取得了很大的發(fā)展，與此同時(shí)風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的空氣臭氧也對(duì)附近的大氣環(huán)境發(fā)生了一些影響。我們以貴陽(yáng)市高坡風(fēng)電場(chǎng)和威寧縣風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行期間的大氣臭氧監(jiān)測(cè)資料為例，初步探討風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行對(duì)附近大氣臭氧的影響。

2 風(fēng)電場(chǎng)和超高壓變電站臭氧濃度特征

2.1 貴陽(yáng)云頂山風(fēng)電場(chǎng)臭氧濃度變化特征分析

圖1是貴陽(yáng)云頂山電場(chǎng)及附近桐木嶺(高坡)大氣環(huán)境國(guó)控監(jiān)測(cè)站的位置圖。在監(jiān)測(cè)站和風(fēng)電場(chǎng)之間，還有一條500 KV超高壓輸電線自西向東通過(guò)。

圖1 云頂風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行對(duì)桐木嶺臭氧影響明顯

在當(dāng)?shù)厥⑿心巷L(fēng)期間，無(wú)論冬夏，無(wú)論日夜，桐木嶺測(cè)站的臭氧濃度都比貴陽(yáng)市區(qū)高；而在盛行北風(fēng)時(shí)則是相反，桐木嶺測(cè)站的臭氧濃度比貴陽(yáng)市區(qū)低；其中的原因主要就是影響桐木嶺測(cè)站臭氧濃度的直接臭氧發(fā)生源(風(fēng)電場(chǎng)和超高壓輸電線)都分布在其南方。

從云頂風(fēng)電場(chǎng)建成運(yùn)行前后桐木嶺測(cè)站與貴陽(yáng)市區(qū)測(cè)站臭氧濃度的對(duì)比可以看出風(fēng)電場(chǎng)的臭氧貢獻(xiàn)影響。云頂山風(fēng)電場(chǎng)2014年6月二期建成。兩期共48臺(tái)風(fēng)電機(jī)(一期33×1.5 MW，二 期15×2.0 MW)，風(fēng)電場(chǎng)建成投運(yùn)之前，桐木嶺測(cè)站的臭氧濃度水平是全貴陽(yáng)市各測(cè)站中最低的，風(fēng)電場(chǎng)投運(yùn)后，桐木嶺的臭氧濃度變?yōu)槿凶罡?見(jiàn)表1)。

表1 2013年云頂山風(fēng)電場(chǎng)一期投運(yùn)前后貴陽(yáng)市各監(jiān)測(cè)站O3-8最大濃度平均值比較(μg/m3)

(* 桐木嶺是城市清潔對(duì)照點(diǎn)，未參加全市平均)

圖2是2013年貴陽(yáng)市逐日最大臭氧8小時(shí)平均濃度(O3-8)曲線和桐木嶺測(cè)點(diǎn)的比較。貴陽(yáng)市區(qū)全年平均值約為0.067 μg/m3；桐木嶺在6月以前平均值約為0.038 μg/m3，7月云頂風(fēng)電場(chǎng)開(kāi)始運(yùn)行以后平均值升高至0.078 μg/m3；可見(jiàn)風(fēng)電場(chǎng)對(duì)桐木嶺空氣臭氧的貢獻(xiàn)是顯著的。

(1)貴陽(yáng)市區(qū)9站平均

(2)桐木嶺單站圖2 2013年貴陽(yáng)市逐日最大臭氧8小時(shí)平均濃度(O3-8)曲線(綠色直線是各時(shí)段的平均值)

風(fēng)電場(chǎng)對(duì)周圍空氣臭氧濃度的貢獻(xiàn)主要發(fā)生在低溫陰濕的天氣條件下。高山風(fēng)大多云霧，風(fēng)電機(jī)葉片高度是地面以上70～80 m，箱式升壓設(shè)備設(shè)在地面。圖3是2019年4月15-16日(地面南風(fēng)2～4 m/s)在高坡風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)電機(jī)箱變壓器、110 KV升壓站進(jìn)行臭氧監(jiān)測(cè)的結(jié)果和國(guó)控點(diǎn)桐木嶺、花溪碧云窩的比較。4月16日03時(shí)以后南風(fēng)逐漸增大，至10時(shí)以后持續(xù)維持，桐木嶺測(cè)點(diǎn)的臭氧濃度大幅上升(同時(shí)還有光化學(xué)機(jī)制產(chǎn)生的臭氧疊加)?？煽闯鱿鄬?duì)于北方30 km外的花溪碧云窩測(cè)點(diǎn)，風(fēng)電場(chǎng)的變電設(shè)施和高壓輸電線對(duì)桐木嶺測(cè)點(diǎn)臭氧大約有40～60 μg/m3的增量貢獻(xiàn)。

圖3 云頂風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果和國(guó)控點(diǎn)桐木嶺、花溪碧云窩的比較

