郝敬亮，趙天良，高嵩，李杰，王詠薇

(1.南京信息工程大學中國氣象局氣溶膠-云-降水重點開放實驗室，江蘇 南京 210044；2.江蘇省電力公司電力科學研究院，江蘇 南京 211103)

·環(huán)境預警·

霾污染對輸變電設備外絕緣影響的研究進展

郝敬亮1，趙天良1，高嵩2，李杰2，王詠薇1

(1.南京信息工程大學中國氣象局氣溶膠-云-降水重點開放實驗室，江蘇 南京 210044；2.江蘇省電力公司電力科學研究院，江蘇 南京 211103)

為了研究霾污染對電力安全的影響，綜述了近年來國內外針對霾污染對輸變電設備外絕緣影響的研究進展，總結了影響輸變電設備外絕緣的霾天氣指標，霾對外絕緣運行狀態(tài)的危害和絕緣子沉積吸附的研究。展望了大氣顆粒物在絕緣子沉積的外場綜合觀測，霾顆粒沉積物的實驗室物理化學分析以及沉降過程的數(shù)值模型等亟待解決的問題。

霾；輸變電設備；外絕緣；氣溶膠沉積

隨著我國經(jīng)濟的快速增長和城市化進程的加快，近幾年引發(fā)了大氣顆粒物污染的大氣環(huán)境問題，其主要集中發(fā)生在京津冀、長三角和珠三角區(qū)域。作為我國經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)，這些區(qū)域也是我國電力能源主要消耗地區(qū)。我國大氣環(huán)境污染已由傳統(tǒng)的煤煙型污染轉向以PM2.5和污染氣體(O3、SO2、NOx)形成的復合型污染，而大氣環(huán)境中PM2.5和PM10等顆粒物濃度的增加是引起霾污染的主要原因。霾污染不僅危害人體健康，還導致能見度降低，進而影響交通、城市景觀和人民生活。

輸電線路絕緣子在運行過程中，受人為排放物以及自然揚塵等環(huán)境因素的影響，會減弱輸電的效率以及發(fā)生污閃事故，而霾多發(fā)地區(qū)大多與輸電走廊或用電高負荷密度地區(qū)重合[ 1 ]。霾污染過程中顆粒物沉降的積污對輸變電設備外絕緣造成影響，有可能誘發(fā)并加劇這一過程，其加劇作用與霾污染特征存在密切關系。數(shù)據(jù)顯示，2013年12月上旬，全國中東部地區(qū)20個省份共104個城市空氣質量達到了重霾污染[ 2-6 ]，直接導致京津冀、長三角和珠三角地區(qū)的城市發(fā)生變電設備污閃而出現(xiàn)故障。

現(xiàn)針對霾對輸變電設備外絕緣影響的研究，綜述了霧霾影響指標、影響危害和沉積吸附幾個方面，并指出目前面臨的問題和研究展望。

1 主要研究進展

1.1 影響外絕緣的霾污染主要指標

近幾年來，霾污染事件頻發(fā)，環(huán)境氣象的影響因素得到密切關注[ 7-10 ]，然而一些霾的特征參數(shù)，如能見度、PM2.5質量濃度、溫度、pH值等與輸變電設備外絕緣積污特性相關性小，霾天氣條件下的外絕緣積污的評估需要考慮其他合適的指標。我國不同地區(qū)在工業(yè)密集區(qū)形成的霾中主要陰離子為SO42-和NO3-，主要陽離子為NH4+和Ca2+[ 11 ]。在研究大氣環(huán)境對高壓絕緣的影響時，表征霧臟污程度的參數(shù)應使用霧水電導率?，F(xiàn)場監(jiān)測與模擬試驗都證實，在霾污染的持續(xù)作用下，絕緣子表面污穢度(積污程度)逐漸增大。根據(jù)以上結果，當分析霾對輸變電設備外絕緣造成影響時，霧水電導率及其作用時間應作為一個關鍵因素，其作用結果將導致絕緣子表面污穢度的增長以及絕緣子表面電導率的升高，這兩個指標直接決定了霾對絕緣子運行狀態(tài)的影響程度[ 12-15 ]。

霾污染中大氣顆粒物在絕緣子表面沉積也會直接造成積污。不同污染排放源產生的顆粒物在絕緣子表面上的沉積量與其粒徑有一定關系，粒徑大的工業(yè)顆粒物會更多地沉積在絕緣子上表面[ 16 ]?？梢酝ㄟ^一些特征粒徑來直接了解和比較顆粒物的沉積特點和差異。對于沉積在絕緣子表面的顆粒物，以及以TSP和降塵方式存在于大氣中的顆粒物，都可以通過統(tǒng)計方法得到它們的特征粒徑[ 17-18 ]。在自然揚塵，燃煤、鋼鐵、石化、水泥等各類工業(yè)污染排放和農業(yè)地區(qū)焚燒秸稈過程中，會產生大量不同粒徑的大氣顆粒物。在嚴重霾污染環(huán)境中，高導電率霧與不同排放源類型的顆粒物相結合，通過自然和靜電作用力吸附、沉積在絕緣子表面，由此引起的絕緣子積污量增加、表面電導率變化會使絕緣子的污閃電壓出現(xiàn)不同程度的下降[ 11,19-20 ]。

1.2 霾對外絕緣設備運行狀態(tài)的影響

霾對輸變電設備絕緣子的沿面放電特性有很大影響，容易導致絕緣子發(fā)生污閃。對于霾污染環(huán)境中輸變電設備外絕緣的污閃特性，國內外開展過一些初步研究和機理研究。一般情況下，污閃事件在霾初發(fā)期不會出現(xiàn)，但持續(xù)長時間的霾天氣則不然[ 20 ]。霾天氣下，空氣中攜帶大量粉塵等懸浮顆粒，累積在大氣邊界層內無法擴散，極容易導致絕緣子表面快速積污；并且大氣濕度普遍較高，不利于污層獲得優(yōu)良的憎水性能[ 21-22 ]。此外，空氣污染物還會降低復合絕緣子污閃電壓[ 11,19-20 ]，加速硅橡膠復合材料的老化。其具體表現(xiàn)為：(1) 霾增大傘裙之間氣隙發(fā)生擊穿的概率[ 23 ]。霾發(fā)生時，大氣中懸浮大量顆粒物，如PM2.5、PM10等，這些微粒子會對傘裙之間氣隙的電場分布產生較大影響，使得電場發(fā)生嚴重畸變，使得空氣的擊穿場強大幅度降低，增大了傘群氣隙擊穿的可能性，降低閃絡電壓；(2) 霾產生的污穢物會加速硅橡膠材料的老化[ 23 ]。霾污染物中含有的酸、堿性污穢物通過濕沉降附著于硅橡膠表面，會產生一定的化學腐蝕作用，破壞硅橡膠的分子結構，導致硅橡膠傘裙表面松動、陷阱密度增大，加速老化，降低其使用壽命。

1.3 霾顆粒物在絕緣子沉積吸附過程的研究

霾對絕緣子的影響還主要體現(xiàn)在以下兩方面：(1)各種霾污染微粒會使絕緣子表面的積污量增加[ 20 ]；(2)霾引起絕緣子表面潮濕會增大泄漏電流，降低閃絡電壓[ 11,19-20 ]。其中，絕緣子表面的積污量增加與顆粒物在絕緣子表面的沉積吸附特性密切相關[ 17-18 ]，可分為3個步驟：(1)污穢顆粒從空氣中自由沉降到絕緣子表面的邊界層；(2)污穢顆粒從進入邊界層到碰撞絕緣子表面；(3)污穢顆粒從碰撞絕緣子表面到吸附在絕緣子表面，此步驟決定顆粒物能否附著在絕緣子表面上。

背著母親，我偷偷到父親出事的現(xiàn)場去了幾次，每次都待上很長的時間。父親在我心中的無名英雄形象，變成了一個用白色漆線勾勒在柏油路面上的空白輪廓，肢體雖然扭曲，但是依然完整。南來北往的車輛不斷地從父親的輪廓上壓輾而過，每壓一回，關于父親的生前種種便更加清晰起來。父親依舊活在我的心中，依然繼續(xù)為我增添新的記憶，只是不再與我分擔新的悲傷。蹲在父親的身旁時，我不止一次地想起那個在夜市口賣蒸餃的老人。有時，我甚至有一個沖動，想要把父親的死訊告訴他；我知道這一切都與他無干，我只是想看看他聽到我的述說之后，在一陣陣的白色蒸汽包圍下，依舊兩眼茫茫，仿佛世事原本并無可喜，亦無甚可悲的模樣。

上述對絕緣子沉積吸附過程的理解依然是針對較為理想的大氣環(huán)境，全面地理解霾污染物在絕緣子上的沉積吸附過程，將有利于霾污染對輸變電設備外絕緣影響的環(huán)境氣象外場監(jiān)測，尤其是絕緣子表面的邊界層及其變化影響因子的綜合觀測。