圖4是桐木嶺測(cè)點(diǎn)各季節(jié)平均的臭氧日變化，可以看出在全年風(fēng)速較大的春季臭氧濃度達(dá)到最大值；夏季盡管太陽(yáng)輻射強(qiáng)，但風(fēng)速小，臭氧濃度在全年仍處于低值；而且晝夜變化都很小(不到20 μg/m3)。這些都是風(fēng)電場(chǎng)區(qū)不同于一般城市臭氧分布規(guī)律的特征。從桐木嶺和貴陽(yáng)城區(qū)的比較可以看得更清楚，圖5是2014—2017年桐木嶺與貴陽(yáng)城區(qū)的臭氧日變化的比較，其中綠色曲線是4年中夜間風(fēng)電場(chǎng)排放臭氧貢獻(xiàn)較大的平均情況?？梢钥闯鲈陲L(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行出力較大的情況下，桐木嶺測(cè)站的臭氧已基本不存在日夜的差異。

圖4 桐木嶺測(cè)點(diǎn)2017年各個(gè)季節(jié)平均臭氧日變化

圖5 2014-2017年桐木嶺與貴陽(yáng)城區(qū)的臭氧日變化比較(“典型日”是桐木嶺夜間臭氧主要來(lái)自風(fēng)電場(chǎng)的平均情況)

使用UVOLLE-VC紫外成像儀記錄了風(fēng)電場(chǎng)各種高壓輸變電設(shè)備排放的紫外線(波長(zhǎng)范圍240～280 nm)。一個(gè)風(fēng)電場(chǎng)包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)及其箱式變壓器、集電線路、升壓站等高壓設(shè)備，可以在數(shù)十至數(shù)百處發(fā)生高壓電暈放電。這些高壓放電都可能自持式的或通過(guò)激發(fā)紫外線使空氣電離，產(chǎn)生臭氧。圖6是在云頂風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際測(cè)到的一些高壓電器設(shè)施表面電暈發(fā)光和紫外線生成，這些放電發(fā)光消耗了電能，同時(shí)導(dǎo)致空氣電離，產(chǎn)生臭氧。臭氧的產(chǎn)生量與高壓電器設(shè)施的保養(yǎng)維護(hù)(例如是否有許多電線毛刺尖端放電)和潔凈程度(例如是否有污染物短路放電)有關(guān)。

(1)高坡風(fēng)電場(chǎng)

(2)高坡風(fēng)電場(chǎng)的110kv升壓站

(3)升壓站設(shè)施的電暈放電

(4)電暈放電產(chǎn)生的紫外成像(紅色斑點(diǎn))

(5)高坡風(fēng)電場(chǎng)附近500 KV超高壓輸電線的紫外成像圖6 貴陽(yáng)高坡風(fēng)電場(chǎng)—升壓站及附近超高壓輸電線電暈放電及其產(chǎn)生的紫外線(C的數(shù)值是紫外線的光子數(shù),下同)

2.2 威寧風(fēng)電場(chǎng)臭氧濃度變化特征分析

威寧是貴州省風(fēng)力資源大縣，區(qū)域海拔高度大都在2000 m以上，縣城附近風(fēng)電場(chǎng)分布見(jiàn)圖7。至2019年2月威寧縣共建設(shè)運(yùn)行風(fēng)電場(chǎng)21處，風(fēng)力發(fā)電機(jī)約550臺(tái)，總裝機(jī)1047.5 MW。

在風(fēng)電場(chǎng)有顯著貢獻(xiàn)的情況下，威寧強(qiáng)烈太陽(yáng)輻射產(chǎn)生的光化學(xué)臭氧并沒(méi)有顯現(xiàn)出明顯的午后高峰，圖8是威寧2017年平均的臭氧濃度日變化曲線。與圖4相比，威寧和貴陽(yáng)云頂風(fēng)電場(chǎng)臭氧濃度分布有較多相同的特征，但是由于威寧的風(fēng)電場(chǎng)分布范圍很寬，距離威寧縣大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)都較遠(yuǎn)，所以圖8上威寧的臭氧濃度(40～60 μg/m3)不如圖4貴陽(yáng)桐木嶺測(cè)點(diǎn)僅有一個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的貢獻(xiàn)(50～100 μg/m3)大。

威寧夜間出現(xiàn)臭氧的原因可能主要與當(dāng)?shù)匾归g風(fēng)能較大有關(guān)，圖9是威寧百草坪風(fēng)電場(chǎng)實(shí)測(cè)的地面以上70 m 高空風(fēng)速與風(fēng)功率密度日變化曲線，可見(jiàn)當(dāng)?shù)匾归g高空風(fēng)能量明顯大于白天，而夜間的大風(fēng)能量對(duì)應(yīng)著較高的臭氧夜間濃度。由此造成的臭氧濃度沒(méi)有明顯的日夜差異，晝夜相差不超過(guò)20 μg/m3，而貴州省一般城市大氣臭氧濃度的晝夜差值都在40 μg/m3以上。

圖7 威寧縣測(cè)點(diǎn)附近風(fēng)電場(chǎng)分布

圖8 2017年全年及各季節(jié)威寧臭氧濃度日變化曲線

圖9 威寧風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)能日變化曲線

圖10是在威寧烏江源風(fēng)電場(chǎng)實(shí)測(cè)的高壓設(shè)備電暈放電產(chǎn)生的紫外線輻射成像。據(jù)了解，在貴州省各地的風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)這種放電和紫外線激發(fā)是普遍存在的。