1.3.1 綜合構建人工霾污染環(huán)境和自然積污試驗

綜合構建人工霾污染環(huán)境和自然積污實驗，運用等值鹽密、等值灰密、積污量測定及原子力顯微鏡(AFM)、場發(fā)射掃描電鏡-能譜分析(FSEM- EDX)、光電子能譜(XPS)、X射線衍射(XRD)、空氣顆粒物粒度譜儀等測試手段，選取代表性絕緣子，研究分析顆粒物與絕緣子表面的相互作用力、顆粒物由氣相主體向絕緣子表面的遷移運動及其在絕緣子表面的吸附沉積過程。有研究表明，不同大氣懸浮顆粒物在不同絕緣材料(硅橡膠、瓷和鋼化玻璃)表面以及材料表面帶有不同荷電的情況下，絕緣子的積污效果不一樣[ 24-25 ]。

1.3.2 霾污染物在絕緣子表面快速沉積的數(shù)值模擬

在大氣環(huán)境條件下，絕緣子積污過程受到眾多因素的影響，如天氣條件(空氣濕度、溫度、風向與風速、降雨)[ 26-27 ]，顆粒物成分及絕緣子所在地域粉塵種類、大小、濃度、黏度等[ 28-29 ]，絕緣子表面形狀(不同種類絕緣子幾何形狀、凹凸面、迎風面、正反面等)[ 30-31 ]。如果完全依靠實驗的方法進行積污規(guī)律的研究，難以完成大量不同條件的綜合影響實驗，也難以深入研究和揭示絕緣子表面積污機理。因此在開展現(xiàn)場實地研究和實驗室研究的同時，平行開展絕緣子在大氣環(huán)境條件下積污過程的數(shù)值模擬研究[ 32-34 ]，其中包括積污過程數(shù)學模型的建立與求解，利用計算模擬對不同條件下絕緣子積污過程的機理進行研究與分析，深入地揭示絕緣子的積污規(guī)律，使之成為研究、分析絕緣子表面積污過程和預報絕緣子積污狀況的有效工具。

國外也在嘗試著建立經(jīng)驗模型(AMICO)來預報絕緣子積污[ 35 ]，ILCMS系統(tǒng)可測量絕緣子的泄漏電流[ 36 ]。AMICO和ILCMS系統(tǒng)一起使用，配合測量氣象因素得到的結果與實驗室結果對比，最終得到選樣地點的絕緣子積污規(guī)律。為了檢測所有地域的絕緣子積污狀況，用有限的積污規(guī)律嘗試研究建立了一個經(jīng)驗模型。

當前，主流的第三代空氣質量模式考慮了大氣動力學與大氣化學間的雙向耦合，實現(xiàn)了多種污染物、多尺度的大氣污染模擬預報[ 37-39 ]。在現(xiàn)代三維空氣質量模式中引入霾顆粒在絕緣子表面的沉積過程的參數(shù)化方案，更真實合理地模擬霾污染物在絕緣子表面的沉積變化，是一個具有挑戰(zhàn)性且對能源安全具有極大應用價值的研究。

霾污染顆粒物在空氣中混合的過程，一部分受重力作用沉降到輸變電設備外絕緣設備上；還有一部分帶電粒子受到輸變電設備靜電場的吸引力而沉降到外絕緣設備上，這部分帶電粒子也是影響外絕緣設備運行狀態(tài)的一個重要因素，很大程度上影響了輸變電設備的污閃和損壞以及電磁波傳播[ 40 ]。目前，大氣顆粒物物理化學特性研究主要集中在其云凝結核(冰核)活化性，散射和吸收光學特性及危害人體健康的化學特性。此外，考慮大氣污染物危及電網(wǎng)安全，大氣顆粒物電學特性的研究也已起步。

自然和人為的因素可以改變大氣顆粒物的電性，比如空間里的宇宙射線、來自空氣和地表輻射性物質的輻射、閃電、電磁輻射、高溫放電和顆粒物間碰撞[ 41 ]，研究發(fā)現(xiàn)顆粒物的極性依賴于粒子粒徑分布，大粒子比小粒子更容易帶電[ 42 ]，有實驗用過濾介質測量PM2.5的帶電量[ 43 ]。當大氣顆粒物帶有電性時，粒子間的相互作用和粒子表面化學反應都會被影響，因此改變了凝聚、黏附、穩(wěn)定性這些物理屬性[ 41-42 ]。根據(jù)大氣顆粒物在風沙通量方面的研究，發(fā)現(xiàn)顆粒物的靜電力與重力相比后已經(jīng)不可忽略，靜電力明顯地改變著顆粒物的運送[ 42 ]。粒子的荷質比是一個描述帶電顆粒物屬性的重要參數(shù)，研究發(fā)現(xiàn)粒子的荷質比隨著高度呈指數(shù)性增長，荷質比由粒子碰撞數(shù)量、碰撞速度和直徑?jīng)Q定[ 40 ]。

2 問題與展望

目前，國內外已經(jīng)有許多關于絕緣子在常規(guī)天氣條件下積污及污閃特性的研究，大多關注傳統(tǒng)氣象條件、環(huán)境參數(shù)和絕緣子外形對積污特性的影響[ 44-46 ]，絕緣子在霾污染條件下的沉積吸附特性及其數(shù)值模型建立和模擬依然是大氣環(huán)境影響評估研究的難題?；谖覈袞|部霾污染的大氣環(huán)境研究現(xiàn)狀，針對霾污染對輸變電設備外絕緣影響，亟待從以下3個方面開展研究。

2.1 完善影響輸變電設備外絕緣的霾污染環(huán)境氣象綜合外場觀測

由于缺少系統(tǒng)的絕緣子積污觀測，導致防污閃領域現(xiàn)有研究成果難以定量表征霾污染特征參數(shù)與積污增長的關系，從而限制了霾影響下的輸變電設備外絕緣性能評估方法的深入研究和應用。霾污染的形成需要考慮大氣氣溶膠及其前體物的排放、氣粒轉化過程、氣溶膠的輸送、沉降等物理化學過程以及水汽的影響，因而需要在輸電線路沿路關鍵區(qū)域的霧霾污染中，對大氣污染化學成分、大氣顆粒物物理性質、電學和光學特征、氣象參數(shù)等進行綜合立體監(jiān)測，進而為霾污染對輸變電設備外絕緣影響機理和電力行業(yè)霾天氣預測預警提供基礎數(shù)據(jù)。

2.2 加強危及電網(wǎng)安全污染物大氣化學組分及電學特征的實驗分析

在線與離線顆粒物和氣體分析技術能夠確定典型霾污染事件中危及電網(wǎng)設備安全的顆粒污染物(如酸性氣溶膠)與污染氣體(如SO2和NOx)的生消過程及其時空變化規(guī)律。并利用同位素和分子標志物示蹤技術結合多元統(tǒng)計模型源解析方法解析不同污染物來源[ 47-48 ]及大氣細顆粒物和污染氣體的時空演變特征[ 49-50 ]。加深對霾污染物對絕緣材料影響與絕緣材料種類的研究，制定針對霾的材料設計標準，采用更有利于抵抗霾負面影響的絕緣材料。

2.3 發(fā)展針對輸變電設備外絕緣子的大氣污染物干濕沉降模型

以大氣動力學理論為基礎，基于對大氣物理和化學過程的理解，建立大氣污染物的排放、干濕沉降、化學轉換和動力輸送擴散數(shù)值模型[ 51 ]，借助計算機來模擬大氣污染物動態(tài)分布變化。由于數(shù)值模式的優(yōu)越性，這一空氣質量模式研發(fā)取得一系列顯著進展[ 52-61 ]。但其中的干濕沉降模型主要針對自然的下墊面，沒有考慮輸變電設備的大氣污染物沉降過程，限制了外絕緣子積污特性的模擬能力?；诖髿馕廴疚锏南到y(tǒng)外場觀測和實驗室物理化學分析，建立考慮了輸變電設備靜電吸附作用、污染物電學特性和大氣濕度變化的大氣顆粒物沉降參數(shù)化，發(fā)展針對輸變電設備外絕緣子的大氣污染物干濕沉降模型，將會改善空氣質量模式對外絕緣子積污模擬預測能力，極大地提升針對電網(wǎng)設備安全的霾污染預警預報水平。

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Research Progress on the Effects of Haze Pollution on Power Transmission Equipment External Insulation

HAO Jing- liang1, ZHAO Tian- liang1, GAO Song2, LI Jie2, WANG Yong- wei1

( 1. Key Laboratory for Aerosol- Cloud- Precipitation of China Meteorological Administration, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing,Jiangsu 210044, China; 2. Jiangsu Electric Power Company Research Institute, Nanjing, Jiangsu 211103, China)

Haze pollution mostly happens in the areas where demand a lot of electricity energy in China. The impact of haze on electric power security is an important issue on the harm of air pollution on the social economy. This paper reviewed the research process about effects of haze on power transmission equipment insulation. It focused on the summary of the index of haze’s effect on power transmission equipment external insulation, the harm on the external insulation and the study of deposition and adsorption on external insulation. It is pointed out that the comprehensive field observation of deposition of atmospheric particles on external insulation, the laboratory analysis of physical and chemical properties of sediments and numerical model development of deposition process are the urgent problems for future research.

Haze; Power transmission equipment; Insulation；Aerosol depositions

10.3969/j.issn.1674-6732.2017.04.002

2016-11-28；

2017-01-09

郝敬亮(1994—)，男，本科，從事大氣物理研究工作。

X51；TM721.1

A

1674- 6732(2017)04-0005-05