圖11是上述監(jiān)測(cè)期間在馬擺大山風(fēng)電場(chǎng)和威寧縣城同步監(jiān)測(cè)的臭氧濃度。風(fēng)電場(chǎng)110 KV升壓站的臭氧濃度都比城區(qū)高，在19時(shí)以后明顯下降，與當(dāng)?shù)仫L(fēng)速減小并出現(xiàn)降雨有關(guān)。

圖10 威寧烏江源風(fēng)電場(chǎng)220 KV升壓站和架空集電線電暈放電的紫外成像

圖11 威寧馬擺大山風(fēng)電場(chǎng)升壓站與威寧縣城內(nèi)測(cè)點(diǎn)的臭氧監(jiān)測(cè)

2.3 超高壓變電站臭氧濃度變化特征分析

貴州省“西電東送”工程建設(shè)20多年來(lái)，先后建設(shè)了近三十處大型火力、水力發(fā)電廠和數(shù)十條500 KV以上的超/特高壓輸變電設(shè)施。其中不少分布在一些大中城市的城郊地帶，加上數(shù)量更多的110 KV～220 KV城市變電站，其電暈放電—紫外線激發(fā)產(chǎn)生的臭氧對(duì)城市大氣環(huán)境的影響是客觀存在的，但至今未見(jiàn)報(bào)道。我們的一些典型調(diào)查表明城市郊區(qū)的超高壓送變電設(shè)施是城市空氣臭氧的一種來(lái)源，只是由于臭氧活潑的強(qiáng)氧化性質(zhì)帶來(lái)的易衰變性使得對(duì)它們的定量研究非常困難。

以下是我們對(duì)貴州省幾處500 KV以上的超/特高壓輸變電設(shè)施進(jìn)行的空氣臭氧濃度監(jiān)測(cè)和紫外成像記錄，這些結(jié)果雖然是初步和粗糙的，但為今后城市臭氧污染的研究提供了有價(jià)值的線索。

圖12、圖13 是兩處500 KV變電站及其對(duì)照測(cè)點(diǎn)的空氣臭氧濃度監(jiān)測(cè)結(jié)果，表明在由許多超高壓輸變電設(shè)施組成的地帶區(qū)域，存在一定范圍的臭氧高值區(qū)。

圖12 貴陽(yáng)青巖500 KV變電站和城區(qū)的臭氧對(duì)比監(jiān)測(cè)

圖13 興仁500 KV換流站及對(duì)照測(cè)點(diǎn)的臭氧濃度比較

圖14是2019年春—夏季在貴州省中—西部幾個(gè)高壓變電站監(jiān)測(cè)的電暈放電紫外成像圖。這幾處高壓輸變電設(shè)施都位于大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近，其臭氧記錄都較高。其中一條800 KV特高壓輸電線在盤(pán)州縣城以南過(guò)境，因是新建工程，電暈放電紫外線不強(qiáng)。

貴陽(yáng)沙文500 kv變電站1

貴陽(yáng)沙文500 kv變電站2

貴陽(yáng)青巖500 kv變電站1

貴陽(yáng)青巖500 kv變電站2

貴陽(yáng)醒獅500 kv變電站1

貴陽(yáng)醒獅500 kv變電站2

興仁500 kv換流站1

興仁500 kv換流站2

興仁500 kv換流站3

興仁500 kv輸電線

興義香書(shū)塘220 KV變電站

盤(pán)州平關(guān)110 KV升壓站

鐘山區(qū)窯上10 KV變電站

盤(pán)州過(guò)境800 K特高壓輸電線圖14 貴州中—西部一些高壓輸變電設(shè)施的電暈放電紫外成像

3 結(jié)論

本文討論的高壓電力設(shè)施的臭氧環(huán)境影響問(wèn)題，只是在有限的觀測(cè)事實(shí)基礎(chǔ)上提出了一些可能存在的高壓放電影響城市大氣臭氧的情景；立論雖然簡(jiǎn)單粗糙，但提示我們對(duì)城市臭氧的全面深入研究不應(yīng)局限在NOx+VOCs的光化學(xué)反應(yīng)機(jī)制框架內(nèi)。

鑒于現(xiàn)代城市工業(yè)化水平越來(lái)越高，高壓電器使用必將日益擴(kuò)展，各種高壓放電的臭氧排放必將成為一個(gè)公眾關(guān)注的問(wèn)題 ，希望我們的工作起到拋磚引玉的作用。

本項(xiàng)目和其他一系列有關(guān)城市臭氧的研究是在貴州省生態(tài)環(huán)境廳的支持下進(jìn)行的。我們將在現(xiàn)有的觀測(cè)事實(shí)和其它可獲得的資料數(shù)據(jù)支持下繼續(xù)開(kāi)拓前行，在貴州省生態(tài)環(huán)保廳的支持和各方面大力協(xié)同下，希望能夠取得更扎實(shí)的工作成果。

本項(xiàng)目研究還得到貴州省能源局和各地電網(wǎng)公司的大力協(xié)助，特此表示感謝！